现场总线控制系统的构成与特点

摘要：文中阐述了现场总线的主要产品及其控制系统的结构和特点，针对网络拓扑结构论述网络传输的物理介质及网络协议。 关键词：现场总线 控制系统 网络拓扑 网络协议 Fieldbus Control System Constitute and Characteristic [Abstract]:This paper introducing the fieldbus mostly manufacture and control system frame and characteristic，be dead against meshwork topology frame discuss meshwork transmission physics medium and meshwork agree on。 [Key Words]: fieldbus control system meshwork topology meshwork agree on 1.概述 现场总线的技术基础是一种全数字化、双向、多站的通信系统，是应用于各种计算机控制领域的工业总线，因现场总线潜在着巨大的商机，世界范围内的各大公司投入相当大的人力、物力、财力来进行开发研究。当今现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域，由于现场总线技术的不断创新，过程控制系统由第四代的DCS发展至今的FCS（Fieldbus Control System）系统,已被称为第五代过程控制系统。而FCS和DCS的真正区别在于其现场总线技术。现场总线技术以数字信号取代模拟信号，在3C（Computer计算机、Control控制、Commcenication通信）技术的基础上，大量现场检测与控制信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备。由于国际上各大公司在现场总线技术这一领域的竞争，仍未形成一个统一的标准，目前，在现场总线网络互联都是遵守OSI参考模型。 现场总线控制系统是从八十年代中期发展起来的。经历了十几年的时间，现场总线控制技术已经被广泛应用于汽车、造纸、纺织、烟草、机械、石油化工、电力、楼宇自控等各个控制领域。现场总线控制技术由于其巨大的技术优势，被认为是工业控制发展的必然趋势，将逐步取代传统的PLC点对点接线的控制方法。 2.现场总线的主要产品 连接于总线上的产品，可以分为有源和无源两大类。 2.1.有源产品 有源产品可以产生通讯信号、响应信号、调整信号或者兼而有之。 有源产品包括以下部件： 　 2.1.1节点（Node）；总线上可以编址的设备。 2.1.2总线模块(Bus Modulea)；任何形式的现场节点，可以使用端子或接插件连接传感器、阀门、按钮等各种现场装置。
2.1.3网关（Gateway）；一种特殊的节点，用于两面种不同的总线之间的信号和数据变换。
2.1.4放大器；一种用于实时（加强）信号，以精确复制原始信号。连接同一总线的两部分，解决通讯信号在通讯线上由于电气损耗而造成的衰减。当信号变弱而不变形时可以使用放大器。
2.1.5中继器（Repeater）；用于加强信号，产生不变形的新信号。连接同一总线的两端，当信号变弱或变形时可以使用中继器。
2.1.6.桥（Bgridge）；有两类桥。一种是用于连接同一种协议，不同传输速度的两个段。另一种是一种智能的中继器，当通讯的源地址和目的地址位于不同总线段时，用于重复两个段间的数据。桥必须被编程设定地址和相关的段。当桥读地址时，要有几个位的等待时间。桥可以应用于设备级总线，但应用并不普遍。
2.1.7路由器（Router）；用于广域网的高等级桥。这类产品很少应用于设备级总线。
2.1.8有源多端口分接器（Active hub）多端口中继器或放大器，以增加总线的分支能力。
2.1.9接口卡、接口模块（Interface card,interface module）；指网关的常用术语，作为PLC或PC到设备及总线的接口。
2.2无源总线产品 无源总线产品包括：
2.2.1T型分支（Tee）；用于产生总线上的一路分支。 　　
2.2.2无源多端口分接器（Passive hub）；多端口T型分支。
2.2.3终端电阻（Terminating Resistor）；安装在总线的始端和末端的电阻，用于稳定和调整信号。
2.2.4总线电缆（Busline）；连接节点，传送数据的各种电缆。 3.现场总线控制系统的结构及其特点 国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求：同一数据链路上过程控制单元（PCU）、 PLC等与数字1/ O设备互连；现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取；通信媒体安装费用较低。现场总线是一种串行的数字数据通讯链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（即现场级设备）与更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系。现场总线控制系统主要包括一些实际应用的设备，如PLC、扫描器、电源、输入输出站、终端电阻等。其它系统也可以包括变频器、智能仪表、人机界面等。 系统中的主控器（Host）可以是PLC或PC，通过总线接口对整个系统进行管理和控制。其总线接口，有时可以称为扫描器。可以是分别的卡件，也可以集成于PLC中。总线接口作为网络管理器和作为主控器到总线的网关，管理来自总线节点的信息报告，并且转换为主控器能够读懂的某种数据格式传送到主控器。总线接口的缺省地址通常设为"0"电源，是网络上每个节点传输和接收信息所必须的。通常输入通道与内部芯片所用电源为同一个电源，习惯称为总线电源。而输出通道使用独立的电源，称为辅助电源。 系统中的输入输出节点虽然有许多不同的类型，但在应用中最常用的是24V直流的2线、3线传感器或机械触点。该节点具有IP67的防护等级，有防水、防尘、抗振动等特性，适合于直接安装在现场。另一个节点是端子式节点，独立的输入/输出端子块安装在DIN导轨上，并连接着一个总线耦合器。该总线直流耦合器是连接总线的网关。这种类型的节点是开放式的结构，其防护等级为IP20，它必须安装在机箱中。端子式输入/输出系统包含有许多种开关量与模拟量输入/输出模块，以及串行通讯、高速计数与监控模块。端子式输入/输出系统可以独立使用也可以结合使用。而节点地址连接一个辅助电源，该电源用于驱动电磁阀和其他的电器设备。通过将辅助电器与总线电源分开可以极大地降低在总线信号中的噪音。另外大部分总线节点可以诊断出电器设备中的短路状态并且报告给主控器，即使发生短路也不会影响整个系统的通讯。普通传感器等现场装置可以通过输入输出模块连接到现场总线系统工程中，也可以单独装入总线通讯接口，连接到总线系统中。 总线电缆和终端电阻。总线电缆一般分为主干缆和分支电缆。各种总线协议对于总线电缆的长度都有所规定，不同的通讯波特率，对应不同的总线电缆长度。同时，分支电缆的长度也是有所限制的。 网络的最后部分是终端电阻。在一些总线系统中。这个终端电阻只是连接到两数据线的简单电阻。它是用来吸收网络信号传输过程中的剩余能量。 3.1现场总线特点 与传统的PLC点对点的控制方法相比，现场总线控制系统具有无可比拟的优势。其特点包括： 3.1.1.具有较高的性能价格比。系统综合成本及一次性安装费用减少40%。由于导线、连接附件的大幅度的减少。使原来的几百根，甚至几千根控制电缆减少到一根总线电缆，从而也使接线端子、电缆桥架等附件大幅度的减少。所以设计、安装、调试、维护的费用大幅度地减少，维护和改造的停工时间减少60%。原来繁琐的原理图、布线图设计变得简单易行；标准接插件快速、简便的安装，使人力、物力大量的减少；强大 的故障诊断能力，使系统的调试和维护工作量大幅减少。 3.1.2.系统性能大幅度的提高，使控制系统的档次跨越了一个台阶，可靠的数据传输，快速的数据响应，强大的抗干扰能力。许多总线在通讯介质、信息检验、信息纠错、重复地址检测等方面都有严格的规定，从而确保总线通讯快速、完全可靠的进行。 3.1.3系统具有强大的自动诊断、故障显示功能。诊断包括总线节点的通讯故障、电源故障，以及现场装置和连接件的断路、短路故障，从而迅速地发现系统的各种故障位置和状态。

3.1.4采用数字信号通讯，有效提高系统的测量和控制精度。各种开关量、模拟量信号就近转变为数字信号，避免了信号的衰减和变形。
3.1.5总线节点具有IP67的防护等级，具有防水、防尘、抗振动的特性。可以直接安装于工业设备上，大量减少了现场接线箱，使系统可靠性提高。 3.1.6本质安全型总线。更加适合直接安装于石油、化工等危险防爆场所，减少系统发生危险的可能性。 3.2拓扑结构 网络的拓扑结构主要有总线拓扑和自由拓扑两种结构： 3.2.1.总线式拓扑结构：总线式拓扑结构如图1所示：所有站点不需要经交换设备，可直接连接到传媒体上（即总线），即所有站点共享一条公共的传输媒体，任何一个站点都能在此媒体上发送传播，并能被所有站点接收，因为所有站点共享一条公共传输媒体，所有在某一时刻只能有一个站点能够发送，与其他站点的发送相竞争，故由载波监听多路访问/冲突检测的媒体访问控制器来控制。总线拓扑是由一条主干线和若干条分支线及两个总线（bus）终端匹配器。