沈德耀 金敏
摘 要:分析了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)生的原因,闡述了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的概念、體系結(jié)構(gòu)和 te點(diǎn),給出了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展現(xiàn)狀,提出了為迎接現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)這場(chǎng)自控領(lǐng)域內(nèi)的技shu變革應(yīng)采取的對(duì)策,并結(jié)合實(shí)例說(shuō)明了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)具體開(kāi)發(fā)應(yīng)用方法。
關(guān)鍵詞:現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn);分布式體系結(jié)構(gòu);通訊協(xié)議;開(kāi)放性;可互操作性;LonWorks
一、引言
現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)在控制領(lǐng)域嶄露頭角不過(guò)是zui近幾年,然而其來(lái)勢(shì)兇涌,且有愈演愈烈之趨勢(shì)。那么,究竟什么是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)?什 么是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)?現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)較之目前在工控界仍占主導(dǎo)地位的集散控制系統(tǒng)(DCS)有何 te點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)?在現(xiàn)場(chǎng)總 線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一之前,能采用嗎?若欲采用,40多種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn),應(yīng)選用哪一種?
本文將圍繞以上問(wèn)題展開(kāi)論述,從控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程角度探討現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的成因;闡述現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的概念、體系結(jié)構(gòu)和 te點(diǎn)給出現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展現(xiàn)狀;提出面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)百家爭(zhēng)鳴的現(xiàn)狀應(yīng)采取的對(duì)策;結(jié)合具體實(shí)例說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)開(kāi)發(fā)應(yīng)用方法。
二、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的產(chǎn)生
縱觀控制系統(tǒng)的發(fā)展史,不難發(fā)現(xiàn),每一代新的控制系統(tǒng)推出都是針對(duì)老一代控制系統(tǒng)存在的缺陷而給出的解決方案,zui終在用戶(hù)需求和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)兩大外因的推動(dòng)下占領(lǐng)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)的產(chǎn)生也不例外
1、模擬儀表控制系統(tǒng)
模擬儀表控制系統(tǒng)于六七十年代占主導(dǎo)地位。其顯著缺點(diǎn)是:模擬信號(hào)精度低,易受干擾。
2、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)
集中式數(shù)字控制系統(tǒng)于七八十年代占主導(dǎo)地位。采用單片機(jī)、PLC、SLC或微機(jī)作為控制器,控制器內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信 號(hào),因此克服了模擬儀表控制系統(tǒng)中模擬信號(hào)精度低的缺陷,ti gao了系統(tǒng)的抗干擾能力。集中式數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是易于根據(jù)全局情況進(jìn)行控制計(jì)算和判斷,在控制方式、控制機(jī)時(shí)的選擇上可以統(tǒng)一調(diào)度和安排;不足的是,對(duì)控制器本身要求很高,bixu具有足夠的處理能力和ji高的可kao性,當(dāng)系統(tǒng)任務(wù)增加時(shí),控制器的效率和可kao性將急劇下降。3、集散控制系統(tǒng)(DCS)
集散控制系統(tǒng)(DCS)于八、九十年代占主導(dǎo)地位。其核心思想是集中管理、分散控制,即管理與控制相分離,上位機(jī)用于集中監(jiān)視管理功能,若干臺(tái)下位機(jī)下放分散到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)分布式控制,各上下位機(jī)之間用控制網(wǎng)絡(luò)互連以實(shí)現(xiàn)相互之間的信息傳遞。因此,這種分布式的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)有力地克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)中對(duì)控制器處理能力和可kao性要求高的缺陷。在集散控制系統(tǒng)中,分布式控制思想的實(shí)現(xiàn)正是得益于網(wǎng)絡(luò)技shu的發(fā)展和應(yīng)用,遺憾的是,不同的DCS廠(chǎng)家為達(dá)到壟斷經(jīng)營(yíng) 的目的而對(duì)其控制通訊網(wǎng)絡(luò)采用各自zhuan用的封閉形式,不同廠(chǎng)家的DCS系統(tǒng)之間以及DCS與上層Intranet、Internet信息網(wǎng)絡(luò)之間難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連和信息共享,因此集散控制系統(tǒng)從該角度而言實(shí)質(zhì)是一種封閉zhuan用的、不具可互操作性的分布式控制系統(tǒng)且DCS造價(jià)昂貴。在這種情況下,用戶(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提出了開(kāi)放化和降低成本的迫切要求。
4、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)(FCS)
FCS正是順應(yīng)以上潮流而誕生,它用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)這一開(kāi)放的,具有可互操作的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)各控制器及儀表設(shè)備互連,構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng),同時(shí)控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng),降低了安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。因此,F(xiàn)CS實(shí)質(zhì)是 一種開(kāi)放的、具可互操作性的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng),有望成為21世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。
三、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)及現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)
1、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的概念
現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是將自動(dòng)化zui底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)控制通訊網(wǎng)絡(luò),遵循ISO的OSI開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型的全bu或部分通訊協(xié)議。FCS則是用開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制通訊網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)化zui底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)
2、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與局域網(wǎng)的區(qū)別
。1)按功能比較,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接自動(dòng)化zui底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備,網(wǎng)線(xiàn)上傳輸?shù)氖切∨繑?shù)據(jù)信息,如檢測(cè)信息、狀態(tài)信息、控制信息等,傳輸速率低,但實(shí)時(shí)性高。簡(jiǎn)而言之,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是一種實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)用于連接局域區(qū)域的各臺(tái)計(jì)算機(jī),網(wǎng)線(xiàn)上傳輸?shù)氖谴笈康臄?shù)字信息,如文本、聲音、圖像等,傳輸速率高,但不 要求實(shí)時(shí)性。從這個(gè)意義而言,局域網(wǎng)是一種高速信息網(wǎng)絡(luò)。
。2)按實(shí)現(xiàn)方式比較現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)可采用ge種通訊介質(zhì),如雙絞線(xiàn)、電力線(xiàn)、光纖、無(wú)線(xiàn)、紅wai線(xiàn)等,實(shí)現(xiàn)成本低。局域網(wǎng)需 要zhuan用電纜,如同軸電纜、光纖等,實(shí)現(xiàn)成本高。
3、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
如圖1所示,zui底層的Infranet控制網(wǎng)即FCS,各控制器節(jié)點(diǎn)下放分散到現(xiàn)場(chǎng),構(gòu)成一種徹底 的分布式控制體系結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)任意,可為總線(xiàn)形、星形、環(huán)形等,通訊介質(zhì)不受限制,可用雙絞線(xiàn)、電力線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)、紅wai線(xiàn)等ge種形式。FCS形成的Infranet控制網(wǎng)很容易與Intranet企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)和Internet全球信息網(wǎng)互連,構(gòu)成一個(gè)完整的企業(yè) 網(wǎng)絡(luò)三ji體系結(jié)構(gòu)。
4、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)的 te點(diǎn)
(1)開(kāi)放性和可互操作性
開(kāi)放性意味FCS將打破DCS大型廠(chǎng)家的壟斷,給中小企業(yè)發(fā)展帶來(lái)了平等競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)遇?苫ゲ僮餍詫(shí)現(xiàn)控制產(chǎn)品的“即插即用”功能,從而使用戶(hù)對(duì)不同廠(chǎng)家工控產(chǎn)品有更多的選擇余地。
。2)徹底的分散性
徹底的分散性意味著系統(tǒng)具有較高的可kao性和靈活性,系統(tǒng)很容易進(jìn)行重組和擴(kuò)建,且易于維護(hù)。
(3)低成本
衡量一套控制系統(tǒng)的總體成本,不jin考慮其造價(jià),而且應(yīng)該考察系統(tǒng)從安裝調(diào)試到運(yùn)行維護(hù)整個(gè)生命周期內(nèi)總投入。相對(duì)DCS而言,F(xiàn)CS開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)和OEM技shu將大大縮短開(kāi)發(fā)周期,降低開(kāi)發(fā)成本,且徹底分散的分布式結(jié)構(gòu)將1對(duì)1模擬信號(hào)傳輸方 式變?yōu)?對(duì)N的數(shù)字信號(hào)傳輸方式,節(jié)省了模擬信號(hào)傳輸過(guò)程中大量的A/D、D/A轉(zhuǎn)換裝置、布線(xiàn)安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。因此從總體上來(lái)看,F(xiàn)CS的成本大大低于DCS的成本。
可以說(shuō),開(kāi)放性、分散化和低成本是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)zui顯著的三大 te征,它的出現(xiàn)將使傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生劃時(shí)代的變革,這場(chǎng)變革的深du和廣度將超過(guò)歷史上任he一次變革,bi將開(kāi)創(chuàng)自動(dòng)控制的新紀(jì)元。
四、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展現(xiàn)狀
現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)發(fā)展迅速,現(xiàn)處于群雄并起、百家爭(zhēng)鳴的階段。目前已開(kāi)發(fā)出有40多種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn),如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等,其中zui具影響力的有5種,分別是FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks(性能對(duì)照見(jiàn)表1)
1、FF(Foundation Fieldbus現(xiàn)場(chǎng)基金會(huì)總線(xiàn))由美國(guó)儀器協(xié)會(huì)(ISA)1994推出,代表公司有Honeywell和Fisher-Rosemount,主要應(yīng)用于石油化工、連續(xù)工業(yè)過(guò)程控制中的儀表。FF的 te色是其通訊協(xié)議在ISO的OSI物理層、數(shù)據(jù)鏈路 層和應(yīng)用層3層之上附加了用戶(hù)層,通過(guò)對(duì)象字典OD(Object Dictionary)和設(shè)備描述語(yǔ)言DDL(Device Description Language)實(shí)現(xiàn)可互操作性。目前基于FF的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品有,美國(guó)Smar公司生產(chǎn)的壓力溫度變送器,Honeyweill&Rockweill 推出的ProcessLogix系統(tǒng),F(xiàn)isher-Rosemount推出的PlantWeb。
2、Profibus(Process Fieldbus)德國(guó)西門(mén)子公司1987年推出,主要應(yīng)用于PLC。產(chǎn)品有三類(lèi):FMS用于主站之間的通訊;DP用于制造行業(yè)從站之間的通訊;PA用于過(guò)程行業(yè)從站之間的通訊。由于Profibus開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間早至 十年前,限于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)水平,大多建立在IT網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上,隨著應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大和用戶(hù)要求越來(lái)越高,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的 產(chǎn)品只能在原有IT協(xié)議框架上進(jìn)行局部的修改和補(bǔ)充,以致在控制系統(tǒng)內(nèi)增加了很多的轉(zhuǎn)換單元(如ge種耦合器),這為該產(chǎn) 品今后的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)了一ding的局限性。
3、HART(Highway Addressable Remote Tranducer可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路)美國(guó)Rosemount公司1989年推出,主要應(yīng) 用于變送器。HART為一過(guò)渡性標(biāo)準(zhǔn),它通過(guò)在4-20mA電源信號(hào)線(xiàn)上疊加不同頻率的正弦波(2200HZ表“0”,1200HZ表“1”)來(lái)傳送數(shù)字信號(hào),從而bao證了數(shù)字系統(tǒng)和傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)的兼容性,預(yù)計(jì)其生命周期為zui近20年。
4、CAN(Controller Area Network控制局域網(wǎng)絡(luò))德國(guó)Bosch 6公司1993年推出,應(yīng)用于汽車(chē)監(jiān)控、開(kāi)關(guān)量控制、制造業(yè) 等。介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)方式為非破壞性位仲裁方式,適用于實(shí)時(shí)性要求很高的小型網(wǎng)絡(luò),且開(kāi)發(fā)工具廉價(jià)。Motorala、Intel、Philips 均生產(chǎn)du立的CAN芯片和帶有CAN接口的80C51芯片。CAN型總線(xiàn)產(chǎn)品有AB公司的DeviceNet、臺(tái)灣研華的ADAM數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品等。
5、LonWorks(LON Local Operating System局部操作系統(tǒng))美國(guó)Echelon公司1991年推出,主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化、工業(yè) 自動(dòng)化和電力行業(yè)等。LonTalk的全bu7層協(xié)議,介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)方式為P-P CSMA(預(yù)測(cè)P-堅(jiān)持載波監(jiān)聽(tīng)多路復(fù)用),采用網(wǎng)絡(luò)邏輯地 址尋址方式,優(yōu)先權(quán)機(jī)制bao證了通訊的實(shí)時(shí)性,an全機(jī)制采用證實(shí)方式,因此能構(gòu)建大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。Echelon公司推出的Neuron神經(jīng)元芯片實(shí)質(zhì)為網(wǎng)絡(luò)型微控制器,該芯片強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊處理功能配以面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)通訊方式,大大降低了開(kāi)發(fā)人 員在構(gòu)造應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通訊方面所需花費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用,而可將精力集中在所擅長(zhǎng)的應(yīng)用層進(jìn)行控制策略的編制,因此業(yè)內(nèi)許多專(zhuān)家認(rèn)為L(zhǎng)onWorks總線(xiàn)是一種很有希望的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn);贚onWorks的總線(xiàn)產(chǎn)品有美國(guó)Action公司的Flexnet&Flexlink等。
五、我們的對(duì)策
1、要不要搞FCS在國(guó)外正蓬勃發(fā)展,我國(guó)工控界應(yīng)如何迎接自控領(lǐng)域這場(chǎng)變革的到來(lái)呢?這個(gè)問(wèn)題可從分析我國(guó)工控業(yè)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀中找到答案。我國(guó)民族工控產(chǎn)品如PLC、DCS長(zhǎng)期落后于國(guó)外,根本原因是國(guó)外少數(shù)幾家大公司為bao證其壟斷經(jīng)營(yíng)的地位對(duì)其工控產(chǎn)品采用封閉式結(jié)構(gòu),我國(guó)對(duì)其關(guān)鍵核心技shu只有通過(guò)引進(jìn)消化后方可掌握,因此貽誤了市場(chǎng)時(shí)機(jī)而總是落后于人家,受制于人,F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技shu的開(kāi)放性策略無(wú)疑為我國(guó)工控界在guoji市場(chǎng)上的發(fā)展帶來(lái)了一個(gè)千載難逢的平等競(jìng)爭(zhēng)機(jī)遇,當(dāng)游戲規(guī)則的變更使大家站在同一起跑線(xiàn)上時(shí),就看誰(shuí)捷足先登,搶先占領(lǐng)市場(chǎng),把握主動(dòng)權(quán),zui終領(lǐng)導(dǎo)市場(chǎng)。因此,我們應(yīng)當(dāng)緊緊抓住這一契機(jī),率先推出有中國(guó) te色的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品,開(kāi)創(chuàng)中國(guó)自己的guoji工控產(chǎn)品的 名pai,從而翻開(kāi)中國(guó)工控界發(fā)展的新篇章。
2、搞哪種FCS ?既然確定搞FCS,面對(duì)種類(lèi)繁多的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn),應(yīng)該搞哪種呢?分析現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)多樣性產(chǎn)生的原因,有助于理清這一思想。造成現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)多樣性的局面,一是因?yàn)樾袠I(yè)習(xí)慣,如Profibus一直應(yīng)用于PLC行業(yè),F(xiàn)F應(yīng)用于儀表行業(yè);二是由于利益沖突,各工控廠(chǎng)商都不愿意放棄自己的標(biāo)準(zhǔn)而喪失已占用的市場(chǎng)份額。顯而易見(jiàn),現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)完全統(tǒng)一尚為時(shí)過(guò)早。鑒于此,對(duì)于我國(guó)工控界的發(fā)展,建議采取以下策略:
。1)短期目標(biāo)根據(jù)具體針對(duì)的行業(yè) te征,如樓宇自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化等,選擇這一領(lǐng)域有較好業(yè)績(jī)的一種(或兩種)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn),加以研究開(kāi)發(fā),一方面搶先推出自己有 te色的產(chǎn)品,占領(lǐng)市場(chǎng),產(chǎn)生應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)效益;另一方面在于重點(diǎn)掌握現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的本質(zhì)和精髓,以不變應(yīng)萬(wàn)變,萬(wàn)一選用的總線(xiàn)沒(méi)能成為zui終標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn),由于各總線(xiàn)之間本質(zhì)的相通性,因此也能很快轉(zhuǎn)產(chǎn)到zui終的標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)。
。2)長(zhǎng)期目標(biāo)掌握各總線(xiàn)的精髓后,揚(yáng)長(zhǎng)避短,制定中國(guó)自己的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn),振興中國(guó)民族工控業(yè)。
六、開(kāi)發(fā)實(shí)例
針對(duì)樓宇自動(dòng)化行業(yè),鑒于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)在該領(lǐng)域中突出的業(yè)績(jī),我們開(kāi)發(fā)研制出一種基于LonWorks通用網(wǎng)絡(luò)型控制器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品和可視圖形化控制組態(tài)平臺(tái)——Visual Control Configuration 。該套產(chǎn)品 te色在于目前國(guó)外大多數(shù)LonWorks產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商仍停留在集成Echelon公司提供的Neuron C 編程環(huán)境階段,欲使用Neuron C 編制gao效的控制應(yīng)用程序,不jin需要熟悉這種高ji指令語(yǔ)言本身,而且bixu對(duì)Neuron1芯片的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)器的地址空間分配等各個(gè)技shu環(huán)節(jié)有深入的了解和掌握,這對(duì)zui終用戶(hù)和現(xiàn)場(chǎng)技shu人員來(lái)說(shuō)顯然是不現(xiàn)實(shí)的要求,可視圖形化控制組態(tài)平臺(tái)Visual Control Configuration很好地解決了這一問(wèn)題,類(lèi)似流程圖的圖形化表示方法,控制組態(tài)語(yǔ)言按照guoji電工委員會(huì)IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn),將控制程序變?yōu)楣こ碳約hu人員所構(gòu)思的控制策略的圖形化映象,而圖元間的連接關(guān)系則表示控制算法的數(shù)據(jù)流程,有經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng) 控制技shu人員無(wú)須專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)即可在短期內(nèi)完成控制策略的編制,方便gao效。目前,我們已在工程項(xiàng)目中應(yīng)用該控制組態(tài)軟件平臺(tái)Visual Control Configuration 和LonWorks 通用網(wǎng)絡(luò)控制器的節(jié)點(diǎn),成功開(kāi)發(fā)了南寧交通銀行的出入控制系統(tǒng)。
七、結(jié)束語(yǔ)
現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的時(shí)代即將來(lái)臨,讓我們以熱情和主動(dòng)的姿態(tài)迎接這場(chǎng)世紀(jì)之交的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。