1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)簡(jiǎn)介

在現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制技術(shù)中，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，是一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。工作實(shí)踐中，在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備/儀表和控制室內(nèi)自動(dòng)控制裝置/系統(tǒng)之間廣泛安裝現(xiàn)場(chǎng)總線。借助現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)信息的相互交換，進(jìn)而自動(dòng)控制功能在一定程度上也得以完成，現(xiàn)場(chǎng)總線往往是從控制室連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的雙向全數(shù)字通信總線。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線的通信協(xié)議

如圖 1 所示，給出了現(xiàn)場(chǎng)總線相應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)。與開(kāi)放式互連(OSI)參考模型相比，現(xiàn)場(chǎng)總線的物理結(jié)構(gòu)只涉及到物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，并且每個(gè)協(xié)議層各自完成功能，在這些層之間報(bào)文被解析。在數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體中，物理層建立、維護(hù)和拆除相應(yīng)的物理連接。

確保數(shù)據(jù)的完整性這是數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能，何時(shí)與誰(shuí)進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)話等也是通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層來(lái)決定的，并且數(shù)據(jù)鏈路層不解釋傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，只負(fù)責(zé)傳遞物理層和上一層之間數(shù)據(jù)傳。

應(yīng)用層通常分為兩個(gè)子層，其中一個(gè)為用戶(hù)層提供服務(wù)，另一個(gè)與數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行連接，其功能主要表現(xiàn)為：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的命令、響應(yīng)、數(shù)據(jù)、以及事件信息等進(jìn)行控制。在應(yīng)用層之上就是用戶(hù)層，通常情況下，用戶(hù)層通常是一些數(shù)據(jù)和信息查詢(xún)軟件等，通過(guò)用戶(hù)層將通信命令傳送到應(yīng)用層。

3 現(xiàn)場(chǎng)總線及其所構(gòu)成的控制系統(tǒng)

3.1 常見(jiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線的比較

①基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線 FF。在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線 FF 應(yīng)用較為廣泛，可以說(shuō)基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有較好的發(fā)展前景。②CAN 總線。對(duì)于 CAN 總線來(lái)說(shuō)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，以及廣播模式通信等，并且借助優(yōu)先級(jí)設(shè)定其節(jié)點(diǎn)，在一定程度上各節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)發(fā)送信息。在汽車(chē)內(nèi)部測(cè)量，以及執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議中，該總線技術(shù)應(yīng)用最早。③Lonworks 總線。具備通信和控制功能的 Neuron 芯片是 Lonworks 技術(shù)的核心。完整的Lonworks 的 LonTalk 通信協(xié)議通過(guò) Neuron 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。④PROFIBUS 總線。該總線主要包括：PROFIBUS—FMS、PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA。⑤HART 總線。該總線作為一種協(xié)議，其功能是在現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備之間進(jìn)行相應(yīng)的通信，在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信這是 HART 總線的特點(diǎn)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的構(gòu)成

通常情況下，測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)共同構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)最有特色的部分是通信部分的硬件和軟件。

①測(cè)量系統(tǒng)。為多變量提供高性能的測(cè)量，使測(cè)量?jī)x表在一定程度上具有計(jì)算能力等這是該系統(tǒng)的特點(diǎn)所在。在該系統(tǒng)中，因?yàn)槭褂昧藬?shù)字信號(hào)，所以在一定程度上其分辨率非常高，準(zhǔn)確性也較高，并且具有較強(qiáng)的抗干擾和抗畸變能力。②控制系統(tǒng)。通常情況下，軟件是該系統(tǒng)的重要組成部分，維護(hù)軟件、組態(tài)軟件、仿真軟件等共同構(gòu)成控制系統(tǒng)的軟件。③管理系統(tǒng)。設(shè)備自身及過(guò)程的診斷信息、管理信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息等往往由該系統(tǒng)提供。

4 現(xiàn)場(chǎng)總線在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

通常情況下，CAN 是一種雙向、半雙工的高速串行通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由物理層 (PHY)、數(shù)據(jù)鏈路層(MAC;LLC)和應(yīng)用層(APPL)共同構(gòu)成組成。CAN 與 Profibus 之間相距比較遠(yuǎn)。

如圖 2 所示，給出了相應(yīng)的 CAN 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)ISO11898 的相關(guān)規(guī)定，在信息傳輸媒介方面，CAN 采用雙鉸線，在網(wǎng)絡(luò)終端阻抗方面，CAN 取 120Ω±12Ω。傳輸速率通常情況下決定著最大直接通信距離，比較典型的值為：40m 時(shí) 1Mbps；1000m 時(shí) 50kbps。

CAN 采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，對(duì)媒體按照節(jié)點(diǎn)信息的優(yōu)先級(jí)依次進(jìn)行訪問(wèn)，在一定程度上滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的需要。信息幀傳輸過(guò)程中為短幀結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是傳輸時(shí)間短，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。文獻(xiàn)[7]結(jié)合 PLC 和液壓控制技術(shù)，建立了基于 CAN 總線的多任務(wù)協(xié)同控制系統(tǒng)。

5 結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的自動(dòng)化控制領(lǐng)域?qū)⑹乾F(xiàn)場(chǎng)總線及控制網(wǎng)絡(luò)的天下。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，維護(hù)費(fèi)用因智能資產(chǎn)管理而降低，進(jìn)而減少了設(shè)備的庫(kù)存。