現場總線控制系統構成分析論文

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摘要：文中闡述了現場總線的主要產品及其控制系統的結構和特點，針對網絡拓撲結構論述網絡傳輸的物理介質及網絡協議。關鍵詞：現場總線控制系統網絡拓撲網絡協議FieldbusControlSystemConstituteandCharacteristic[Abstract]:Thispaperintroducingthefieldbusmostlymanufactureandcontrolsystemframeandcharacteristic，bedeadagainstmeshworktopologyframediscussmeshworktransmissionphysicsmediumandmeshworkagreeon。[KeyWords]:fieldbuscontrolsystemmeshworktopologymeshworkagreeon1.概述現場總線的技術基礎是一種全數字化、雙向、多站的通信系統，是應用于各種計算機控制領域的工業總線，因現場總線潛在著巨大的商機，世界范圍內的各大公司投入相當大的人力、物力、財力來進行開發研究。當今現場總線技術一直是國際上各大公司激烈競爭的領域，由于現場總線技術的不斷創新，過程控制系統由第四代的DCS發展至今的FCS（FieldbusControlSystem）系統,已被稱為第五代過程控制系統。而FCS和DCS的真正區別在于其現場總線技術。現場總線技術以數字信號取代模擬信號，在3C（Computer計算機、Control控制、Commcenication通信）技術的基礎上，大量現場檢測與控制信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移至現場設備。由于國際上各大公司在現場總線技術這一領域的競爭，仍未形成一個統一的標準，目前，在現場總線網絡互聯都是遵守OSI參考模型。現場總線控制系統是從八十年代中期發展起來的。經歷了十幾年的時間，現場總線控制技術已經被廣泛應用于汽車、造紙、紡織、煙草、機械、石油化工、電力、樓宇自控等各個控制領域。現場總線控制技術由于其巨大的技術優勢，被認為是工業控制發展的必然趨勢，將逐步取代傳統的PLC點對點接線的控制方法。2.現場總線的主要產品連接于總線上的產品，可以分為有源和無源兩大類。2.1.有源產品有源產品可以產生通訊信號、響應信號、調整信號或者兼而有之。有源產品包括以下部件：2.1.1節點（Node）；總線上可以編址的設備。2.1.2總線模塊(BusModulea)；任何形式的現場節點，可以使用端子或接插件連接傳感器、閥門、按鈕等各種現場裝置。

2.1.3網關（Gateway）；一種特殊的節點，用于兩面種不同的總線之間的信號和數據變換。

2.1.4放大器；一種用于實時（加強）信號，以精確復制原始信號。連接同一總線的兩部分，解決通訊信號在通訊線上由于電氣損耗而造成的衰減。當信號變弱而不變形時可以使用放大器。

2.1.5中繼器（Repeater）；用于加強信號，產生不變形的新信號。連接同一總線的兩端，當信號變弱或變形時可以使用中繼器。

2.1.6.橋（Bgridge）；有兩類橋。一種是用于連接同一種協議，不同傳輸速度的兩個段。另一種是一種智能的中繼器，當通訊的源地址和目的地址位于不同總線段時，用于重復兩個段間的數據。橋必須被編程設定地址和相關的段。當橋讀地址時，要有幾個位的等待時間。橋可以應用于設備級總線，但應用并不普遍。

2.1.7路由器（Router）；用于廣域網的高等級橋。這類產品很少應用于設備級總線。

2.1.8有源多端口分接器（Activehub）多端口中繼器或放大器，以增加總線的分支能力。

2.1.9接口卡、接口模塊（Interfacecard,interfacemodule）；指網關的常用術語，作為PLC或PC到設備及總線的接口。

2.2無源總線產品無源總線產品包括：

2.2.1T型分支（Tee）；用于產生總線上的一路分支。

2.2.2無源多端口分接器（Passivehub）；多端口T型分支。

2.2.3終端電阻（TerminatingResistor）；安裝在總線的始端和末端的電阻，用于穩定和調整信號。

2.2.4總線電纜（Busline）；連接節點，傳送數據的各種電纜。3.現場總線控制系統的結構及其特點國際電工協會（IEC）的SP50委員會對現場總線有以下三點要求：同一數據鏈路上過程控制單元（PCU）、PLC等與數字1/O設備互連；現場總線控制器可對總線上的多個操作站、傳感器及執行機構等進行數據存取；通信媒體安裝費用較低。現場總線是一種串行的數字數據通訊鏈路，它溝通了生產過程領域的基本控制設備（即現場級設備）與更高層次自動控制領域的自動化控制設備（即車間級設備）之間的聯系。現場總線控制系統主要包括一些實際應用的設備，如PLC、掃描器、電源、輸入輸出站、終端電阻等。其它系統也可以包括變頻器、智能儀表、人機界面等。系統中的主控器（Host）可以是PLC或PC，通過總線接口對整個系統進行管理和控制。其總線接口，有時可以稱為掃描器。可以是分別的卡件，也可以集成于PLC中。總線接口作為網絡管理器和作為主控器到總線的網關，管理來自總線節點的信息報告，并且轉換為主控器能夠讀懂的某種數據格式傳送到主控器。總線接口的缺省地址通常設為"0"電源，是網絡上每個節點傳輸和接收信息所必須的。通常輸入通道與內部芯片所用電源為同一個電源，習慣稱為總線電源。而輸出通道使用獨立的電源，稱為輔助電源。系統中的輸入輸出節點雖然有許多不同的類型，但在應用中最常用的是24V直流的2線、3線傳感器或機械觸點。該節點具有IP67的防護等級，有防水、防塵、抗振動等特性，適合于直接安裝在現場。另一個節點是端子式節點，獨立的輸入/輸出端子塊安裝在DIN導軌上，并連接著一個總線耦合器。該總線直流耦合器是連接總線的網關。這種類型的節點是開放式的結構，其防護等級為IP20，它必須安裝在機箱中。端子式輸入/輸出系統包含有許多種開關量與模擬量輸入/輸出模塊，以及串行通訊、高速計數與監控模塊。端子式輸入/輸出系統可以獨立使用也可以結合使用。而節點地址連接一個輔助電源，該電源用于驅動電磁閥和其他的電器設備。通過將輔助電器與總線電源分開可以極大地降低在總線信號中的噪音。另外大部分總線節點可以診斷出電器設備中的短路狀態并且報告給主控器，即使發生短路也不會影響整個系統的通訊。普通傳感器等現場裝置可以通過輸入輸出模塊連接到現場總線系統工程中，也可以單獨裝入總線通訊接口，連接到總線系統中。總線電纜和終端電阻。總線電纜一般分為主干纜和分支電纜。各種總線協議對于總線電纜的長度都有所規定，不同的通訊波特率，對應不同的總線電纜長度。同時，分支電纜的長度也是有所限制的。網絡的最后部分是終端電阻。在一些總線系統中。這個終端電阻只是連接到兩數據線的簡單電阻。它是用來吸收網絡信號傳輸過程中的剩余能量。3.1現場總線特點與傳統的PLC點對點的控制方法相比，現場總線控制系統具有無可比擬的優勢。其特點包括：3.1.1.具有較高的性能價格比。系統綜合成本及一次性安裝費用減少40%。由于導線、連接附件的大幅度的減少。使原來的幾百根，甚至幾千根控制電纜減少到一根總線電纜，從而也使接線端子、電纜橋架等附件大幅度的減少。所以設計、安裝、調試、維護的費用大幅度地減少，維護和改造的停工時間減少60%。原來繁瑣的原理圖、布線圖設計變得簡單易行；標準接插件快速、簡便的安裝，使人力、物力大量的減少；強大的故障診斷能力，使系統的調試和維護工作量大幅減少。3.1.2.系統性能大幅度的提高，使控制系統的檔次跨越了一個臺階，可靠的數據傳輸，快速的數據響應，強大的抗干擾能力。許多總線在通訊介質、信息檢驗、信息糾錯、重復地址檢測等方面都有嚴格的規定，從而確保總線通訊快速、完全可靠的進行。3.1.3系統具有強大的自動診斷、故障顯示功能。診斷包括總線節點的通訊故障、電源故障，以及現場裝置和連接件的斷路、短路故障，從而迅速地發現系統的各種故障位置和狀態。3.1.4采用數字信號通訊，有效提高系統的測量和控制精度。各種開關量、模擬量信號就近轉變為數字信號，避免了信號的衰減和變形。

3.1.5總線節點具有IP67的防護等級，具有防水、防塵、抗振動的特性。可以直接安裝于工業設備上，大量減少了現場接線箱，使系統可靠性提高。3.1.6本質安全型總線。更加適合直接安裝于石油、化工等危險防爆場所，減少系統發生危險的可能性。3.2拓撲結構網絡的拓撲結構主要有總線拓撲和自由拓撲兩種結構：3.2.1.總線式拓撲結構：總線式拓撲結構如圖1所示：所有站點不需要經交換設備，可直接連接到傳媒體上（即總線），即所有站點共享一條公共的傳輸媒體，任何一個站點都能在此媒體上發送傳播，并能被所有站點接收，因為所有站點共享一條公共傳輸媒體，所有在某一時刻只能有一個站點能夠發送，與其他站點的發送相競爭，故由載波監聽多路訪問/沖突檢測的媒體訪問控制器來控制。總線拓撲是由一條主干線和若干條分支線及兩個總線（bus）終端匹配器。