基于現(xiàn)場總線技術的工業(yè)控制系統(tǒng)研究

 1 現(xiàn)場總線技術簡介
在現(xiàn)場工業(yè)控制技術中，現(xiàn)場總線技術作為一項先進技術，是一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據總線。工作實踐中，在生產過程區(qū)域的現(xiàn)場設備/儀表和控制室內自動控制裝置/系統(tǒng)之間廣泛安裝現(xiàn)場總線。借助現(xiàn)場總線實現(xiàn)信息的相互交換，進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)場總線相應的物理結構。與開放式互連（OSI）參考模型相比，現(xiàn)場總線的物理結構只涉及到物理層、數(shù)據鏈路層和應用層，并且每個協(xié)議層各自完成功能，在這些層之間報文被解析[2]。
在數(shù)據鏈路實體中，物理層建立、維護和拆除相應的物理連接。
確保數(shù)據的完整性這是數(shù)據鏈路層的主要功能，何時與誰進行相應的對話等也是通過數(shù)據鏈路層來決定的，并且數(shù)據鏈路層不解釋傳輸?shù)臄?shù)據，只負責傳遞物理層和上一層之間數(shù)據傳。
應用層通常分為兩個子層，其中一個為用戶層提供服務，另一個與數(shù)據鏈路層進行連接，其功能主要表現(xiàn)為：對現(xiàn)場總線的命令、響應、數(shù)據、以及事件信息等進行控制。
在應用層之上就是用戶層，通常情況下，用戶層通常是一些數(shù)據和信息查詢軟件等，通過用戶層將通信命令傳送到應用層。
3 現(xiàn)場總線及其所構成的控制系統(tǒng)
3.1 常見現(xiàn)場總線的比較
①基金會現(xiàn)場總線FF。在過程自動化領域基金會現(xiàn)場總線FF應用較為廣泛，可以說基金會現(xiàn)場總線技術具有較好的發(fā)展前景。②CAN總線。對于CAN總線來說支持點對點、一點對多點，以及廣播模式通信等，并且借助優(yōu)先級設定其節(jié)點，在一定程度上各節(jié)點可以隨時發(fā)送信息。在汽車內部測量，以及執(zhí)行部件之間的數(shù)據通信協(xié)議中，該總線技術應用最早。③Lonworks總線。具備通信和控制功能的Neuron芯片是Lonworks技術的核心。完整的Lonworks的LonTalk通信協(xié)議通過Neuron芯片來實現(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備之間進行相應的通信，在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信這是HART總線的特點[3]。
3.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的構成
通常情況下，測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)共同構成現(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算能力等這是該系統(tǒng)的特點所在。在該系統(tǒng)中，因為使用了數(shù)字信號，所以在一定程度上其分辨率非常高，準確性也較高，并且具有較強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，維護軟件、組態(tài)軟件、仿真軟件等共同構成控制系統(tǒng)的軟件。③管理系統(tǒng)。設備自身及過程的診斷信息、管理信息、設備運行狀態(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)中的應用
通常情況下，CAN是一種雙向、半雙工的高速串行通信網絡系統(tǒng)，該系統(tǒng)由物理層（PHY）、數(shù)據鏈路層（MAC；LLC）和應用層（APPL）共同構成組成。CAN與Profibus之間相距比較遠[5]。
如圖2所示，給出了相應的CAN網絡拓撲結構。根據ISO11898的相關規(guī)定，在信息傳輸媒介方面，CAN采用雙鉸線，在網絡終端阻抗方面，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，對媒體按照節(jié)點信息的優(yōu)先級依次進行訪問，在一定程度上滿足實時控制的需要[6]。信息幀傳輸過程中為短幀結構，其優(yōu)點是傳輸時間短，具有較強的抗干擾能力。文獻[7]結合PLC和液壓控制技術，建立了基于CAN總線的多任務協(xié)同控制系統(tǒng)。
5 結論
現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，隨著計算機技術和控制技術的發(fā)展，未來的自動化控制領域將是現(xiàn)場總線及控制網絡的天下。從長遠看，使用現(xiàn)場總線技術，維護費用因智能資產管理而降低，進而減少了設備的庫存。