前言
自2000年IEC學(xué)會(huì )宣布的八種現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)作為國際標準后，在國際上已結束關(guān)于究竟采用哪種總線(xiàn)技術(shù)的爭論。但是現場(chǎng)總線(xiàn)仍是一種正在發(fā)展中的技術(shù)，而且一直處在不斷完善的過(guò)程中。所以現在正是我們加快自己開(kāi)發(fā)的步伐，縮短與國外技術(shù)差距的的最好時(shí)機。問(wèn)題是我們要發(fā)展，要開(kāi)發(fā)現場(chǎng)總線(xiàn)的前提是要掌握和了解現場(chǎng)總線(xiàn)是一種什么樣的技術(shù)和在工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中占有的地位。尤其重要的是——現在不是爭論到底應該用哪一種現場(chǎng)總線(xiàn)，哪一種現場(chǎng)總線(xiàn)應該成為中國的總線(xiàn)標準的時(shí)候，而是對幾種比較重要的現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)進(jìn)行深入的研究，取精用弘，融會(huì )貫通，以形成一個(gè)完整的中國式現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展體系?；谶@種想法，我想借“總線(xiàn)論壇“一角，拋磚引玉，先介紹一種在國內尚未“成名”，但又在國際上得到最廣泛應用的現場(chǎng)總線(xiàn)——INTERBUS（采用這種技術(shù)的設備90％是進(jìn)口的），然后再討論一下目前幾種重要的現場(chǎng)總線(xiàn)。
INTERBUS技術(shù)是德國PHOENIXCONTACT公司（一家中小型私人企業(yè)）研究和開(kāi)發(fā)的現場(chǎng)總線(xiàn)，作為一種最早開(kāi)發(fā)的現場(chǎng)總線(xiàn)，現已廣泛地應用于汽車(chē)工業(yè)、倉儲及傳送技術(shù)、煙草工業(yè)、造紙工業(yè)、包裝工業(yè)、食品工業(yè)等。1996年成為DIN19825德國標準，1998年成為EN50254歐洲標準，2000年成為IEC61158國際標準。全球1000多個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家提供2500多種總線(xiàn)產(chǎn)品，目前已經(jīng)超過(guò)400萬(wàn)節點(diǎn)，四十多萬(wàn)個(gè)系統應用在世界各地，使INTERBUS成為國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。
為什么INTERBUS現場(chǎng)總線(xiàn)能成為一種非常成熟、穩定、可靠的總線(xiàn)，如果說(shuō)八種現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準的產(chǎn)生是一個(gè)政治的產(chǎn)物，是協(xié)調各國利益的最后產(chǎn)物，那么為什么德國卻有兩種國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn)。如果說(shuō)一般具有國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn)都是由著(zhù)名的跨國公司研制開(kāi)發(fā)出來(lái)，并通過(guò)強大的經(jīng)濟實(shí)力和政治背景推廣到市場(chǎng)上，那么為什么一家以生產(chǎn)工業(yè)連接件為主導產(chǎn)品的中小型企業(yè)也能研制開(kāi)發(fā)具有國際先進(jìn)水平的現場(chǎng)總線(xiàn)，而且在世界自動(dòng)化領(lǐng)域中占有一席之地？以下就這些問(wèn)題我想作些分析，并希望與同行進(jìn)行交流。
一 為什么要采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)
為什么要采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，再次提出這個(gè)問(wèn)題似乎是老生長(cháng)談了，但是明確這個(gè)問(wèn)題對于開(kāi)發(fā)什么樣的現場(chǎng)總線(xiàn)卻有重要的意義。所以這里不妨再總結一下。
1 控制系統的發(fā)展推動(dòng)了現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的誕生
總線(xiàn)（Bus）的概念由來(lái)已久，現場(chǎng)總線(xiàn)（Fieldbus）的誕生是在80年代初。它的出現根本原因是實(shí)踐和用戶(hù)的需要，實(shí)踐的需要是產(chǎn)生現場(chǎng)總線(xiàn)的動(dòng)力。在80年代初，工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域發(fā)生了什么變化呢？計算機技術(shù)、IC技術(shù)的迅猛發(fā)展越來(lái)越廣泛地應用到PLC控制器上，使之能力越來(lái)越強，可帶檢測，變送器和執行器的點(diǎn)數和控制回路越來(lái)越多。越來(lái)越多的信號需要進(jìn)行傳輸，需要越來(lái)越多點(diǎn)到點(diǎn)的電纜，這樣增加了線(xiàn)路敷設設計的復雜性，也增加了投資和安裝，調試與維護的費用。系統的安全型和可靠性也大大降低。因此用戶(hù)迫切需要一種新的工業(yè)通信技術(shù)，通過(guò)采用這種技術(shù)可降低電纜及其相關(guān)的成本，并能將一部分的控制功能分散到現場(chǎng)輸入/輸出設備上，提高系統的安全性和可靠性。
2 串聯(lián)通訊方法實(shí)現了現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)
要實(shí)現新的工業(yè)通信技術(shù)的關(guān)鍵是要采用新的傳輸方法。常規的點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸方法，即并聯(lián)傳輸方法已明顯地不能滿(mǎn)足大量現場(chǎng)數據的傳輸任務(wù)，特別對于模擬量信號的傳輸更需要用特殊的導線(xiàn)，以提高傳輸的抗干擾能力。并聯(lián)傳輸時(shí)，傳輸的信號越多、需要連接的導線(xiàn)也越多。更重要的是采用并聯(lián)傳輸方法的控制系統都屬于封閉式的控制系統，很難實(shí)現不同系統之間的信號交換。而采用串聯(lián)傳輸方法就可將以上問(wèn)題迎刃而解。圖1表示的是用一根串聯(lián)總線(xiàn)可以連接現場(chǎng)設備、控制器、執行器、監控器的所有不同類(lèi)型的數據。
3 采用簡(jiǎn)化的通訊網(wǎng)絡(luò )結構實(shí)現了現場(chǎng)總線(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域中的成功應用
對于傳統的并聯(lián)傳輸來(lái)說(shuō)，信號的傳輸都采用點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸（實(shí)際是簡(jiǎn)單的連接），不存在傳輸網(wǎng)絡(luò )的問(wèn)題，當確定采用串聯(lián)傳輸方法來(lái)實(shí)現工業(yè)控制器與現場(chǎng)設備的信號傳輸后，就產(chǎn)生了另一個(gè)問(wèn)題：怎么樣才能使控制器發(fā)出的信號送入每個(gè)現場(chǎng)設備（執行器）中去，又怎樣從每個(gè)現場(chǎng)設備上（變送器）取得信號，這也就是工業(yè)通信應該采用什么樣的網(wǎng)絡(luò )。計算機的通信系統的結構是網(wǎng)絡(luò )狀的，從一點(diǎn)到另外一點(diǎn)的通信路徑是不確定，而且可以采用多種路徑。但是在工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中就不必采用這種網(wǎng)絡(luò )。所以現在大部分現場(chǎng)總線(xiàn)的結構采用線(xiàn)狀的或環(huán)狀的，雖然它的拓撲可以是總線(xiàn)型、回路型，但是通訊路徑是固定的。這種簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò )結構使通信技術(shù)能夠在工業(yè)控制領(lǐng)域得到應用，也使工業(yè)控制系統的設計更加能適應實(shí)踐的需要。
實(shí)踐證明，現場(chǎng)總線(xiàn)與并聯(lián)傳輸方法相比有很大的優(yōu)點(diǎn)，由于減少導線(xiàn)，節省了設計時(shí)間，也節省了連接件，減少了控制柜的尺寸，同時(shí)先進(jìn)診斷功能也可以減少停機時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)現場(chǎng)總線(xiàn)對于模擬量信號的傳輸要比并聯(lián)傳輸具有更高的可靠性。開(kāi)放性的現場(chǎng)總線(xiàn)統一了與不同現場(chǎng)設備的接線(xiàn)方法，使系統更加靈活，方便。實(shí)踐證明，采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)可以減少50％以上的控制柜的空間，免去DA及AD的傳換，提高了控制精度，減少66％以上的電纜的用量，并能使控制系統智能分散化。所有這些優(yōu)點(diǎn)無(wú)疑使現場(chǎng)總線(xiàn)在最近十年在全世界得到了越來(lái)越多的應用。圖2表示的是控制柜過(guò)去和現在的重大變化。
二 選擇現場(chǎng)總線(xiàn)系統的關(guān)鍵是什么
現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)實(shí)際是采用串聯(lián)數據傳輸和連接的方法代替傳統的并聯(lián)信號傳輸連接的方法，以此實(shí)現了控制層與現場(chǎng)設備層之間的數據傳輸。所以選擇現場(chǎng)總線(xiàn)系統的關(guān)鍵首先是要區別兩種傳輸方法的優(yōu)缺點(diǎn)和不同點(diǎn)。圖3表示了兩種不同傳輸方法的不同的導線(xiàn)連接方法。表1列出了并聯(lián)傳輸與串聯(lián)傳輸的特點(diǎn)。通過(guò)對這兩種傳輸方法的分析，可以了解到什么是選擇現場(chǎng)總線(xiàn)系統的關(guān)鍵。
從表1可以看到串聯(lián)傳輸方法在安裝、設計、調試以及連接技術(shù)上有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但在通信的方面，如傳輸時(shí)間、實(shí)時(shí)時(shí)間、循環(huán)時(shí)間、傳輸的確定性以及診斷等方面遜于并聯(lián)傳輸方法。因此當我們選擇現場(chǎng)總線(xiàn)系統的時(shí)候，要注意以下幾點(diǎn)：
(1) 總線(xiàn)能傳輸不同類(lèi)的數據 由于一個(gè)總線(xiàn)系統必須能與不同的設備相連，從傳輸數據長(cháng)度僅為1位到16位的簡(jiǎn)單數字量（過(guò)程數據）輸入/輸出模塊，到復雜、智能式的儀器儀表，變頻器，控制器和機器人等。此類(lèi)設備需要傳輸的數據較為復雜（參數數據），從32位到1K。這些數據主要作為智能化的現場(chǎng)總線(xiàn)設備的參數設定，設備的初始化。這兩種數據具有完全不同的要求和特點(diǎn)，但是選擇的總線(xiàn)系統中必須能同時(shí)傳輸過(guò)程數據和參數數據。
(2) 總線(xiàn)系統的開(kāi)放性 一個(gè)總線(xiàn)必須具有強大的開(kāi)放性，這開(kāi)放性指兩方面，一方面能與不同的控制系統相連接，另一方面其通訊的需要必須開(kāi)放，便于用戶(hù)的自行開(kāi)發(fā)。
(3) 總線(xiàn)的循環(huán)周期 一個(gè)總線(xiàn)系統中所有過(guò)程數據更新一次的時(shí)間，一般應在1～5ms之間
(4) 總線(xiàn)的傳輸時(shí)間 總線(xiàn)的傳輸速度要求越快越好。速度越快，表示系統的響應時(shí)間就越短，但是傳輸速度的快速不能僅靠提高傳輸速率來(lái)解決。
(5) 傳輸周期的確定性 總線(xiàn)系統傳輸必須具有確定的時(shí)間，即控制器發(fā)出控制值的時(shí)間間隔及接收現場(chǎng)總線(xiàn)設備實(shí)際值的時(shí)間間隔必須是一個(gè)定值，這樣才能保證完成控制和調節的任務(wù)。
(6) 協(xié)議效率 指采用數據傳輸的協(xié)議幀中必須要有程序處理的用戶(hù)數據所占的比率。
(7) 傳輸的安全性 在選擇總線(xiàn)系統時(shí)必須注意到傳輸效率這一點(diǎn)，在傳輸效率高的前提下，可以選擇比較低的傳輸速率。因為采用低的傳輸速率接線(xiàn)數據通信，有較高的抗干擾能力，而且傳輸距離長(cháng)。（如500K的傳輸速率，最大傳輸距離為400米；而12M的傳輸速率，最大距離是100米）
(8) 傳輸媒介 一個(gè)完整的現場(chǎng)總線(xiàn)系統，除了構成網(wǎng)絡(luò )的范圍（即最大距離）是一個(gè)重要的指標外，同時(shí)能否在一個(gè)總線(xiàn)系統中實(shí)現在不同的總線(xiàn)段之間采用不同的傳輸媒介，也是一個(gè)重要的因素。它使系統的構成更為靈活，更符合工況實(shí)際的要求。
(9) 診斷功能 當系統發(fā)生故障時(shí)，診斷功能不僅能找出錯誤，而且不需特殊的工具，就能糾正故障。同時(shí)能夠方便地替換壞的模塊，以減少停機時(shí)間，提高工作效率。
(10) 成熟的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù) 選擇的總線(xiàn)系統必須有生命力，是一種成熟的技術(shù)，具有國際標準的技術(shù)，這樣才能保證其總線(xiàn)產(chǎn)品能長(cháng)期提供。
綜上所述，如果我們選擇一個(gè)變送器/執行器總線(xiàn)，就必須滿(mǎn)足以下要求：① 同時(shí)互不干擾地傳輸過(guò)程數據和參數數據；② 總線(xiàn)的采樣周期必須少于5ms；③ 每個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)設備的字長(cháng)為8～16位；④ 整個(gè)總線(xiàn)系統至少可以帶100個(gè)以上的現場(chǎng)總線(xiàn)模塊；⑤ 循環(huán)周期的時(shí)間必須可以計算；⑥ 循環(huán)周期的時(shí)間是恒定的；⑦ 盡量低的傳輸速率，盡量高的傳輸效率。
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