6、RS-485
尽管RS-485不能称为现场总线,但是作为现场总线的鼻祖,还有许多设备继续沿用这种通讯协议。采用RS-485通讯具有设备简单、低成本等优势,仍有一定的生命力。以RS-485为基础的OPTO-22命令集等也在许多系统中得到了广泛的应用。
四、现场总线技术展望与发展趋势
发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题,国际上现场总线的研究、开发,使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢,走上开放发展的征程,这对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会,也是一次严峻的挑战。现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成,涉及的内容十分广泛,笔者认为应不失时机地抓好我国现场总线技术与产品的研究与开发。自动化系统的网络化是发展的大趋势,现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。现在网络技术日新月异,发展十分迅猛,一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中,这些具有发展前景的现场总线技术有:智能仪表与网络设备开发的软硬件技术 ;组态抗术,包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等;网络管理技术,包括网络管理软件、网络数据操作与传输 ;人机接口、软件技术;现场总线系统集成技术。现场总线属于尚在发展之中的技术,我国在这一技术领域还刚刚起步,了解国际上该项技术的现状与发展动向,对我国相关行业的发展,对自动化技术、设备的更新,无疑具有重要的作用。总体说来,自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进,这一发展趋势是肯定的。既然是总线,就要向着趋于开放统一的方向发展,成为大家都遵守的标准规范,但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛,几乎覆盖了所有连续、离散工业领域,如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。大千世界,众多领域,需求各异,一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准。另外,从以上介绍也可以看出,几大技术均具有自己的特点,已在不同应用领域形成了自己的优势。加上商业利益的驱使,它们都各自正在十分激烈的市场竞争中求得发展。有理由认为:在从现在起的未来 10a内,可能出现几大总线标准共存,甚至在一个现场总线系统内,几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。在连续过程自动化领域内,今后 10a内,FF基金会现场总线将成为主流发展趋势,LonWorks将成为有力的竞争对手,HART作为过渡性产品也能有一定的市场。这3种技术是从这一领域的工业需求出发,其用户层的各种功能是专业连续过程设计的,而且充分考虑到连续工业的使用环境,如支持总线供电,可满足本质安全防爆要求等。另外, FF基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商;LonWorks形成了全面的分工合作体系。这些因素对成为这一领域的主流技术是十分关键的。
由于HART建立在目前广泛采用的模拟系统之上,它可以充分照顾到现有设备和已有投资的效益,技术上也充分考虑连续过程使用环境的需要。目前它已经占有一定的市场份额,其技术本身还在不断完善与更新,如提高传输速率等。目前国外HART仪表的市场份额还在不断增长,呈上升趋势,但是它毕竟是过渡性产品,其生存周期不会很长。国内则由于很多项目都是新项目,所以对兼容性的考虑较少,而对先进性的考虑较多,相信HART在国内的市场份额不会很大。国内市场与国外市场会有比较大的差异。一方面国外市场上占优势的产品会不断渗透到国内;另一方面,由于国内厂商的规模相对较小,研发能力较差,更多的是依赖技术供应商的支持,比较容易受现场总线技术供应商 (芯片制造商等)对国内的支持和市场推广力度的影响。国内目前仅LonWorks技术有实质性的市场活动,所以大部分国内厂商将首先将接受 LonWorks技术。尽管FF号称仪器仪表行业的未来标准,但是由于没有明确的市场策略和在国内的积极的市场活动,市场份额将会受到很大影响。而且事实表明,所有的现场总线基金会(FF)会员在研制符合FF标准的同时,都同时推出采用LonWorks技术的应用,由此可见LonWorks技术的生命力十分顽强。在离散制造加工领域,由于行业应用的特点和历史原因,其主流技术会有一些差别。Profibus和CAN在这一领域具有较强的竞争力。他们已经在这一领域形成了自己的优势。
在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面,LonWorks则具有独特的优势。由于LonWorks技术的特点,在多样化控制系统的应用上将会有较大的发展。
现场总线技术的兴起,开辟了工厂底层网络的新天地。它将促进企业网络的快速发展,为企业带来新的效益,因而会得到广泛的应用,并推动自动化相关行业的发展。
现场总线控制系统概念、组成、特点
一、现场总线控制系统的概念(FCS)
现场总线控制是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络。它是依靠具有检测、控制、通信能力的微处理芯片,数字化仪表(设备)在现场实现彻底分散控制,并以这些现场分散的测量,控制设备单个点作为网络节点,将这些点以总线形式连接起来,形成一个现场总线控制系统。它是属于最底层的网络系统,是网络集成式全分布控制系统,它将原来集散型的DCS系统现场控制机的功能,全部分散在各个网络节点处。为此,可以将原来封闭、专用的系统变成开放、标准的系统。使得不同制造商的产品可以互连,是DCS系统的更新换代,大大简化系统结构,降低成本,更好满足了实事性要求,提高了系统运行的可靠性。不同通信协议的现场总线控制系统一般通过工业PC机内总线插槽的PC接口板与现场总线网段连接。
二、现场总线控制系统的组成
现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成,而通信部分的硬、软件是它最有特色的部分。
1、现场总线控制系统:
它的软件是系统的重要组成部分,控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等。首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件 MMI。通过组态软件,完成功能块之间的连接,选定功能块参数,进行网络组态。在网络运行过程中对系统实时采集数据、进行数据处理、计算。优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。
2、现场总线的测量系统:
其特点为多变量高性能的测量,使测量仪表具有计算能力等更多功能,由于采用数字信号,具有高分辨率,准确性高、抗干扰、抗畸变能力强,同时还具有仪表设备的状态信息,可以对处理过程进行调整。
3、设备管理系统:
可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息(包括智能仪表)、厂商提供的设备制造信息。例如Fisher—Rosemoune公司,推出AMS管理系统,它安装在主机算机内,由它完成管理功能,可以构成一个现场设备的综合管理系统信息库,在此基础上实现设备的可靠性分析以及预测性维护。将被动的管理模式改变为可预测性的管理维护模式AMS软件是以现场服务器为平台的T型结构,在现场服务器上支撑模块化,功能丰富的应用软件为用户提供一个图形化界面。
4、总线系统计算机服务模式:
以客户机/服务器模式是目前较为流行的网络计算机服务模式。服务器表示数据源(提供者),应用客户机则表示数据使用者,它从数据源获取数据,并进一步进行处理。客房机运行在PC机或工作站上。服务器运行在小型机或大型机上,它使用双方的智能、资源、数据来完成任务。
5、数据库:
它能有组织的、动态的存储大量有关数据与应用程序,实现数据的充分共享、交叉访问,具有高度独立性。工业设备在运行过程中参数连续变化,数据量大,操作与控制的实时性要求很高。因此就形成了一个可以互访操作的分布关系及实时性的数据库系统,市面上成熟的供选用的如关系数据库中的Orad,sybas, Informix,SQL Server;实时数据库中的Infoplus,PI,ONSPEC等。
6、网络系统的硬件与软件:
网络系统硬件有:系统管理主机、服务器、网关、协议变换器、集线器,用户计算机等及底层智能化仪表。网络系统软件有网络操作软件如:NetWarc, LAN Mangger,Vines,服务器操作软件如Lenix,os/2,Window NT。应用软件数据库、通信协议、网络管理协议等。
三、现场总线控制系统的特点
1、在功能上管理集中,控制分散,在结构上横向分散、纵向分级。
2、要有快速实时响应能力,对于工业设备的局域网络,它主要的通信量是过程信息及操作管理信息,信息量不大,传输速率不高在1MPS以下,信息传输任务相对比较简单但其实时响应时间要求较高为0.01—0.5S。所谓实时性是在网络通信过程中能在线实时采集过程的参数,实时对系统信息进行加工处理,并迅速反馈给系统完成过程控制,满足过程控制对时间限制的要求。除了控制管理计算机系统的外部设备外,还要控制管理控制系为统的设备,并具有处理随机事件能力。实际操作系统应保证在异常情况下及时处置,保证完成任务,或完成最重要的任务,要求能及时发现纠正随机性错误,至少保证不使错误影响扩大,应具有抵制错误操作和错误输入信息的能力。实现现场总线控制系统实时性的主要措施为:
(1)OSI协议中7层都是提供高度的功能性服务,为此降低了通信流量和增大传输时间,因而影响实时响应能力。因此将OSI七层通信协议,采取不同程度的简化,减少由于层间转换的复杂性,而影响实时响应能力。现场总线控制系统的通信协议一般为物理层、链路层、应用层,再增加一个用户作为网络节点,互连成底层总线网。如PRUFIBUS总层的四层结构。
(2))把基本控制功能下放到现场具有智能的芯片或功能块中,使控制功能彻底分散,直接面对对象,接口直观简、结。把同时具有控制、测量与通信功能的功能块,与功能块应用进程,作为网络节点,互连成底层总线网。如PRUFIBUS总线系统,按照主站、从站分,把底层的通信及控制集中在从站来完成。各公司厂商提供较齐全的各类主站与从站列芯片,实现起来简单又便宜。有如LONWORKS虽然通信协议与OSI相同为七层,但全部固化在一个神经芯元片中,不需要经网络传输,同样可加快实时响应能力,同时应用程序定义一个特殊对象
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