现场总线的发展历程及趋势

1《工业计算机网络》课程研究报告姓名：刘耀学号：0810211103班级：08电气一班专业：电气工程及其自动化学院：电气与电子工程学院时间：2011年6月4日2现场总线的发展历程及趋势08电气一班刘耀（0810211103）目录1现场总线的概念......................................................................................................32.现场总线的发展历程............................................................................53现场总线的发展趋势............................................................................734参考文献..................................................................................................11摘要;:本文重点对现场总线的发展过程、现状及方向进行了较深入的分析，就如何发展本国现场总线提出了些许个人看法。关键词：现场总线技术实时性发电厂组态傻瓜化无缝连接1现场总线的概念从名词定义来讲，现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。而现场总线标准规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。数据的传输介质可以是电线电缆、光缆、电话线、无线电等等。通俗地讲，现场总线是用在现场的总线技术。传统控制系统的接线方式是一种并联接线方式，从PLC控制各个电器元件，对应每一个元件有一个I/O口，两者之间需用两根线进行连接，作为控制和/或电源。当PLC所控制的电器元件数量达到数十个甚至数百个时，整个系统的接线就显得十分复杂，容易搞错，施工和维护都十分不便。为此，人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起，用一根导线来连接所有设备，所有的数据和信号都在这根线上流通，同时设备之间的控制和通信可任意设置。因而这根线自然而然地称为了总线，就如计算机内部的总线概念一样。由于控制对象都在工矿现场，不同于计算机通常用于室内，所以这种总线被称为现场的总线，简称现场总线。4资料来源：im100.com1.1结构计算机通信系统的结构是网络状的，从一点到另外一点的通信路径可以是不固定的。大部分现场总线的结构是线状的，虽然现场总线的拓扑结构可以是总线型、星型、环行、回路型等；但在大多数现场总线中，从一点到另外一点的通信路径是比较固定的。线状结构的优点是：①解决网络供电比较容易；②解决本安防爆比较容易；③使通信协议中可以舍去与路径有关的几层，有利于改善实时性。很显然，在线状结构时一条现场总线支路的电源负载是确定的，沿总线电源电压的变化也是可以预料的。在网状结构中一定会出现多电源供电情况，各电源的负载平衡，以及网络中各节点处的电压下降，都比较难以预料。现场总线的线状结构的主要缺点是当一条总线支路的电缆断了，这条支路就瘫痪了。对于网状结构，断了一、二条支路，信息还能够通过其它路径传递；系统的性能会下降，但不会瘫痪。这个问题是现场总线至今未被用在最关键场合的主要原因之一，也是现场总线制造商们近期要研究解决的问题之一。上述情况说明现场总线并不只是一项通信技术，它是通信技术、仪表智能化技术及自动控制技术的结合产物。虽然并不是所有的现场总线都满足了上述要求，但这些要求是用于过程控制的现场总线所追求的目标。虽然我们已经看到一些直接通过因特网访问现场仪表的例子，但这都是一些对控制和实时性没有严格传统的接线方式现场总线接线方式图1传统控制系统接线方式和现场总线系统接线方式的比较5要求的检测系统。1.2功能计算机通信的基本功能是可靠地传递信息。现场总线的功能是：①经济、安全、可靠地传递信息；②正确使用所传信息；③及时处理所传信息。经济性要求现场总线在传递信息的同时，解决现场装置的供电问题，并要求传输介质较廉价。安全性要求现场总线解决防爆问题。可靠性要求现场总线解决环境适应性问题，包括电磁环境适应性（传输时不要干扰别人，也不要被别人干扰）、气候环境适应性（要耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（要耐冲击、耐振动）。正确使用信息要求不同制造商生产的装置能相互理解所传信息，这就是现场总线的可互操作性要求。及时处理信息要求现场装置不要将信息过多地在网络上往返传递，要尽可能地就地处理信息。及时处理信息的要求主要是针对高层次现场总线和智能仪表的，但是这条要求最集中地体现了现场总线技术发展趋势--信息处理现场化。1.3要求对计算机通信的主要要求是快。对现场总线不仅要求传输速度快，在过程控制领域还要求响应快，即实时性要求。这样“快”就有三种含义。1.31传输速度快：指单位时间内传输的信息要多，通常用波特率来衡量。这条要求与普通计算机通信是一致的。1.32响应时间短：指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。这个时间是由4个方面决定的：①仪表或执行器控制中断的能力；②信息在通信协议的应用层与物理层之间的传输时间；③等待网络空闲的时间；避免信息在网络上碰撞的时间。由于这个时间对大多数通信协议是一个随机数，因此大部分通信协议不给这个参数。过程控制系统通常并不要求这个时间达到最短，但它要求最大值是预先可知的，并小于一定值。1.33巡回时间短：指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间。这个时间一般可由系统组态来调整。对那些单纯靠优先级解决实时性的抢先式通信系统，当高优先级事件发生比较频繁时，低优先级事件会长时间得不到响应；对这类通信协议，巡回时间是随机量，预先不可知。过程控制系统希望最长巡回时间是预先可知的，并小于一定值。响应时间和巡回时间反映了实时性，而实时性与通信协议有很密切的关系。现场总线采用两种技术来实现实时性。一种是简化技术。将网络形式简化成线形（实际上已经不成其为“网”了）；将通信模型简化为只有一、二层；将节点的信息简化到只有几比特。经过以上简化，节点的访问就非常快了。这也可以通过极大地提高通信传递速度来缩短节点访问时间，这时虽然理论上某些现场总线的节点访问时间还有某种不确定性，但是反复发生不确定事件的概率很低，可以在一些非关键部位使用这种现场总线。节点访问快了，就可以简化系统的管理；这时采用主-从方式轮询访问，只要限制网络轮询的规模，就可以将响应控制在指定的时间内。采用这种技术可大大降6低总线的成本，大多数位式开关量现场总线采用这种技术。另一种是采用网络管理和数据链路调度技术来实现实时性，这是一种很复杂的技术。一般认为，分时式实时系统的响应具有可预知性，但资源利用率低；抢先式实时系统资源利用率高，但往往响应具有不可预知性。现在的现场总线往往采用两者结合的方式进行管理和调度，以达到某种平衡。随着多媒体计算机通信系统的不断发展，语音和图象的实时传输对网络的响应时间提出了新的要求。多媒体传输对实时性的要求是几十ms，过程控制对系统的实时性要求是几ms到十ms。多媒体对实时性的要求是“软”的，即只要大部分时间满足要求就行了，偶然几次不及时响应是没关系的。过程控制对实时性的要求是“硬”的，因为它往往涉及安全，必须在任何时间都及时响应，不允许有不确定性。改善现场总线的实时性，减少响应时间的不确定性是现场总线的重要方向。2.现场总线的发展历程2.1自动控制领域的发展过程2.1.150多年前第一代过程控制体系是基于5－13psi的气动信号标准（气动控制系统PCS，PneumaticControlSystem）。简单的就地操作模式，控制理论初步形成，尚未有控制室的概念。2.1.2第二代过程控制体系（模拟式或ACS,AnalogControlSystem）是基于0－10mA或4－20mA的电流模拟信号，这一明显的进步，在整整25年内牢牢地统治了整个自动控制领域。它表征了电气自动控制时代的到来。控制理论有了重大发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础；控制室的设立，控制功能分离的模式一直沿用至今。2.1.3第三代过程控制体系（CCS，ComputerControlSystem）.70年代开始了数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量，模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代过程控制体系（CCS，ComputerControlSystem）。这个被称为第三代过程控制体系是自动控制领域的一次革命，它充分发挥了计算机的特长，于是人们普遍认为计算机能做好一切事情，自然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制计算机系统，需要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿用4－20mA的模拟信号，但是时隔不久人们发现，随着控制的集中和可靠性方面的问题，失控的危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统瘫痪。所以它很快被发展成分布式控制系统（DCS）。2.1.4第四代过程控制体系（DCS，DistributedControlSystem分布式控制系统）：随着半导体制造技术的飞速发展，微处理器的普遍使用，计算机技术可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代过程控制体系（DCS，或分布式数字控制系统），它主要特点是整个控制系统不再是仅仅具有一台计算机，而是由几台计算机和一些智能仪表和智能部件构成一个子控制系统。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一个重要的发展是它们之间的信号传递也不仅仅依赖于4－20mA的模拟信号，而逐渐地以数字信号来取代模拟信号。2.1.5第五代过程控制体系（FCS，FieldbusControlSystem现场总线控制系统）：FCS是从DCS发展而来，就象DCS从CCS发展过来一样，有了质的飞跃。7“分散控制”发展到“现场控制”；数据的传输采用“总线”方式。但是FCS与DCS的真正的区别在于FCS有更广阔的发展空间。2.2现场总线崛起的过程80年代，微处理器及其相关技术的不断发展，使得数据传送环节成为DCS发展的瓶颈。1982年，现场总线的概念首先在欧洲提出，两年后于1984年各国开始进行现场总线标准的研究和制定。1986年由Rosemount提出的通讯协议HART（HighwayAddressableRemoteTransducer,可寻址远程传感器数据通路），主要是在4－20mA的DC信号上叠加FSK（FrepuencyShiftKeying,频率调制键控）数字信号，结果取得了很好的效果，同时Interbus等简单的现场总线也都取得了成功。这样DSC的发展的重点落在了现场总线上，开始了被称为第五代过程控制体系（FCS，FieldbusControlSystem现场总线控制系统）的时代。FCS是从DCS发展而来，有一个量变到质变的过程。从表面上来看，FCS与DCS区别仅仅在于从“分散控制”发展到“现场控制”；数据的传输从“点到点”采用“总线”方式。其实不然，当时系统论的观点已被广泛地接受，人们开始以大系统的概念来看待整个过程控制体系。系统的增大，导致了网络的通讯技术急剧发展；于是科技界充分认识到在计算机系统的发展中起过重要作用的总线技术可以大大地推进控制系统的发展。整个控制系统就象是一台巨大的“计算机”按总线方式运行，这样资源的共享成了FCS的主要发展空间，于是现场总线应运而生，并且以前所未有的激烈程度展开了市场竞争。3现场总线的发展趋势工业自动化控制系统应具备可靠性、安全性和实用性。现场总线传递信息是以引起物质或能量的运动为最终目的。用于测量和控制数据通信的主要特点是：允许对事件进行实时响应的驱动通信。可用性，数据完整性，在有电磁干扰和地电位差的情况下能正常工作，以及可使用工厂内专用的传输线等，由于这种传输线系统是连接生产过程的唯一物理途径，因此传输必须非常可靠。用户可选择的服务可满足不同方面的多种需求的应用，如优先权、服务完整性、时间性以及网络拥塞的恢复能力，即意味着服务和服务性能