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标题: 自动化系统的总线技术 [打印本页]

作者: xiaonaijia 时间: 2004-9-22 22:39
标题: 自动化系统的总线技术
自动化系统的总线技术
上海电力修造工程有限公司冯海燕
关键词：现场总线技术、HART控制网络、AS-i总线
序言
人类认识世界，探索自然规律，必须用检测技术和测量仪器来增强人的视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉。"仪器仪表是人类认识世界的工具。"没有这个工具我们就无法去探索自然界新的奥秘。进入新世纪来，检测技术与现代科学技术迅猛发展，自动化技术日新月异。至今以来，自动化技术已经历了两次飞跃。第一次在上个世纪50～60年代,从传统的电气传动控制发展到以模拟信号为主的电子装置和自动化仪表的监控系统,这次飞跃是以微电子技术的进步为基础的。第二次是在上个世纪70～80年代，集散控制系统DCS的出现，把分散的单回路测控系统采用了计算机技术进行了统一管理，用各种I/O功能模板代替了常规仪表，用计算机高速运算的强大功能，集中实现了回路调节、工况连锁、参数显示报警、历史数据储存和工艺流程动态显示等多种功能，在大型控制系统中还带有操作指导和专家系统等软件。DCS系统对工业控制技术的发展起到了巨大的推动作用。这次飞跃是以计算机技术的飞速发展为基础的。上个世纪90年代以后，自动化技术进入第三次飞跃，现场总线技术的逐渐成熟成为21世纪自动化领域中的主导技术。现场总线控制系统FCS是以现代计算机、通讯和控制技术的推动下集成而形成的，我们称为三C（Computer，Communication，Control）技术。
现场总线技术的发展和标准
根据国际电工委员会（IEC）的标准和现场总线基金会的定义：《现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输多分支结构的通信网络》。
现场总线技术起势于20世纪80年代中期，到20世纪90年代初期逐步形成了几种有影响的标准：它们是德国和欧洲标准-Profibus、法国标准-FIP、可交互系统标准-ISP、美国仪表协会标准-ISA SP50等。经世界现场总线基金组织-国际性现场总线基金会、诸多国际知名的仪表和控制系统公司的参与，在长达16年的讨论和9次投票表决，最后于1999年7月在加拿大渥太华召开会议，IEC TC65（国际电工委员会负责工业测量和控制的第65标准化技术委员会）通过了IEC61158决议，规定了8种类型的现场总线国际标准。
8种现场总线国际标准分别为：
类型一 --IEC技术报告（即FF的H1）
类型二 --Control Net（美国Rockwell公司支持）
类型三 --Profibus（德国西门子公司支持）
类型四 --P- Net（丹麦Process Data公司支持）
类型五 --FF HSE（即原FF的H2）
类型六 --Swift Net（美国波音公司支持）
类型七 --World FIP（法国Alston公司支持）
类型八 --Interbus（德国Phoenix contact公司支持）
另外IEC SC17B（国际电工委员会负责低压电器的第17 B标准化技术委员会）也通过了三种现场总线国际标准，它们分别为：
SDS（Smart Distributed System）——智能分布系统
ASI（Actuator Sensor Interface）——执行器传感器接口
Device Net ——设备网络
国际上另外一个组织ISO（国际标准化组织），也推出了ISO 11898决议，认定CAN（Control Area Network）总线为国际标准。
所以目前有关现场总线技术的国际标准共有12种之多，当前很多研究结构和大公司正在投入相关力量进行工业以太网（Ethernet）的研究，希望利用工业以太网来统一现场总线的标准，但目前仍然采用处于多种现场总线技术各自发展，互相补充，共同存在的时期。
现场总线控制系统的特点
现场总线控制系统FCS与传统的控制系统相比有以下特点：
（1）数字化的信号传输：系统全部使用数字化信号，并在网络中采用了许多防止碰撞、检查纠错的技术措施，实现了高速、双向、多变量、多站点之间的可靠通信。与传统的DCS系统中底层到控制站之间4~20mA模拟信号传输相比，在通信质量和连线方式上都有重大突破。信号内容所表达的不仅是单一的测量量的数值，而是具有测量范围，工程单位，生产厂家，设备型号和工位号码等多种参数内容。
（2）分散的系统结构：废除了传统的DCS系统中采用“操作站—控制站—现场仪表”三层主从结构模式。把输入/输出单元，控制站的功能分散到智能型现场仪表中去。每个现场仪表作为一个智能节点，都带有CPU单元，可分别完成独立测量、校正、调节、诊断等功能，依靠网络协议把它们连接在一起统筹工作。任何一个节点出现故障只影响本身而不会危及全局，这种彻底的分散型系统结构使系统更加可靠。
（3）方便的互操作性：FCS系统特别强调“互联”和“互操作性”。因此不同厂商的FCS产品可以异构，组成统一系统，可以互相操作，统一组态，打破了传统的DCS系统互不兼容的缺点，方便了用户。
（4）开放的互联网络：FCS系统技术与标准是全开放性的，从总线标准，产品检验到信息发布都是公开的，面向所有的产品制造商和用户。通信网络可以和其它系统网络或高速网络相连接，用户可以共享网络资源。
（5）多种传输媒介和拓扑结构：FCS系统由于采用了数字通信方式，因此可采用多种传输介质进行通信。按控制系统中节点空间的分布情况，可采用多种网络拓扑结构。传输介质和拓扑结构的的多样性给自动化系统的施工带来了极大的方便，按可靠的统计参数显示，仅仅计算布线工程一项就可节省40%的经费。
以下将介绍检测技术和仪器仪表联系最为紧密的两种现场总线技术：HART控制网络和AS-i总线。
HART控制网络通信协议
HART（Highway Addressable Remote Transducer）协议即“可寻址远程变送器数据通道”是HART控制网络（HART Control Net）的通信协议标准，它是一种用来在现场智能仪表和控制室设备之间双向通信的协议规程。按照现场总线定义，HART通信协议并不完全符合现场总线技术要求，所以可以说它是模拟系统和数字总线之间的一种过渡措施。
HART协议最初是由美国Rosemount公司开发的，它采用了美国贝尔实验室的Rell 202通信标准中的频移键控FSK（Freguency Shift Keying）技术，在传统的4~20mA直流模拟信号上叠加了一个频率信号。它成功地使模拟与数字通信可以同时进行而互不干扰。具有HART协议的智能仪表既可以在传统的模拟系统上使用，也可以在新型的数字网络系统中使用，它是在新旧技术交替阶段的一种最佳方式。
为了推广HART控制网络技术，Rosemount公司把HART协议的所有权和HART标志的注册权转交给了1993年成立的HART通信基金会HCF（HART Communication Foundation），目前世界上已有200多家公司参加了HCF。HART协议的内容完全是公开的，任何厂家都可以按照协议的规定标准开发自己的产品，所以目前基于协议的智能仪表在国内外应用十分广泛，查阅相关的统计资料截止到1998年全世界已累计生产HART协议仪表200多万台，占世界智能变送器市场的70%多。尽管从发展趋势看，HART协议仪表最终会被全数字化的现场总线通信协议所替代，但这仍然是一个漫长的阶段。
HART控制网络通信协议的特点
（A）因HART协议既具有常规模拟信号的功能，又具有现代数字信号的功能，所以用户在控制系统中可以将具有HART协议接口的智能仪表与常规模拟仪表一起混合使用，并逐步实现系统的数字化，减少风险和投资，是目前最有效的过渡方式。
（B）若采HART协议的数字通信方式，则系统中调制解调器或网桥以上系统可构成总线结构形式，可节省大量接线和安装费用。并可以通过电话线进行通信。
（C）支持多主站（PC机和手机编程器）的主从模式，通信方式为“点对点”的问答模式或“多点”的成组模式。采用统一的报文格式，有多种纠错和数据检验方法。
（D）为解决不同生产厂家HART协议产品互操作性和互换性问题，HART协议采用了设备描述语言DDL。仪器仪表供应商除了提供HART协议设备的硬软件外，还应按照标准格式提供HART DDL文件，经由HART通信基金会认可后对外公布，此后该文件进入各种手持编程器和PC机管理软件中。当这个厂商的产品接入HART网络系统中后就会自动被识别并建立数据交换关系，否则你生产的HART协议设备就无法接入网络系统中去。
AS-i总线概论
AS-i（Actuator-Sensor-Interface）是执行器-传感器-接口的英文缩写，它是一种用在控制器（主站）和传感器/执行器（从站）之间双向交换信息的总线网络，它属于现场总线（Fieldbus）下面底层的监控网络系统。一个AS-i总线系统通过它主站中的网关可以和多种现场总线（如FF、Profibus、CANbus）相连接。AS-i主站可以作为上层现场总线的一个节点服务器，在它的下面又可以挂接一批AS-i从站。AS-i总线主要运用于具有开关量特征的传感器和执行器系统，传感器可以是各种原理的位置接近开关以及温度、压力、流量、液位开关等。执行器可以是各种开关阀门，电/气转换器以及声、光报警器，也可以是继电器、接触器、按钮等低压开关电器。当然AS-i总线也可以连接模拟量设备，只是模拟信号的传输要占据多个传输周期。必须注意的是在连接主站和从站的两芯电缆上除传输信号外，同时还提供工作电源。
AS-i总线技术特点
（A） AS-i总线系统完整
AS-i总线是在分析了传统的I/O并行和树型结构的优缺点以及开关量技术特点后发展起来的，它省去了各种I/O卡、分配器的控制柜，节约了大量的连接电缆。因采用了两芯扁平电缆和特殊的穿刺安装技术，能很方便地将传感器/执行器连接到AS-i网络上。
（B）应用十分简便
AS-i总线是一个主从系统，主站和所有的从站可双向交换信息，当主站与上层现场总线进行通信时，主站担当了AS-i和上层网络信息交换的出入口，因AS-i主要传输的是开关量，所以它的数据结构比较简单，用户仅需关心数据格式、传输率和参数配置等。
（C）传输速率快捷
在AS-i总线系统中，主站和从站之间采用了串行双向数字通信方式。因为报文较短，如若在有一个主站和31个从站的系统中，ASI的通信周期大约为5ms，也就是说主站在5ms内就可以对31个从站轮流访问一遍。
（D）功能可靠
在AS-i总线不同的应用情况下，功能可靠包含下列内容，首先是通信数据的可靠性方面，AS-i总线在许多方面采取了抗干扰措施。在接收数据时，必须进行错误检验，此方法十分有效，出错误后信息可以重发。另外如系统部件出现故障时主站会很快检测到故障信息，并自动与发生故障的从站切断通信联系，通知操作人员故障地址，以便及时进行维修。主站还具备网络运行监视功能，在任何时刻用户都能得到系统中所有从站当前运行状态的完整资料。
（E）节省资金
AS-i总线系统与传统的I/O并行方式树形结构相比，可节省大量的连接导线和安装费用。若用户因生产流程变化需要扩展系统、改变控制动作，或在运行中出现故障，则AS-i总线系统具有的快速安装、故障诊断、自动测试、预防性维护、程序参数变化等功能可以大大缩短系统重新配置和排除故障的时间，提高了效率，节省了资金。
（F）系统开放
AS-i总线系统在研制开发的初期就确定它必须是一个开放系统，AS-i不同的部件在规范和行规中均有详细的定义和技术要求，任何AS-i部件都必须遵守这些规范，其中如包括两芯电缆，机电一体化接口EMS，功能模块与I/O标准接口等。所有厂商的产品均通过AS-i协会指定机构的标准测试和程序认证，以保证AS-i产品的兼容性和互操作性。
AS-i总线系统的开发是由11个公司联合赞助和规划的，它得到德国科技工业部的支持，诸多科研机构和AS-i协会也加入到这个队伍中来，由此形成了一个世界性的组织——AS-i国际协会，这个组织对任何公司和企业都是开放的。
后语
以上我们详细地介绍了与FCS系统最为紧密联系的两种现场总线技术：HART控制网络和AS-i总线。FCS系统的出现将使传统的自控系统产生革命性的变革，它改变了传统的信息交换方式、信号制式和系统结构，改变了传统的自动化功能概念和结构形式，也改变了系统的设计和调试方法。进入21世纪，我们面临的是一个崭新的世界。正如1996年在美国举办的现场总线技术为重点的ISA展览会上打出的那个醒目的展示标题：《你将站在控制领域新纪元的起点上！》

作者：冯海燕单位：上海电力修造工程有限公司

作者: alertoner 时间: 2004-9-24 16:17
肖强兄是什么地方的啊

作者: 齐天大圣 时间: 2004-9-25 15:10
<P>不错!</P>

作者: daisky 时间: 2004-10-10 14:25
<P>good</P>

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