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现场总线技术讲座
szzunzheng 发表于 2007/8/10 13:47:43 790 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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[相关技术]自动控制技术；仪器仪表；计算机技术； 通信技术 ；微电子技术；网络技术
[技术难点]
基于现场总线技术的全开放分散控制系统是自动控制技术、自动化仪表、工业技术、计算机技术、网络技术、通信技术的交叉与集成，因此现场总线技术需要在以下几个方面加大研究、开发力度：
☆ 基于现场总线的智能化、自动化仪表、现场仪表是信息获取的工具，是信息工业的源头。智能化应包括理解、推理、判断与分析等一系列功能，能适应被测参数的变化，在线联机改变量程，自动检测自身工作状态并传递信息，进行异常处理，自动进行指标判断与分选，进行逻辑操作，定量控制与程序控制，实现多参数测量，进行数字信号处理等。
☆ 基于现场总线的网络设备的软、硬件 控制系统从模拟仪表到集中监督控制系统，进而到分散控制系统(DCS)，可以说取得了很大的进展，但系统的开放性和通信问题仍未解决，系统的开放性是要解决不同厂家软、硬件产品可集中到一个系统中，如LonWorks总线技术产品，只要遵循LonMARK标准，几百家的不同产品均可连在一个系统上，所以要进行网络设备的研制必须遵循现场总线的标准进行开发。
☆ 组态技术 包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等。
☆ 网络管理技术 包括网络管理软件、网络数据操作与传输。现场总线的出现形成了低层网络，同时提供与企业、企业网(Intranet)、国际互联网(Internet)相连接的可能性，所以搞网络企业也需拓宽到这一层次。
☆ 基于现场总线技术的全开放控制系统的集成技术 总体来说，自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向发展，并且涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，涉及到电力、冶金、石油、化工、建材、轻工、造纸、楼宇自动化和家庭自动化等，如何将系统集成，并应用于这些领域，是需要解决的难点之一。
[国外概况]
1984年美国Inter公司提出一种计算机分布式控制系统-位总线（BITBUS），它主要是将低速的面向过程的输入输出通道与高速的计算机总线多（MULTIBUS）分离，形成了现场总线的最初概念。80年代中期，美国Rosemount 公司开发了一种可寻址的远程传感器（HART）通信协议。采用在4～20mA模拟量叠加了一种频率信号，用双绞线实现数字信号传输。HART协议已是现场总线的雏形。1985年由Honeywell和Bailey等大公司发起，成立了WorldFIP制定了FIP协议。1987年，以Siemens，Rosemount，横河等几家著名公司为首也成立了一个专门委员会互操作系统协议（ISP）并制定了PROFIBUS协议。后来美国仪器仪表学会也制定了现场总线标准IEC/ISA SP50。随着时间的推移，世界逐渐形成了两个针锋相对的互相竞争的现场总线集团：一个是以Siemens、Rosemount,横河为首的ISP集团；另一个是由Honeywell、Bailey等公司牵头的WorldFIP集团。1994年，两大集团宣布合并，融合成现场总线基金会（Fieldbus Foundation）简称FF。对于现场总线的技术发展和制定标准，基金委员会取得以下共识：共同制定遵循IEC/ISA SP50协议标准；商定现场总线技术发展阶段时间表。
重要阶段性成果：
目前国际上有40多种现场总线，但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面，按其传输数据的大小可分为3类：传感器总线（sensor bus)，属于位传输；设备总线（device bus)，属于字节传输；现场总线，属于数据流传输。目前应用比较多的有基金会现场总线（FF）、LonWorks、Profibus、WorldFIP及CAN。
国际组织本来打算在1998年完成对现场总线的标准化工作，但在1998年9月30日对现场总线国际标准最终草案（FDIS）进行投票表决，表决结果68％赞成，但32％反对，超过了25％，因此，国际标准化工作再次遭到措折，要在3年以后才可能成为国际标准。
现有水平及发展趋势：
国际上现有40多种现场总线，但影响较大的主要有FF、Profibus、CAN、lonWorks等。围绕着现场总线技术的标准化，世界上各大厂商展开了激烈竞争，并主要形成了FF和Profibus两大阵营，都希望能够统一整个世界市场。
目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。从应用状况看，无论是FF和Profibus，还是其他一些现场总线，都能较好地实现速率要求较慢的过程控制。因此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个世界市场。而现场总线的关键技术之一是互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。今后现场总线技术如何发展、如何统一，是所有生产厂商和用户十分关心的问题。
高速现场总线主要应用于控制网内的互连，连接控制计算机、PLC等智能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接，它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。目前这一领域还比较薄弱。因此，高速现场总线的设计、开发将是竞争十分激烈的领域，这也将是现场总线技术实现统一的重要机会。而选择什么样的网络技术作为高速现场总线的整体框架将是其首要内容。
现场总线技术的发展应体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的继续发展和完善；另一个是高速现场总线技术的发展。
作为新一代控制系统的体系结构，现场总线技术将具有如下技术指标：
实现系统的全分散控制； 系统的开放性；现场设备的智能化与功能自治性；
互操作与互用性；对现场环境的适应性 ；
[影响]
现场总线的应用有如下特点：
低成本
由于现场总线的通信是全数字式的且它的控制功能完全由现场设备去执行，因此不需要输入、输出及其它控制板；而且现场装置可直接与操作台相连，不再需要用于联接各控制板的"数据高速公路"，上述各部分的冗余在现场总线系统里自然也就不再需要了。现场总线系统只保留集散控制系统（DCS）中的现场设备及操作站，操作站已不再是系统的关键部分。
现场总线设备可以执行多种测量、控制和计算，因此减少了变送器的数量，不再需要单回路调节器和计算元件，从而节省了费用。
组态简单
由于所有仪表都引入了功能模块，组态变得非常相似或简单，不需要因为自动化设备种类不同或组态方法的不同而进行培训或学习编程语言。所有的生产厂商都使用相同的现场总线功能模块。功能模块是以用户自定义的标识符和标准参数为基础的，用户可以根据标识符来指定某一设备，毋需考虑设备地址、存储记忆地址和比特编号等。组态可通过计算机编辑，然后下装至现场自动化设备。
由于不同厂商、不同型号的仪表的校准、量程设定和诊断等的操作程序是一致的，使得培训操作员简单化和设备的更新。
现场总线已有大量的功能模块，且新的功能模块仍在不断增加。
查索更多的信息及诊断状况
数字通信使用户从控制室中查索所有设备的数据、组态、运行和诊断信息成为现实。而且现场总线的多变量特性为仪表及其它自动化设备的革新提供了更广阔的天地。
现场设备的自诊断功能使故障可以及时地被报告，使检修人员在事故发生之前可及时确定潜在事故地点并进行维修。硬件（如传感器、执行器和记忆单元）故障，软件方面（如组态和校准）的问题都能够被及时报告。
操作人员毋需把变送器送去检测就可获得所需信息，从而大大节省了时间和成本。
安装、运行、维修简便
由于现场仪表是并行连接，端子接头核对的工作量大大减少了，所以接线简单，一条电缆通常可连接20个设备。
现场总线设备能够模拟输入值、输出值或状态。这使得操作员在控制室内便能够测试系统对故障及过程状况的反应。
现场总线可以存储有用的信息以便于维修，信息不会丢失。大量的有用信息也被存储于自动化设备中，这些既可以从手持终端获取，又可从操作站获取。
自由选择不同品牌设备
所有现场总线产品采用统一的标准，这使用户可以自由选择不同制造商所提供的设备。
数据库的一致性
现场总线采用完全分散的数据库概念。任何同现场总线接口的人机界面都可显示有关信息，这样就不会有重复的、不一致的数据库。现场总线只使用一个数据库，即分散于现场仪表中的数据库，人机界面就是从此数据库中获取"定标数据"的，手持终端所查索的也是同一个数据库。
现场总线对国民经济的影响表现在：
现场总线技术是控制系统的重大变革，将在今后深深的影响自动化仪表和技术的发展。
新型的全数字控制系统的出现，将能充分发挥上层系统调度、优化、决策的功能，更容易构成计算机集成制造系统（CIMS）并更好地发挥其作用。有利于企业实施综合自动化策略，使企业从粗放型向集约化转化。
现场总线和开放系统的应用将大大降低自动化系统的投资，仅系统布线、安装、维修费用，可比现有系统减少66％，另外，还带来节约厂房面积，减少电缆桥架铺设等其他方面投资的减少。