什么是現(xiàn)場總線？現(xiàn)場總線的使用方法

1.0 什么是現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是智能現(xiàn)場 設(shè)備之間的數(shù)字雙向多支路通信鏈路。它是專用于工業(yè)自動化的局域網(wǎng)(LAN)。它用分布式控制網(wǎng)絡(luò)取代了集中控制網(wǎng)絡(luò)，并將智能傳感器/換能器/執(zhí)行器/控制器等隔離的現(xiàn)場設(shè)備連接起來。FOUNDATION現(xiàn)場總線H1和PROFIBUS PA是用于過程控制的兩種現(xiàn)場總線技術(shù)。

在這種雙向通信中，可以從智能傳感器讀取數(shù)據(jù)，也可以將數(shù)據(jù)寫入智能傳感器?，F(xiàn)場總線中的多支路通信設(shè)施節(jié)省了大量電纜，從而降低了成本。現(xiàn)場總線設(shè)備必須有一個現(xiàn)場總線接口單元，以便進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐ㄐ牛缦聢D所示:

下圖，顯示了傳統(tǒng)的點到點系統(tǒng)及其現(xiàn)場總線對應(yīng)設(shè)備。

1.1 演進(jìn)

幾十年前，隨著數(shù)字通信進(jìn)入過程自動化系統(tǒng)，不同的供應(yīng)商開始開發(fā)自己的協(xié)議(彼此獨立)。在現(xiàn)場總線引入的最初階段，設(shè)計人員面臨著許多問題。首先，一個特定的供應(yīng)商不可能提供工廠所需的所有部件/組件，一個特定的制造商不可能使所有的設(shè)備比其他制造商更好。這導(dǎo)致要么從單個制造商中選擇不太好的設(shè)備，要么從不同的制造商中選擇最好的設(shè)備。后一種選擇將導(dǎo)致集成問題，并導(dǎo)致自動化孤島，從而難以與不同制造商的設(shè)備進(jìn)行互操作性。

現(xiàn)場總線在引入之初就遇到了協(xié)議專有、傳輸速度慢、數(shù)據(jù)格式不一等諸多問題?，F(xiàn)場信號傳輸技術(shù)的改進(jìn)提高了分散程度。

1985年，該領(lǐng)域的行業(yè)專家聚在一起制定了一個獨立于供應(yīng)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。它將是可互操作的?？偩€標(biāo)準(zhǔn)將提供總線電源、安全性以及通過現(xiàn)有電線進(jìn)行長距離通信的能力（這是流程工廠自動化系統(tǒng)的基本要求）。

由于儀表自動化系統(tǒng)的復(fù)雜性，制造商之間的壁壘，一個單一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議架構(gòu)還沒有建立起來?；饡F(xiàn)場總線和PROFIBUS是目前主導(dǎo)過程自動化領(lǐng)域的兩種最主要的現(xiàn)場總線技術(shù)。由于協(xié)議不匹配，采用這兩種技術(shù)的設(shè)備無法相互通信，因此尚未實現(xiàn)無縫互操作性。

1.2 結(jié)構(gòu)的發(fā)展

多年來，控制系統(tǒng)架構(gòu)和現(xiàn)場信號是同步發(fā)展的。隨著現(xiàn)場信號傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)去中心化的水平不斷提高。最初是氣壓傳輸，隨后是單獨的4-20毫安模擬電流傳輸線到控制室。從控制室發(fā)出的控制信號再次被送到現(xiàn)場的執(zhí)行器，用于控制過程變量。

在直接數(shù)字控制(DDC)中，位于控制室的中央計算機對位于現(xiàn)場較遠(yuǎn)處的每個過程變量執(zhí)行所有控制。一旦中央計算機發(fā)生故障，控制策略將完全失效，整個工廠的運行將處于嚴(yán)重的危險之中。這導(dǎo)致了控制策略的分散，并產(chǎn)生了一個更加分散的分布式控制系統(tǒng)(DCS)和可編程邏輯控制器(PLC)的發(fā)展。不像在單臺計算機控制整個工廠的情況下DDC，在DCS中多臺計算機之間共享相同的任務(wù)。在DCS中，一臺計算機控制大約20-30個循環(huán)。因此，單個計算機故障只會影響分配給該計算機的循環(huán)。傳統(tǒng)的DCS和PLC體系結(jié)構(gòu)具有多個網(wǎng)絡(luò)層，如下圖所示。

隨著數(shù)字通信的出現(xiàn)，DCS和PLC迅速發(fā)展，但它們的體系結(jié)構(gòu)是基于現(xiàn)場變送器和閥門定位器的4-20 mA電流輸出。在現(xiàn)場控制系統(tǒng)中，只有兩個網(wǎng)絡(luò)層——現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)和主機層網(wǎng)絡(luò)。因此，F(xiàn)CS體系結(jié)構(gòu)將控制更多地帶入了現(xiàn)場，它比基于DCS的控制系統(tǒng)要分散得多。 FCS體系結(jié)構(gòu)如下圖所示。

1.3 類型

目前有許多類型的現(xiàn)場總線在使用;要使用的什么類型取決于應(yīng)用場景是離散或制造自動化的類型。下面列出了不同類型的現(xiàn)場總線:

FOUNDATION現(xiàn)場總線，PROFIBUS, DeviceNet, ControlNet, Interbus，HART, AS-i, Modbus，CANbus，以太網(wǎng)，Lon Works, WorldFIP等。

1.4. 擴大網(wǎng)絡(luò)邊界

現(xiàn)場總線在過程自動化中的應(yīng)用具有許多優(yōu)點。在現(xiàn)場總線的情況下，數(shù)字通信可以為提高生產(chǎn)效率更好地控制過程。

上圖，顯示了具有4-20 mA電流傳輸方案的傳統(tǒng)過程控制和基于現(xiàn)場總線的過程控制。對于傳統(tǒng)控制，需要單獨的電流傳輸線對于每個過程變量都是單向的，而對于現(xiàn)場總線，多個變量可以雙向的在共享一個單一的傳輸線路。

下圖，顯示了傳統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)之間的比較，其中傳統(tǒng)系統(tǒng)的邊界在遠(yuǎn)程I/O處停止，而現(xiàn)場總線系統(tǒng)擴展到傳感器。

在基于現(xiàn)場總線的系統(tǒng)中，I/O和控制都包含在現(xiàn)場的智能傳感器中，而傳統(tǒng)的系統(tǒng)需要一個單獨的子系統(tǒng)，控制器位于控制室。這種情況如下圖所示：

下圖，顯示了常規(guī)和基于現(xiàn)場總線的系統(tǒng)在火災(zāi)危險情況下的應(yīng)用比較。對于前者，每個設(shè)備都需要一個防爆屏蔽(IS)線路，而對于后者，多個現(xiàn)場設(shè)備共用一套防爆屏蔽(IS)線路。

2.0 拓?fù)?/h5>

拓?fù)渖婕暗浆F(xiàn)場總線設(shè)備連接到數(shù)據(jù)高速公路的方式。根據(jù)工廠地形的需要，可采用了幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):點對點、總線、樹型、鏈型和混合。 為了清晰起見，在代表不同現(xiàn)場總線拓?fù)涞膱D中沒有顯示電源和終止器。

2.1 點到點

如下圖所示，在這種拓?fù)渲?，段由兩臺設(shè)備組成。兩個設(shè)備可以在現(xiàn)場，或者一個設(shè)備在現(xiàn)場，主機在控制室。

2.2 總線

總線如下圖所示，這些設(shè)備通過“分支”的小長度電纜連接到線段上。分支長度可以在1到120m之間變化。貫穿整個長度的主電纜稱為中繼線。

2.3 樹型

在這種情況下，特定段上的設(shè)備通過接線盒、集線箱、終端或I/O卡進(jìn)行連接。該方案適用于位于同一地理位置的設(shè)備，可以連接到同一個接線盒，同時也遵循每段最大直距的規(guī)則。方案如下圖所示。

2.4 鏈型

如下圖所示，設(shè)備在一個特定的線段上串聯(lián)連接。

2.5 混合

混合拓?fù)浒厦嬗懻摰亩鄠€拓?fù)洌赡艿慕M合，如下圖所示。根據(jù)設(shè)備在工廠中的物理位置和段長度限制，采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來獲得單個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點

3.0 終端連接器

在線段的兩側(cè)放置一個終端連接器(T)，作為阻抗模塊，具有與線段相同的特性阻抗。

終端連接器(T)，使接收者的錯誤可以減少到最低限度。終端連接器(T)防止信號反射和由此產(chǎn)生的通信錯誤。終端連接器(T)是由100 Ω電阻和1 μ F電容串聯(lián)而成。

4.0 現(xiàn)場總線的優(yōu)勢

現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于規(guī)劃、安裝、運行、維護和改造階段。在規(guī)劃階段，可以通過使用現(xiàn)場總線的數(shù)字通信實現(xiàn)全廠集成。在安裝階段，用網(wǎng)絡(luò)或多支路通信取代傳統(tǒng)的一對一布線方案，大大降低了成本和時間。自我診斷/校準(zhǔn)可以在維護階段通過軟件功能就地完成。在更新階段，由于基于網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)是模塊化的，因此升級成本和時間將是最小的。

現(xiàn)場總線中的控制動作分布在現(xiàn)場設(shè)備中?，F(xiàn)場設(shè)備是智能的，可以進(jìn)行自己的控制/維護/診斷/校準(zhǔn)?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)足夠智能，可以報告自己的故障，如果需要，可以進(jìn)行手動校準(zhǔn)。通過采用基于現(xiàn)場總線的控制，提高了工廠運行的效率，減少了停機時間。現(xiàn)場總線不是一種產(chǎn)品，而是一種技術(shù)，它屬于層次結(jié)構(gòu)的最底層，即在現(xiàn)場設(shè)備中，與更高的層次進(jìn)行信息交換

由于現(xiàn)場總線設(shè)備是可互操作的，互操作性不會成為問題，因此來自不同制造商的設(shè)備可以一起工作，而不會損失任何功能，這是專有協(xié)議所不能做到的。

安裝成本方面，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可以節(jié)省約80%的布線費用。由于現(xiàn)場總線設(shè)備中有大量的配置和診斷信息，設(shè)備調(diào)試時間大大縮短?，F(xiàn)場設(shè)備可以在現(xiàn)場條件下診斷其問題，從而減少停機時間。最后，由于控制已經(jīng)轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場設(shè)備，需要更好和更簡單的中央控制系統(tǒng)。