基于现场总线技术的工业控制系统研究

1 现场总线技术简介

    在现场工业控制技术中，现场总线技术作为一项先进技术，是一种串行、数字式、多点通信的数据总线。工作实践中，在生产过程区域的现场设备/仪表和控制室内自动控制装置/系统之间广泛安装现场总线。借助现场总线实现信息的相互交换，进而自动控制功能在一定程度上也得以完成，现场总线往往是从控制室连接到现场设备的双向全数字通信总线。

2 现场总线的通信协议

    如图 1 所示，给出了现场总线相应的物理结构。与开放式互连(OSI)参考模型相比，现场总线的物理结构只涉及到物理层、数据链路层和应用层，并且每个协议层各自完成功能，在这些层之间报文被解析。在数据链路实体中，物理层建立、维护和拆除相应的物理连接。

    确保数据的完整性这是数据链路层的主要功能，何时与谁进行相应的对话等也是通过数据链路层来决定的，并且数据链路层不解释传输的数据，只负责传递物理层和上一层之间数据传。

    应用层通常分为两个子层，其中一个为用户层提供服务，另一个与数据链路层进行连接，其功能主要表现为：对现场总线的命令、响应、数据、以及事件信息等进行控制。在应用层之上就是用户层，通常情况下，用户层通常是一些数据和信息查询软件等，通过用户层将通信命令传送到应用层。

3 现场总线及其所构成的控制系统

    3.1 常见现场总线的比较

    ①基金会现场总线 FF。在过程自动化领域基金会现场总线 FF 应用较为广泛，可以说基金会现场总线技术具有较好的发展前景。②CAN 总线。对于 CAN 总线来说支持点对点、一点对多点，以及广播模式通信等，并且借助优先级设定其节点，在一定程度上各节点可以随时发送信息。在汽车内部测量，以及执行部件之间的数据通信协议中，该总线技术应用最早。③Lonworks 总线。具备通信和控制功能的 Neuron 芯片是 Lonworks 技术的核心。完整的Lonworks 的 LonTalk 通信协议通过 Neuron 芯片来实现。④PROFIBUS 总线。该总线主要包括：PROFIBUS—FMS、PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA。⑤HART 总线。该总线作为一种协议，其功能是在现场智能仪表和控制室设备之间进行相应的通信，在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信这是 HART 总线的特点。

    3.2 现场总线控制系统的构成

    通常情况下，测量系统、控制系统、管理系统共同构成现场总线控制系统，该系统最有特色的部分是通信部分的硬件和软件。

    ①测量系统。为多变量提供高性能的测量，使测量仪表在一定程度上具有计算能力等这是该系统的特点所在。在该系统中，因为使用了数字信号，所以在一定程度上其分辨率非常高，准确性也较高，并且具有较强的抗干扰和抗畸变能力。②控制系统。通常情况下，软件是该系统的重要组成部分，维护软件、组态软件、仿真软件等共同构成控制系统的软件。③管理系统。设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息等往往由该系统提供。

4 现场总线在工业控制系统中的应用

    通常情况下，CAN 是一种双向、半双工的高速串行通信网络系统，该系统由物理层 (PHY)、数据链路层(MAC;LLC)和应用层(APPL)共同构成组成。CAN 与 Profibus 之间相距比较远。

    如图 2 所示，给出了相应的 CAN 网络拓扑结构。根据ISO11898 的相关规定，在信息传输媒介方面，CAN 采用双铰线，在网络终端阻抗方面，CAN 取 120Ω±12Ω。传输速率通常情况下决定着最大直接通信距离，比较典型的值为：40m 时 1Mbps；1000m 时 50kbps。

    CAN 采用非破坏性总线仲裁技术，对媒体按照节点信息的优先级依次进行访问，在一定程度上满足实时控制的需要。信息帧传输过程中为短帧结构，其优点是传输时间短，具有较强的抗干扰能力。文献[7]结合 PLC 和液压控制技术，建立了基于 CAN 总线的多任务协同控制系统。

5 结论

    现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，随着计算机技术和控制技术的发展，未来的自动化控制领域将是现场总线及控制网络的天下。从长远看，使用现场总线技术，维护费用因智能资产管理而降低，进而减少了设备的库存。