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一、概述
随着计算机和自动控制技术的高速发展,工业自动化水平提高到一个崭新的高度。工业自动化根据其特点和使用方向又可分为过程控制自动化、面向生产和制造业的自动化以及自动化测量系统(工业测量仪表)。这些工业自动化系统的建立和发展都有一个共同的特点,即由直接控制系统向集散型控制系统发展,而这种集散型控制系统的发展都是以各种工业网络为基础。通过这些形形色色的工业总线系统,各种工业设备构成一个既分散又统一的整体。
工业总线可分为以下三种基本类型:传感器级总线、设备级总线和现场总线。传感器级和设备级总线属于较低层次的工业网络,用于处理传感器、行程开关、继电器、接触器和阀门定位器这类工业设备;而现场总线是一种较高层次的工业网络,用于完成一些过程控制器或现场仪表之间的通信。另外,由于设备级总线和现场总线有时完成相同的功能,因此它们之间是相互关联的,并且可同时存在于同一系统中(参见下图)。
二、设备级总线系统
ArcNet协议是Datapoint公司注册的一种总线标准。它是以现代控制系统(Contemporary Control System)为骨架演变而来的,主要用于生产过程、工厂自动化和楼宇自动化中的实时控制。ArcNet通信工作的关键是令牌传递协议,即只有持有令牌的站点才可向网络上发送报文 ,并且令牌对每个站点是平等的。采用令牌方式可以有效地消除网络忙时发生的碰撞。该协议还允许在不妨碍控制软件运行的前提下自动对网络重新组态,增加或删除网络中的站点。
ArcNet支持总线型、星型和分布星型网络拓扑结构。
执行器传感器接口(Actuator Sensor Interface,ASI)是Siemens E&A公司制定的一种应用于低层设备的总线标准。ASI用于需要数字传感器或执行器的工业现场,如食品加工流水线和原材料处理流水线等。由于该总线具有数据传输率较高和安装成本较低的特点,因此可取代将不同设备连接到汇流排的导线。ASI的另一个特点是可以通过传输数据的两根导线为现场设备供电,即实现总线供电。该协议由一个传感器和执行器制造商协会来发展和完善。A S I适合IP67环境标准,可用于现有的工业设备,支持线型、树型和星型网络拓扑结构。
DeviceNet是设备级总线系统的又一个例子。开放的DeviceNet用户协会为生产厂家提供分布控制解决方案,其中包括汽车生产、食品和饮料加工、材料处理、机械制造、造纸和采矿等。通过广泛选择成员,DeviceNet在控制成本、特殊产品应用方面为用户提供灵活、广泛的支持。
为输入/输出设备提供高速数据吞吐是Interbus-S总线的特长。它在欧洲广泛使用, 并在北美成立了一个由用户和设备供应商组成的Interbus-S协会。Interbus-S协议被认为是一种有较强数据处理能力的总线,其中包括对设备故障的诊断能力和允许用户发送复杂参数、数据的能力。Interbus-S主要用于分布式制造业,如汽车生产、出版印刷和材料加工业等。
Genius分布式输入/输出系统由GE公司于1985年推出,目的是用于石化工业。它的特性之一是可完成实时决策控制。通过简单控制连线,Genius可以构成分布式输入/输出系统。同时 ,它还为系统提供自诊断能力,并减少系统建立、调试和维修的时间。
Seriplex总线是在Seriplex技术组织指导下实施的一种总线标准。该系统对同一网络中的模拟和数字设备都可提供决策控制。该总线协议对用户是透明的,并且对网络拓扑结构没有严格限制。另外,Seriplex总线还提供一种非微处理器的嵌入式芯片,通过该芯片可将I/O设备智能化,并保持较小的体积和较低的成本。而紧凑的体积可以从使用的角度去布局,即允许用单个Seriplex总线电缆替代任何点对点的电缆排线,并减少系统的建立时间和安装成本。
SERCOS(SERial COmmunication System)接口是唯一已被实际现场应用证明的、采用光纤传输数据的总线标准。它为用户提供一种数字的、同步的、32位分辨率、对噪声有免疫力的光纤传输媒体。它提供扩充诊断能力,对分布式、数字多轴运动控制提供较好的应用。该标准已通过IEC认证(IEC-1491)。SERCOS由30多个设备供应商支持,SERCOS N.A组织为工程设计和产品开发提供信息。
SDS(Smart Distributed System)是一种由Honeywell公司开发的、基于CAN(Controll e r Are a Network)通信协议的、用于工厂自动化的控制系统。通过它,传感器、执行器、现场控制器及其它工业设备连接为一个整体。该协议结构适用于高速、实时的分布式控制。
基于和SDS同样的目的,AB公司开发了ControlNet协议,用于高速生产流水线的监测和通用的工业信号处理。由于它的数据处理能力较强且非常灵活,所以支持"灵巧型"工业设备, 如对变速驱动系统、人机界面接口和分布控制系统提供过程连接性。ControlNet协议还保证在网络中添加或删除设备时,数据的传递时间不变。
三、高层次的工业控制网络
LonWorks是Echelon公司开发的数字通信协议。该协议支持多种低成本的通信媒体,如双绞线、电力线、红外线、无线电射频、光纤和同轴电缆等。LonWorks主要用于工厂自动化、楼宇自动化和住宅自动化。由于它是一种基于嵌入式神经元芯片的总线技术,因此可以很容易地组成对等/主从式、决策设备/传感器总线以及高水准的现场总线系统。当用LonWorks组成一个客户/服务器网络管理体系结构时,它有极大的潜力。由于LonWorks采用高性能、低成本的专用神经元芯片,因此低成本和高性能是该总线系统的最大优势。
HART(Highway Addressable Remote Transducer)协议是由位于美国Austin的通信基金会制定的总线标准。它可使用工业现场广泛存在的4～20mA模拟信号导线传送数字信号。该协议使用Bell202 FSK(Frequency Shift Keying)标准传递信号,即逻辑1由频率1200Hz的信号代表,逻辑0用频率2200Hz的信号代表。HART协议可用来改造通过4～20mA电流传送信号的测量仪表和控制设备,可用在任何工业控制场合。因为它是叠加在现有系统上的,因此可对改进智能仪表间的通信提供无风险的解决方案。
在欧洲广泛流行的另一个高层次总线标准是由Siemens公司开发的Profibus通信协议。并且 ,该协议标准在Profibus贸易协会的保护下打入美国市场。Profibus主要用于制造业的分布式控制,其数据传输率和网络规模因使用场合不同而变化。Profibus最大的特点是它的灵活性,用户可以在网络中添加或删除任何站点(主站或从站),而不必中断系统的运行。在产品方面,Profibus拥有世界上150个设备厂商提供的约480种产品。
现场总线是由现场总线基金会提供的一种全新概念的通信标准,主要用于工业过程控制和制造业自动化环境。现场总线基金会总部设在美国德州的Austin。开发和使用现场总线标准的目的和意义在于实现工业设备的互操作性和互替换性,即用户在建立自己的控制系统时不必局限于某一厂家的工业设备产品,只要根据系统在功能上的需要从众多的设备供应商中选择性价比最高的产品即可。现场总线协议遵循国际标准化组织的OSI标准模型,并在标准制定过程中使用了大量新的技术和概念,如基于面向对象设计技术的功能块和动态调度器概念等。
四、总结
以上仅是对各种工业总线系统的一个十分简单的介绍。我们认为,每种新的总线标准从出现、发展,直到最后被广泛认可,都有一定的过程和原因。除技术上的因素外,最大的原因是市场需求。下表是各种总线的一个比较。有一点我们应该肯定,即总线技术的发展必将带来工业控制技术的飞跃。