发表于:2002-07-15 13:39:00
楼主
现场总线控制系统(FCS)作为开放的、数字式的、串行多点通信的数据控制网络,是工业自动化控制系统结构发展的必然趋势,以现场总线为基础的全数字控制系统是当今世界各国在工业自动化领域关注的热点课题。
1983年现场总线的概念由欧洲人首先提出,1985年推出了第一代总线产品,1987年首先应用于欧洲市场。进而,在近二十年的时间里,各种总线技术如雨后春笋般蓬勃发展,逐渐渗透到各个自控应用领域。目前国际上流行的现场总线技术有FF、PROFIBUS、WORLDFIP、ControlNet、Interbus、P-NET等40多种,每一种总线通信协议在相应的应用领域中具有比较明显的价格和技术优势,占有了较大的市场份额。同时为了商业竞争的需要,又不断增加新的功能向其他领域扩展。我国从1988年起开始跟踪国际现场总线技术的发展情况,至今还没有形成自己的总线系统,在国家“九五”计划中曾投资9000万进行过FF总线技术的研究及开发工作,其他总线系统则通过与高校、企业、研究所等科研机构合作的途径逐渐应用于我国自动化控制的各个领域。
由于,每种总线都对外宣称其适合应用于所有自动化控制领域,这就使用户在选择总线通信协议时,产生困难。如何评价各种现场总线系统的技术特点,对各种总线技术进行参数化、系统化比较,确定各种总线的应用领域,使用户能够选择最适合自己的总线系统,是广大用户最为关心的问题。
一、 现场总线系统的评价
对总线系统进行评价的目的主要有三个:选择、改进和设计。具体而言,是指在众多的系统方案中选择一个最适合需要的系统方案,即在一定的价格范围内选择性能最好的系统,达到较好的性能/价格比;对已有系统的性能缺陷和瓶颈进行改进和提高运行效率;对未来设计的系统进行性能预测,在性能成本方面实现最佳设计或配置。
现场总线系统的性能指标一般包括以下两个大的方面:一方面是它的可靠性或可利用性,亦即,现场总线系统能正常工作的时间,其指标可以是能够维持工作的时间长度,如平均无故障时间,也可以是在一段时间内,能正常工作的时间所占的百分比。另一方面是它的处理能力或效率。这又可分为三类指标:一类指标是各种吞吐率,如系统在单位时间内能处理正常作业的个数。另一类指标是各种响应的时间,即从系统得到输入到给出输出之间的时间。再一类指标是各种利用率,即在给定的时间区间中,各种部件(包括硬设备和软系统)被使用的时间与整个时间之比。当然不同的系统对性能指标的描述有所不同,例如网络常用的性能指标为:信道传输率、信道吞吐量和容量、信道利用率、传输延迟、响应时间和负载能力等。
现场总线系统的性能取决于多种因素,最基本的因素在于系统的配置(即指系统构成所包括的各种软件、硬件的成分、数量、能力和系统结构、处理和调度策略等)和系统负载(即指工作负载和工作方式,例如交互方式、批处理方式等)。
作者列出了关于总线系统评价和评估的16个方面,作为衡量现场总线系统性能的参照:
l 互操作性
互操作性一般分两种,一种是系统内部的互操作性,另一种是系统之间的互操作性,互操作性又称互连性。系统内的互操作性是指连接不同制造商的产品组成系统的难易程度;系统之间的互操作性是指连接一个系统和其他系统所需工作量的大小,如果某系统要与其他系统通信,或要把其他系统纳入到自己的控制之下,必须有系统间的接口,使之可以联结。
l 一致性
在系统设计与实现的过程中技术和标号与通信协议的统一程度。
l 完备性
完备性包括两个方面的含义,一种含义是指系统功能充分实现的程度;另一种含义是指系统交付使用时提供的文档齐全、描述清楚、满足规范或标准的程度。
l 本质安全性
系统本安设计使得即使在设备或连接电缆出现故障时可能出现的点火或热表面不足以引起点燃的程度。
l 执行效率
为了实现某个系统功能,提供使用最少处理时间或占用最少总线带宽的程度。
l 容错性
系统出错(设备临时发生故障或数据存取错误)时,能以某种预定方式,作出适当处理,得以继续执行和恢复系统的能力。它又称为系统的健壮性。
l 准确性
能达到的计算或控制精度。它又称为精确性。
l 操作性
操作系统的难易程度。它通常取决于与系统有关的操作规程,以及是否提供便利的输入/输出方法。
l 易训练性
新用户使用系统的难易程度。取决于是否提供帮助用户熟练掌握系统的方法。又称可培训性或培训性。
l 模块独立性
系统软件、硬件的模块化程度。
l 通用性
系统功能覆盖应用领域的宽广程度。
l 可扩充性
系统的体系结构和物理结构的可扩展程度。
l 自诊断性
系统监测自身操作效果和发现自身错误的能力。
l 组态软件独立性
组态软件不依赖于单一制造商的操作系统特征,或其他环境约束的程度。
l 通信共享性
使用标准的通信协议、接口和带宽的标准化程度。
l 数据共享性
使用标准数据结构和数据类型的程度。
对上述评价指标,需要用具体参数加以量化。但是,实际上,有些指标是难以用具体参数来表示的。
二、 现场总线系统的比较
下面,我们从总线的背景;物理特性;传输机制;传输效率;一致性和互操作性;差错、故障和容错;模块化;功能性等几个方面对各种总线进行比较。
背景
产生年代:
技术开发公司:
主要应用领域:
全球范围内已服役的总线(节点)数:
国内已服役的总线(节点)数:
典型应用:
物理特性
物理传输介质:
物理接口:
物理拓朴:
逻辑拓朴:
单分段最大设备(节点)数:
单分段最大传输距离:
传输机制
数据编码:
信号传输方式:
同步方式:
通信方式:
受控接入方式:
服务类型:
传输效率
协议层数:
传输速度:
最大帧长:
数据帧中有效数据率:
信道利用率:
循环时间:
一致性和互操作性
符合的通信协议:
已通过一致性测试的产品类型数:
已通过一致性测试的产品制造商:
已通过互操作性测试的产品类型数:
已通过互操作性测试的产品制造商:
可与该系统通信的其他系统:
与其他系统的通信方式:
与其他系统通信的交换设备:
差错、故障和容错
差错检测:
差错控制方式:
故障诊断:
故障节点的处理方式:
能否提供设备冗余:
模块化
I/O类型:
控制功能块:
设备描述语言:
功能性
节点优先权:
总线供电:
是否需要专用电源:
能否在危险区域使用:
实现本安防爆对总线节点数和电缆长度的限制:
应当指出的是上述各种评价参数之间,有些参数是相互补充的,有些参数则具有竞争关系。一般情况下单独比较某一个或几个参数,不足以说明某种总线技术更优于其他总线技术。