摘要：本文介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展沿革，分析現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)與集散控制系統(tǒng)差異，以LonWorks技術(shù)為例，分析現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)可靠、高效、低成本等諸多優(yōu)勢(shì)。介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展及其特點(diǎn)，然后以LonWorks為例，詳盡說(shuō)明了LonWorks的技術(shù)特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng) LonWorks
隨著國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略的實(shí)施，工業(yè)自動(dòng)化、建筑能耗監(jiān)測(cè)、空調(diào)及環(huán)境集中監(jiān)控管理系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的推廣與應(yīng)用。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)（FCS）成為工業(yè)控制領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)，世界上幾乎所有的儀器、儀表制造商都卷入了這一場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，紛紛推出自己的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)正處于普及與應(yīng)用的階段，部分監(jiān)控廠商在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程中，將現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用其中，如LonWorks、CANBus等。
一．現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展
70年代后期，日新月異的計(jì)算機(jī)技術(shù)融入到了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，出現(xiàn)了集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，簡(jiǎn)稱(chēng)為DCS），把分散的、單回路的測(cè)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理，用各種I/O模板代替控制室的儀表，利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能，對(duì)被控系統(tǒng)集中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制、參數(shù)調(diào)節(jié)、告警顯示及存貯歷史數(shù)據(jù)等操作。DCS極大地推動(dòng)了工控技術(shù)的發(fā)展。但是，在通信方式上，處于現(xiàn)場(chǎng)的控制級(jí)和檢測(cè)級(jí)仍采用4~20mA模擬量通信。而在DCS中，現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備所占的比例最大，數(shù)量也最多，這就使得一對(duì)一的布線(xiàn)方式相當(dāng)繁雜、安裝費(fèi)用增加、維護(hù)量加大。
進(jìn)入90年代以后，隨著網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（FieldBus）技術(shù)逐漸成熟與發(fā)展起來(lái)，它是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、通信和控制技術(shù)的集成，即通常人們所稱(chēng)的3C（Computer，Communication，Control）技術(shù)。
現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是一種工業(yè)總線(xiàn)，它是自動(dòng)化領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)通信體系最低層的低成本網(wǎng)絡(luò)。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì)（FF）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)作了如下定義：現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的基本內(nèi)容包括：以串行通信方式取代傳統(tǒng)的4~20mA的模擬信號(hào)，一條現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)可為眾多的可尋址現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)連接，支持底層的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備與高層的系統(tǒng)通過(guò)公用傳輸介質(zhì)交換信息。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的核心是它的通信協(xié)議，這些協(xié)議必須根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放系統(tǒng)互連的OSI參考模型來(lái)制定。
在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)早期的發(fā)展過(guò)程中，不同的國(guó)家和公司制定了各自的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，如法國(guó)的WORLDFIP、德國(guó)的PROFIBUS、丹麥的P-NET，以及歐洲現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)EN 50170。后來(lái)，由于美國(guó)Rosemount、Honywell、Foxboro等著名大公司的參與，使得美國(guó)在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)上獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，于1994年成立了FF（Fieldbus Foundation）現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì)。目前，F(xiàn)F有100多個(gè)成員單位，包括了全世界主要的過(guò)程控制產(chǎn)品及系統(tǒng)的生產(chǎn)公司，在IEC現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的制定過(guò)程中起著舉足輕重的作用。
目前，國(guó)內(nèi)已有眾多公司將現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用于工廠自動(dòng)化、工業(yè)過(guò)程控制、鐵路運(yùn)輸及樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。
二．現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)（FCS）與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)（DCS）相比，有以下特點(diǎn)：
1）傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)儀表到控制站之間采用4~20mA模擬信號(hào)傳輸，F(xiàn)CS則采用數(shù)字化的信號(hào)傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)在通信質(zhì)量和連線(xiàn)方式上都有其優(yōu)越之處，在現(xiàn)場(chǎng)底層傳感器、執(zhí)行器、控制器及上層工作站之間的傳輸全部為數(shù)字信號(hào)。在網(wǎng)絡(luò)傳輸中采用了防止碰撞、檢查糾錯(cuò)等技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了高速、雙向、多站點(diǎn)之間的可靠通信。
2）傳統(tǒng)的DCS采用“操作站—控制站—現(xiàn)場(chǎng)儀表”三層主從結(jié)構(gòu)方式，而現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)則把輸入/輸出單元，控制站的功能分散到現(xiàn)場(chǎng)智能儀表中。每個(gè)智能儀表都有自己的CPU單元，進(jìn)行測(cè)量、調(diào)節(jié)、診斷、輸出等功能的操作。每個(gè)智能儀表成為總線(xiàn)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障都不會(huì)影響到其它節(jié)點(diǎn)。
3） 不同廠家的DCS產(chǎn)品往往無(wú)法兼容，F(xiàn)CS則特別強(qiáng)調(diào)“互聯(lián)”和“互操作性”。即
不同廠家的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品可以互聯(lián)組成統(tǒng)一的系統(tǒng)，統(tǒng)一組態(tài)，從而方便了用戶(hù)。
4） FCS技術(shù)從總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品檢驗(yàn)到信息發(fā)布都是公開(kāi)的，面向所有的產(chǎn)品制造商和
用戶(hù)，通信網(wǎng)絡(luò)可以和其他系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相連，用戶(hù)可共享網(wǎng)絡(luò)資源。
5）FCS采用數(shù)字通信方式，因此可以采用多種傳輸介質(zhì)進(jìn)行傳輸。根據(jù)控制系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的空間分布情況，也可以采用靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些為自動(dòng)化系統(tǒng)的施工帶來(lái)了極大的方便，省時(shí)間，省材料。
由此可見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)相比，具有鮮明的技術(shù)特點(diǎn)與無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。因此，世界各國(guó)和許多大的工業(yè)控制公司紛紛推出自己的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品。表1所示為幾種現(xiàn)場(chǎng)的性能比較。
表1. 幾種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的性能比較
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總線(xiàn)名稱(chēng) 特性 |
CAN |
LonWorks |
WorldFIP |
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應(yīng)用目標(biāo) |
汽車(chē) |
所有 |
過(guò)程控制 |
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OSI層 |
1，2 |
1，2，3，4，5，6，7 |
1，2，7 |
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系統(tǒng)控制（基于命令或狀態(tài)） |
命令 |
兩者 |
兩者 |
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系統(tǒng)類(lèi)型 |
總線(xiàn) |
網(wǎng)絡(luò) |
總線(xiàn) |
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媒介訪問(wèn) |
CSMA/CR |
CSMA/CA |
主從，令牌方式 |
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差錯(cuò)控制 |
CRC |
CRC |
CRC |
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支持的媒介 |
光纖，雙絞線(xiàn) |
光纖，雙絞線(xiàn)，動(dòng)力線(xiàn)，同軸電纜，紅外 |
光纖，雙絞線(xiàn) |
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尋址方式（單一，多目，廣播） |
廣播 |
所有 |
廣播 |
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最大速率（Mb/s） |
1 |
1．25 |
2．5 |
|
網(wǎng)絡(luò)管理 |
無(wú) |
有 |
有 |
|
網(wǎng)絡(luò)互連（中繼器，網(wǎng)橋，路由器） |
無(wú) |
所有 |
網(wǎng)橋 |
在眾多的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)中，Echelon公司的LonWorks是發(fā)展較快、最具有競(jìng)爭(zhēng)力的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)之一，在我國(guó)也有部分廠商采用了LonWorks技術(shù)。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)有些監(jiān)控廠商本身也是LonWorks的OEM廠商。本文將以LonWorks為例，說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用。
三．LonWorks技術(shù)概述及在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用
圖1 LonWorks智能模塊接線(xiàn)圖
LonWorks技術(shù)是美國(guó)Echelon公司90年12月推出的一種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，Lon（Local Operating Network）的意思為局部操作網(wǎng)絡(luò)，具有現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的一切特點(diǎn)。目前，世界上許多著名的自動(dòng)化廠商如Honeywell、Johnsen Controls、ABB、Philips、Hp等都采用了LonWorks技術(shù)。迄今為止，使用LonWorks技術(shù)的生產(chǎn)廠商已有3000多家，并安裝了500多萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。在中國(guó)，Echelon北京代表處于1995年成立，目前有六十多家中國(guó)廠商加入了LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)的OEM行列，LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已大量應(yīng)用于各主要工業(yè)領(lǐng)域，如工業(yè)廠房自動(dòng)化、樓宇及家庭自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和運(yùn)輸業(yè)等。
LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由智能節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)可具有多種功能的I/O功能。如圖1所示為一可編程的智能模塊，具有4路模擬差分輸入或8路單端輸入，并可通過(guò)跳線(xiàn)設(shè)置為電壓輸入或電流輸入。用戶(hù)可以對(duì)模塊進(jìn)行再編程，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)自定義的算法和功能。如上圖所示的智能模塊在實(shí)際使用中構(gòu)成LonWorks網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可通過(guò)不同的傳輸介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并遵循ISO/OSI的7層模型，LonWorks技術(shù)包括監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、安裝、開(kāi)發(fā)和調(diào)試的一整套方法，要使用多種專(zhuān)用的硬件設(shè)備和軟件程序，主要包括以下幾個(gè)方面：
１） LonWorks技術(shù)的基本元件為神經(jīng)元專(zhuān)用芯片（Neuron Chip），是LonWorks技術(shù)
的核心器件，由Echelon公司研制的集通信、控制、調(diào)度和I/O支持為一體的高級(jí)VLSI器件，只授權(quán)MOTOROLA和TOSHIBA公司生產(chǎn)。在片內(nèi)存貯單元固化了７層通信協(xié)議中的６層內(nèi)容，只有第７層需用戶(hù)編寫(xiě)。
２） LonWorks技術(shù)的核心為L(zhǎng)onTalk通信協(xié)議，協(xié)議遵循由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）
定義的開(kāi)放系統(tǒng)互連（OSI）模型，提供了７層協(xié)議所有內(nèi)容的服務(wù)。在通信方式上采用一種改進(jìn)的CSMA（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)），稱(chēng)為帶預(yù)測(cè)的P-Persistent CSMA算法。
３） LonTalk協(xié)議支持多種傳輸介質(zhì)，如雙絞線(xiàn)、電力線(xiàn)、超聲波、紅外線(xiàn)、光纖等。
每一種介質(zhì)稱(chēng)為一種信道，每一種信道有專(zhuān)用的收發(fā)器作為智能節(jié)點(diǎn)與通信介質(zhì)的接口器件。不同的傳輸信道可通過(guò)路由器實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。在不同的介質(zhì)中有不同的傳輸速率，最高達(dá)到1.25Mbps，傳輸距離最遠(yuǎn)為2.7Km，每個(gè)信道最多可接3.2萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。
4）在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上， LonTalk協(xié)議支持分散的Peer to Peer的通信，節(jié)點(diǎn)可以組成總線(xiàn)型、環(huán)型、樹(shù)型等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并可組成自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
5） 網(wǎng)絡(luò)通信采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，可使用一種稱(chēng)為Neuron C的語(yǔ)言進(jìn)行編程，
通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的邏輯安裝。
在通信局（站）電源監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控模塊構(gòu)成LonWorks網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，為各個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)集成商或工控廠商所生產(chǎn)，主要用于采集環(huán)境量和非智能設(shè)備的監(jiān)測(cè)量。
圖2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LonWorks網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
如果現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有LonWorks通信接口，則可以方便的與任何遵循LonTalk協(xié)議的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)互連。如圖2的接入方式1所示，SM1、SM2和SM3都具有LonWorks通信接口，其中，SM3為智能電源設(shè)備，SM1和SM2為監(jiān)控廠商安裝的采集模塊，用于采集非智能設(shè)備的監(jiān)控量及環(huán)境量。此時(shí)，所有的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控模塊可組成 LonWorks網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口卡接入前置機(jī)。
目前，國(guó)內(nèi)廠商的設(shè)備大都只提供RS232或RS485/422接口，不能直接納入LonWorks網(wǎng)絡(luò)。如圖2的接入方式2所示，如果智能設(shè)備具有RS232接口，可以直接將智能設(shè)備接入前置機(jī)。而對(duì)于具有LonWorks通信接口的采集模塊，既可以直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口卡接入前置機(jī)，也可以如方式2所示，通過(guò)接口轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為RS232接口，接入現(xiàn)場(chǎng)前置機(jī)。
圖3 基于LON總線(xiàn)技術(shù)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)
對(duì)于其它非智能設(shè)備與環(huán)境量，使用了具有LonWorks通信接口的采集模塊，組成LonWorks網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模擬量、開(kāi)關(guān)量的采集及控制量的輸出。對(duì)于RS232/485設(shè)備，則通過(guò)LonTalk協(xié)議轉(zhuǎn)換器就近接入LonWorks網(wǎng)絡(luò)，在監(jiān)控中心轉(zhuǎn)換為RS232接口后接入監(jiān)控主機(jī)。
四．LonWorks技術(shù)應(yīng)用前瞻
現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)，我們也應(yīng)該看到，在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，各個(gè)國(guó)家與公司為開(kāi)發(fā)應(yīng)用和迅速占領(lǐng)市場(chǎng)的需要，均制定了各自的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。由于巨大的商業(yè)利益影響，IEC現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作進(jìn)展緩慢。但是，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一是大勢(shì)所趨，只有標(biāo)準(zhǔn)的盡快統(tǒng)一，才能使現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)得到更快速的發(fā)展與提高。
作為一種低成本的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展展現(xiàn)了一個(gè)全新的面貌。LON總線(xiàn)綜合了當(dāng)今現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的多種功能，同時(shí)具備了局域網(wǎng)的一些特點(diǎn)，使得它被廣泛地應(yīng)用于航空/航天，農(nóng)業(yè)控制、計(jì)算機(jī)/外圍設(shè)備、診斷/監(jiān)控、電子測(cè)量設(shè)備、測(cè)試設(shè)備、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事/防衛(wèi)、辦公室設(shè)備系統(tǒng)、機(jī)器人、安全警衛(wèi)、保密、運(yùn)動(dòng)/游藝、電話(huà)通信、運(yùn)輸設(shè)備等領(lǐng)域。其通用性表明，它不是針對(duì)某一個(gè)特殊領(lǐng)域的總線(xiàn)，而是具有可將不同領(lǐng)域的控制系統(tǒng)綜合成一個(gè)以LONWORKS為基礎(chǔ)的更復(fù)雜系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
相關(guān)產(chǎn)品：Lonworks智能控制器
