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2.6 HART
在中国也开了不少花,结了不少果,只是现在提的人少了,HART技术落后了是不争的事实。
3 现场总线控制系统的结构及其特点
国际电工协会(IEC)的SP50委员会对现场总线有以下三点要求:同一数据链路上过程控制单元(PCU)、 PLC等与数字1/ O设备互连;现场总线控制器可对总线上的多个操纵站、传感器及执行机构等进行数据存取;通讯媒体安装用度较低。现场总线是一种串行的数字数据通讯链路,它沟通了生产过程领域的基本控制设备(即现场级设备)与更高层次自动控制领域的自动化控制设备(即车间级设备)之间的联系。现场总线控制系统主要包括一些实际应用的设备,如PLC、扫描器、电源、输进输出站、终端电阻等。其它系统也可以包括变频器、智能仪表、人机界面。
系统中的主控器(Host)可以是PLC或PC,通过总线接口对整个系统进行治理和控制。其总线接口,有时可以称为扫描器。可以是分别的卡件,也可以集成于PLC中。总线接口作为网络治理器和作为主控器到总线的网关,治理来自总线节点的信息报告,并且转换为主控器能够读懂的某种数据格式传送到主控器。总线接口的缺省地址通常设为“0”电源,是网络上每个节点传输和接收信息所必须的。通常输进通道与内部芯片所用电源为同一个电源,习惯称为总线电源。而输出通道使用独立的电源,称为辅助电源。
系统中的输进输出节点固然有很多不同的类型,但在应用中常用的是24V直流的2线、3线传感器或机械触点。该节点具有IP67的防护等级,有防水、防尘、抗振动等特性,适合于直接安装在现场。另一个节点是端子式节点,独立的输进/输出端子块安装在DIN导轨上,并连接着一个总线耦合器。该总线直流耦合器是连接总线的网关。这种类型的节点是开放式的结构,其防护等级为IP20,它必须安装在机箱中。端子式输进/输出系统包含有很多种开关量与模拟量输进/输出模
块,以及串行通讯、高速计数与监控模块。端子式输进/输出系统可以独立使用也可以结合使用。而节点地址连接一个辅助电源,该电源用于驱动电磁阀和其他的电器设备。通过将辅助电器与总线电源分开可以极大地降低在总线信号中的噪音。另外大部分总线节点可以诊断出电器设备中的短路状态并且报告给主控器,即使发生短路也不会影响整个系统的通讯。普通传感器等现场装置可以通过输进输出模块连接到现场总线系统工程中,也可以单独装进总线通讯接口,连接到总线系统中。
总线电缆和终端电阻:总线电缆一般分为主干缆和分支电缆。各种总线协议对于总线电缆的长度都有所规定,不同的通讯波特率,对应不同的总线电缆长度。同时,分支电缆的长度也是有所限制的。网络的后部分是终端电阻。在一些总线系统中,这个终端电阻只是连接到两数据线的简单电阻,用来吸收网络信号传输过程中的剩余能量。
3.1现场总线特点
与传统的PLC点对点的控制方法相比,现场总线控制系统具有无可相比的上风。其特点包括:
· 具有较高的性能价格比,系统综合本钱及一次性安装用度减少40%。由于导线、连接附件的大幅度的减少,使原来的几百根,甚至几千根控制电缆减少到一根总线电缆,从而也使接线端子、电缆桥架等附件大幅度的减少,所以设计、安装、调试、维护的用度大幅度地减少,维护和改造的停工时间减少60%。原来繁琐的原理图、布线图设计变得简单易行;标准接插件快速、简便的安装,耗费的人力、物力大量减少;强大的故障诊断能力,使系统的调试和维护工作量大幅减少。
· 系统性能大幅度进步。可靠的数据传输,快速的数据响应,强大的抗干扰能力,使控制系统的档次跨越了一个台阶。很多总线在通讯介质、信息检验、信息纠错、重复地址检测等方面都有严格的规定,从而确保总线通讯快速、完全可靠的进行。
·
系统具有强大的自动诊断、故障显示功能。诊断包括总线节点的通讯故障、电源故障,以及现场装置和连接件的断路、短路故障,从而迅速地发现系统的各种故障位置和状态。
· 采用数字信号通讯,有效进步系统的丈量和控制精度。各种开关量、模拟量信号就近转变为数字信号,避免了信号的衰减和变形。
· 总线节点具有IP67的防护等级,具有防水、防尘、抗振动的特性。可以直接安装于产业设备上,大量减少了现场接线箱,使系统可靠性进步。
· 本质安全型总线。更加适合直接安装于石油、化工等危险防爆场所,减少系统发生危险的可能性
由于可以将PID功能植进到变送器或执行器中往,使控制周期大为缩短。目前可以从DCS的每秒调节2~3次增加到每秒调节10~20次,从而改善了调节性能。
· 由于免除了主机进口处的瓶颈现象,既可以进步系统的安全性和可靠性,也可使主机腾出手来从事优化等工作以进步效益。
· 组态简单,安装、运行、维护简便。
· 用户可以自己择优选择,达到集成。
3.2拓扑结构
网络的拓扑结构主要有总线拓扑和自由拓扑两种结构:
(1)总线式拓扑结构
总线式拓扑结构如图1所示。所有站点不需要经交换设备,可直接连接到传媒体上(即总线),即所有站点共享一条公共的传输媒体,任何一个站点都能在此媒体上发送传播,并能被所有站点接收,由于所有站点共享一条公共传输媒体,所有在某一时刻只能有一个站点能够发送,与其他站点的发送相竞争,故由载波监听多路访问/冲突检测的媒体访问控制器来控制。总线拓扑是由一条主干线和若干条分支线及两个总线(bus)终端匹配器。
(2)自由拓扑式结构
自由拓扑式结构如图2所示。其通讯信道上只有一个终端匹配器,通讯信道可以是总线星型、环型和混合型,所有的站点可直接连接到传输媒体(环)上,在环上循环地传输一个特定的位串(称为令牌),获得令牌的站点才有权发送,若无发送则把令牌传给下一个站点。如:Lonworks 支持多种拓扑结构,选择不同的收发器可构成星型环型、树型、混合型,而寻址由协议来解决,这样使得现场互联更加灵活。
3.3网络物理介质
在构造网络时,必须了解构成网络物理介质的特性,正确选择网络的物理介质,进行优化的布线设计、安装与测试,以使所构成的网络具有高的性能价格比。网络的传输媒体通常采用双绞线(有屏蔽和无屏蔽)、同轴电缆(细缆和粗缆)和光缆,而对现场总线网络采用高质无屏蔽双绞线取代同轴电缆时,有利于解决数据高速传输,降低线间串扰和电磁辐射等,并能便于治理系统的扩充。因光缆具有保密性强、体积小、重量轻、不怕电磁干扰、通讯容量大、通讯间隔远等
优点,在现场总线的互联网中采用廉价的塑料光缆是一种性能价格比高的设计方案。但在网络结构设计中首要的是根据所采用现场总线支持的物理介质,如:Lonwor-ks支持多种介质就是其主要的技术特点之一,对于不同的传输介质的支持是通过收发器(Transceiver)实现的,在一个通讯信道上,只能使用相同类型的收发器产品,才可以直接连接。目前使用较多的收发器是FTT—10(非总线供电)和LPT—10(总线供电),对于终端匹配器的使用应引起足够的重视,尤其是在通讯电缆比较短时,若不使用终端匹配器会使网络吞吐率下降20%—30%。终端匹配器的数目由网络总线的拓扑结构决定,总线的拓扑结构的不同,网络的覆盖范围有非常大的差异。
3.4网络协议
网络协议是指用于网络之间相互沟通、传输信息所要共同遵守的基础。网络协议有专用网络协议和非专用(标准)网络协议之别。现场总线通讯协议基本遵照ISO/OSI参考模型,主要实现第1(物理层)、2(数据链路层)、7(应用层)层功能。OSI模型是建立在七层协议基础上,作为一个起始点以发展计算机通讯标准。每层都有一定等级功能,具有规定的高层或低层的接口;
为提供一定功能通讯标准,并不一定所有的层都需要。当与很好定义的程序模块连接时,该模块定义了数据意义及格式,OSI模块将提供一个多卖主相互操纵的高水平工具。一个典型的开放系统结构可以应用在产业和贸易的控制系统上,按照布置,所有的开放系统元件,使用标准协议作为本系统语言,无需翻译,可以相互通讯。
物理层采用EIA-RS232、EIA-RS422/RS485等协议。由于在某些情况下,现场传感器、变送器要从现场总线“窃取”电能作为它们的工作电源,因此对总线上数字信号的强度(驱动能力)、
传输速率、信噪比以及电缆尺寸、线路长度等都提出一定要求。
数据链路层考虑到现场设备故障较多,更换频繁,所以数据链路层媒体访问控制多采用受控访问(包括轮询和令牌)协议,通常,各PCU、PLC作为主站,传感器、变送器等作为从站。另外,须支持点对点、点对多点和广播通讯方式。
应用层解决的是应用什么样的高级语言(或过程控制语言)作为面向用户的编程(或组态)语言的题目,其中包括设备名称、网络变量与配置(捆绑)关系,参数与功能调用及相关说明等,一般应具有符合IEC1131-3标准的图形用户界面(GUI)。
4 以太网与现场总线技术的比较
(1) 物理层比较
(2) 介质访问控制方式比较
现场总线介质访问控制方式:
现场总线的介质访问控制方式要满足产业控制网络的要求,即通讯的实时性和确定性。确定性指站点每次得到网络服务间隔和时间是确定的;实时性指网络分配给站点的服务时间和间隔可以保证站点完成它确定的任务。
目前现场总线技术采用的介质访问控制方式主要有:令牌、主从、生产者/客户(producer/consumer)。
以太网介质访问控制方式:
CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)是以太网(或IEEE802.3)采用的介质访问控制方式。