几种典型现场总线的比较与应用

摘要：技术是目前正在兴起的一种全新的控制技术。该文阐述了现场总线的技术特点及发展现状，并且对当前典型的几种现场总线做了详细的介绍和对比，以利于现场总线技术的推广应用。。

一 现场总线的背景及发展状况 工业现场控制随着通信、微电子、微处理器等技术的进步而不断的展,60~70年代采用两线制4~20 mA标准信号;进入80年代,微处理器被嵌入到各种仪表设备之中,形成了分布式控制系统(DCS)。在分布式控制系统中,虽然现场仪表因含有微处理器而形成智能现场仪表,但由于是三层结构模式,成本较高,且各公司的DCS系统有各自的标准,不能互联。鉴于以上情况,国外提出了现场总线概念,现场总线是用于智能化现场设备和基于微处理器的控制室自动化系统间的全数字化、多站总线式的双向多信息数字通讯的通迅规程,是互相操作以及数据共享的公共协议。 现场总线技术是当今自动化领域技术发展的热点课题,并受到各国自动化设备制造商与用户的广泛关注。它的出现,给工业控制技术领域带来了又一次革命,以现场总线为基础的全数字控制系统———现场总线控制系(FCS)将是21世纪自动控制系统的主流。

二 现场总线的特点 (1)实现自动化仪表技术从模拟数字混合向全数字的转变，自动化系统从封闭式向开放式的转变。 (2)不同厂家的产品互操作性与互用性给用户进行系统集成提供了方便，即用户具有高度的系统集成主动权。 (3)控制、报协、趋势分析等功能分散到现场级仪表和装置中，简化了上层系统。 (4)从根本上改变了现有DCs集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了系统的实时性和可靠性

WorldFIP WorldFIP现场总线是以法国几家跨国公司为主开发的 是法国标准和欧洲标准。WorldFIP组织目前有100多个会员单。它们在共同研究、开发这项技术的同时 也将这项技术推广到了各个应用领域。经过十多年的应用与改进 WorldFIP已经是一项完全成熟的技术 具有品种齐全的通信产品和开发工具。WorldFIP现场总线目前已被广泛应用于发电与输配电、楼宇自动化、机械过程、机车、铁路运输、航运和造船、地铁、食品与饮料工业、核工业、化工、航空与航天、汽车制造等多个自动化控制领域。 WorldFIP在技术上有很多特点与优势 如下

a. 实用性。WorldFIP采用IEC物理层标准 支持电缆冗余,大部分协议固化在硬件上 稳定性强 它的生产者/使用者模式和总线仲裁器的调度方式保证了在一条总线上传递大量信息的同时 不会干扰时限变量的通信。 b.它具极强的抗干扰能力和实时性 能完全满足IEC关于电磁兼容性的EMC标准 它的通讯模式支持后台传输报文、周期和事件变量 保证诊断信息传输不影响实时控制。 c.WorldFIP现场总线不论低速还是高速 只有一套通信协议 所以不需要任何网桥或网关 低速与高速网络的衔接只用软件完成。 d.WorldFIP是开放的现场总线 WorldFIP产品的设计者、用户或集成商都可以得到WorldFIP组织的帮助 帮助大家在产品开发应用及安装的过程中 正确地使用WorldFIP协议及各种器件 为客户提供产品规划、硬件设计、软件设计和测试支持等。

b. 2. 基金会现场总线 FF 其前身是以美国Fisher-Rosemount公司为首 联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80余家公司制订的ISP协议和以法国阿尔斯通、斯耐德等几家法国公司为首 联合欧洲与北美等地的150家公司制订的WorldFIP协议。基金会现场总线得到了过程控制领域自动控制设备的主要供应商的支持。这些公司对工业底层网络的功能需求了解透彻 也具备左右该领域现场自控设备发展方向的能力。所以该总线具有相当的权威性。目前它只有低速现场总线协议与产品。低速现场总线速率为31.25kbps 通信距离可达1900米 可加中继器延长 可支持总线供电 支持本质安全防爆环境。上层直接与工业以太网连接。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射 协议符合IEC61158-2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。这是一种极有前途的现场总线。目前它的应用领域主要以过程自动化为主 如石化、化工等领域 主要用于对生产过程中连续量的控制

3 PROFIBUS PROFIBUS是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由PROFIBUS-DP PROFIBUS-FMS PROFIBUS-PA组成了PROFIBUS系列。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。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层。FMS还采用了应用层。其传输介质可以是双绞线 也可以是光缆。最多可挂接127个站点。 DP是一种高速低成本通信 用于设备级控制系统与分散式I/O的通信 使用DP可取代24VDC或4~20mA

信号传输 数据传输类型为RS485 。适合于加工自动化领域的应用。 FMS意为现场信息规范 用于车间级监控网络 是一个令牌结构、实时多主网络 数据传输类型为RS485 传输速率为9.6kbps~12Mbps,最大传输距离在12Mbps时为100m, 500Kbps时为400m。PROFIBUS-FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。 PA是专为过程自动化设计 数据传输采用数字式、位同步、曼彻斯特编码。传输速率 31.25Kbit/s 电压式。可使传感器和执行机构联在一根总线上 并有本质安全防爆功能 总线供电。物理层遵从IEC61158-2标准。 由于Profibus对不同的应用有三种不同的总线 应用领域广泛。DP和FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议 因而这两套系统可在同一根电缆上同时操作。PA和DP之间需要通过偶合器连接。

4 CAN CAN是控制局域网络 control Area Network 的简称 最早由德国BOSCH公司推出 用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准。由于得到了Motorola Intel, Ohilip, Siemence, NEC等公司的支持 它广泛应用在离散控制领域。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互联模型基础上的 不过其模型结构只有三层 即只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达1Mbps/40m 直接传输距离最远可达10km/5kbps。可挂接设备数量最多可达110个。 CAN的信号传输采用短帧结构 每一帧的有效字节数为8个 因而传输时间短 受干扰的概率低。当节点严重错误时 具有自动关闭的功能 以切断该点与总线的联系 使总线上的其它节点及其通信不受影响 具有较强的抗干扰能力

在写这篇论文的过程中 通过查阅各种资料 我了解了更多关于现场总线的知识 也知道了几种现场总线技术之间的大致区别于联系。每个总线技术都有自己的优缺点 但是相信如果能通过合理的选择与搭配，每个总线都有自己的优缺点，现场总线在电厂，变电站和电力系统中有广阔的应用前景。在实际的系统设计中应根据现场要求，结合不同的总线的技术特点选择合适的现在总线。