PLC現場總線通訊協議技術特點
研究、應用現場總線技術支持下的PLC控制系統，是目前工廠自動化得以實現的有效途徑之壹，它是工廠數字通信網絡的基礎。該文主要闡述PLC專用現場總線、基於Profibus的PLC控制系統以及CAN總線支持下的PLC控制系統，及制造業信息化進程中PLC控制系統的發展方向。
在傳統的自動化工廠中，位於生產現場的許多設備和裝置，如：傳感器、調節器、變送器、執行器等都是通過信號電纜與計算機、PLC相連的。當這些裝置和設備相距較遠、分布較廣時，就會使電纜線的用量和敷設費用大大地增加，造成了整個項目的投資成本增加、系統連線復雜、可靠性降低、維護工作量增大、系統進壹步擴展困難等問題。因此人們迫切需要壹種可靠、快速、能經受工業現場環境、低廉的通信總線，將分散於現場的各種設備連接起來，實施對其監控。現場總線（Field Bus）就是在這種背景下產生了。1 現場總線的概念 根據國際電工委員會IEC標準和現場總線基金會FF（Fieidbus Foundation）的定義：現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通訊網絡。也就是說基於現場總線的系統是以單個分散的，數字化，智能化的測量和控制設備作為網絡的節點，用總線相連，實現信息的相互交換，使得不同網絡，不同現場設備之間可以信息***享。現場設備的各種運行參數狀態信息以及故障信息等通過總線傳送到遠離現場的控制中心，而控制中心又可以將各種控制、維護、組態命令又送往相關的設備，從而建立起了具有自動控制功能的網絡。 現場總線的節點是現場設備或現場儀器，但不是傳統的單功能的現場儀器，而是具有綜合功能的智能儀表。例如，溫度變送器不僅具有溫度信號變換和補償功能，而且具有PID控制和運算功能；調節閥的基本功能時信號驅動和執行，另外還有輸出特性補償、自效驗和自診斷功能。現場設備具有互換性和互操作性，采用總線供電，具有本質安全性。 現場總線不僅是壹種通信技術，也不僅是用數字儀表代替模擬儀表，關鍵是用新壹代的現場總線控制系統FCS（Fieldbus Control System）代替傳統的集散控制系統DCS（Distributed Control System），實現現場通信網絡與控制系統的集成。2 現場總線的發展 現場總線始於20世紀80年代，到90年代其技術日趨成熟，並受到世界各自動化設備制造商和用戶的廣泛關註。它成為自動化技術發展的熱點，並導致自動化系統結構與設備的深刻變革。 壹般把控制系統的發展分為五代。 1) 第壹代控制系統：50年代前的氣動信號控制系統PCS。 2) 第二代控制系統：4~20mA等電動模擬信號控制系統。 3) 第三代控制系統：基於數字計算機的集中式控制系統。 4) 第四代控制系統：70年代中期以來的集散式分布控制系統DCS。 5) 第五代控制系統：以開放性、分散性與數字通信為特征的現場總線控制系統FCS。 PLC的生產商也將現場總線技術應用於各自的產品之中，構成工業局域網的底層，使得PLC網絡實現了真正意義上自動控制領域發展的壹個熱點，給傳統的工業控制技術帶來了有壹次革命。3 現場總線的主要特點 1) 全數字化通信：采用現場總線技術後只用壹條通信電纜就可以將控制器與現場設備（智能化的、具有通信口）連接起來，提高了信號傳輸的可靠性。 2) 系統具有很強的開放性：這裏的開放是指對相關標準的壹致性和公開性，用戶可按自己的需要和對象，把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統。 3) 具有強的互可操作性與互用性：實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通，可實行點對點，壹點對多點的數字通信，不同生產廠家的性能類似的設備可以進行互用。 4) 現場設備具有智能化與功能自治性：它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，並可隨時診斷設備的運行狀態。 5) 系統結構的高度分散性：由於現場設備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現場總線已構成壹種新的全分布式控制系統的體系結構。從根本上改變了現有DCS集中於分散相結合的集散控制系統體系，簡化了系統結構。 6) 對現場環境的適應性：工作在現場設備前端，作為工廠網絡底層的現場總線，是專為現場環境工作而設計的，它可支持多種轉輸介質，具有較強的抗幹擾能力，能采用兩線制實現送點與通信，並可滿足本質安全防爆要求等。4 幾種主要的現場總線協議及其特點 現場總線發展的最初，各個公司都提出自己的現場總線協議，如AB公司的DeviceNet、TURCK公司的Sensoplex、Hpneywell公司的SDS、Phoenix公司的InterBus-S等。經過十幾年的發展，現場總線的協議逐漸趨於統壹。針對制造業自動化，DeviceNet在北美和日本用得比較普遍，PROFIBUS-DP在歐洲用得比較普遍。針對過程自動化，PROFIBUS-PA和Foundation Fieldbus占據大部分市場。其他的總線協議如ASI、InterBus-S、Sensoplex在某些特殊的領域也有壹些市場。 下面介紹幾種主要的現場總線協議及其特點。 1) PROFIBUS PROFIBUS是在1987年，由德國科技部集中了13家公司和5家科研機構的力量，按照ISO/OSI參照模型制訂的現場總線的德國國家標準，並已成為歐洲標準EN50170，主要由擁有400多個公司成員的PROFIBUS用戶組成（PNO）進行管理。 PROFIBUS有3部分組成，即PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP及PROFIBUS-PA。 2) DeviceNet DeviceNet（設備網）是壹種低價位的總線，最初由AB公司設計，現在已經發展成為壹種開放式的現場總線的協議，可連接自動化生產線系統中廣泛的工業設備。它的管理組織ODVA由全球多家公司組成，提供設備網的產品、支持設備網規範的進壹步開發。 DeviceNet能夠降低設備安裝的費用和時間。控制系統中的接近開關、光電開關和閥門等可通過電纜、插件、站等產品進行長距離通信。並且能夠提高設備級的診斷能力。相對於PROFIBUS-DP，DeviceNet具有更強大的通信功能，支持除了主-從方式之外的，多種通信方式，可以更靈活地應用於控制系統中。 3) Foundation Fieldbus 高級過程控制現場總線Foundation Fieldbus（基金會現場總線）是針對過程自動化而設計的，它是通過數字、串行、雙向的通信方法來連接現場裝置的。Foundation Fieldbus通信不是簡單的數字4~20mA信號，而是使用復雜的通信協議，它可連接執行簡單的閉環算法（如PID）的現場智能裝置，壹個通信段可配置32各現場裝置。