现场总线在现代农机装备控制系统的应用与发展

段崇晖 邵泽芹

作为农业现代化进程的重要引擎，现代农机装备发挥着不可或缺的作用。现代农业产业园项目就是农业农村发展的典型代表，也是推动乡村发展的纽带。现代农机装备产业园的出现对农业机械的提升与创新，必将发挥重大作用。

在现代农机装备产业园的建设中，自动控制系统是整个农机装备的核心系统。因5G网络的催生，通信技术已经渗透到各个领域。尤其是工业控制系统，监控、检测、报警、故障等都需要信息的传输，通信技术的加入让控制更加方便、快捷，基于现场总线控制的分布式通信应运而生。

一、现场总线与农机装备的控制原理设计

在现代农业进程中，自动化机械成为农业发展的重要力量，不管是种业的研发、育苗的播种、农田的深松、收获季节的产量、土地的施肥与植保、灌溉技术等等，都离不开机械的电气自动化。但它们之间相互独立，没有联系在一个总的控制系统中。而现场总线的功能就是将农业作业的流程连接起来，实现网络最底层的农机装备的数据传输，集中监控和分布式控制。从本质上说，它是一种数字通信协议，是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的通信网络。

传统的工业控制是一种集中控制，由一台计算机控制多个回路，承载着巨大的工作负荷，数据的处理、加工、运算和编程都在一个主控制器上。一旦系统出现故障，运行的操作将大大降低，甚至会出现严重的瘫痪状态。而集散式控制系统也称为分布式控制系统，总体思想是分散控制，集中管理，即用几台直接数字控制系统，分别控制若干个回路，再用监督控制计算机对各直接数字控制系统进行集中管理。集散式控制系统的分级规模一般采用三级结构，即过程控制级、控制管理级和生产管理级。下面主要介绍应用现场总线的农机装备控制系统，如下图结构图：

（一）主控制器设计

按照設计方法的不同，可分为以单片机为核心的计算机测控系统，以PLC为核心的计算机测控系统和以工业控制计算机为核心的计算机测控系统，还有一种是利用组态技术构成的计算机控制系统。

主控制器一般用嵌入式的工控计算机，集成了液晶显示、触摸屏等功能。在控制室内可输入操作命令和工作参数。外围输入端口接GPS接收器，定位农机装备信息；串口通信端口以IEEC61158的标准实现传输；基于PCI的总线扩展卡，将主控制器的命令、定位、其他农机输入参数，串口通信格式发送到总线网络上，从而进行相应的控制和监测。

（二）分控制器设计

分控制器主要是单片机、PLC及其他可编程控制的微型处理器。主要工作是执行独立的农机作业控制。比如耕地、施肥、植保、温湿度、测产等参数控制，是实现农业作业操作的主要控制元件。与此同时，输入端口的通信接口，接收来自总线网络上的信息（农作物的产量分析参数、地理位置、温湿度数据、施肥变量参数、土地深松变量等），然后传到各自的分控制器进行自我控制。

（三）执行器件的设计总线

位于网络的最底层，一般指传感器、变送器、电动阀门、农机操作元件等，又叫做现场设备。通过总线网络设备直接挂接在总线上，让孤立的设备通过网络串行通信，实现数据的传输与交换。

（四）系统软件设计

主控制器和分控制器独立进行软件设计，应用软件除了实现数据的存储、处理、控制，还需要对网络上通信协议进行控制，将网络上各个节点通信进行数据交换。

（五）软件程序

软件程序的实现一般采用C语言，主要用于主控制器；分控制器采用C51语言或PLC编程语言。

（六）通信协议标准

在IP/TCP协议的基础上，现场总线控制系统采用物理层、数据链路层、应用层这三个网络层次，对工业现场的单元进行通信传输。总线采用PROFIBUS-PA标准，它可支持总线供电和本质安全。以IEEC61158-2传输，是一种位同步协议，通过±9mA对基本电流（约10mA）的调制，以31.25kbps的速率传输。

PROFIBUS的协议采用数据报文的格式传输，是一种基于总线访问协议的通信。即一种包含了主站点间的令牌模式以及主从站点模式的混合协议。令牌环是由各个主站点组成的一个由其自身的地址组成的一个逻辑环路。在令牌环里，一个标记在逻辑环中循环一圈最多的周期是预先设定的，它必须在指定的时间段里，以一个新的顺序，在各个主站点上的位置上。

当接收到总线访问标记时，主站可以与从台进行通讯，并且各主台都可以传送或请求从台的数据。在接收到信号后，主站点可以在一个特定的时段完成主站点的工作。在此期间，该系统可以根据主从关系表与各从台进行通讯，也可以根据主控台与各主台进行通讯。

二、现场总线的发展背景及技术特点

（一）现场总线的发展

现场总线控制系统是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者的结合，通过互联网构成不同层次的工业网络，以实现工业系统的数字通信和自动控制。现场总线技术是20 世纪90年代兴起的一种先进的工业控制技术，它将现今网络通信与管理的观念引入工业控制领域。

简而言之，现场总线是把控制系统最基础的现场设备变成网络节点连接起来，实现自下而上的全数字化通信，可以认为是通信总线在现场设备中的延伸，把企业信息沟通的覆盖范围延伸到了工业现场。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题 。

（二）技术特点

1.全数字化通信——现场信号都是数字的，现场控制装置都是完全的数字化通信。

2.开放型的互联网络——可以连接到遵循同样标准的装置或系统。

3.互操作和互用性——互操作体现在不同生产厂家的现场装置可以互相通讯，统一组态；而互用性指的是，在同一制造商中，具有相似的性能的器件可以交换，从而达到互用。

4.智能化的现场设备——在完成各种基本功能的同时，它还具备强大的数据处理能力、状态分析能力和故障自我检测能力，能够对装置的状态进行实时的判断。

5.系统结构具有很强的离散特性——将传统的控制台的功能模块分布到各个现场设备上，形成了一个完整的分布式的控制系统。

三、现场总线与现代农机装备未来发展方向

（一）规范总线标准，提高通信速率

目前，现场总线的标准繁多，价格昂贵，许多技术无法通用，不利于农业机械操作平台的利用。需加强统一的标准规范，制定适应农机标准的总线标准；同时，加强设备与总线的兼容性、通用性。比如，近年来推出的组态控制系统，实际上是带可编程的模块化。随着5G网络的发展，通信速率已高速传输，虚拟网络技术的研发进一步加强，新的总线技术将创新农机装备的通信传输。

（二）优化资金支持方式 ，支持农机装备核心技术

充分发挥现有的资源，加大对设备的投资力度，重点扶持农机装备关键技术攻关和科研检测服务平台建设。要创新融资渠道，利用好先进制造业的投资基金，支持龙头企业的发展，建立产业创新的平台，推动核心技术的产业化。要强化产融结合，拓宽投资和资金来源，大力发展大型农用机械设备的金融服务。要充分利用农机具购买补贴的政策，促进新技术新产品的研发和推广。

未来的现代化农业是信息化的农业。它集成了生产、技术、物流、研发、监测于一体的产业链，对于农业发展而言，更是提质增速的有力抓手。在农业转型的关键时期，现代农机产业园的建设，离不开先进的工业控制系统，尤其是现场总线控制系统给设备的自控带来了无限发展空间。新型的农民合作社，可以取代传统模式的生产设备，实现农机装备的改造升级。随着国家政策的不断完善，现代化的装备技术不断提高，在推进乡村振兴的道路上，现代农机装备控制系统将显出更大的威力。

（作者单位：平邑县农业机械发展促进中心）