【導(dǎo)讀】現(xiàn)場總線把通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場或生產(chǎn)設(shè)備是用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互聯(lián)的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的 DCS 的通信網(wǎng)絡(luò)截止于控制站或輸入輸出單元。
現(xiàn)場總線的本質(zhì)原理
1）現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)場總線把通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場或生產(chǎn)設(shè)備是用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互聯(lián)的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的 DCS 的通信網(wǎng)絡(luò)截止于控制站或輸入輸出單元。現(xiàn)場儀表與控制室輸入輸出端口仍然是一對一的模擬信號傳輸，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境十分惡劣，既有各種電磁場的干擾噪聲，又有各種酸、堿、鹽等腐蝕性有害物質(zhì)，還有高溫低溫、高濕度和各種粉塵。現(xiàn)場總線能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，從而實現(xiàn)了全數(shù)字通信。
2）現(xiàn)場設(shè)備互連
現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器和執(zhí)行器等。這些設(shè)備能通過一對傳輸線互連傳輸線可以是雙絞線、同軸電纜、光纜和電源線等并可根據(jù)需要因地制宜的選擇不同類型的傳輸介質(zhì)。
3）互換性和互操作性
現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表種類繁多，沒有仟何一家制造商可以提供一個工廠所需的全部現(xiàn)場設(shè)備。所以，互相連接不同制造商的產(chǎn)品是不可避免的用戶不希望為所選用的產(chǎn)品不同而在硬件或軟件上花很大力氣。希望選用各制造商性能價格比最優(yōu)的產(chǎn)品集成在一起，實現(xiàn)即接即用。用戶希望對不同品牌的現(xiàn)場設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需要的控制回路。這些就是現(xiàn)場設(shè)備互換性和互操作性的含義。
4）分散功能塊
FCS 廢止了 DCS 的輸入 / 輸出單元和控制站，把 DCS 控制站的功能分散的分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。例如流量變送器不僅具有流量信號變換、補償輸入模塊，而且有 PID 控制和運算功能塊；調(diào)節(jié)閥的基本功能是信號驅(qū)動和執(zhí)行，還內(nèi)含輸出特性補償模塊；也可以有 PID 控制和運算模塊；還可以有閥門特性自校驗和自診斷功能。功能塊分散在多臺現(xiàn)場儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)，用戶可以靈活選擇各種功能模塊，構(gòu)成所需要的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)徹底的分散控制。
5）通信線供電
通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量，這種方式提供于本質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場儀表，與其配套的還有安全柵眾所周知，化工、煉油等企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場有可燃性物質(zhì)，所用現(xiàn)場設(shè)備必須嚴(yán)格遵循安全防爆標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場總線也不能例外。
6）開放式互連網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)場總線為開放互連網(wǎng)絡(luò)，既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，不同制造商的網(wǎng)絡(luò)互連十分簡單。用戶不必在硬件或軟件上花多大力氣開放式互連網(wǎng)絡(luò)還體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫共享，通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備和功能塊的統(tǒng)一組態(tài)，天衣無縫的把不同制造商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的 FCS。
現(xiàn)場總線為什么要隔離
目前大多數(shù)產(chǎn)品對外通訊部分可總結(jié)為：MCU+收發(fā)器+外部總線，其中大多數(shù)常用的 MCU 都集成有 CAN 或 UART 鏈路層控制器。從 MCU 發(fā)出的電平信號一般為 5V 或 3.3V，為達(dá)到與總線連接和遠(yuǎn)傳的目的，往往需要在 MCU 與總線間加收發(fā)器，它起到電平轉(zhuǎn)換的作用。
采用總線通信方式必然涉及到外部通信走線，CAN 和 458 總線往往需要做數(shù)百米的布線。總線越長、經(jīng)過的環(huán)境越復(fù)雜越容易出現(xiàn)通信問題。外部環(huán)境中復(fù)雜多變的電磁場會間接抬高總線的電勢，靜電、浪涌、短路等會直接作用到通信線上。以上情況的出現(xiàn)，輕則導(dǎo)致收發(fā)器損壞，重則造成主板故障。因此，與總線連接前加入隔離是十分必要的。
現(xiàn)場總線隔離的方法
隔離的方法及原理與 I/O 隔離相似，不同的是通信隔離需要考慮到隔離器件對通信信號的影響，不當(dāng)?shù)母綦x往往導(dǎo)致通信中斷或通信不暢。對收發(fā)器來說，隔離可以從兩方面入手，通信隔離和供電隔離。
目前主流的通信隔離方案為光耦、容耦及磁耦，隔離特點上光耦采用光的形式進(jìn)行信號傳遞，容耦通過電場的形式進(jìn)行傳輸，磁偶采用磁場形式進(jìn)行傳輸。供電隔離采用微功率 DC-DC 隔離電源，使輸入與輸出之間沒有電氣連接，避免供電端對收發(fā)器的影響。
具體來講，隔離可以從兩個渠道實現(xiàn)：采用分立元器件搭建或采用集成模塊。采用分立模塊搭建往往涉及到很多器件的選型及采購，實現(xiàn)起來較為麻煩且難保證該部分在產(chǎn)品上的一致性。基于此，集供電隔離、通信隔離一體的隔離收發(fā)器模塊應(yīng)運而生，緊湊的體積使他在應(yīng)用便捷的同時占用更少的 PCB 面積。
