現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

　　現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的定義

　　現(xiàn)場總線是順應(yīng)智能現(xiàn)場儀表而發(fā)展起來的一種開放型的數(shù)字通信技術(shù)，其發(fā)展的初衷是用數(shù)字通信代替一對(duì)一的I/O連接方式，把數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場。根據(jù)IEC和美國儀表協(xié)會(huì)ISA的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，它的關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通信。

　　隨著現(xiàn)場總線技術(shù)與智能儀表管控一體化(儀表調(diào)校、控制組態(tài)、診斷、報(bào)警、記錄)的發(fā)展，這種開放型的工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了新一代的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(簡稱FCS)。FCS作為新一代控制系統(tǒng)，采用了基于開放式、標(biāo)準(zhǔn)化的通信技術(shù)，突破了DCS采用專用通信網(wǎng)絡(luò)的局限；同時(shí)還進(jìn)一步變革了DCS中“集散”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，形成了全分布式系統(tǒng)架構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。

　　簡而言之，現(xiàn)場總線將把控制系統(tǒng)最基礎(chǔ)的現(xiàn)場設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接起來，實(shí)現(xiàn)自下而上的全數(shù)字化通信，可以認(rèn)為是通信總線在現(xiàn)場設(shè)備中的延伸，把企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍延伸到了工業(yè)現(xiàn)場。

　　現(xiàn)場總線的技術(shù)特征

　　傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場儀表和控制器之間均采用一對(duì)一的物理連接。這種傳輸方式一方面要給現(xiàn)場安裝、調(diào)試及維護(hù)帶來困難，另一方面難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場儀表的在線參數(shù)整定和故障診斷，無法實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場儀表的實(shí)際情況，使得處于最底層的模擬變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。

　　現(xiàn)場總線采用數(shù)字信號(hào)傳輸，允許在一條通信線纜上掛接多個(gè)現(xiàn)場設(shè)備，而不再需要A/D、D/A等I/O組件。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時(shí)，現(xiàn)場儀表可就近連接在原有的通信線上，無需增設(shè)其它任何組件。

　　從結(jié)構(gòu)上看，DCS實(shí)際上是“半分散”、“半數(shù)字”的系統(tǒng)，而FCS采用的是一個(gè)“全分散”、“全數(shù)字”的系統(tǒng)架構(gòu)。FCS的技術(shù)特征可以歸納為以下幾個(gè)方面：①全數(shù)字化通信――現(xiàn)場信號(hào)都保持著數(shù)字特性，現(xiàn)場控制設(shè)備采用全數(shù)字化通信。②開放型的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)――可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。③互可操作性與互用性――互操作性的含義是指來自不同制造廠的現(xiàn)場設(shè)備可以互相通信、統(tǒng)一組態(tài)；而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互用。④現(xiàn)場設(shè)備的智能化――總線儀表除了能實(shí)現(xiàn)基本功能之外，往往還具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)分析及故障自診斷功能，系統(tǒng)可以隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。⑤系統(tǒng)架構(gòu)的高度分散性――它可以把傳統(tǒng)控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，構(gòu)成一種全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

　　現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)化概況

　　現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了十多年的紛爭，1999年8月形成了一個(gè)由8個(gè)類型組成的IEC61158現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，分別是：TS61158、ControlNet、PROFIBUS、P－Net、FF－HSE、SwiftNet、WorldFIP和Interbus。IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)只是一種模式，它不改變各組織專有的行規(guī)，各種類型都是平等的，其中Type2～Type8需要對(duì)Type1提供接口，而標(biāo)準(zhǔn)本身不要求Type2～Type8之間提供接口，目的就是為了保護(hù)各自的利益。2001年8月制定出由10種類型現(xiàn)場總線組成的第三版現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，在原來8種現(xiàn)場總線基礎(chǔ)上增加FFH1和PROFInet。

　　歸納起來，P－Net和SwiftNe是用于有限領(lǐng)域的專用現(xiàn)場總線，ControlNet、PROFIBUS、WorldFIP和Interbus是由PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)發(fā)展起來的現(xiàn)場總線，F(xiàn)FH1和HSE是由傳統(tǒng)DCS發(fā)展起來的現(xiàn)場總線，總線功能較為復(fù)雜和全面，它們是IEC推薦的國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。目前在樓宇自控領(lǐng)域，Lonworks和CAN總線具有一定的優(yōu)勢；在過程自動(dòng)化領(lǐng)域，過渡型的HART協(xié)議也將是近期內(nèi)智能化儀表主要的過渡通信協(xié)議。相比較而言，F(xiàn)F和PROFIBUS是過程自動(dòng)化領(lǐng)域中最具競爭力的現(xiàn)場總線，它們得到了眾多著名自動(dòng)化儀表設(shè)備廠商的支持，也具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。

　　基金會(huì)現(xiàn)場總線

　　按照基金會(huì)總線組織的定義，F(xiàn)F總線是一種全數(shù)字、串行、雙向傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，是一種能連接現(xiàn)場各種現(xiàn)場儀表的信號(hào)傳輸系統(tǒng)，其最根本的特點(diǎn)是專門針對(duì)工業(yè)過程自動(dòng)化而開發(fā)的，在滿足要求苛刻的使用環(huán)境、本質(zhì)安全、總線供電等方面都有完善的措施。為此，有人稱FF總線為專門為過程控制設(shè)計(jì)的現(xiàn)場總線。

　　在FF協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中，F(xiàn)F分為低速H1總線和高速H2總線。H1主要針對(duì)過程自動(dòng)化，傳輸速率31.25Kbps，傳輸距離可達(dá)1900m（可采用中繼器延長），支持總線供電和本質(zhì)安全防爆。高速總線協(xié)議H2主要用于制造自動(dòng)化，傳輸速率分為1Mbps和2.5Mbps兩種。但原來規(guī)劃的H2高速總線標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在已經(jīng)被現(xiàn)場總線基金會(huì)所放棄，取而代之的是基于以太網(wǎng)的高速總線HSE。

　　FF總線的通信模型

　　為了實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的開放性，F(xiàn)F通信模型參考了OSI模型。

　　H1總線的通信模型包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，并在其上增加了用戶層。物理層采用了IEC61158-2的協(xié)議規(guī)范；數(shù)據(jù)鏈路層DLL規(guī)定如何在設(shè)備間共享網(wǎng)絡(luò)和調(diào)度通信，通過鏈路活動(dòng)調(diào)度器LAS來管理現(xiàn)場總線的訪問；應(yīng)用層則規(guī)定了在設(shè)備間交換數(shù)據(jù)、命令、事件信息以及請(qǐng)求應(yīng)答中的信息格式。H1的應(yīng)用層分為兩個(gè)子層――總線訪問子層FAS和總線報(bào)文規(guī)范子層FMS，功能塊應(yīng)用進(jìn)程只使用FMS，F(xiàn)AS負(fù)責(zé)把FMS映射到DLL。用戶層則用于組成用戶所需要的應(yīng)用程序，如規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的功能快、設(shè)備描述等。不過，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層往往被看作為一個(gè)整體，統(tǒng)稱為通信棧。

　　HSE采用了基于Ethernet和TCP/IP的六層協(xié)議結(jié)構(gòu)的通信模型。其中，一～四層為標(biāo)準(zhǔn)的Internet協(xié)議；第五層是現(xiàn)場設(shè)備訪問會(huì)話，為現(xiàn)場設(shè)備訪問代理提供會(huì)話組織和同步服務(wù)；第七層是應(yīng)用層，也劃分為FMS和現(xiàn)場設(shè)備訪問FDA二個(gè)子層，其中FDA的作用與H1的FAS相類似，也是基于虛擬通信關(guān)系為FMS提供通信服務(wù)。

　　H1總線協(xié)議

　　H1總線的物理層根據(jù)IEC和ISA標(biāo)準(zhǔn)定義，符合ISAS50.02物理層標(biāo)準(zhǔn)、IEC1158-2物理層標(biāo)準(zhǔn)以及FF-81631.25Kbps物理層行規(guī)規(guī)范。當(dāng)物理層從通信棧接收?qǐng)?bào)文時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)幀加上前導(dǎo)碼和定界碼，并對(duì)其實(shí)行數(shù)據(jù)編碼，再經(jīng)過發(fā)送驅(qū)動(dòng)器把所產(chǎn)生的物理信號(hào)傳送到總統(tǒng)的傳輸媒體上。相反，在接收信號(hào)時(shí)，需要進(jìn)行反向解碼。

　　現(xiàn)場總統(tǒng)采用曼徹斯特編碼技術(shù)將數(shù)據(jù)編碼加載到直流電壓或電流上形成“同步串行信號(hào)”。前導(dǎo)碼是一個(gè)8位的數(shù)字信號(hào)10101010，接收器采用這一信號(hào)同步其內(nèi)部時(shí)鐘。起始界定碼和結(jié)束界定碼標(biāo)明了現(xiàn)場總線信息的起點(diǎn)和終點(diǎn)，長度均為8個(gè)時(shí)鐘周期，二者都是由“0”、“1”、“N+”、“N－”按規(guī)定的順序組成。

　　表示了H1總線的配置思想，總線兩端分別連接一個(gè)終端器，形成對(duì)31.25KHz信號(hào)的通帶電路。發(fā)送設(shè)備產(chǎn)生的信號(hào)是31.25KHz、峰峰值為15～20mA的電流信號(hào)；傳送給相當(dāng)于50Ω的等效負(fù)載，產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制在直流電源電壓上的0.75～1V的峰峰電壓。H1支持總線供電和非總線供電二種方式。

　　通信棧包括數(shù)據(jù)鏈路層DLL、現(xiàn)場總線訪問子層FAS和現(xiàn)場總線報(bào)文規(guī)范FMS三部分。

　　DLL最主要的功能是對(duì)總線訪問的調(diào)度，通過鏈路活動(dòng)調(diào)度器LAS來管理總線的訪問，每個(gè)總線段上有一個(gè)LAS。H1總線的通信分為受調(diào)度/周期性通信和非調(diào)度/非周期性通信二類。前者一般用于在設(shè)備間周期性地傳送測量和控制數(shù)據(jù)，其優(yōu)先級(jí)最高，其它操作只在受調(diào)度傳輸之間進(jìn)行。

　　FAS子層處于FMS和DLL之間，它使用DLL的調(diào)度和非調(diào)度特點(diǎn)，為FMS和應(yīng)用進(jìn)程提供報(bào)文傳遞服務(wù)。FAS的協(xié)議機(jī)制可以劃為三層：FAS服務(wù)協(xié)議機(jī)制、應(yīng)用關(guān)系協(xié)議機(jī)制、DLL映射協(xié)議機(jī)制，它們之間及其與相鄰層的關(guān)系如圖4-6所示。FAS服務(wù)協(xié)議機(jī)制負(fù)責(zé)把發(fā)送信息轉(zhuǎn)換為FAS的內(nèi)部協(xié)議格式，并為該服務(wù)選擇一個(gè)合適的應(yīng)用關(guān)系協(xié)議機(jī)制。應(yīng)用關(guān)系協(xié)議機(jī)制包括客戶/服務(wù)器、報(bào)告分發(fā)和發(fā)布/接收三種由虛擬通信關(guān)系VCR來描述的服務(wù)類型，它們的區(qū)別主要在于FAS如何應(yīng)用數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行報(bào)文傳輸。DLL映射協(xié)議機(jī)制是對(duì)下層即數(shù)據(jù)鏈路層的接口。它將來自應(yīng)用關(guān)系協(xié)議機(jī)制的FAS內(nèi)部協(xié)議格式轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)鍵路層DLL可接受的服務(wù)格式，并送給DLL，反之亦然。

　　FMS描述了用戶應(yīng)用所需要的通信服務(wù)、信息格式和建立報(bào)文所必需的協(xié)議行為。針對(duì)不同的對(duì)象類型，F(xiàn)MS定義了相應(yīng)的FMS通信服務(wù)，用戶應(yīng)用可采用標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文格式集在現(xiàn)場總線上相互發(fā)送報(bào)文。

　　用戶層定義了標(biāo)準(zhǔn)的基于模塊的用戶應(yīng)用，使得設(shè)備與系統(tǒng)的集成與互操作更加易于實(shí)現(xiàn)。用戶層由功能塊和設(shè)備描述語言兩個(gè)重要的部分組成。

　　FF總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

　　FF現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔容^靈活，通常包括點(diǎn)到點(diǎn)型拓?fù)洹⒖偩€型拓?fù)?、菊花鏈型拓?fù)?、樹型拓?fù)湟约斑@多種拓?fù)浣M合在一起構(gòu)成的混會(huì)型結(jié)構(gòu)。其中，總線線型和樹型拓?fù)湓诠こ讨惺褂幂^多。在總線型結(jié)構(gòu)中，總線設(shè)備通過支線電纜連接到總線段上，支線長度一般小于l20米，適用于現(xiàn)場設(shè)備物理分布比較分散、設(shè)備密度較低的應(yīng)用場合，分支上現(xiàn)場設(shè)備的拆裝對(duì)其它設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生影響。在樹型結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)場總線上的設(shè)備都是被獨(dú)立連接到公共的接線盆、端子、儀表板或I/O卡，適用于現(xiàn)場設(shè)備局部比較集中的應(yīng)用場合。

　　PROFIBUS現(xiàn)場總線

　　PROFIBUS共包括PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA三個(gè)兼容系列，各系列的協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖4.9所示。FMS定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層和用戶接口，物理層提供了光纖和RS485兩種傳輸技術(shù)。DP定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和用戶接口，其中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層與FMS中的定義完全相同，二者采用了相同的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線控制協(xié)議(報(bào)文格式)。PA主要應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，相當(dāng)于FF的H1總線，它可支持總線供電和本質(zhì)安全，當(dāng)使用分段耦合器，PA裝置能很方便的連接到DP網(wǎng)絡(luò)上。

　　PROFIBUS現(xiàn)場總線是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線技術(shù)之一，既適合于自動(dòng)化系統(tǒng)與現(xiàn)場I/O單元的通信，也可用于直接連接帶有接口的各種現(xiàn)場儀表及設(shè)備。DP和PA的完美結(jié)合使得PROFIBUS現(xiàn)場總線在結(jié)構(gòu)和性能上優(yōu)越于其它現(xiàn)場總線。

　　數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

　　PROFIBUS提供了RS485傳輸、IEC1158－2傳輸和光纖傳輸三種類型。

　　RS-485傳輸用于PROFIBUS－DP/－FMS，其最大傳輸速率可達(dá)12Mbps，在不加中繼的情況下，傳輸速率與總線長度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表所示：

　　數(shù)據(jù)IEC1158－2的傳輸技術(shù)用于PROFIBUS－PA，是一種位同步協(xié)議，通過±9mA對(duì)基本電流（約10mA）的調(diào)制，以31.25kbps的速率傳輸。

　　PROFIBUS系統(tǒng)要橋接更長的距離或在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用時(shí)，可使用光纖導(dǎo)體（塑料和玻璃）傳輸，光鏈路插頭可以實(shí)現(xiàn)RS485信號(hào)和光纖導(dǎo)體信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。

　　總線存取協(xié)議

　　PROFIBUS總線包括的三個(gè)兼容系列均使用一致的總線存取協(xié)議，這是一種包括主站之間的令牌方式和主站與從站之間的主從方式的混合協(xié)議，如圖4.10所示。

　　令牌環(huán)是所有主站的組織鏈，按照它們的地址構(gòu)成邏輯環(huán)。在令牌環(huán)中，令牌在邏輯環(huán)中循環(huán)一周的最長時(shí)間是事先規(guī)定的，令牌需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按照地址的升序在各主站中依次傳遞。

　　主從方式允許主站在得到總線存取令牌時(shí)與從站進(jìn)行通信，每個(gè)主站均可向從站發(fā)送或索取信息。當(dāng)某主站得到令牌報(bào)文后，該主站可在一定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行主站工作。在這段時(shí)間內(nèi)，它可依照主從關(guān)系表與所有從站通信，也可依照主主關(guān)系表與所有主站通信。

　　DP/PA的連接

　　基于IEC1158-2傳輸技術(shù)總線段與基于RS485傳輸技術(shù)總線段可以通過耦合裝置相連，耦合器使二者信號(hào)相適配。每段通常配一個(gè)電源裝置，電源裝置經(jīng)耦合器和PA總線為現(xiàn)場設(shè)備提供電源，這種供電方式可以限制PA總線段上的電流和電壓。如果需要外接電源設(shè)備，必須用適當(dāng)?shù)母綦x裝置，將總線供電設(shè)備與外接電源設(shè)備連接在本質(zhì)安全總線上，此時(shí)總線上的最大供電電壓和最大供電電流均具有明確的規(guī)定。按防爆等級(jí)和總線供電裝置，總線上的站點(diǎn)數(shù)量也將受到限制。

　　PROFIBUS的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢允强偩€型、樹型和兩種拓?fù)涞幕旌?。線型結(jié)構(gòu)沿著總線電纜連接各個(gè)站點(diǎn)，樹型結(jié)構(gòu)允許現(xiàn)場設(shè)備并聯(lián)地接在現(xiàn)場配電箱上?；旌贤?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合多數(shù)實(shí)際系統(tǒng)的要求，它可以使總線的結(jié)構(gòu)和長度趨于最優(yōu)。

　　PROFINet簡介

　　我們知道，當(dāng)前的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)已逐漸向高層IT系統(tǒng)的融合甚至通過Internet實(shí)現(xiàn)全球化聯(lián)網(wǎng)的趨勢發(fā)展，PROFINet正是體現(xiàn)了現(xiàn)場總線技術(shù)縱向集成的一種透明性理念。

　　為了保持與自動(dòng)化系統(tǒng)較高層的一致性，PROFINet選用以太網(wǎng)作為通信媒介，一方面它可以把基于通用的PROFIBUS技術(shù)的系統(tǒng)無縫地集成到整個(gè)系統(tǒng)中，另一方面它也可以通過代理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)PROFIBUS－DP及其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)與PROFINet系統(tǒng)的簡單集成。

　　在整個(gè)協(xié)議架構(gòu)中，獨(dú)立于制造商的工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)象ES-Object模型和開放的、面向?qū)ο蟮腜ROFINet運(yùn)行期（runtime）模型是PROFINet定義的兩個(gè)關(guān)鍵模型。

　　工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)象模型用于對(duì)多制造商工程設(shè)計(jì)方案做出規(guī)定，提供用戶友好的PROFINet系統(tǒng)組態(tài)。運(yùn)行期模型則以具有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制的通信功能為基礎(chǔ)，提供了一種優(yōu)化的DCOM機(jī)制，作為用于硬實(shí)時(shí)通信應(yīng)用領(lǐng)域的一種選擇。

　　PROFINet部件以對(duì)象的形式出現(xiàn)，自動(dòng)化解決方案包含在運(yùn)行期進(jìn)行通信的自動(dòng)化對(duì)象中，即運(yùn)行期自動(dòng)化對(duì)象RT-AUTO。在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一旦無需對(duì)通信編程而只需進(jìn)行很方便地組態(tài)，創(chuàng)建自動(dòng)化解決方案就變得相當(dāng)簡單。

　　PROFINet為這些應(yīng)用提供了兩種集成方案，如圖4.12。

　　如果現(xiàn)場總線的主站具備PROFINet的能力，這可通過將以太網(wǎng)接口和PROFINet運(yùn)行期軟件的端口直接集成到現(xiàn)場總線主站的CPU中。否則，PROFIBUS也可以通過代理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與PROFInet的集成。原則上其它的現(xiàn)場總線如：FF、Interbus等通常都可以這種方式集成到PROFINet領(lǐng)域。