现场总线控制系统分析 点击：15365 | 回复：233
发表于：2003-12-15 15:06:00
楼主
一、 LonWorks现场总线
1、 简介
现场总线技术是当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，它的出现标志着自动化控制技术又一个新时代的开始。现场总线是连接设置在控制现场的仪表与设置在控制室内的控制设备的数字化、串行、多站通信的网络。其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。
现场总线技术近年来成为国际上自动化和仪器仪表发展的热点，它的出现是传统的控制系统结构产生了革命性的变化，是自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进，形成新型的网络集成式全分布式控制系统---现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。
2、LonWorks
LonWorks是Local Operating Network的简称，意为局部操作网络。LonWorks技术是由美国Echelon公司斥资1.5亿美元，投入3700个人年数十万工程小时，于1990年12月推出，1991年3月起LonWorks产品正式投放市场，为分布式监控系统提供了很强的实现手段。
LonWorks本身是一个开放系统。用它构建的系统可使不同厂家生产的符合LonTalk协议的设备及产品进行互连，同时也易于系统的扩展及重组。为了更好地推广LonWorks技术，由世界上十几个国家的140多个公司，包括ABB、Honeywell、Olivett、Motorola、IBM、Toshiba、Hp等公司，组成了LonMark协会，负责定义、发布、确认产品的互操作性标准。由于LonWorks技术是成熟的网络控制技术，目前已有50多个国家和地区的2000多个开发与集成公司在使用LonWorks技术，我国也有十几家公司推出了基于LonWorks的产品。LonWorks技术已被广泛地应用于航空/航天、农业、建筑、诊断/监控、能源管理、工业自动化、家庭自动化、机器人、楼宇控制、安全保卫、运动/游艺、通信、运输等领域。LonWorks已成为目前国际上最流行的现场总线之一。
3、现场总线控制系统
现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信系统，也被称为开放式、数字化、多站点通信、低带宽的底层控制网络。它也可以与因特网（Internet）、企业内部网（Interanet）相连。如图1-1所示。
图1-1 企业网络信息系统集成系统结构示意
目前现场总线国际标准是多标准共存，因而对现场总线的严格定义尚不统一。其中有代表性的两种是：
（1） ISA SP50（Instrument Society of America，Standard and Practice）对现场总线的定义为：现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了过程控制领域的基本设备（即现场级设备）之间以及与更高层次自动化控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系。
（2） 国际电工委员会IEC（International Electrical Comm-ittee）标准和现场总线基金会FF（Fieldbus Fundation）的定义为：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。
4、 现场总线的优点
（1） 结构简洁。即用一条传输线连接多台仪表，双向传输数字信号。这种结构使得接线简单、安装费用低、容易维护。增加现场控制设备与仪表时，只需要挂接到电缆上，无需架设新的电缆。
（2） 高可靠性。数字信号传输抗干扰能力强，精度高，无需采取其他抗干扰措施。
（3） 可控性强。操作员在控制室既可以了解现场设备与现场仪表的工作状态，也能对其进行调整，还可以预测或寻找故障，使其始终处于操作员的远程监视与控制之下，提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。
（4） 可互操作性。用户可以将不同制造商的符合同一协议的不同品牌的仪表集成在一起，构成所需要的控制系统。不必为集成不同品牌的产品而在硬件或软件上花费力气或者增加额外投资。
（5） 功能综合。现场仪表不仅有检测、变换、补偿、控制和运算功能，还可提供非测量管理信息。
（6） 分散控制。控制功能分散在现场仪表中，通过现场仪表本身可构成控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自制性和灵活性。并降低了布线成本。
（7） 系统开放。现场总线是开放式互连网络，所有的技术和标准都是公开的，制造商必须共同遵守。这样用户可以自由集成不同制造商的通信网络，既可同层网络互连，也可与不同层网络互连。另外，用户可以极其方便地共享网络数据库。
总而言之，现场总线是高可靠、低成本、组态简单、可互操作性强、分散控制、方便运行，数据库一致的开放式系统。
5、 现场总线控制系统架构
从物理结构来看，现场总线系统有三个主要组成部分（如图1-2所示）：一是现场智能设备；二是系统传输介质；三是上位监控设备（工作站）。现场设备由现场微处理器芯片以及外围电路构成。现场总线系统使用最多的传输介质是双绞线。现场总线系统的拓扑结构有许多种，如总线型、环型、树型、星型以及混合型等等。
现场总线控制系统对自动化系统带来了“革命性”的变革，未来的发展还将进一步强化如下各点：
（a） 开放性： 网络协议必须是开放的，并且对任何用户都是平等的。
（b） 互操作性：网络协议需要完整到任何制造商的产品都可以实现互操作。
（c） 通信媒介：可用任何媒介进行通信，并且多种媒介应该能够在同一个网络中
混合使用。
（d） 网络结构：应该能够使用所有现在已经有的网络结构，如主从式、对等式、
以及客户/服务器式。
（e） 网络拓扑：网络拓扑应该可以自由组合。也就是说，除了总线型拓扑结构，
用户还可以选择任意形式的网络拓扑。
目前较流行的现场总线，如FF、Hart、CAN等都达不到上述要求，而LonWorks技术则能完全满足上述那些基本要求。可以说，LoNWorks以其特有的优良性能，成为众多现场总线产品中的佼佼者。
6、LonWorks技术
LonWorks技术是一种网络通信技术，也是一种实用型控制网络技术。在这里，主要介绍LonWorks技术的构成、技术特点、神经元芯片（Neuron Chip）、LonTalk通信协议、LonWorks网络传输介质及拓扑结构、连接部件、开发工具以及服务工具等几个部分。
（1）、 LonWorks技术的构成
Lon（局部操作网络）控制网络包括现场控制节点——这些节点可以是直接用神经元芯片作为通信处理器和测控处理器，也可以是基于Host based节点。LonWorks技术由以下几部分组成：
·LonTalk协议；
·LonWorks收发器；
·LonWorks节点和路由器；
·LonWorks网络和节点的开发工具。
（2）、LonnWorks技术特点有：
` ·开放性：网络协议开放，对任何用户平等。
·互操作性：LonWorks通信协议LonTalk是符合国际标准化组织（ISO）定义的开放系统互连（OSI）七层模型。任何制造商的产品都可以实现互操作。如图1-3所示。
·通信介质：可以使用多种介质进行通信，并且在同一网络中可以有多种通信介质。
·网络结构：可以是主从式、对等式或客户/服务器式。
·网络拓扑：有星型、总线型、环型以及混合型。
·面向对象的设计方法：采用网络变量，使网络通信的设计简化。
·通信的每帧有效字节数可以从0——228字节。
·通信速率为：1.25Mbps（此时有效距离为130m），78Kbps（直线通信距离为2700m）
·在一个测控网络上的节点数可达32000个。
·提供强有力的开发平台——Lon Builder与Node Builder。
·LonWorks技术的核心元件——神经元（Neuron）芯片，内部有3个8位微处理器及RAM、ROM、E2PROM、和定时器/计数器等，已固化可予编程的34种I/O对象，并预装固化的LonTalk通信协议。神经元芯片具有通信和控制功能。
·改善了CSMA，采用“可预测P坚持CSMA”，在网络负载很重的情况下，能自动调节通信时隙，避免网络瘫痪，保证信道畅通。
（3）、神经元芯片（Neuron Chip）
一个典型的现场控制节点主要包含以下几部分功能块：应用CPU、I/O处理单元、通信处理器、收发器和电源。神经元芯片是采用CMOS的VLSI器件。通过独具特色的硬件、固件相结合的技术，使一个神经元芯片几乎包含一个现场节点的所有功能——应用CPU、I/O处理单元、通信处理器。因此，一个神经元芯片加上收发器便可构成一个典型的现场控制节点。图1-4为一个神经元芯片的结构框图。
（4）、神经元芯片的功能
神经元芯片有三个CPU，每个CPU各有不同的分工。其结构见图1-5所示。
图1-5 处理器结构及存储器分配
CPU-1：
是介质访问控制处理器，处理LonTalk协议的第一层（物理层——物理连接）和第二层（链路层——介质访问及组帧），包括驱动通信子系统硬件和执行MAC（media Access Control）介质访问控制算法。C
发表于：2004-04-21 13:58:00
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