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地点地位:工控博客苑-- 蓝色天空-- 现场总线的分类和介绍

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李师长西席

     学历:年夜学专科
     职称:技术员
     春秋:40岁
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现场总线的分类和介绍

颁发评论(0)    公布时候:2010年4月6日  

    现场总线根本知识
    现场总线技术综述
   
    现场总线(Fieldbus)是80年代末、90年代初国际上生长构成的,用于过程主动化、制造主动化、楼宇主动化等范畴的现场智能装备互连通信收集。它作为工厂数字通信收集的根本,沟通了生产过程现场及节制装备之间及其与更高节制办理层次之间的联系。它不但是一个基层收集,并且还是一种开放式、新型全漫衍节制体系。这项以智能传感、节制、计较机、数字通信等技术为首要内容的综合技术,已承遭到世界范围的存眷,成为主动化技术生长的热点,并将导致主动化体系布局与装备的深切转变。国际上很多气力、有影响的公司都前后在不合程度上进行了现场总线技术与产品的开辟。现场总线装备的事情环境处于过程装备的底层,作为工厂装备级根本通信收集,请求具有和谈简朴、容错才气强、宁静性好、本钱低的特性。
   
   
    一般把现场总线体系称为第五代节制体系,也称作FCS--现场总线节制体系。人们一般把50年代前的气动旌旗灯号节制体系PCS称作第一代,把4~20mA等电动摹拟旌旗灯号节制体系称为第二代,把数字计较机集合式节制体系称为第三代,而把70年代中期以来的集散式漫衍节制体系DCS称作第四代。现场总线节制体系FCS作为新一代节制体系,一方面,冲破了DCS体系采取通信公用收集的范围,采取了基于公野蛮、标准化的处理计划,降服了封闭体系所酿成的缺点;另外一方面把DCS的集合与分离相连络的集散体系布局,变成了新型全漫衍式布局,把节制服从完整下放到现场。可以说,开放性、分离性与数字通信是现场总线体系最明显的特性。
   
   
    现场总线技术在历经了群雄并起,分离盘据的初始阶段后,固然已有必然范围的筹议归并,但至今还没有构成完整同一的国际标准。此中有较强气力和影响的有:FoudationFieldbus(FF)、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。它们具有各自的特性,在不合利用范畴构成了本身的上风。本文将在扼要描述现场总线技术特性的根本,紧扣体系的可靠性、合用性等,介绍现场总线收集布局、体系布局等关头技术及目前较为风行的几种有气力的现场总线技术的近况,最后阐述现场总线的生长趋势与技术瞻望。
   
   
   
    一、现场总线的技术特性
   
    1、体系的开放性。开放体系是指通信和谈公开,各不合厂家的装备之间可进行互连并实现信息互换,现场总线开辟者就是要努力于建立同一的工厂底层收集的开放体系。这里的开放是指对相关标准的分歧、公开性,夸大对标准的共鸣与顺从。一个开放体系,它可以与任何遵循不异标准的别的装备或体系相连。一个具有总线服从的现场总线收集体系必须是开放的,开放体系把体系集成的权力交给了用户。用户可按本身的需求和工具把来自不合供应商的产品构成年夜小随便的体系。
   
    2、互可操纵性与互用性,这里的互可操纵性,是指实现互连装备间、体系间的信息传送与沟通,可实施点对点,一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不合生产厂家的机能近似的装备可进行互换而实现互用。
   
    3、现场装备的智能化与服从自治性。它将传感测量、赔偿计较、工程量措置与节制等服从分离到现场装备中完成,仅靠现场装备便可完成主动节制的根基服从,并可随时诊断装备的运行状况。
   
    4、体系布局的高度分离性。因为现场装备本身已可完成主动节制的根基服从,使得现场总线已构成一种新的全漫衍式节制体系的体系布局。从底子上改变了现有DCS集合与分离相连络的集散节制体系体系,简化了体系布局,进步了可靠性。
   
    5、对现场环境的适应性。事情在现场装备前端,作为工厂收集底层的现场总线,是专为在现场环境事情而设想的,它可支撑双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等,具有较强的抗滋扰才气,能采取两线制实现送电与通信,并可满足本质宁静防爆请求等。
   
    2、现场总线的长处
   
    因为现场总线的以上特性,特别是现场总线体系布局的简化,使节制体系的设想、装置、投运到一般生产运行及其查验保护,都表现出优胜性。
   
   
    1、节流硬件数量与投资。因为现场总线体系平分离在装备前端的智能装备能直接履行多种传感、节制、报警和计较服从,因此可减少变送器的数量,不再需求伶仃的节制器、计较单位等,也不再需求DCS体系的旌旗灯号调度、转换、隔离技术等服从单位及其复杂接线,还可以用工控PC机作为操纵站,从而节流了一年夜笔硬件投资,因为节制装备的减少,还可减少节制室的占空中积。
   
    2、节流装置用度。现场总线体系的接线十分简朴,因为一对双绞线或一条电缆上凡是可挂接多个装备,因此电缆、端子、槽盒、桥架的用量年夜年夜减少,连线设想与讨论校订的事情量也年夜年夜减少。当需求增加现场节制装备时,无需增设新的电缆,可就近连接在原本的电缆上,既节流了投资,也减少了设想、装置的事情量。据相关典范实验工程的测算质料,可节俭装置用度60%以上。
   
   
    3、节流保护开消。因为现场节制装备具有自诊断与简朴毛病措置的才气,并经由过程数字通信将相关的诊断保护信息送往节制室,用户可以查询所有装备的运行,诊断保护信息,以便初期阐发毛病启事并疾速解除。收缩了保护歇工时候,同时因为体系布局简化,连线简朴而减少了保护事情量。
   
   
    4、用户具有高度的体系集成主动权。用户可以自由挑选不合厂商所供应的装备来集成体系。避免因挑选了某一品牌的产品被“框死”了装备的挑选范围,不会为体系集成中不兼容的和谈、接口而束手无策,使体系集成过程中的主动权完整把握在用户手中。
   
   
    5、进步了体系的精确性与可靠性。因为现场总线装备的智能化、数字化,与摹拟旌旗灯号比拟,它从底子上进步了测量与节制的精确度,减少了传送偏差。同时,因为体系的布局简化,装备与连线减少,现场仪表外部服从加强:减少了旌旗灯号的来回传输,进步了体系的事情可靠性。别的,因为它的装备标准化和服从模块化,因此还具有设想简朴,易于重构等长处。
   
   
      
    3、典范现场总线简介
   
    1、基金会现场总线
   
    基金会现场总线,即FoudationFieldbus,简称FF,这是在过程主动化范畴获得遍及支撑和具有杰出生长远景的技术。其前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首,结合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制定的ISP和谈和以Honeywell公司为首,结合欧洲等地的150家公司制定的WordFIP和谈。屈于用户的压力,这两年夜个人于1994年9月归并,建立了现场总线基金会,努力于开辟出国际上同一的现场总线和谈。它以ISO/OSI开放体系互连模型为根本,取其物理层、数据链路层、利用层为FF通信模型的呼应层次,并在利用层上增加了用户层。
   
    基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为3125Kbps,通信间隔可达1900m(可加中继器耽误),可支撑总线供电,支撑本质宁静防爆环境。H2的传输速率为1Mbps和2.5Mbps两种,其通信间隔为750m和500m。物理传输介质可支撑比绞线、光缆和无线发射,和谈适合IEC1158-2标准。其物理媒介的传输旌旗灯号采取曼彻斯特编码,每位发送数据的中间地位或是正跳变,或是负跳变。正跳变代表0,负跳变代表1,从而使串行数据位流中具有充足的定位信息,以保持发送两边的时候同步。领受方既可按照跳变的极性来判定数据的“1”、“0”状况,也可按照数据的中间地位切肯定位。
   
    为满足用户需求,Honeywell、Ronan等公司已开辟出可完成物理层和部分数据链路层和谈的公用芯片,很多仪表公司已开辟出适合FF和谈的产品,1总线已由过程a测试和β测试,完成了由13个不合厂商供应装备而构成的FF现场总线工厂实验体系。2总线标准也已构成。1996年10月,在芝加哥进行的ISA96博览会上,由现场总线基金会构造实施,向世界揭示了来自40多家厂商的70多种适合FF和谈的产品,并将这些漫衍在不合楼层展览年夜厅不合展台上的FF展品,用夺目标橙白色电缆,互连为七段现场总线演示体系,各展台现场装备之间可实地进行现场互操纵,揭示了基金会现场总线的成绩与技术气力。
   
    2、LonWorks
   
    LonWorks是又一具有微弱气力的现场总线技术,它是由美国Ecelon公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导,于1990年正式公布而构成的。它采取了ISO/OSI模型的全数七层通信和谈,采取了面向工具的设想体例,经由过程收集变量把收集通信设想简化为参数设置,其通信速率从300bps至15Mbps不等,直接通信间隔可到达2700m(78kbps,双绞线),支撑双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质,并开辟呼应的本安防爆产品,被誉为通用节制收集。
   
    LonWorks技术所采取的LonTalk和谈被封装在称之为Neuron的芯片中并得以实现。集成芯片中有3个8位CPU;一个用于完成开放互连模型中第1~2层的服从,称为媒体拜候节制措置器,实现介质拜候的节制与措置;第二个用于完成第3~6层的服从,称为收集措置器,进行收集变量措置的寻址、措置、背景诊断、函数途径挑选、软件计量时、收集办理,并卖力收集通信节制、收发数据包等;第三个是利用措置器,履行操纵体系办事与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区,以实现CPU之间的信息通报,并作为收集缓冲区和利用缓冲区。如Motorola公司生产的神经元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM。
   
    LonWorks技术的不竭奉行促进了神经元芯片的低本钱(每片代价约5~9美圆),而芯片的低本钱又返过去促进了LonWorks技术的奉行利用,构成了杰出循环,据Ecelon公司的有关质料,到1996年7月,已生产出500万片神经元芯片。LonWorks公司的技术战略是鼓动鼓励各OEM开辟商应用LonWorks技术和神经元芯片,开辟本身的利用产品,据称目前已有2600多家公司在不合程度上卷入了LonWorks技术:1000多家公司已推出了LonWorks产品,并进一步构造起LonWark互操纵协会,开辟奉行LonWorks技术与产品。它被遍及利用在楼宇主动化、家庭主动化、保安体系、办公装备、运输装备、产业过程节制等行业。为了支撑LonWorks与别的和谈和收集之间的互连与互操纵,该公司正在开辟各种网关,以便将LonWorks与以太网、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互连为体系。
   
    别的,在开辟智能通信接口、智能传感器方面,LonWorks神经元芯片也具有奇特的上风。LonWorks技术已被美国暖通工程师协会ASRE定为修建主动化和谈BACnet的一个标准。按照方才收到的动静,美国消耗电子制造商协会已经由过程决定,以LonWorks技术为根本制定了EIA-709标准。
   
    如许,LonWorks已建立了一套从和谈开辟、芯片设想、芯片制造、节制模块开辟制造、OEM节制产品、终究节制产品、分销、体系集成等一系列完整的开辟、制造、奉行、利用体系布局,吸收了数万家企业参与到这项事情中来,这对一种技术的奉行、利用有很年夜的促进感化。
   
    3、Profibus
    Profibus是作为德国国度标准DIN19245和欧洲标准prEN50170的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模型。由Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA构成了Profibus系列。DP型用于分离外设间的高速传输,适合于加工主动化范畴的利用。FMS意为现场信息标准,合用于纺织、楼宇主动化、可编程节制器、高压开关等一般主动化,而PA型则是用于过程主动化的总线范例,它顺从IEC1158-2标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采取了OSI模型的物理层、数据链路层,由这两部分构成了其标准第一部分的子集,DP型隐去了3~7层,而增加了直接数据连接拟合作为用户接口,FMS型只隐去第3~6层,采取了利用层,作为标准的第二部分。PA型的标准目前还处于制定过程当中,其传输技术顺从IEC1158-2
    (1)标准,可实现总线供电与本质宁静防爆。
    Porfibus支撑主—从体系、纯主站体系、多主多从异化体系等几种传输体例。主站具有对总线的节制权,可主动发送信息。对多主站体系来讲,主站之间采取令牌体例通报信息,获得令牌的站点可在一个事前规定的时候内具有总线节制权,同事前规定好令牌在各主站中循环一周的最长时候。按Profibus的通信标准,令牌在主站之间按地点编号依次,沿上行标的目标进行通报。主站在获得节制权时,可以按主—从体例,向从站发送或讨取信息,实现点对点通信。主站可采纳对所有站点播送(不请求应答),或有挑选地向一组站点播送。
    Profibus的传输速率为96~12kbps最年夜传输间隔在12kbps时为1000m,15Mbps时为400m,可用中继器耽误至10km。其传输介质可所以双绞线,也能够是光缆,最多可挂接
    127个站点。
   
    4、CAN
   
    CAN是节制收集ControlAreaNetwork的简称,最早由德国BOSCH公司推出,用于汽车外部测量与履行部件之间的数据通信。其总线标准现已被ISO国际标准构造制定为国际标准,获得了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支撑,已遍及利用在团圆节制范畴。
   
    CAN和谈也是建立在国际标准构造的开放体系互连模型根本上的,不过,其模型布局只需3层,只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶下层的利用层。其旌旗灯号传输介质为双绞线,通信速率最高可达1Mbps/40m,直接传输间隔最远可达10km/kbps,可挂接装备最多可达110个。CAN的旌旗灯号传输采取短帧布局,每帧的有效字节数为8个,因此传输时候短,受滋扰的概率低。当节点严峻错误时,具有主动封闭的服从以堵截该节点与总线的联系,使总线上的别的节点及其通信不受影响,具有较强的抗滋扰才气。
   
    CAN支撑多主体例事情,收集上任何节点均在肆意时刻主意向别的节点发送信息,支撑点对点、一点对多点和全局播送体例领受/发送数据。它采取总线仲裁技术,当呈现几个节点同时在收集上传输信息时,优先级高的节点可继续传输数据,而优先级低的节点则主动停止发送,从而避免了总线抵触。已有多家公司开产生产了适合CAN和谈的通信芯片,如Intel公司的82527,Motorola公司的MC68HC05X4,Philips公司的82C250等。另有插在PC机上的CAN总线接口卡,具有接口简朴、编程便利、开辟体系代价便宜等长处。
     5、HART
    HART是HighwayAddressableRemoteTransduer的缩写。最早由Rosemout公司开辟并获得80多家闻名仪表公司的支撑,于1993年景立了HART通信基金会。这类被称为可寻址长途传感高速通道的开放通信和谈,其特性是现有摹拟旌旗灯号传输线上实现数字通信,属于摹拟体系向数字体系转变过程中产业过程节制的过渡性产品,因此在以后的过渡期间具有较强的市场合作才气,获得了较好的生长。
   
    HART通信模型由3层构成:物理层、数据链路层和利用层。物理层采取FSK(FrequencyShiftKeying)技术在4~20mA摹拟旌旗灯号上迭加一个频次旌旗灯号,频次旌旗灯号采取Bell202国际标准;数据传输速率为1200bps,逻辑“0”的旌旗灯号频次为2200Hz,逻辑“1”的旌旗灯号传输频次为1200Hz。数据链路层用于按HART通信和谈法则建立HART信息格局。其信息构成包含开首码、显现终端与现场装备地点、字节数、现场装备状况与通信状况、数据、奇偶校验等。其数据字节布局为1个肇端位,8个数据位,1个奇偶校验位,1个停止位。利用层的感化在于使HART指令付诸实现,即把通信状况转换成呼应的信息。它规定了一系列号令;按号令体例事情。它有3类号令,第一类称为通用号令,这是所有装备了解、履行的号令;第二类称为一般行动号令,它所供应的服从可以在很多现场装备(固然不是全数)中实现,这类号令包含最常常利用的现场装备的服从库;第三类称为特别装备号令,以便在某些装备中实现特别服从,这类命既可以在基金会中开放利用,又可以为开辟此号令的公司所独占。在一个现场装备中凡是可发明同时存在这3类号令。HART支撑点对点主从应答体例和多点播送体例。按应承诺体例事情时的数据更新速率为2~3次/s,按播送体例事情时的数据更新速率为3~4次/s,它还可支撑两个通信主装备。总线上可挂装备数多达15个,每个现场装备可有256个变量,每个信息最年夜可包含4个变量。最年夜传输间隔3000m,HART采取同一的装备描述说话DDL。现场装备开辟商采取这类标准说话来描述装备特性,由HART基金会卖力登记办理这些装备描述并把它们编为装备描述字典,主装备应用DDL技术,来了解这些装备的特性参数而没必要为这些装备开辟公用接口。但因为这类摹拟数字混旌旗灯号制,导致难以开辟出一种能满足各公司请求的通信接口芯片。HART能操纵总线供电,可满足本安防爆请求。
   
    6、RS-485
   
    固然RS-485不克不及称为现场总线,但是作为现场总线的鼻祖,另有很多装备继续相沿这类通信和谈。采取RS-485通信具有装备简朴、低本钱等上风,仍有必然的生命力。以RS-485为根本的OPTO-22号令集等也在很多体系中获得了遍及的利用。
   
    4、现场总线技术瞻望与生长趋势
   
    生长现场总线技术已成为产业主动化范畴广为注的核心课题,国际上现场总线的研究、开辟,使测控体系突破了持久封闭体系的监禁,走上开放生长的征程,这对我国现场总线节制体系的生长是个极好的机遇,也是一次严峻的应战。现场总线技术是节制、计较机、通信技术的交叉与集成,触及的内容十分遍及,笔者以为应不失时机地抓好我国现场总线技术与产品的研究与开辟。主动化体系的收集化是生长的年夜趋势,现场总线技术受计较机收集技术的影响是十分深切的。现在收集技术一日千里,生长十分迅猛,一些具有重年夜影响的收集新技术必将进一步畅通领悟到现场总线技术当中,这些具有生长远景的现场总线技术有:智能仪表与收集装备开辟的软硬件技术;组态抗术,包含收集拓扑布局、收集装备、网段互连等;收集办理技术,包含收集办理软件、收集数据操纵与传输;人机接口、软件技术;现场总线体系集成技术。现场总线属于尚在生长当中的技术,我国在这一技术范畴还方才起步,体味国际上该项技术的近况与生长意向,对我国相关行业的生长,对主动化技术、装备的更新,无疑具有首要的感化。团体说来,主动化体系与装备将朝着现场总线体系布局的标的目标进步,这一生长趋势是必定的。既然是总线,就要向着趋于开放同一的标的目标生长,成为年夜家都遵循的标准标准,但因为这一技术所触及的利用范畴十分遍及,几近覆盖了所有持续、团圆产业范畴,如过程主动化、制造加工主动化、楼半主动化、家庭主动化等等。年夜千世界,浩繁范畴,需求各别,一个现场总线体系下可能不止包容单一的标准。别的,从以上介绍也能够看出,几年夜技术均具有本身的特性,已在不合利用范畴构成了本身的上风。加上贸易好处的差遣,它们都各自正在十分狠恶的市场合作中求得生长。有来由以为:在从现在起的将来10a内,可能呈现几年夜总线标准共存,乃至在一个现场总线体系内,几种总线标准的装备经由过程路由网关互连实现信息共享的场合排场。在持续过程主动化范畴内,此后10a内,FF基金会现场总线将成为主流生长趋势,LonWorks将成为有力的合作敌手,HART作为过渡性产品也能有必然的市场。这3种技术是从这一范畴的产业需求解缆,其用户层的各种服从是专业持续过程设想的,并且充分考虑到持续产业的利用环境,如支撑总线供电,可满足本质宁静防爆请求等。别的,FF基金会几近集合了世界上首要主动化仪表制造商;LonWorks构成了全面的合作合作体系。这些身分对成为这一范畴的主流技术是十分关头的。因为HART建立在目前遍及采取的摹拟体系之上,它可以充分赐顾帮衬到现有装备和已有投资的效益,技术上也充分考虑持续过程利用环境的需求。目前它已据有必然的市场份额,其技术本身还在不竭完美与更新,如进步传输速率等。目前国外HART仪表的市场份额还在不竭增加,呈上升趋势,但是它究竟成果是过渡性产品,其保存周期不会很长。海内则因为很多项目都是新项目,所以对兼容性的考虑较少,而对先进性的考虑较多,信赖HART在海内的市场份额不会很年夜。海内市场与国外市场会有比较年夜的差别。一方面国外市场上占上风的产品会不竭渗入到海内;另外一方面,因为海内厂商的范围相对较小,研发才气较差,更多的是依靠技术供应商的支撑,比较容易受现场总线技术供应商(芯片制造商等)对海内的支撑和市场奉行力度的影响。海内目前仅LonWorks技术有本色性的市场活动,所以年夜部分海内厂商将起首将接管LonWorks技术。固然FF号称仪器仪表行业的将来标准,但是因为没有明白的市场战略和在海内的主动的市场活动,市场份额将会遭到很年夜影响。并且究竟表白,所有的现场总线基金会(FF)会员在研制适合FF标准的同时,都同时推出采取LonWorks技术的利用,因而可知LonWorks技术的生命力十分固执。在团圆制造加工范畴,因为行业利用的特性和汗青启事,其主流技术会有一些不同。Profibus和CAN在这一范畴具有较强的合作力。他们已在这一范畴构成了本身的上风。
   
    在楼宇主动化、家庭主动化、智能通信产品等方面,LonWorks则具有奇特的上风。因为LonWorks技术的特性,在多样化节制体系的利用大将会有较年夜的生长。
   
    现场总线技术的鼓起,斥地了工厂底层收集的新六合。它将促进企业收集的疾速生长,为企业带来新的效益,因此会获得遍及的利用,并鞭策主动化相关行业的生长。
   
 

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