2019年10月29日 | 三种现场总线隔离方法解析

2019-10-29

现场总线的本质原理

1）现场通信网络

现场总线把通信线一直延伸到生产现场或生产设备是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互联的现场通信网络，传统的 DCS 的通信网络截止于控制站或输入输出单元。现场仪表与控制室输入输出端口仍然是一对一的模拟信号传输，工业生产现场的环境十分恶劣，既有各种电磁场的干扰噪声，又有各种酸、碱、盐等腐蚀性有害物质，还有高温低温、高湿度和各种粉尘。现场总线能适应工业生产现场的恶劣环境，从而实现了全数字通信。

2）现场设备互连

现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等。这些设备能通过一对传输线互连传输线可以是双绞线、同轴电缆、光缆和电源线等并可根据需要因地制宜的选择不同类型的传输介质。

3）互换性和互操作性

现场设备或现场仪表种类繁多，没有仟何一家制造商可以提供一个工厂所需的全部现场设备。所以，互相连接不同制造商的产品是不可避免的用户不希望为所选用的产品不同而在硬件或软件上花很大力气。希望选用各制造商性能价格比最优的产品集成在一起，实现即接即用。用户希望对不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路。这些就是现场设备互换性和互操作性的含义。

4）分散功能块

FCS 废止了 DCS 的输入 / 输出单元和控制站，把 DCS 控制站的功能分散的分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。例如流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿输入模块，而且有 PID 控制和运算功能块；调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输出特性补偿模块；也可以有 PID 控制和运算模块；还可以有阀门特性自校验和自诊断功能。功能块分散在多台现场仪表中，并可统一组态，用户可以灵活选择各种功能模块，构成所需要的控制系统，实现彻底的分散控制。

5）通信线供电

通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种方式提供于本质安全环境的低功耗现场仪表，与其配套的还有安全栅众所周知，化工、炼油等企业的生产现场有可燃性物质，所用现场设备必须严格遵循安全防爆标准，现场总线也不能例外。

6）开放式互连网络

现场总线为开放互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，不同制造商的网络互连十分简单。用户不必在硬件或软件上花多大力气开放式互连网络还体现在网络数据库共享，通过网络对现场设备和功能块的统一组态，天衣无缝的把不同制造商的网络及设备融为一体，构成统一的 FCS。

现场总线为什么要隔离

目前大多数产品对外通讯部分可总结为：MCU+收发器+外部总线，其中大多数常用的 MCU 都集成有 CAN 或 UART 链路层控制器。从 MCU 发出的电平信号一般为 5V 或 3.3V，为达到与总线连接和远传的目的，往往需要在 MCU 与总线间加收发器，它起到电平转换的作用。

采用总线通信方式必然涉及到外部通信走线，CAN 和 458 总线往往需要做数百米的布线。总线越长、经过的环境越复杂越容易出现通信问题。外部环境中复杂多变的电磁场会间接抬高总线的电势，静电、浪涌、短路等会直接作用到通信线上。以上情况的出现，轻则导致收发器损坏，重则造成主板故障。因此，与总线连接前加入隔离是十分必要的。

现场总线隔离的方法

隔离的方法及原理与 I/O 隔离相似，不同的是通信隔离需要考虑到隔离器件对通信信号的影响，不当的隔离往往导致通信中断或通信不畅。对收发器来说，隔离可以从两方面入手，通信隔离和供电隔离。

目前主流的通信隔离方案为光耦、容耦及磁耦，隔离特点上光耦采用光的形式进行信号传递，容耦通过电场的形式进行传输，磁偶采用磁场形式进行传输。供电隔离采用微功率 DC-DC 隔离电源，使输入与输出之间没有电气连接，避免供电端对收发器的影响。

具体来讲，隔离可以从两个渠道实现：采用分立元器件搭建或采用集成模块。采用分立模块搭建往往涉及到很多器件的选型及采购，实现起来较为麻烦且难保证该部分在产品上的一致性。基于此，集供电隔离、通信隔离一体的隔离收发器模块应运而生，紧凑的体积使他在应用便捷的同时占用更少的 PCB 面积。

DCS 通信控制器隔离现场总线

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