基于現場總線技術的工業控制系統研究

1 現場總線技術簡介

在現場工業控制技術中，現場總線技術作為一項先進技術，是一種串行、數字式、多點通信的數據總線。工作實踐中，在生產過程區域的現場設備/儀表和控制室內自動控制裝置/系統之間廣泛安裝現場總線。借助現場總線實現信息的相互交換，進而自動控制功能在一定程度上也得以完成，現場總線往往是從控制室連接到現場設備的雙向全數字通信總線。

2 現場總線的通信協議

如圖 1 所示，給出了現場總線相應的物理結構。與開放式互連(OSI)參考模型相比，現場總線的物理結構只涉及到物理層、數據鏈路層和應用層，并且每個協議層各自完成功能，在這些層之間報文被解析。在數據鏈路實體中，物理層建立、維護和拆除相應的物理連接。

確保數據的完整性這是數據鏈路層的主要功能，何時與誰進行相應的對話等也是通過數據鏈路層來決定的，并且數據鏈路層不解釋傳輸的數據，只負責傳遞物理層和上一層之間數據傳。

應用層通常分為兩個子層，其中一個為用戶層提供服務，另一個與數據鏈路層進行連接，其功能主要表現為：對現場總線的命令、響應、數據、以及事件信息等進行控制。在應用層之上就是用戶層，通常情況下，用戶層通常是一些數據和信息查詢軟件等，通過用戶層將通信命令傳送到應用層。

3 現場總線及其所構成的控制系統

3.1 常見現場總線的比較

①基金會現場總線 FF。在過程自動化領域基金會現場總線 FF 應用較為廣泛，可以說基金會現場總線技術具有較好的發展前景。②CAN 總線。對于 CAN 總線來說支持點對點、一點對多點，以及廣播模式通信等，并且借助優先級設定其節點，在一定程度上各節點可以隨時發送信息。在汽車內部測量，以及執行部件之間的數據通信協議中，該總線技術應用最早。③Lonworks 總線。具備通信和控制功能的 Neuron 芯片是 Lonworks 技術的核心。完整的Lonworks 的 LonTalk 通信協議通過 Neuron 芯片來實現。④PROFIBUS 總線。該總線主要包括：PROFIBUS—FMS、PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA。⑤HART 總線。該總線作為一種協議，其功能是在現場智能儀表和控制室設備之間進行相應的通信，在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信這是 HART 總線的特點。

3.2 現場總線控制系統的構成

通常情況下，測量系統、控制系統、管理系統共同構成現場總線控制系統，該系統最有特色的部分是通信部分的硬件和軟件。

①測量系統。為多變量提供高性能的測量，使測量儀表在一定程度上具有計算能力等這是該系統的特點所在。在該系統中，因為使用了數字信號，所以在一定程度上其分辨率非常高，準確性也較高，并且具有較強的抗干擾和抗畸變能力。②控制系統。通常情況下，軟件是該系統的重要組成部分，維護軟件、組態軟件、仿真軟件等共同構成控制系統的軟件。③管理系統。設備自身及過程的診斷信息、管理信息、設備運行狀態信息等往往由該系統提供。

4 現場總線在工業控制系統中的應用

通常情況下，CAN 是一種雙向、半雙工的高速串行通信網絡系統，該系統由物理層 (PHY)、數據鏈路層(MAC;LLC)和應用層(APPL)共同構成組成。CAN 與 Profibus 之間相距比較遠。

如圖 2 所示，給出了相應的 CAN 網絡拓撲結構。根據ISO11898 的相關規定，在信息傳輸媒介方面，CAN 采用雙鉸線，在網絡終端阻抗方面，CAN 取 120Ω±12Ω。傳輸速率通常情況下決定著最大直接通信距離，比較典型的值為：40m 時 1Mbps；1000m 時 50kbps。

CAN 采用非破壞性總線仲裁技術，對媒體按照節點信息的優先級依次進行訪問，在一定程度上滿足實時控制的需要。信息幀傳輸過程中為短幀結構，其優點是傳輸時間短，具有較強的抗干擾能力。文獻[7]結合 PLC 和液壓控制技術，建立了基于 CAN 總線的多任務協同控制系統。

5 結論

現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，隨著計算機技術和控制技術的發展，未來的自動化控制領域將是現場總線及控制網絡的天下。從長遠看，使用現場總線技術，維護費用因智能資產管理而降低，進而減少了設備的庫存。