基于現(xiàn)場總線技術(shù)的工業(yè)控制系統(tǒng)研究

 1 現(xiàn)場總線技術(shù)簡介
在現(xiàn)場工業(yè)控制技術(shù)中，現(xiàn)場總線技術(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)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表和控制室內(nèi)自動控制裝置/系統(tǒng)之間廣泛安裝現(xiàn)場總線。借助現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)信息的相互交換，進(jìn)而自動控制功能在一定程度上也得以完成，現(xiàn)場總線往往是從控制室連接到現(xiàn)場設(shè)備的雙向全數(shù)字通信總線[1]。
2 現(xiàn)場總線的通信協(xié)議
如圖1所示，給出了現(xiàn)場總線相應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)。與開放式互連（OSI）參考模型相比，現(xiàn)場總線的物理結(jié)構(gòu)只涉及到物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，并且每個協(xié)議層各自完成功能，在這些層之間報(bào)文被解析[2]。
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，何時與誰進(jìn)行相應(yīng)的對話等也是通過數(shù)據(jù)鏈路層來決定的，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)用層通常分為兩個子層，其中一個為用戶層提供服務(wù)，另一個與數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行連接，其功能主要表現(xiàn)為：對現(xiàn)場總線的命令、響應(yīng)、數(shù)據(jù)、以及事件信息等進(jìn)行控制。
在應(yīng)用層之上就是用戶層，通常情況下，用戶層通常是一些數(shù)據(jù)和信息查詢軟件等，通過用戶層將通信命令傳送到應(yīng)用層。
3 現(xiàn)場總線及其所構(gòu)成的控制系統(tǒng)
3.1 常見現(xiàn)場總線的比較
①基金會現(xiàn)場總線FF。在過程自動化領(lǐng)域基金會現(xiàn)場總線FF應(yīng)用較為廣泛，可以說基金會現(xiàn)場總線技術(shù)具有較好的發(fā)展前景。②CAN總線。對于CAN總線來說支持點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)，以及廣播模式通信等，并且借助優(yōu)先級設(shè)定其節(jié)點(diǎn)，在一定程度上各節(jié)點(diǎn)可以隨時發(fā)送信息。在汽車內(nèi)部測量，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Neuron芯片來實(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)有模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信這是HART總線的特點(diǎn)[3]。
3.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的構(gòu)成
通常情況下，測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)共同構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)最有特色的部分是通信部分的硬件和軟件[4]。
①測量系統(tǒng)。為多變量提供高性能的測量，使測量儀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，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)[5]。
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1Mbps；1000m時50kbps。
CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，對媒體按照節(jié)點(diǎn)信息的優(yōu)先級依次進(jìn)行訪問，在一定程度上滿足實(shí)時控制的需要[6]。信息幀傳輸過程中為短幀結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是傳輸時間短，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)場總線是當(dāng)今自動化領(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，未來的自動化控制領(lǐng)域?qū)⑹乾F(xiàn)場總線及控制網(wǎng)絡(luò)的天下。從長遠(yuǎn)看，使用現(xiàn)場總線技術(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)備的庫存。