現場總線技術的發(fā)展與應用

　　2.3現場總線的技術基礎：

　　現場總線以數字信號取代模擬信號，在3C技術即計算機（Computer）、控制（Control）、通信（Communication）的基礎上，大量現場檢測與控制的信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移至現場設備，一大批數字化、智能化的高新技術產品應運而生，自動化儀表與控制系統(tǒng)以嶄新的面貌呈現在廣大用戶面前。一般認為“現場總線是一種全數字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，是用于工業(yè)控制的計算機系統(tǒng)的工業(yè)總線。按照國際電工委員會IEC61158的標準定義：“安裝在制造和過程區(qū)域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線稱為現場總線。

　　從現場總線控制系統(tǒng)（FCS，Fieldbus Control System）的角度來看，它的通訊網絡結構將是ISO的通訊模型的七層結構（一般簡化為三層，物理層、數據鏈路層、應用層）。

　　2.4各種現場總線與標準

　　2.4.1 IEC 1984年提出現場總線國際標準的草案。1993年才通過了物理層的標準IEC1158－2。

　　2.4.2 SP50 IEC/ISA SP50國際總線規(guī)范由Honeywell等公司共同開發(fā)。1984年美國儀表協會ISA（Instrument Society of America）下屬的標準實施（Standard and Practice）第50組，簡稱ISA/SP50開始制定現場總線標準，1992年IEC批準了SP50的物理層標準。

　　2.4.3 Profibus,過程現場總線，1987年德國聯邦科技部集中了Siemens等13家公司的5個研究所成立了一個專門委員會開始制定Profibus。1991年4月完成了制定工作，在DIN19245中發(fā)表，對其進行了論述從而正式為德國現場總線的國家標準，現在是歐洲標準pr ENS50170的三個組成部分之一。被工業(yè)界稱為“德國派”。

　　2.4.4 ISP和ISPF 1992年由Siemens,Foxboro,Rosemount,Fisher,Yokogawa,ABB等公司成立ISP組織（Interoperable System Project,可互操作系統(tǒng)規(guī)劃），是一個以Profibus為基礎制定的現場總線，1993年成立ISPF（ISP Foundation,ISP基金會）。

　　2.4.5 World FIP工廠儀表世界協議，1993年由Honeywell,Bailey等公司牽頭成立FIP（Factory Instrumentation Protocol），120家公司加盟，以法國標準46－602/603/604/606為基礎制定.該標準與德國的Profibus同時在歐洲投票通過為歐洲標準pr EN50170,成為三個組成部分之一。被工業(yè)界稱為“法國派”。

　　2.4.6 FF（Fielbdus Foundation,現場總線基金會）1994年6月ISPF和World FIP握手言和成立了FF，總部設在美國Texas州的Austin，有會員120家，它是一個非商業(yè)化的公正的國際標準化組織和協會組織，無專利許可要求，供任何人使用（World FIP的歐洲部分在1995年3月才參加）。低速總線H1已進入實用階段。FF發(fā)展的主要障礙來自Profibus的商業(yè)利益。

　　2.5幾種有影響的現場總線

　　2.5.1 CAN 由德國Robert Basch以及幾個集成電路制造商一起開發(fā)，最初是專門為汽車工業(yè)設計，后來推廣到各個領域.目前已由ISO/TC22技術委員會批準為ISO11898（通信速率小于1Mbps）和ISO11519（通信速率小于等于125kbps）。CAN是現場總線中唯一被批準為國際標準的現場總線。值得注意的是一些微處理器的生產商也在微處理器芯片中附加CAN的接口，并且成為一種潮流。而其他現場總線的協議芯片基本上是以專用的芯片來供應，這樣CAN在低成本方面優(yōu)勢明顯，此外CAN技術在抗干擾技術方面頗有特色。

　　2.5.2 LON works（Local Operation Network）局部操作網絡；1991年3月由美國的Echelon公司推出，是一種“智能網”，核心技術是節(jié)點由神經元芯片（含三個CPU）構成，帶有OSI的七層網模型，適應面最廣，開發(fā)工具約10－30萬，價格較貴。據統(tǒng)計產品的40％用于工業(yè)控制，30％用于樓宇自動化。

　　2.5.3 Hart和HCF 1986年由Rosemount提出的通訊協議HART（Highway Addressable Remote Transducer,可尋址遠程傳感器數據通路），主要是在4－20mA的DC信號上疊加FSK（Frequency Shift Keying，頻率調制鍵控）數字信號，是現場總線的過渡性協議，它對于現場總線的形成有重大影響，但是在電器行中發(fā)展的可能性很小。

　　2.5.4一些可能對電器行業(yè)產生影響的低層次的現場總線：如：Bitbus,Interbus,AS－Interface,DEVICE Net,VXL等等。

　　3.多現場總線技術

　　目前，在一些工程中通常的做法是在某種現場總線的基礎上開發(fā)能連接其他公司現場總線的接口產品。由于現場總線國際標準尚未建立，多種類型的現場總線枚不勝數，需要開發(fā)大量的接口產品才能滿足不同工程需要。如果僅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS－DP、MODBUS五種著名現場總線為例，要使它們中任意兩種不同現場總線能統(tǒng)一于一個智能化配電系統(tǒng)中，僅是協議轉換器這種接口產品就要有二十種之多，如果一個系統(tǒng)中有三種或三種以上不同現場總線產品，那麻煩則更大。不少企業(yè)，包括一些國際上的大公司為了解決來自不同廠家的產品兼容性問題，都投入了巨大的精力和財力，但成效甚微。

　　 隨著自動化技術和通信技術的發(fā)展，帶有通信接口的產品應用量越來越大，而且隨著用戶對智能化控制系統(tǒng)可靠性和靈活性的更高要求，加上各現場總線本身的特點以及相關的產品品種繁多，因此在智能化配電系統(tǒng)工程設計中，采用一種現場總線總線的智能化產品往往不能滿足應用的全面要求，多現場總線產品共存于一個智能化控制系統(tǒng)已成為一個現實的問題。

　　由于多現場總線系統(tǒng)中不同類型的產品均配專用的通信協議，有的廠家還專門為自己的產品開發(fā)了專用的通信卡、通信控制器等專用設備，因此，整個系統(tǒng)中的產品由于通信協議不同無法直接和主控單元進行通信，這嚴重防礙智能自動化控制系統(tǒng)設計中對智能設備的選擇。對應用而言,如果在一個智能化控制系統(tǒng)中每一種智能化產品均選擇其專用的通信卡或通信控制器，一個智能化控制系統(tǒng)將變得支離破碎，組態(tài)性和靈活性均較差，使得系統(tǒng)的性能價格比不高，而且在系統(tǒng)進行改造或升級時，將要花費用戶更多的時間和費用。因此，多現場總線技術在一個智能化控制系統(tǒng)中的應用已成為一個重要的研究課題。

　　對于智能化自動化控制領域來說，它的現場總線有一定的特殊性。同時它又不能完全脫離上層現場總線。對于智能化控制系統(tǒng)的現場總線網絡，特別是過程自動化系統(tǒng)將不得不面對幾個現場總線其原因是：

　　3.1實際上過程自動化控制系統(tǒng)和高中壓電網控制系統(tǒng)存在各種不同的現場總線。

　　3.2建筑自動化系統(tǒng)在推廣Lonworks現場總線，用于智能大廈。

　　3.3FF有國家的大力支持，也許是重要的發(fā)展方向。

　　3.4CAN的價格優(yōu)勢對低壓電器有很大的吸引力。

　　3.5Profibus已經有了不少應用。這是一個需要認真考慮的現實。

　　智能化召開系統(tǒng)現場總線網絡是個多層次的網絡, IEC62026本身就包含各種現場總線。IEC62026明確表示了高層的工業(yè)通訊網絡由IEC/SC65C考慮。FCS，現場總線控制系統(tǒng)的一個重要的發(fā)展方向是多層次的網絡結構；向下連接低層次的現場總線，智能化控制系統(tǒng)現場總線網絡需要多層次的網絡。而智能設備需要非常靈活地與各種總線、控制對象等的配合控制和交換信息。實現各種總線相互間的轉換也是解決現場總線之爭的途徑之一。

　　目前，在一些工程設計中通常的做法是在某種現場總線的基礎上開發(fā)能連接其他公司現場總線的接口產品。由于現場總線國際標準尚未建立，多種類型的現場總線枚不勝數，需要開發(fā)大量的接口產品才能滿足不同工程需要。如果僅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS－DP、MODBUS五種著名現場總線為例，要使它們中任意兩種不同現場總線能統(tǒng)一于一個智能化配電系統(tǒng)中，僅是協議轉換器這種接口產品就要有二十種之多，如果一個系統(tǒng)中有三種或三種以上不同現場總線產品，其技術復雜程度和管理、維護、擴展等因素都是影響現場總線在智能化控制系統(tǒng)中推廣應用，國際上的個大公司為了解決來自不同廠家的產品兼容性問題，都投入了巨大的精力和財力，但成效甚微。

　　針對上述在智能化控制系統(tǒng)開發(fā)中遇到的實際問題，在工程中的解決方案是做一個統(tǒng)一而簡單的子網：一個簡單的子網可能解決自動化控制系統(tǒng)的大部分控制問題。各智能化設備的各種現場總線接口的配合可以通過相應的協議芯片來解決。統(tǒng)一的子網可能使整個行業(yè)的開發(fā)成本最低，開發(fā)速度最快。為此提出了通用型現場總線協議控制器這種全面的解決方案，通過硬件和軟件的方法共同對現場總線協議進行處理，解決智能化控制系統(tǒng)中多現場總線的兼容性問題，其目的是為了能將不同現場總線的產品和諧地融入一個系統(tǒng)中，充分發(fā)揮不同產品的長處，為那些希望使用不同廠家優(yōu)質產品的用戶提供更大的靈活性。

　　通用型現場總線協議控制器是現場級的通用通信管理設備，由它把各個現場設備連成網絡，并負責現場設備與上位機之間的信息傳遞。由于其是通用性的，只需通過相應的CPU及接口電路和軟件就可以完成多種現場總線協議的轉換，實現與不同廠家的現場設備進行通信。

　　4.現場總線協議控制器

　　通用型現場總線協議控制器是采用模塊化結構和多CPU工作方式來設計的，因為模塊化的結構可以使系統(tǒng)有較強的擴展能力，為系統(tǒng)將來的升級換代帶來便利。

　　通用型現場總線協議控制器主要由底板和插卡組成，其中底板帶有電源以及擴展槽、固定支架、系統(tǒng)總線、信號線構成。插卡分三種，分別為主控板、協議板、接口板，其中主控板和協議板帶CPU。主控板負責管理整個系統(tǒng)以及與上位機的通信，通用型現場總線協議控制器通過RS232接口與上位機連接，主控板通過它與上位機進行信息交換，主要包括：管理系統(tǒng)總線，給協議板和接口板分配系統(tǒng)資源，與協議板進行信息交換，對來自協議板的數據進行處理，等待上位機提取。協議板是通用型現場總線協議控制器的關鍵部分，所有與現場設備的通信都由它完成。協議板可以提供多種現場總線協議，一般一塊協議板只能進行一種現場總線協議的通信。接口板從屬于某一協議板，為協議板提供通信接口。用戶可以根據實際情況進行選擇，接口種類有RS232、RS422、RS485等。通用型現場總線協議控制器與上位機以及與現場設備的通信都采用串行方式，而通信控制器內部各插卡之間通過系統(tǒng)總線來完成。其中主控板與各協議板的通信采用主從式。主控板通過系統(tǒng)總線分別與協議板進行通信，各協議板之間不能進行通信。

　　通信過程如下：主控板在系統(tǒng)總線上，通過廣播方式發(fā)送協議板號來呼叫與之通信的協議板，每塊協議板上有協議板號識別電路，只有與發(fā)送的協議板號相符的協議板才響應主控板，從而實現主控板與協議板的通信。當用戶增加新的協議設備時，不必改動硬件，只需在增加的新的協議板上設置好協議板號，并在上位機的組態(tài)中添加相應的系統(tǒng)信息存入計算機即可。協議板和接口之間的信息傳遞通過系統(tǒng)中的局部總線來完成。

　　5.智能化配電系統(tǒng)

　　智能化配電系統(tǒng)由配各種智能化開關柜的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件包括各種智能化開關柜、通用型現場總線協議控制器、上位控制計算機。軟件由主控程序、通訊界面和人機界面三部分組成。根據以上硬件設備的配置情況，在上位機上輸入系統(tǒng)配置信息，通過串行口傳遞給控制器主板。主控板將系統(tǒng)配置信息分類傳遞給各協議板，各協議板收到系統(tǒng)信息后與所屬硬件設備進行通信，將采集到的數據經主控板傳送到上位機，并通過主控板接受上位機命令。

　　5.1通訊功能

　　5.1.1遙訊功能：現場總線協議控制器向上站機報送斷路器現時的各項保護參數。

　　5.1.2遙測：現場總線協議控制器向上位機報送工作參數、故障參數，達到上位機對電力電網系統(tǒng)遙測的目的。

　　5.1.3遙調：現場總線控制器接收上位機的遙調參數來改變斷路器中智能型脫扣器的保護特性參數來達到改變電力電網干路參數設定值的目的

　　5.1.4遙控：現場總線控制器接收上位機的控制信號來實現電力電網計算機控制系統(tǒng)的遙控功能。

　　5.2網絡結構：

　　5.2.1數據通信網絡的結構為一點對多點的由上位機主呼的主從網結構（現場總線型）。

　　5.2.2通訊方式廣播應答方式，半雙工類型

　　4.2.3硬件接口電路類型：RS－485、RS—232、RS—422接口電器，（具有瞬態(tài)保護或隔離型）

　　5.2.4通訊線路UTP雙絞線，8芯（4對），五類通訊線，（在干擾嚴重的工業(yè)環(huán)境或線路與電力線一同敷設時可選用屏蔽線STP）

　　5.2.5上位機：中央處理器應為586以上。若上位機處于干擾嚴重的工業(yè)環(huán)境中，則應選用工控機機型。

　　6.結束語

　　現場總線作為自動化領域的一次革命，它的意義和產生的效益是非常巨大的。積極開展各種現場總線技術的研究和應用，特別是加強對于一些已有成功經驗的現場總線在智能化控制系統(tǒng)中的開發(fā)與應用，對于開電氣設備制造廠家來說可以避免很多彎路和資源浪費，是適合我國國情的一個實用的發(fā)展途徑。

　　智能化控制系統(tǒng)采用多現場總線技術，全中文操作界面，具有很高的通用性和靈活性以及較低的成本，使其具有非常高性能價格比，可以使用戶方便、靈活地構成一個實用可靠的智能化控制系統(tǒng)，其優(yōu)良的可擴展性使其能夠適應通信技術發(fā)展的潮流，滿足不同用戶的需要。