远程I／O与现场总线的分析

远程I／O与现场总线的分析

莫彬

西南铝业（集团）有限责任公司高精板带事业部冷轧制造中心  重庆市 400000

摘要：智能远程I／O和现场总线技术资讯由出色的流量计和先进的流量仪报价厂家为您提供。随着计算机网络高速度和高质量的发展，工业自动化控制体系结构较之以往发生了明显的变化，一方面传统的4~20 mA模拟信号的固有地位被双向数字通讯现场总线制所占据，另一方面模／数型的DCS系统摇身一变为全数。

关键词：远程I／O；现场总线；分析

在计算机网络大发展、大繁荣的背景下，工业自动化控制体系结构较之以往发生了明显的变化，一方面传统的4~20 mA模拟信号的固有地位被双向数字通讯现场总线制所占据，模／数型的DCS系统经过一系列发展转变为全数字型的现场总线控制系统。

一、远程智能I／O

由于远程智能I／O的使用，因此，可以实现对过程信号的就地数字化处理，推动系统测控精度进一步提升。同时，不仅抗干扰能力显著增强，而且可靠性以及环境适应性等性能也随之提升，这不仅有助于现场总线的持续发展，而且能够加速现场一次元件的数字化与智能化进程。此外，就智能变送器而言，其指的是远程智能I／O与现场一次元件相互渗透和融合的结晶。

1．远程智能I／O的组成及工作原理

从远程智能I／O设计的角度来看，其指的是将DCS的网络通信技术等作为现场处理控制技术，一方面达到DCS系统分散的效果，另一方面达成过程I／O远程化和智能化的目的。就远程智能I／O系统而言：（1）在现场的智能前端上；（2）通讯总线；（3）计算机适配器。同时，智能前端的通道数量基本在15个以上20个以下。

远程智能I／O的工作原理为：首先由智能前端机进行现场信号的采集以及处理，接着在数字通信方式的灵活使用下，让计算机第一时间接收到经由经网络总线和适配器传送的处理结果，然后通过综合系统的运算，从而达到直观显示、科学分析和严格控制的效果。同时，在计算机全面处理后，要在适配器和网络总线的帮助下将数据传送到现场控制前端机，再根据预先设定的模式将调节信号发送到现场设备上，从而完成对工业过程和设备的数据采集及控制任务。

2．智能I／O的特点

（1）抗干扰能力和测控精度高

由于采用了远程智能I／O就近处理信号，并且在数字通讯的帮助下完成了信息传输，因此，不仅抗干扰能力变得更强，而且处理的精度也变得更高。同时，不仅模拟量信号的测量精度能够超过0.1级，而且开关量分辨率能够达到lms。

（2）主机的负荷减小便于扩充和增加管理功能

正是因为I／O前端机有着比较高的智能化程度，数据的处理能力比较强，因此，所有I／O的管理任务都可以通过适配器完成，这样越来，一方面主机的压力得到进一步缓解，另一方面功能的扩展性会变得更好、管理功能也更为显著。

（3）可靠性高

在隔离浮空的串行网络总线结构使用背景下，使得多点I／O共地可能引起的地线回流得以避免，由此导致的电磁干扰也达到有效遏制；同时，由于在电气上的每个前端与网络都是隔离状态，并保持独立运行状态，所以，不管什么样的故障都能限制到局部，可靠性较之以往明显增强。

（4）开放性好

由于远程智能I／0能够“随心所欲”的改变适配器类型，所以各种类型计算机和总线系统的需求都能得到较好满足。特别是在多种主机网络的远程I／0系统使用过程中，不仅在实践中能够构成多种多样的控制监控系统，而且能够有效融入管理信息等系统中，由此而形成的实时MIS系统，一方面能够在统一调度上发挥价值，另一方面能够在优化管理等方面体现作用。

二、现场总线

现场总线指的是以安装在制造或过程区域的现场装置为基础，同时需要与控制室内部的自动控制装置进行数字式以及多点通讯的数据总线。从其分类来看，像是双绞线以及同轴电缆等包含在内，而当前使用次数较多、频率较高的当属双绞线或屏蔽双绞线。

1．现场总线的组成

（1）现场智能仪表（主要指智能变送器）

（2）总线通讯部分

（3）计算机接口

2．现场总线装置的类型

现场总线装置主要包括两种类型，一种类型以链路控制站为主，另一种类型以基本的现场装置为主。就前一种类型而言，其主要负责现场总线上数字报文的信息流控制工作，使得各现场装置可以根据系统组态过程中所生成的时间调度进行数据报文的实时传输，从而保障单变量和多变量信息都能得到高效的发送。

3．通讯方式

在通信方式方面，既可以采取同步传输的方式，也可以采取异步传输的方式，更可以采取双工和半双工的方式。然而，就具体的通讯协议而言，存在的差异还是比较大的。从远程智能I／O网络角度来看，每个生产厂家基本上都有自己的协议，并且这一协议经常与其他产品出现不兼容的情况。同时，由于现场模拟信号可以得到有效处理，所以对于整体系统的有序运行并不会产生太多的影响。

4．HART协议

HART协议是ROSMOUNT公司于上个世纪80年代中期发展起来的一种基于可寻址的远程传感器数据公路，同时其在BELL202帮助下灵活使用移频键控方式，并且以1.2 KHZ和2.2 KHZ为核心，在4~20 mA的模拟信号上进行数字信号传输。

HART协议是一种集串行、异步等于一身通信模式，总线最多可以支持2台主控设备（计算机和手持终端）、现场装置最多可以支持15台智能变送器，并且在总线上既可以同步工作，也可以支持单点接地。同时，由于采用了现场总线，因此，使用者可以大幅度缩短了在现场接线的时间：只需一台现场仪表就能完成多变量通讯，各厂家所制造的装置可以相互兼容。

5．现场总线标准及发展

现场总线标准指的是通信网络以国际标准化为核心，同时，为了让各种现场装置都能遵守一致的协议，因此，各个厂家的产品都需要挂在同一总线上，并保证与计算机或控制系统紧密联系在一起，从而达到信息以及资源等高效共享的效果。从未来发展的趋势来看，它的标准化对客户有很大的好处，比方说，可以节省60%的信号电缆，使得一次性投资的数额控制在较低范围之内。

6．采用现场总线的意义

（1）简化了控制系统的结构

通过现场总线的成功应用，不仅可以改变传统I／O的处理方式，而且可以将过程I／O数据的处理方式由分散在各区域的智能设备上承担，同时，通过现场总线与各功能处理器进行实时通信，有效降低了对计算机控制系统I／O卡件的依赖，使得整个控制系统的组态实现了“瘦身”。

（2）节省了I／O电缆的投资

现场总线不仅是一种将现场智能装置联结在一起的纽带，更是一种与计算机控制系统进行通讯的桥梁。随着现场总线技术的高质量发展，使得原有的多条线路和计算机控制系统变成一条总线进行通讯，从而避免了大量现场信号电缆的长距离敷设，切实减少 UO线缆的用量，预计可节省60%的信号电缆。

（3）提高了I／O信号的可靠性

由于使用了现场总线，因此，整个过程的I／O处理都可以在附近的智能装置上进行，从而有效避免远距离传输，使得信号的保真度得到进一步提升；通过完善数据通讯技术（包括校验、容错和纠错），能够保证数据传输更为可靠。

目前，无论采用哪种方式，都能展现出各自的优势。与远程I／O相比，现场总线控制不仅能够实现本质安全防爆，而且对于下级装置的远程诊断和故障诊断等也具有不错的效果。同时，在进行冗余控制时，采用远程 I/0是一种更加经济的方法。

因此，两种控制方式各有各的特性，并不能互相替代。在石化行业中，要从生产的具体条件出发，对系统进行理性的选取，并对系统进行适当的配置，从而达到与 DCS和 FCS的无缝连接。

参考文献

[1]杨艳慈，王秀艳．基于现场总线技术控制系统的探讨[J]．石油化工自动化，2007，(6)：50-53．

[2]卢炜．现场总线应用的必要性及选择[J]．石油化工自动化，2008，(6)：49-53．