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摘要：本文介紹了現場總線技術的發(fā)展沿革，分析現場總線控制系統(tǒng)與集散控制系統(tǒng)差異，以LonWorks技術為例，分析現場總線系統(tǒng)可靠、高效、低成本等諸多優(yōu)勢。介紹了現場總線的發(fā)展及其特點，然后以LonWorks為例，詳盡說明了LonWorks的技術特點。

關鍵詞： 現場總線控制系統(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、空調及環(huán)境集中監(jiān)控管理系統(tǒng)在國內得到了廣泛的推廣與應用。現場總線控制系統(tǒng)（FCS）成為工業(yè)控制領域中的一個熱點，世界上幾乎所有的儀器、儀表制造商都卷入了這一場競爭，紛紛推出自己的現場總線控制系統(tǒng)。在國內，現場總線技術正處于普及與應用的階段，部分監(jiān)控廠商在計算機監(jiān)控系統(tǒng)實施過程中，將現場總線技術應用其中，如LonWorks、CANBus等。

一．現場總線技術的發(fā)展

    70年代后期，日新月異的計算機技術融入到了工業(yè)自動化領域，出現了集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，簡稱為DCS），把分散的、單回路的測控系統(tǒng)采用計算機進行統(tǒng)一管理，用各種I/O模板代替控制室的儀表，利用計算機的強大功能，對被控系統(tǒng)集中進行實時監(jiān)測、控制、參數調節(jié)、告警顯示及存貯歷史數據等操作。DCS極大地推動了工控技術的發(fā)展。但是，在通信方式上，處于現場的控制級和檢測級仍采用4~20mA模擬量通信。而在DCS中，現場采集設備所占的比例最大，數量也最多，這就使得一對一的布線方式相當繁雜、安裝費用增加、維護量加大。

   進入90年代以后，隨著網絡與通信技術的發(fā)展，現場總線（FieldBus）技術逐漸成熟與發(fā)展起來，它是現代計算機、通信和控制技術的集成，即通常人們所稱的3C（Computer，Communication，Control）技術。

   現場總線是一種工業(yè)總線，它是自動化領域中計算機通信體系最低層的低成本網絡。國際電工委員會（IEC）和現場總線基金會（FF）對現場總線作了如下定義：現場總線是連接智能現場設備和自動化系統(tǒng)的數字式、雙向傳輸多分支結構的通信網絡。現場總線技術的基本內容包括：以串行通信方式取代傳統(tǒng)的4~20mA的模擬信號，一條現場總線可為眾多的可尋址現場設備實現多點連接，支持底層的現場智能設備與高層的系統(tǒng)通過公用傳輸介質交換信息。現場總線的核心是它的通信協議，這些協議必須根據國際標準化組織ISO的計算機網絡開放系統(tǒng)互連的OSI參考模型來制定。

   在現場總線技術早期的發(fā)展過程中，不同的國家和公司制定了各自的現場總線標準，如法國的WORLDFIP、德國的PROFIBUS、丹麥的P-NET，以及歐洲現場總線標準EN 50170。后來，由于美國Rosemount、Honywell、Foxboro等著名大公司的參與，使得美國在現場總線技術上獨領風騷，于1994年成立了FF（Fieldbus Foundation）現場總線基金會。目前，FF有100多個成員單位，包括了全世界主要的過程控制產品及系統(tǒng)的生產公司，在IEC現場總線標準的制定過程中起著舉足輕重的作用。

   目前，國內已有眾多公司將現場總線技術應用于工廠自動化、工業(yè)過程控制、鐵路運輸及樓宇自動化等領域。

二．現場總線控制系統(tǒng)的特點

    現場總線控制系統(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)現場儀表到控制站之間采用4~20mA模擬信號傳輸，FCS則采用數字化的信號傳輸。現場總線控制系統(tǒng)在通信質量和連線方式上都有其優(yōu)越之處，在現場底層傳感器、執(zhí)行器、控制器及上層工作站之間的傳輸全部為數字信號。在網絡傳輸中采用了防止碰撞、檢查糾錯等技術措施，實現了高速、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—現場儀表”三層主從結構方式，而現場總線則把輸入/輸出單元，控制站的功能分散到現場智能儀表中。每個智能儀表都有自己的CPU單元，進行測量、調節(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產品往往無法兼容，FCS則特別強調“互聯”和“互操作性”。即

不同廠家的現場總線產品可以互聯組成統(tǒng)一的系統(tǒng)，統(tǒng)一組態(tài)，從而方便了用戶。

4） FCS技術從總線標準、產品檢驗到信息發(fā)布都是公開的，面向所有的產品制造商和

用戶，通信網絡可以和其他系統(tǒng)網絡相連，用戶可共享網絡資源。

5）FCS采用數字通信方式，因此可以采用多種傳輸介質進行傳輸。根據控制系統(tǒng)中節(jié)點的空間分布情況，也可以采用靈活的拓撲結構。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場總線產品。表1所示為幾種現場的性能比較。

表1. 幾種現場總線的性能比較

    在眾多的現場總線中，Echelon公司的LonWorks是發(fā)展較快、最具有競爭力的現場總線系統(tǒng)之一，在我國也有部分廠商采用了LonWorks技術。事實上，國內有些監(jiān)控廠商本身也是LonWorks的OEM廠商。本文將以LonWorks為例，說明現場總線在計算機監(jiān)控系統(tǒng)的應用。

三．LonWorks技術概述及在計算機監(jiān)控系統(tǒng)的應用

 圖1 LonWorks智能模塊接線圖

    LonWorks技術是美國Echelon公司90年12月推出的一種現場總線技術，Lon（Local Operating Network）的意思為局部操作網絡，具有現場總線技術的一切特點。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。迄今為止，使用LonWorks技術的生產廠商已有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控制網絡的OEM行列，LonWorks控制網絡技術已大量應用于各主要工業(yè)領域，如工業(yè)廠房自動化、樓宇及家庭自動化、農業(yè)、醫(yī)療和運輸業(yè)等。

    LonWorks網絡系統(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，并可通過跳線設置為電壓輸入或電流輸入。用戶可以對模塊進行再編程，實現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成LonWorks網絡的一個智能節(jié)點。各個節(jié)點之間可通過不同的傳輸介質進行數據傳輸，并遵循ISO/OSI的7層模型，LonWorks技術包括監(jiān)控網絡的設計、安裝、開發(fā)和調試的一整套方法，要使用多種專用的硬件設備和軟件程序，主要包括以下幾個方面：

１） LonWorks技術的基本元件為神經元專用芯片（Neuron Chip），是LonWorks技術

的核心器件，由Echelon公司研制的集通信、控制、調度和I/O支持為一體的高級VLSI器件，只授權MOTOROLA和TOSHIBA公司生產。在片內存貯單元固化了７層通信協議中的６層內容，只有第７層需用戶編寫。

２） LonWorks技術的核心為LonTalk通信協議，協議遵循由國際標準化組織（ISO）

    定義的開放系統(tǒng)互連（OSI）模型，提供了７層協議所有內容的服務。在通信方式上采用一種改進的CSMA（載波監(jiān)聽多路訪問），稱為帶預測的P-Persistent CSMA算法。

３） LonTalk協議支持多種傳輸介質，如雙絞線、電力線、超聲波、紅外線、光纖等。

每一種介質稱為一種信道，每一種信道有專用的收發(fā)器作為智能節(jié)點與通信介質的接口器件。不同的傳輸信道可通過路由器實現互聯。在不同的介質中有不同的傳輸速率，最高達到1.25Mbps，傳輸距離最遠為2.7Km，每個信道最多可接3.2萬個節(jié)點。

4）在網絡結構上， LonTalk協議支持分散的Peer to Peer的通信，節(jié)點可以組成總線型、環(huán)型、樹型等多種網絡拓撲結構，并可組成自由拓撲結構。

5） 網絡通信采用面向對象的設計方法，可使用一種稱為Neuron C的語言進行編程，

通過網絡變量進行節(jié)點之間的邏輯安裝。

在通信局（站）電源監(jiān)控系統(tǒng)中，現場監(jiān)控模塊構成LonWorks網絡的各個節(jié)點，為各個監(jiān)控系統(tǒng)集成商或工控廠商所生產，主要用于采集環(huán)境量和非智能設備的監(jiān)測量。

圖2 計算機監(jiān)控系統(tǒng)LonWorks網絡結構圖 

   如果現場設備具有LonWorks通信接口，則可以方便的與任何遵循LonTalk協議的產品實現互連。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，用于采集非智能設備的監(jiān)控量及環(huán)境量。此時，所有的現場監(jiān)控模塊可組成 LonWorks網絡，通過網絡接口卡接入前置機。

   目前，國內廠商的設備大都只提供RS232或RS485/422接口，不能直接納入LonWorks網絡。如圖2的接入方式2所示，如果智能設備具有RS232接口，可以直接將智能設備接入前置機。而對于具有LonWorks通信接口的采集模塊，既可以直接通過網絡接口卡接入前置機，也可以如方式2所示，通過接口轉換器轉換為RS232接口，接入現場前置機。

圖3 基于LON總線技術的計算機監(jiān)控系統(tǒng) 

   對于其它非智能設備與環(huán)境量，使用了具有LonWorks通信接口的采集模塊，組成LonWorks網絡，實現對現場模擬量、開關量的采集及控制量的輸出。對于RS232/485設備，則通過LonTalk協議轉換器就近接入LonWorks網絡，在監(jiān)控中心轉換為RS232接口后接入監(jiān)控主機。

四．LonWorks技術應用前瞻

   現場總線技術已在世界范圍內得到了廣泛的應用，同時，我們也應該看到，在現場總線技術的發(fā)展過程中，各個國家與公司為開發(fā)應用和迅速占領市場的需要，均制定了各自的國家標準或協會標準。由于巨大的商業(yè)利益影響，IEC現場總線標準的制定工作進展緩慢。但是，現場總線標準的統(tǒng)一是大勢所趨，只有標準的盡快統(tǒng)一，才能使現場總線技術得到更快速的發(fā)展與提高。

    作為一種低成本的網絡技術，現場總線技術為計算機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展展現了一個全新的面貌。LON總線綜合了當今現場總線的多種功能，同時具備了局域網的一些特點，使得它被廣泛地應用于航空/航天，農業(yè)控制、計算機/外圍設備、診斷/監(jiān)控、電子測量設備、測試設備、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事/防衛(wèi)、辦公室設備系統(tǒng)、機器人、安全警衛(wèi)、保密、運動/游藝、電話通信、運輸設備等領域。其通用性表明，它不是針對某一個特殊領域的總線，而是具有可將不同領域的控制系統(tǒng)綜合成一個以LONWORKS為基礎的更復雜系統(tǒng)的網絡技術。

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