摘要：本文介紹了現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展沿革，分析現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與集散控制系統(tǒng)差異，以LonWorks技術(shù)為例，分析現(xiàn)場總線系統(tǒng)可靠、高效、低成本等諸多優(yōu)勢。介紹了現(xiàn)場總線的發(fā)展及其特點，然后以LonWorks為例，詳盡說明了LonWorks的技術(shù)特點。
關(guān)鍵詞： 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng) LonWorks
隨著國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的實施，工業(yè)自動化、建筑能耗監(jiān)測、空調(diào)及環(huán)境集中監(jiān)控管理系統(tǒng)在國內(nèi)得到了廣泛的推廣與應(yīng)用。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）成為工業(yè)控制領(lǐng)域中的一個熱點，世界上幾乎所有的儀器、儀表制造商都卷入了這一場競爭，紛紛推出自己的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。在國內(nèi)，現(xiàn)場總線技術(shù)正處于普及與應(yīng)用的階段，部分監(jiān)控廠商在計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實施過程中，將現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用其中，如LonWorks、CANBus等。
一．現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展
70年代后期，日新月異的計算機(jī)技術(shù)融入到了工業(yè)自動化領(lǐng)域，出現(xiàn)了集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，簡稱為DCS），把分散的、單回路的測控系統(tǒng)采用計算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理，用各種I/O模板代替控制室的儀表，利用計算機(jī)的強(qiáng)大功能，對被控系統(tǒng)集中進(jìn)行實時監(jiān)測、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極大地推動了工控技術(shù)的發(fā)展。但是，在通信方式上，處于現(xiàn)場的控制級和檢測級仍采用4~20mA模擬量通信。而在DCS中，現(xiàn)場采集設(shè)備所占的比例最大，數(shù)量也最多，這就使得一對一的布線方式相當(dāng)繁雜、安裝費用增加、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)場總線（FieldBus）技術(shù)逐漸成熟與發(fā)展起來，它是現(xiàn)代計算機(jī)、通信和控制技術(shù)的集成，即通常人們所稱的3C（Computer，Communication，Control）技術(shù)。
現(xiàn)場總線是一種工業(yè)總線，它是自動化領(lǐng)域中計算機(jī)通信體系最低層的低成本網(wǎng)絡(luò)。國際電工委員會（IEC）和現(xiàn)場總線基金會（FF）對現(xiàn)場總線作了如下定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線技術(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，一條現(xiàn)場總線可為眾多的可尋址現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)多點連接，支持底層的現(xiàn)場智能設(shè)備與高層的系統(tǒng)通過公用傳輸介質(zhì)交換信息?，F(xiàn)場總線的核心是它的通信協(xié)議，這些協(xié)議必須根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)開放系統(tǒng)互連的OSI參考模型來制定。
在現(xiàn)場總線技術(shù)早期的發(fā)展過程中，不同的國家和公司制定了各自的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，如法國的WORLDFIP、德國的PROFIBUS、丹麥的P-NET，以及歐洲現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)EN 50170。后來，由于美國Rosemount、Honywell、Foxboro等著名大公司的參與，使得美國在現(xiàn)場總線技術(shù)上獨領(lǐng)風(fēng)騷，于1994年成立了FF（Fieldbus Foundation）現(xiàn)場總線基金會。目前，F(xiàn)F有100多個成員單位，包括了全世界主要的過程控制產(chǎn)品及系統(tǒng)的生產(chǎn)公司，在IEC現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中起著舉足輕重的作用。
目前，國內(nèi)已有眾多公司將現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于工廠自動化、工業(yè)過程控制、鐵路運輸及樓宇自動化等領(lǐng)域。
二．現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)（DCS）相比，有以下特點：
1）傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)現(xiàn)場儀表到控制站之間采用4~20mA模擬信號傳輸，F(xiàn)CS則采用數(shù)字化的信號傳輸?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在通信質(zhì)量和連線方式上都有其優(yōu)越之處，在現(xiàn)場底層傳感器、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。在網(wǎng)絡(luò)傳輸中采用了防止碰撞、檢查糾錯等技術(shù)措施，實現(xiàn)了高速、雙向、多站點之間的可靠通信。
2）傳統(tǒng)的DCS采用“操作站—控制站—現(xiàn)場儀表”三層主從結(jié)構(gòu)方式，而現(xiàn)場總線則把輸入/輸出單元，控制站的功能分散到現(xiàn)場智能儀表中。每個智能儀表都有自己的CPU單元，進(jìn)行測量、調(diào)節(jié)、診斷、輸出等功能的操作。每個智能儀表成為總線中的一個節(jié)點，節(jié)點間通過現(xiàn)場總線連接，任何一個節(jié)點的故障都不會影響到其它節(jié)點。
3） 不同廠家的DCS產(chǎn)品往往無法兼容，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)場總線產(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。
4） FCS技術(shù)從總線標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品檢驗到信息發(fā)布都是公開的，面向所有的產(chǎn)品制造商和
用戶，通信網(wǎng)絡(luò)可以和其他系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相連，用戶可共享網(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)。這些為自動化系統(tǒng)的施工帶來了極大的方便，省時間，省材料。
由此可見，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)相比，具有鮮明的技術(shù)特點與無可比擬的優(yōu)勢。因此，世界各國和許多大的工業(yè)控制公司紛紛推出自己的現(xiàn)場總線產(chǎn)品。表1所示為幾種現(xiàn)場的性能比較。
表1. 幾種現(xiàn)場總線的性能比較
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總線名稱 特性 |
CAN |
LonWorks |
WorldFIP |
|
應(yīng)用目標(biāo) |
汽車 |
所有 |
過程控制 |
|
OSI層 |
1，2 |
1，2，3，4，5，6，7 |
1，2，7 |
|
系統(tǒng)控制（基于命令或狀態(tài)） |
命令 |
兩者 |
兩者 |
|
系統(tǒng)類型 |
總線 |
網(wǎng)絡(luò) |
總線 |
|
媒介訪問 |
CSMA/CR |
CSMA/CA |
主從，令牌方式 |
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差錯控制 |
CRC |
CRC |
CRC |
|
支持的媒介 |
光纖，雙絞線 |
光纖，雙絞線，動力線，同軸電纜，紅外 |
光纖，雙絞線 |
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尋址方式（單一，多目，廣播） |
廣播 |
所有 |
廣播 |
|
最大速率（Mb/s） |
1 |
1．25 |
2．5 |
|
網(wǎng)絡(luò)管理 |
無 |
有 |
有 |
|
網(wǎng)絡(luò)互連（中繼器，網(wǎng)橋，路由器） |
無 |
所有 |
網(wǎng)橋 |
在眾多的現(xiàn)場總線中，Echelon公司的LonWorks是發(fā)展較快、最具有競爭力的現(xiàn)場總線系統(tǒng)之一，在我國也有部分廠商采用了LonWorks技術(shù)。事實上，國內(nèi)有些監(jiān)控廠商本身也是LonWorks的OEM廠商。本文將以LonWorks為例，說明現(xiàn)場總線在計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用。
三．LonWorks技術(shù)概述及在計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用
圖1 LonWorks智能模塊接線圖
LonWorks技術(shù)是美國Echelon公司90年12月推出的一種現(xiàn)場總線技術(shù)，Lon（Local Operating Network）的意思為局部操作網(wǎng)絡(luò)，具有現(xiàn)場總線技術(shù)的一切特點。目前，世界上許多著名的自動化廠商如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多萬個節(jié)點。在中國，Echelon北京代表處于1995年成立，目前有六十多家中國廠商加入了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)廠房自動化、樓宇及家庭自動化、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和運輸業(yè)等。
LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由智能節(jié)點組成，每個智能節(jié)點可具有多種功能的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，并可通過跳線設(shè)置為電壓輸入或電流輸入。用戶可以對模塊進(jìn)行再編程，實現(xiàn)用戶自定義的算法和功能。如上圖所示的智能模塊在實際使用中構(gòu)成LonWorks網(wǎng)絡(luò)的一個智能節(jié)點。各個節(jié)點之間可通過不同的傳輸介質(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、安裝、開發(fā)和調(diào)試的一整套方法，要使用多種專用的硬件設(shè)備和軟件程序，主要包括以下幾個方面：
１） LonWorks技術(shù)的基本元件為神經(jīng)元專用芯片（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層需用戶編寫。
２） LonWorks技術(shù)的核心為LonTalk通信協(xié)議，協(xié)議遵循由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）
定義的開放系統(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)聽多路訪問），稱為帶預(yù)測的P-Persistent CSMA算法。
３） LonTalk協(xié)議支持多種傳輸介質(zhì)，如雙絞線、電力線、超聲波、紅外線、光纖等。
每一種介質(zhì)稱為一種信道，每一種信道有專用的收發(fā)器作為智能節(jié)點與通信介質(zhì)的接口器件。不同的傳輸信道可通過路由器實現(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，每個信道最多可接3.2萬個節(jié)點。
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)點可以組成總線型、環(huán)型、樹型等多種網(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)計方法，可使用一種稱為Neuron C的語言進(jìn)行編程，
通過網(wǎng)絡(luò)變量進(jìn)行節(jié)點之間的邏輯安裝。
在通信局（站）電源監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場監(jiān)控模塊構(gòu)成LonWorks網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點，為各個監(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)測量。
圖2 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LonWorks網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
如果現(xiàn)場設(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，所有的現(xiàn)場監(jiān)控模塊可組成 LonWorks網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)接口卡接入前置機(jī)。
目前，國內(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)。而對于具有LonWorks通信接口的采集模塊，既可以直接通過網(wǎng)絡(luò)接口卡接入前置機(jī)，也可以如方式2所示，通過接口轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為RS232接口，接入現(xiàn)場前置機(jī)。
圖3 基于LON總線技術(shù)的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)
對于其它非智能設(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)，實現(xiàn)對現(xiàn)場模擬量、開關(guān)量的采集及控制量的輸出。對于RS232/485設(shè)備，則通過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)場總線技術(shù)已在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，同時，我們也應(yīng)該看到，在現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展過程中，各個國家與公司為開發(fā)應(yīng)用和迅速占領(lǐng)市場的需要，均制定了各自的國家標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)。由于巨大的商業(yè)利益影響，IEC現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制定工作進(jìn)展緩慢。但是，現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一是大勢所趨，只有標(biāo)準(zhǔn)的盡快統(tǒng)一，才能使現(xiàn)場總線技術(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)場總線技術(shù)為計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展展現(xiàn)了一個全新的面貌。LON總線綜合了當(dāng)今現(xiàn)場總線的多種功能，同時具備了局域網(wǎng)的一些特點，使得它被廣泛地應(yīng)用于航空/航天，農(nóng)業(yè)控制、計算機(jī)/外圍設(shè)備、診斷/監(jiān)控、電子測量設(shè)備、測試設(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、運動/游藝、電話通信、運輸設(shè)備等領(lǐng)域。其通用性表明，它不是針對某一個特殊領(lǐng)域的總線，而是具有可將不同領(lǐng)域的控制系統(tǒng)綜合成一個以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
