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现场总线有哪些特点?现场总线技术九大种类介绍

2019/6/7    来源:电子说        
关键字:现场总线  
本文主要介绍了现场总线的特点、控制系统组成以及九大种类的总线技术。

什么是现场总线

  现场总线(Fieldbus)是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线,它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点,因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。

  它是一种工业数据总线,是自动化领域中底层数据通信网络。简单说,现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输,是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。

现场总线主要特点

  1.系统的开放性

  传统的控制系统是个自我封闭的系统,一般只能通过工作站的串口或并口对外通信。在现场总线技术中,用户可按自己的需要和对象,将来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

  2.可操作性与可靠性

  现场总线在选用相同的通信协议情况下,只要选择合适的总线网卡、插口与适配器即可实现互连设备间、系统间的信息传输与沟通,大大减少接线与查线的工作量,有效提高控制的可靠性。

  3.现场设备的智能化与功能自治性

  传统数控机床的信号传递是模拟信号的单向传递,信号在传递过程中产生的误差较大,系统难以迅速判断故障而带故障运行。而现场总线中采用双向数字通信,将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成,可随时诊断设备的运行状态。

  4.对现场环境的适应性

  现场总线是作为适应现场环境工作而设计的,可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线及电力线等,其具有较强的抗干扰能力,能采用两线制实现送电与通信,并可满足安全及防爆要求等。

现场总线有哪些特点?现场总线技术九大种类介绍

现场总线优缺点

  优点:

  (1)节省硬件数量与投资

  由于分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、测量、控制、报警和计算功能,因而可减少变送器的数量,不再需要单独的调节器、计算单元等,也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线,还可以用工控PC机作为操作站,从而节省了一大笔硬件投资,并可减少控制室的占地面积。

  (2)节省安装费用

  现场总线系统的接线十分简单,一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备,因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少,连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时,无需增设新的电缆,可就近连接在原有的电缆上,既节省了投资,又减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料表明,可节约安装费用60%以上。

  (3)节省维护开销

  现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力,并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室,用户可以查询所有设备的运行,诊断维护信息,以便早期分析故障原因并快速排除,缩短了维护停工时间,同时由于系统结构简化,连线简单而减少了维护工作量。

  (4)用户具有高度的系统集成主动权

  用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而限制了使用设备的选择范围,不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展,使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。

  (5)提高了系统的准确性与可靠性

  现场设备的智能化、数字化,与模拟信号相比,从根本上提高了测量与控制的精确度,减少了传送误差。简化的系统结构,设备与连线减少,现场设备内部功能加强,减少了信号的往返传输,提高了系统的工作可靠性。

  此外,由于它的设备标准化,功能模块化,因而还具有设计简单,易于重构等优点。

  缺点:

  网络通信中数据包的传输延迟,通信系统的瞬时错误和数据包丢失,发送与到达次序的不一致等都会破坏传统控制系统原本具有的确定性,使得控制系统的分析与综合变得更复杂,使控制系统的性能受到负面影响。

现场总线有哪些特点?现场总线技术九大种类介绍

现场总线控制系统的组成

  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,它安装在主计算机内,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Oracle,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。

现场总线技术的九大种类

  1、基金会现场总线

  这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用,具有良好的发展前景。基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型(1,2,7层),即物理层、数据链路层、应用层,另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率,前者传输速率为31.25Kbit/秒,通信距离可达1900m,可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒,通信距离为750m和500m,支持双绞线、光缆和无线发射,协议符号IEC1158-2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。

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  2、CAN

  最早由德国BOSCH公司推出,它广泛用于离散控制领域,其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准,得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为二层:物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构,传输时间短,具有自动关闭功能,具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主工作方式,并采用了非破坏性总线仲裁技术,通过设置优先级来避免冲突,通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s,通讯速率最高可达40M/1Mbp/s,网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。

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  3、Lonworks

  它由美国Echelon公司推出,并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部7层通讯协议,采用面向对象的设计方法,通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质,通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等,直接通信距离可达2700m(78Kbit/s),被誉为通用控制网络。Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron(神经元)的芯片中,并得以实现。采用Lonworks技术和神经元芯片的产品,被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。

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  4、DeviceNet

  DeviceNet是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案,有着开放的网络标准。DeviceNet具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DebiceNet基于CAN技术,传输率为125Kbit/s至500Kbit/s,每个网络的最大节点为64个,其通信模式为:生产者/客户(Producer/Consumer),采用多信道广播信息发送方式。位于DeviceNet网络上的设备可以自由连接或断开,不影响网上的其他设备,而且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet总线的组织结构是OpenDeviceNetVendorAssociation(开放式设备网络供应商协会,简称“ODVA”)。

现场总线有哪些特点?现场总线技术九大种类介绍

  5、PROFIBUS

  PROFIBUS是德国标准(DIN19245)和欧洲标准(EN50170)的现场总线标准。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输,适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型,服从IEC1158-2标准。PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s,最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m,在12Mbit/s小为200m,可采用中继器延长至10km,传输介质为双绞线或者光缆,最多可挂接127个站点。

现场总线有哪些特点?现场总线技术九大种类介绍

  6、HART

  HART是HighwayAddressableRemoteTransducer的缩写,最早由Rosemount公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信,属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层,支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和,难以开发通用的通信接口芯片。HART能利用总线供电,可满足本质安全防爆的要求,并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。

现场总线有哪些特点?现场总线技术九大种类介绍

  7、CC-Link

  CC-Link是Control&CommunicationLink(控制与通信链路系统)的缩写,在1996年11月,由三菱电机为主导的多家公司推出,其增长势头迅猛,在亚洲占有较大份额。在其系统中,可以将控制和信息数据同是以10Mbit/s高速传送至现场网络,具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题,同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一个以设备层为主的网络,同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。2005年7月CC-Link被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。

现场总线有哪些特点?现场总线技术九大种类介绍

  8、WorldFIP

  WorkdFIP的北美部分与ISP合并为FF以后,WorldFIP的欧洲部分仍保持独立,总部设在法国。其在欧洲市场占有重要地位,特别是在法国占有率大约为60%。WorldFIP的特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求,而且没有任何网关或网桥,用软件的办法来解决高速和低速的衔接。WorldFIP与FFHSE可以实现“透明联接”,并对FF的H1进行了技术拓展,如速率等。在与IEC61158第一类型的连接方面,WorldFIP做得最好,走在世界前列。

  此外较有影响的现场总线还有丹麦公司Process-DataA/S提出的P-Net,该总线主要应用于农业、林业、水利、食品等行业;SwiftNet现场总线主要使用在航空航天等领域,还有一些其他的现场总线这里就不再赘述了。

  9、INTERBUS现场总线

  INTERBUS是德国Phoenix公司推出的较早的现场总线,2000年2月成为国际标准IEC61158。INTERBUS采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型(1,2,7层),即物理层、数据链路层、应用层,具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。其采用集总帧型的数据环通信,具有低速度、高效率的特点,并严格保证了数据传输的同步性和周期性;该总线的实时性、抗干扰性和可维护性也非常出色。INTERBUS广泛地应用到汽车、烟草、仓储、造纸、包装、食品等工业,成为国际现场总线的领先者。

  此外较有影响的现场总线还有丹麦公司Process-DataA/S提出的P-Net,该总线主要应用于农业、林业、水利、食品等行业;SwiftNet现场总线主要使用在航空航天等领域。

责任编辑:杨培
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