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e-works数字化企业网 » 文章频道 » 工业自动化控制 » 总线及网络
浅谈PLC的现场总线技术
2012/9/12 来源:万方数据 作者：张闯
研究、应用现场总线技术支持下的PLC控制系统，是目前工厂自动化得以实现的有效途径之一，它是工厂数字通信网络的基础。该文主要阐述PLC专用现场总线、基于Profibus的PLC控制系统以及CAN总线支持下的PLC控制系统，及制造业信息化进程中PLC控制系统的发展方向。
在传统的自动化工厂中，位于生产现场的许多设备和装置，如：传感器、调节器、变送器、执行器等都是通过信号电缆与计算机、PLC相连的。当这些装置和设备相距较远、分布较广时，就会使电缆线的用量和敷设费用大大地增加，造成了整个项目的投资成本增加、系统连线复杂、可靠性降低、维护工作量增大、系统进一步扩展困难等问题。因此人们迫切需要一种可靠、快速、能经受工业现场环境、低廉的通信总线，将分散于现场的各种设备连接起来，实施对其监控。现场总线（Field Bus）就是在这种背景下产生了。
1 现场总线的概念
根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF（Fieidbus Foundation）的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络。也就是说基于现场总线的系统是以单个分散的，数字化，智能化的测量和控制设备作为网络的节点，用总线相连，实现信息的相互交换，使得不同网络，不同现场设备之间可以信息共享。现场设备的各种运行参数状态信息以及故障信息等通过总线传送到远离现场的控制中心，而控制中心又可以将各种控制、维护、组态命令又送往相关的设备，从而建立起了具有自动控制功能的网络。
现场总线的节点是现场设备或现场仪器，但不是传统的单功能的现场仪器，而是具有综合功能的智能仪表。例如，温度变送器不仅具有温度信号变换和补偿功能，而且具有PID控制和运算功能；调节阀的基本功能时信号驱动和执行，另外还有输出特性补偿、自效验和自诊断功能。现场设备具有互换性和互操作性，采用总线供电，具有本质安全性。
现场总线不仅是一种通信技术，也不仅是用数字仪表代替模拟仪表，关键是用新一代的现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）代替传统的集散控制系统DCS（Distributed Control System），实现现场通信网络与控制系统的集成。
2 现场总线的发展
现场总线始于20世纪80年代，到90年代其技术日趋成熟，并受到世界各自动化设备制造商和用户的广泛关注。它成为自动化技术发展的热点，并导致自动化系统结构与设备的深刻变革。
一般把控制系统的发展分为五代。
1) 第一代控制系统：50年代前的气动信号控制系统PCS。
2) 第二代控制系统：4~20mA等电动模拟信号控制系统。
3) 第三代控制系统：基于数字计算机的集中式控制系统。
4) 第四代控制系统：70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS。
5) 第五代控制系统：以开放性、分散性与数字通信为特征的现场总线控制系统FCS。
PLC的生产商也将现场总线技术应用于各自的产品之中，构成工业局域网的底层，使得PLC网络实现了真正意义上自动控制领域发展的一个热点，给传统的工业控制技术带来了有一次革命。
3 现场总线的主要特点
1) 全数字化通信：采用现场总线技术后只用一条通信电缆就可以将控制器与现场设备（智能化的、具有通信口）连接起来，提高了信号传输的可靠性。
2) 系统具有很强的开放性：这里的开放是指对相关标准的一致性和公开性，用户可按自己的需要和对象，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。
3) 具有强的互可操作性与互用性：实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信，不同生产厂家的性能类似的设备可以进行互用。
4) 现场设备具有智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
5) 系统结构的高度分散性：由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中于分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构。
6) 对现场环境的适应性：工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境工作而设计的，它可支持多种转输介质，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送点与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
4 几种主要的现场总线协议及其特点
现场总线发展的最初，各个公司都提出自己的现场总线协议，如AB公司的DeviceNet、TURCK公司的Sensoplex、Hpneywell公司的SDS、Phoenix公司的InterBus-S等。经过十几年的发展，现场总线的协议逐渐趋于统一。针对制造业自动化，DeviceNet在北美和日本用得比较普遍，PROFIBUS-DP在欧洲用得比较普遍。针对过程自动化，PROFIBUS-PA和Foundation Fieldbus占据大部分市场。其他的总线协议如ASI、InterBus-S、Sensoplex在某些特殊的领域也有一些市场。
下面介绍几种主要的现场总线协议及其特点。
1) PROFIBUS
PROFIBUS是在1987年，由德国科技部集中了13家公司和5家科研机构的力量，按照ISO/OSI参照模型制订的现场总线的德国国家标准，并已成为欧洲标准EN50170，主要由拥有400多个公司成员的PROFIBUS用户组成（PNO）进行管理。
PROFIBUS有3部分组成，即PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP及PROFIBUS-PA。
2) DeviceNet
DeviceNet（设备网）是一种低价位的总线，最初由AB公司设计，现在已经发展成为一种开放式的现场总线的协议，可连接自动化生产线系统中广泛的工业设备。它的管理组织ODVA由全球多家公司组成，提供设备网的产品、支持设备网规范的进一步开发。
DeviceNet能够降低设备安装的费用和时间。控制系统中的接近开关、光电开关和阀门等可通过电缆、插件、站等产品进行长距离通信。并且能够提高设备级的诊断能力。相对于PROFIBUS-DP，DeviceNet具有更强大的通信功能，支持除了主-从方式之外的，多种通信方式，可以更灵活地应用于控制系统中。
3) Foundation Fieldbus
高级过程控制现场总线Foundation Fieldbus（基金会现场总线）是针对过程自动化而设计的，它是通过数字、串行、双向的通信方法来连接现场装置的。Foundation Fieldbus通信不是简单的数字4~20mA信号，而是使用复杂的通信协议，它可连接执行简单的闭环算法（如PID）的现场智能装置，一个通信段可配置32各现场装置。 |
