1 引言
采用fcs(總線控制系統(tǒng))的企業(yè)用于生產(chǎn)管理的局域網(wǎng)能夠與用于自動控制的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)緊密銜接。現(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(shè)備互連的實(shí)時(shí)控制通訊網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),。
2 現(xiàn)場總線概要
它將傳感測量、補(bǔ)償計(jì)算,、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成,，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)?，F(xiàn)場總線設(shè)備能處理各種參數(shù),、運(yùn)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(wǎng)絡(luò)故障的情況下獨(dú)立工作，大大提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力,。
由于現(xiàn)場設(shè)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(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，不再需要一個(gè)中央控制計(jì)算機(jī),，實(shí)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(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，提高了可靠性,。
工作在現(xiàn)場設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線,，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計(jì)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(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信,，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等,。
傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)每個(gè)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(gè)大配線架,。而在fcs系統(tǒng)中多臺現(xiàn)場設(shè)備可串行連接在一條總線上,，這樣只需極少的線進(jìn)入中央控制室，大量節(jié)省了布線費(fèi)用,，同時(shí)也降低了中央控制室的造價(jià),。由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)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(diào)理,、轉(zhuǎn)換,、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線，用工控pc機(jī)作為操作站,，從而節(jié)省了一大筆硬件投資,，由于控制設(shè)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(diǎn),，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),、安裝,、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性,。
3 現(xiàn)場總線案例
profibus是德國國家標(biāo)準(zhǔn)din 19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)en 50170的現(xiàn)場總線，也是iec標(biāo)準(zhǔn)iec
61158,，并且已經(jīng)轉(zhuǎn)化為中國gb國家標(biāo)準(zhǔn),。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(shù)據(jù)鏈路層),；profibus-fms采用了第1層,、第2層和第7層(應(yīng)用層)，第7層又分為現(xiàn)場總線報(bào)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(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚儆行?。直接?shù)據(jù)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(shè)備可以調(diào)用的應(yīng)用功能,，并描述了各種設(shè)備的設(shè)備行為,。物理層采用rs-485傳輸技術(shù)或光纖傳輸技術(shù)。dp協(xié)議的用戶層包括dp基本功能,、dp擴(kuò)展功能和dp行規(guī)
profibus-pa使用擴(kuò)展的profibus- dp協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，另外還規(guī)定了現(xiàn)場設(shè)備的設(shè)備行規(guī)。根據(jù)iec 61158-2標(biāo)準(zhǔn)，這種傳輸技術(shù)可以確保其本質(zhì)安全,，并通過設(shè)備對現(xiàn)場設(shè)備供電,。
profibus-fms包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供通信服務(wù)。lli協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系,，并向fms提供不依賴設(shè)備的對第2層的訪問接口,。第2層現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路(fdl，fieldbus data link)用于完成總線訪問控制及保證數(shù)據(jù)的可靠性,。
3.1 profibus-dp和profibus-fms傳輸技術(shù)
profibus-dp和profibus-fms采用rs-485傳輸技術(shù),。他們相同的傳輸技術(shù)和總線存取協(xié)議，可以在同一根電纜上運(yùn)行,。一個(gè)總線段內(nèi)的導(dǎo)線采用屏蔽雙絞電纜,，段的兩端各有一個(gè)終端器，rs-485總線段結(jié)構(gòu)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(shè)備都適用。每段最多連接32個(gè)站,，通過中繼器可以增加段數(shù),，則總線上的站最多可以連接126個(gè)。
圖1 rs-485總線段結(jié)構(gòu)
(1)總線連接,。如圖2所示,，總線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(nèi),，插頭安裝在總線電纜上,，針腳分配見表2所示。數(shù)據(jù)線a數(shù)據(jù)線b兩端接有總線終端器,，其包含一個(gè)下拉電阻(與數(shù)據(jù)基準(zhǔn)電位dgnd相連)和一個(gè)上拉電阻(與供電電壓vp相連),。總線上沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),，即在兩個(gè)報(bào)文之間總線為空閑狀態(tài)時(shí),，兩個(gè)總線終端電阻保證了在總線上有一個(gè)確定的空閑電位，兩個(gè)總線終端電阻必須始終有電源供電,。
圖2 profibus-pa總線連接
(2) 傳輸序列,。profibus-dp和profibus-fms的編碼方式為nrz碼。一個(gè)字符幀在profibus總線上為11位：1個(gè)起始位,，8個(gè)數(shù)據(jù)位,，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和1個(gè)停止位。在傳輸期間,，二進(jìn)制“1”對應(yīng)于rxd/txd-p線上的正電位,，而在rxd/txd-n線上為負(fù)電位,。各報(bào)文間空閑狀態(tài)對應(yīng)于二進(jìn)制“1”。
3.2 profibus-pa的iec 61158-2傳輸技術(shù)
profibus-pa采用符合iec61158-2標(biāo)準(zhǔn)的傳輸技術(shù),，這種技術(shù)是一種同步協(xié)議,，它可以確保本質(zhì)安全，并通過總線對現(xiàn)場設(shè)備供電,。每段只有一個(gè)電源作為供電裝置,，當(dāng)站收發(fā)信息時(shí)不對總線供電，每個(gè)站的現(xiàn)場設(shè)備消耗的是常量穩(wěn)態(tài)電流,。