采用fcs(總線控制系統(tǒng))的企業(yè)用于生產管理的局域網能夠與用于自動控制的現(xiàn)場總線網絡緊密銜接?，F(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備互連的實時控制通訊網絡，遵循iso/osi開放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通訊協(xié)議。fcs則是用開放的現(xiàn)場總線控制通訊網絡將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備互連的實時網絡控制系統(tǒng)。
2 現(xiàn)場總線概要
它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設備中完成，僅靠現(xiàn)場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)?，F(xiàn)場總線設備能處理各種參數、運行狀態(tài)信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至網絡故障的情況下獨立工作，大大提高了整個控制系統(tǒng)的可靠性和容錯能力。
由于現(xiàn)場設備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現(xiàn)場總線已構成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結構，不再需要一個中央控制計算機，實現(xiàn)真正的分布式控制。從根本上改變了現(xiàn)有dcs集中與分散相結合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結構，提高了可靠性。
作在現(xiàn)場設備前端，作為工廠網絡底層的現(xiàn)場總線，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質安全防爆要求等。
傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)每個儀表都需要一條線連到中央控制室，在中央控制室裝備一個大配線架。而在fcs系統(tǒng)中多臺現(xiàn)場設備可串行連接在一條總線上，這樣只需極少的線進入中央控制室，大量節(jié)省了布線費用，同時也降低了中央控制室的造價。由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設備前端的智能設備能直接執(zhí)行多種傳感、控制等，也不再需要dcs系統(tǒng)的信號調理、轉換、隔離技術等功能單元及其復雜接線，用工控pc機作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設備的減少，還可減少控制室的占地面積。
由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結構的簡化，使控制系統(tǒng)的設計、安裝、投運到正常生產運行及其檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。
3 現(xiàn)場總線案例
profibus是德國國家標準din 19245和歐洲標準en 50170的現(xiàn)場總線，也是iec標準iec61158，并且已經轉化為中國gb國家標準。由profibus-dp、profibus-pa、profibus-fms組成了profibus系列。profibus-dp、profibus-pa通信模型參照了iso/osi參考模型的第1層(物理層)和第2層(數據鏈路層)；profibus-fms采用了第1層、第2層和第7層(應用層)，第7層又分為現(xiàn)場總線報文規(guī)范(fms，fiedldbus message specification)和低層接口(lli，lower layer interface)，另外還增加了用戶層。如表1所示profibus通信模型。profibus提供了三種通信協(xié)議類型。
profibus-dp這種精簡的結構確保了數據傳輸的高速有效。直接數據鏈路映像(ddlm，direct data link mapper)提供了訪問第2層的用戶接口，用戶接口規(guī)定了用戶和系統(tǒng)以及各類設備可以調用的應用功能，并描述了各種設備的設備行為。物理層采用rs-485傳輸技術或光纖傳輸技術。dp協(xié)議的用戶層包括dp基本功能、dp擴展功能和dp行規(guī)profibus-pa使用擴展的profibus- dp協(xié)議進行數據傳輸，另外還規(guī)定了現(xiàn)場設備的設備行規(guī)。根據iec 61158-2標準，這種傳輸技術可以確保其本質安全，并通過設備對現(xiàn)場設備供電。
profibus-fms包括了應用協(xié)議并向用戶提供通信服務。lli協(xié)調不同的通信關系，并向fms提供不依賴設備的對第2層的訪問接口。第2層現(xiàn)場總線數據鏈路(fdl，fieldbus data link)用于完成總線訪問控制及保證數據的可靠性。
3.1 profibus-dp和profibus-fms傳輸技術
profibus-dp和profibus-fms采用rs-485傳輸技術。他們相同的傳輸技術和總線存取協(xié)議，可以在同一根電纜上運行。一個總線段內的導線采用屏蔽雙絞電纜，段的兩端各有一個終端器，rs-485總線段結構如圖1所示。傳輸速率可在9.6kbts-12mkbts之間選用，所選用的波特率對連接到總線上的所有的設備都適用。每段最多連接32個站，通過中繼器可以增加段數，則總線上的站最多可以連接126個。
(1)總線連接?？偩€站與總線之間連接采用9針d型連接器，d型連接器插座安裝在總線站內，插頭安裝在總線電纜上，針腳分配見表2所示。數據線a數據線b兩端接有總線終端器，其包含一個下拉電阻(與數據基準電位dgnd相連)和一個上拉電阻(與供電電壓vp相連)?？偩€上沒有數據發(fā)送時，即在兩個報文之間總線為空閑狀態(tài)時，兩個總線終端電阻保證了在總線上有一個確定的空閑電位，兩個總線終端電阻必須始終有電源供電。
(2) 傳輸序列。profibus-dp和profibus-fms的編碼方式為nrz碼。一個字符幀在profibus總線上為11位：1個起始位，8個數據位，1個奇偶校驗位和1個停止位。在傳輸期間，二進制“1”對應于rxd/txd-p線上的正電位，而在rxd/txd-n線上為負電位。各報文間空閑狀態(tài)對應于二進制“1”。
3.2 profibus-pa的iec 61158-2傳輸技術
profibus-pa采用符合iec 61158-2標準的傳輸技術，這種技術是一種同步協(xié)議，它可以確保本質安全，并通過總線對現(xiàn)場設備供電。每段只有一個電源作為供電裝置，當站收發(fā)信息時不對總線供電，每個站的現(xiàn)場設備消耗的是常量穩(wěn)態(tài)電流。
(1) 數據傳輸。iec 61158-2數據傳輸采用曼徹斯特編碼，是一種常見的基帶信號編碼。當信號有0變到1時發(fā)送二進制數“0”，信號由1變到0時發(fā)送二進制數“1”。數據的發(fā)送采用對總線系統(tǒng)的基本電流ib調±9ma的方法的實現(xiàn)，傳輸速率為31.25kbit/s。
(2) 總線連接。profibus-pa總線段上最多可連接32個站，總線段上的兩端各有一個無源rc終端器,profibus-pa的總線連接。
3.3 profibus的總線的存取控制機制
profibus三種協(xié)議均使用一致的總線存取控制機制，通過第2層來實現(xiàn)，它包括了數據的可靠性技術及傳輸協(xié)議和報文處理。其存取控制滿足介質控制的兩個基本要求：主站之間的通信使每個總線站在確定的時間范圍內能獲得足夠的時間來處理它自己的通信任務；主從站之間的數據交換必須快速簡單。為此profibus采用混合的總線存取控制機制來實現(xiàn)上述目標，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。
porfibus支持主從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。主站具有對總線的控制權，可主動發(fā)送信息。對多主站系統(tǒng)來說，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點可在一個事先規(guī)定的時間內擁有總線控制權，共事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長時間。按profibus的通信規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行方向進行傳遞。主站在得到控制權時，可以按主從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實現(xiàn)點對點通信。主站可采取對所有站點廣播(不要求應答)或有選擇地向一組站點廣播。
3.4 profibus的總線的可靠性設計
(1) profibus-pa電纜的屏蔽和接地
工程現(xiàn)場為了實現(xiàn)良好的電磁相容性，對系統(tǒng)部件特別是連接部件的線路進行屏蔽是非常重要的。這種屏蔽最大限度地提供了電氣保護外殼。當在系統(tǒng)中需要處理頻率信號時這種重要性就更為顯著，對于現(xiàn)場總線來說，理想的情況是將電纜屏蔽層與通常由金屬制成的現(xiàn)場設備外殼連接起來。由于這些外殼通常是與地或保護導線相連接，所以總線電纜的屏蔽相當于多次多點(多個儀表)接地。這種方法提供了最佳的電磁兼容性，同時可以保證人身安全，該方法可用于要求實現(xiàn)最佳等電勢接地的系統(tǒng)。
當系統(tǒng)不能等電勢接地時，如果不利條件導致屏蔽層電流產生，兩接地點之間的功-頻補償電流(50hz)就會損壞電纜。為了避免不具備等電勢屏蔽接地的系統(tǒng)產生低頻補償電流，建議僅連接電纜一端使其接地，而其它接地點則通過電容接地。圖4標明了一個可行的方案，然而這樣并不能最大限度地提供電氣保護。
(2) 冗余性設計
在化學、石油、冶金、核電站等重要過程控制系統(tǒng)中的某些系統(tǒng)，要求控制裝置具有極高的可靠性。如果控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，由此引起設備損壞或造成極大經濟損失。僅僅通過提高控制系統(tǒng)硬件可靠性上述工業(yè)部門的對可靠性的要求是不可能的。因為控制系統(tǒng)硬件部分本身的可靠性提高有一定的限度。使用冗余系統(tǒng)能夠有效地解決上述問題。
在冗余控制系統(tǒng)中，各個站控制系統(tǒng)(或系統(tǒng)中最重要的部分，如cpu模板)有兩套完全相同的組成，系統(tǒng)冗余。兩塊相同的cpu模板使用相同的用戶程序并行工作，其中一主一備。備用者的輸出是禁止的，當主cpu實效時，馬上投入備用cpu，這個轉換過程由冗余處理單元rpu(redundant processing unit控制)，i/o轉換也是由rpu完成。在系統(tǒng)正常運行時，由主cpu控制系統(tǒng)工作，備用cpu的i/o映像表和寄存器通過rpu被主cpu同步刷新。接到主cpu的故障信息后，rpu在1至3個掃描周期內將控制功能切換到備用cpu。
介質冗余，在物理介質方面采用冗余、容錯實時雙環(huán)網，兩條環(huán)型網互為熱備用，當環(huán)型網中任意兩個站點間的線路發(fā)生故障或任意站點間故障造成環(huán)網拓撲被破壞時，環(huán)網將自動退化為星型以太網，不影響系統(tǒng)正常運行。冗余、容錯的環(huán)網結構在體現(xiàn)profibus先進性的同時，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
4 結束語
基于現(xiàn)場總線的自動控制系統(tǒng)能夠將企業(yè)管理與生產自動化有機結合于一體，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本。本文結合江蘇沙鋼集團煉鋼廠的網絡拓撲結構特點，以profibus為例講述了其通信模型、傳輸技術、存取控制機制以及可靠性設計，具有一定的推廣和借鑒價值。
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