現(xiàn)場總線技術(shù)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

七十年代以前，控制系統(tǒng)中采用模擬量對傳輸及控制信號進行轉(zhuǎn)換、傳遞，其精度差、受干擾信號影響大，因而整個控制系統(tǒng)的控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性都很差。七十年代末，隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，微處理器技術(shù)得到很大發(fā)展。微處理器功能強、體積小、可靠性高、通過適當?shù)慕涌陔娐酚糜诳刂葡到y(tǒng)，控制效果得到提高；但是盡管如此，還是屬于集中式控制系統(tǒng)。隨著過程控制技術(shù)、自動化儀表技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，控制領(lǐng)域又發(fā)生了一次技術(shù)變革。這次變革使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)（如集散控制系統(tǒng)）無論在結(jié)構(gòu)上還是在性能上都發(fā)生了巨大的飛躍，這次變革的基礎(chǔ)就是現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生。

現(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場智能設(shè)備和自動化控制設(shè)備的雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點通信網(wǎng)絡(luò)，它也被稱為現(xiàn)場底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)（INFRANET）。80年代以來，各種現(xiàn)場總線技術(shù)開始出現(xiàn)，人們要求對傳統(tǒng)的模擬儀表和控制系統(tǒng)變革的呼聲也越來越高，從而使現(xiàn)場總線成為一次世界性的技術(shù)變革浪潮。美國儀表協(xié)會(ISA)于1984年開始制訂現(xiàn)場總線標準，在歐洲有德國的PROFIBUS和法國的FIP等，各種現(xiàn)場總線標準陸續(xù)形成。其中主要的有：基金會現(xiàn)場總線FF（Foundation Fieldbus）、控制局域網(wǎng)絡(luò)CAN（Controller Area Network）、局部操作網(wǎng)絡(luò)LonWorks（Local Operating Network）、過程現(xiàn)場總線PROFIBUS（Process Field Bus）和HART協(xié)議(Highway Addressable Remote Transducer)等。但是不論如何，制定單一的開放國際現(xiàn)場總線標準是發(fā)展的必然。

2.現(xiàn)場總線技術(shù)及其特點

現(xiàn)場總線是當今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)?，F(xiàn)有的多數(shù)現(xiàn)場設(shè)備，為提高其性能價格比，在實現(xiàn)其內(nèi)部操作時都采用了微處理器和數(shù)字化元件，于是就提出了必須在這些領(lǐng)域的數(shù)字設(shè)備之間實現(xiàn)數(shù)字通信的要求。

現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。它綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點對點”式的模擬信號或數(shù)字一模擬信號控制的局限性，構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互連的通信與控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線則是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，其基礎(chǔ)是智能儀表。分散在各個工業(yè)現(xiàn)場的智能儀表通過數(shù)字現(xiàn)場總線連為一體，并與控制室中的控制器和監(jiān)視器一起共同構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FSC。通過遵循一定的國際標準，可以將不同廠商的現(xiàn)場總線產(chǎn)品集成在同一套FCS中，具有互換性和互操作性。FCS把傳統(tǒng)DCS的控制功能進一步下放到現(xiàn)場智能儀表，由現(xiàn)場智能儀表完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制運算和數(shù)據(jù)輸出等功能。現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)（包括采集的數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)）通過現(xiàn)場總線傳到控制室的控制設(shè)備上，控制室的控制設(shè)備用來監(jiān)視各個現(xiàn)場儀表的運行狀態(tài)，保存各智能儀表上傳的數(shù)據(jù)，同時完成少量現(xiàn)場儀表無法完成的高級控制功能。另外，F(xiàn)CS還可通過網(wǎng)關(guān)和企業(yè)的上級管理網(wǎng)絡(luò)相連，以便企業(yè)管理者掌握第一手資料，為決策提供依據(jù)。所以現(xiàn)場總線具有以下突出特點：

2.1開放性
　 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）采用公開化的通信協(xié)議，遵守同一通信標準的不同廠商的設(shè)備之間可以互連及實現(xiàn)信息交換。用戶可以靈活選用不同廠商的現(xiàn)場總線產(chǎn)品來組成實際的控制系統(tǒng)，達到最佳的系統(tǒng)集成。

2.2　互操作性
互操作性是指不同廠商的控制設(shè)備不僅可以互相通信，而且可以統(tǒng)一組態(tài)，實現(xiàn)同一的控制策略和“即插即用”，不同廠商的性能相同的設(shè)備可以互換。

2.3　靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)可以根據(jù)復(fù)雜的現(xiàn)場情況組成不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，如樹型、星型、總線型和層次化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。

　2.4　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性
　 現(xiàn)場設(shè)備本身屬于智能化設(shè)備，具有獨立自動控制的基本功能，從而從根本上改變了DCS的集中與分散相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，形成了一種全新的分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了控制功能的徹底分散，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，簡化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場總線與上一級網(wǎng)絡(luò)斷開后仍可維持底層設(shè)備的獨立正常運行，其智能程度大大加強。

2.5　現(xiàn)場設(shè)備的高度智能化
傳統(tǒng)的DCS使用相對集中的控制站，其控制站由CPU單元和輸入/輸出單元等組成?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)則將DCS的控制站功能徹底分散到現(xiàn)場控制設(shè)備，僅靠現(xiàn)場總線設(shè)備就可以實現(xiàn)自動控制的基本功能，如數(shù)據(jù)采集與補償、PID運算和控制、設(shè)備自校驗和自診斷等功能。系統(tǒng)的操作員可以在控制室實現(xiàn)遠程監(jiān)控，設(shè)定或調(diào)整現(xiàn)場設(shè)備的運行參數(shù),還能借助現(xiàn)場設(shè)備的自診斷功能對故障進行定位和診斷。

2.6　對環(huán)境的高度適應(yīng)性
　 現(xiàn)場總線是專為工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計的，它可以使用雙絞線、同軸電纜、光纜和無線的方式來傳送數(shù)據(jù)，具有很強的抗干擾能力。常用的數(shù)據(jù)傳輸線是廉價的雙絞線，并允許現(xiàn)場設(shè)各利用數(shù)據(jù)通信線進行供電，還能滿足本質(zhì)安全防爆要求。

3.主要現(xiàn)場總線簡介

3.1基金會現(xiàn)場總線（Foundation Fieldbus）
　 基金會現(xiàn)場總線是由現(xiàn)場總線基金會推出。與私有的網(wǎng)絡(luò)總線協(xié)議不同，F(xiàn)F總線不附屬于任何一個企業(yè)或國家。其總線體系結(jié)構(gòu)是參照、ISO的OSI模型中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，并增加了用戶層而建立起來的通信模型。FF得到了世界上幾乎所有的著名儀表制造商的支持，同時遵守IEC的協(xié)議規(guī)劃，與IEC的現(xiàn)場總線國際標準和草案基本-致，加上它在技術(shù)上的優(yōu)勢，所以極有希望成為將來的主要國際標準。

FF總線提供了Hl和H2兩種物理層標準。Hl是用于過程控制的低速總線，傳輸速率為31.25Kbps，傳輸距離為200m、450m、1200m、1900m四種（加中繼器可以延長），可用總線供電，支持本質(zhì)安全設(shè)備和非本質(zhì)安全總線設(shè)備。H2為高速總線，其傳輸速率為1Mbps（此時傳輸距離為750m）或2.5bps（此時傳輸距離為為500m）。H1和H2每段節(jié)點數(shù)可達32個，使用中繼器后可達240個，Hl和H2可通過網(wǎng)橋互連。FF的突出特點在于設(shè)備的互操作性、改善的過程數(shù)據(jù)、更早的預(yù)測維護及可靠的安全性。

3.2　過程現(xiàn)場總線Profibus
Profibus由Siemens公司提出并極力倡導(dǎo)，己先后成為德國國家標DIN19245和歐洲標準EN50170，是一種開放而獨立的總線標準，在機械制造、工業(yè)過程控制、智能建筑中充當通信網(wǎng)絡(luò)。Profibus由Profibus-PA、Profibus-DP和 Profibus-FMS三個系列組成。Profibus-PA （Process Automation）用于過程自動化的低速數(shù)據(jù)傳輸，其基本特性同F(xiàn)F的H1總線，可以提供總線供電和本質(zhì)安全，并得到了專用集成電路（ASIC）和軟件的支持。Profibus-DP與Profibus-PA兼容，基本特性同F(xiàn)F的H2總線，可實現(xiàn)高速傳輸，適用于分散的外部設(shè)備和自控設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，連接Profibus-PA和加工自動化。Profibus-FMS適用于一般自動化的中速數(shù)據(jù)傳輸，主要用于傳感器、執(zhí)行器、電氣傳動、PLC、紡織和樓宇自動化等。后兩個系列采用RS485通信標準，傳輸速率從9.6kbps到12Mbps，傳輸距離從1200M到l00m（與傳輸速率有關(guān)）。介質(zhì)存取控制的基本方式為主站之間的令牌方式和主站與從站之間的主從方式，以及綜合這兩種方式的混合方式。Profibus是一種比較成熟的總線，在工程上的應(yīng)用十分廣泛。

3.3 LonWorks

LonWorks技術(shù)是采用神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)技術(shù)，在ISO的OSI七層協(xié)議上實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，使用網(wǎng)絡(luò)變量或顯式消息進行相互通信。

3.4CAN

控制器局域網(wǎng)（Controller area network 簡稱CAN）是德國Bosch公司于1983年為汽車應(yīng)用而開發(fā)的。它的基本設(shè)計規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性。而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。在汽車制造業(yè)以及航空工業(yè)中受到廣泛應(yīng)用。www.diangon.com

3.5　HART總線　　

HART協(xié)議是由Rosemount公司于1986年提出的通信協(xié)議。它是用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備間通信的一種協(xié)議。它包括ISO/OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。HART通信可以有點對點或多點連接模式。這種協(xié)議是可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡產(chǎn)品，因而在當前的過渡時期具有較強市場競爭力，在智能儀表市場上占有很大的份額。

4、FCS控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)一般采用DCS結(jié)構(gòu)。在DCS中，對現(xiàn)場信號需要進行點對點的連接，并且I/O端子與PLC或自動化儀表一起被放在控制柜中，而不是放在現(xiàn)場。這就需要鋪設(shè)大量的信號傳輸電纜，布線復(fù)雜，既費料又費時，信號容易衰減并容易被干擾，而且又不便維護。DCS一般由操作員站、控制站等組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。而且DCS不是開放系統(tǒng)，互操作性差，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。而基于PC的FCS則完全克服了這些缺點。

（1）在FCS中，所有的I/O模塊均放在工業(yè)現(xiàn)場，而且所有的信號通過分布式智能I/O模塊在現(xiàn)場被轉(zhuǎn)換成標準數(shù)字信號，只需一根電纜就可把所有的現(xiàn)場子站連接起來，進而把現(xiàn)場信號非常簡捷地傳送到控制室監(jiān)控設(shè)備上，降低了成本，又便于安裝和維護，同時數(shù)字化的數(shù)據(jù)傳輸使系統(tǒng)具有很高的傳輸速度和很強的抗干擾能力。

（2）FCS具有開放性。在FCS中，軟件和硬件都遵從同樣的標準，互換性好，更新?lián)Q代容易。程序設(shè)計采用IEC1131-3五種國際標準編程語言，編程和開發(fā)工具是完全開放的，同時還可以利用PC豐富的軟硬件資源。

（3）系統(tǒng)的效率大為提高。在FCS中，一臺PC可同時完成原來要用兩臺設(shè)備才能完成的PLC和NC/CNC任務(wù)。在多任務(wù)的Windows NT操作系統(tǒng)下，PC中的軟PLC可以同時執(zhí)行多達十幾個PLC任務(wù)，既提高了效率，又降低了成本。且PC上的PLC具有在線調(diào)試和仿真功能，極大地改善了編程環(huán)境。

在FCS中，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為：工控機或商用PC、現(xiàn)場總線主站接口卡、現(xiàn)場總線輸入/輸出模塊、PLC或NC/CNC實時多任務(wù)控制軟件包、組態(tài)軟件和應(yīng)用軟件。上位機的主要功能包括系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、歷史庫組態(tài)、圖形組態(tài)、控制算法組態(tài)、數(shù)據(jù)報表組態(tài)、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示、圖形顯示、參數(shù)列表、數(shù)據(jù)打印輸出、數(shù)據(jù)輸入及參數(shù)修改、控制運算調(diào)節(jié)、報警處理、故障處理、通信控制和人機接口等各個方面，并真正實現(xiàn)控制集中、危險分散、數(shù)據(jù)共享、完全開放的控制要求。

5.結(jié)束語

當前，各種形式的現(xiàn)場總線協(xié)議并存于控制領(lǐng)域。在樓宇自控領(lǐng)域，Lonworks和CAN網(wǎng)絡(luò)具有一定的優(yōu)勢；在過程自動化領(lǐng)域，主要有過渡型的HART協(xié)議、得到廣泛支持的FF現(xiàn)場總線協(xié)議以及同樣較有競爭力的PROFIBUS協(xié)議。HART協(xié)議將是目前幾年內(nèi)智能化儀表的主要通信協(xié)議；基金會現(xiàn)場總線是過程自動化領(lǐng)域中較有前途的一種現(xiàn)場總線，得到許多自動化儀表設(shè)備廠商的支持；由于Lonworks技術(shù)的開放性，國內(nèi)出現(xiàn)了利用它開發(fā)控制系統(tǒng)的許多開發(fā)商?？紤]到統(tǒng)一的開放式現(xiàn)場總線協(xié)議標準制定的長期性和艱巨性，傳統(tǒng)DCS的退出將是一個漸進過程。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將得到廣泛的使用。