縱橫交錯-九大最流行現(xiàn)場總線“叱咤”工控領(lǐng)域

　　現(xiàn)場總線（Fieldbus）是20世紀80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的，用于現(xiàn)場總線技術(shù)過程自動化、 制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間 的聯(lián)系。它不僅是一個基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已經(jīng)受到 世界范圍的關(guān)注，成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點，并將導致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。國際上許多實力、有影響的公司都先后在不同程度上進行了現(xiàn)場總線技 術(shù)與產(chǎn)品的開發(fā)。現(xiàn)場總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過程設(shè)備的底層，作為工廠設(shè)備級基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)，要求具有協(xié)議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點：具有 一定的時間確定性和較高的實時性要求，還具有網(wǎng)絡(luò)負載穩(wěn)定，多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上述特點，現(xiàn)場總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù)，都具 有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。

　　一般把現(xiàn)場總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng)，也稱作FCS——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。人們一般把50年代前的 氣動信號控制系統(tǒng)PCS稱作第一代，把4～20mA等電動模擬信號控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計算機集中式控制系統(tǒng)稱為第三代，而把70年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng)，一方面，突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開化、標 準化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。 可以說，開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線系統(tǒng)最顯著的特征。

　　現(xiàn)場總線技術(shù)展望與發(fā)展趨勢

　　現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展應(yīng)體現(xiàn)為兩個方面：一個是低速現(xiàn)場總線領(lǐng)域的繼續(xù)發(fā)展和完善；另一個是高速現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。

　　目前現(xiàn)場總線產(chǎn)品主要是低速總線產(chǎn)品，應(yīng)用于運行速率較低的領(lǐng)域，對網(wǎng)絡(luò)的性能要求不是很高。從應(yīng)用狀況看，無論是FF和Profibus，還是其他一 些現(xiàn)場總線，都能較好地實現(xiàn)速率要求較慢的過程控制。因此，在速率要求較低的控制領(lǐng)域，誰都很難統(tǒng)一整個世界市場。而現(xiàn)場總線的關(guān)鍵技術(shù)之一是互操作性， 實現(xiàn)現(xiàn)場總線技術(shù)的統(tǒng)一是所有用戶的愿望。今后現(xiàn)場總線技術(shù)如何發(fā)展、如何統(tǒng)一，是所有生產(chǎn)廠商和用戶十分關(guān)心的問題。

　　高速現(xiàn)場總線主 要應(yīng)用于控制網(wǎng)內(nèi)的互連，連接控制計算機、PLC等智能程度較高、處理速度快的設(shè)備，以及實現(xiàn)低速現(xiàn)場總線網(wǎng)橋間的連接，它是充分實現(xiàn)系統(tǒng)的全分散控制結(jié) 構(gòu)所必須的。目前這一領(lǐng)域還比較薄弱。因此，高速現(xiàn)場總線的設(shè)計、開發(fā)將是競爭十分激烈的領(lǐng)域，這也將是現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)統(tǒng)一的重要機會。而選擇什么樣的 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為高速現(xiàn)場總線的整體框架將是其首要內(nèi)容。

　　發(fā)展現(xiàn)場總線技術(shù)已成為工業(yè)自動化領(lǐng) 域廣為注的焦點課題，國際上現(xiàn)場總線的研究、開發(fā)，使測控系統(tǒng)沖破了長期封閉系統(tǒng)的禁錮，走上開放發(fā)展的征程，這對中國現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展是個極好的 機會，也是一次嚴峻的挑戰(zhàn)。自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展的大趨勢，現(xiàn)場總線技術(shù)受計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響是十分深刻的。現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異，發(fā)展十分迅猛， 一些具有重大影響的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)必將進一步融合到現(xiàn)場總線技術(shù)之中，這些具有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線技術(shù)有；智能儀表與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)的軟硬件技術(shù)；組態(tài)抗術(shù)，包 括網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)段互連等；網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)管理軟件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)操作與傳輸；人機接口、軟件技術(shù)；現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成技術(shù)。

　　由于目前自動化技術(shù)從單機控制發(fā)展到工廠自動化FA，發(fā)展到系統(tǒng)自動化。工廠自動化信息網(wǎng)絡(luò)可分為以下三層結(jié)構(gòu)：工廠管理級、車間監(jiān)控級、現(xiàn)場設(shè)備 級，而現(xiàn)場總線是工廠底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)。這里先介紹一下以太網(wǎng)，本文特指工業(yè)以太網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)是作為辦公室自動化領(lǐng)域衍生的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，按習慣 主要指IEEE802.3協(xié)議，如果進一步采用TCP/IP協(xié)議族，則采用“以太網(wǎng)+TCP/IP”來表示，其技術(shù)特點主要適合信息管理、信息處理系統(tǒng)， 并在IT業(yè)得到了巨大的成功。在工廠管理級、車間監(jiān)控級信息集成領(lǐng)域中，工業(yè)以太網(wǎng)已有不少成功的案例，在設(shè)備層對實時性沒有嚴格要求場合也有許多應(yīng)用。 由于現(xiàn)場總線目前種類繁多，標準不一，很多人都希望以太網(wǎng)技術(shù)能介入設(shè)備低層，廣泛取代現(xiàn)有現(xiàn)場總線技術(shù)，施耐德公司就是該想法的積極倡導者和實踐者，目 前已有一批工業(yè)級產(chǎn)品問世和實際應(yīng)用。可是就目前而言，以太網(wǎng)還不能夠真正解決實時性和確定性問題，大部分現(xiàn)場層仍然會首選現(xiàn)場總線技術(shù)。由于技術(shù)的局限 和各個廠家的利益之爭，這樣一個多種工業(yè)總線技術(shù)并存，以太網(wǎng)技術(shù)不斷滲透的現(xiàn)狀還會維持一段時間。用戶可以根據(jù)技術(shù)要求和實際情況來選擇所需的解決方 案。

　　現(xiàn)場總線技術(shù)的興起，開辟了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的新天地。它將促進企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，為企業(yè)帶來新的效益，因而會得到廣泛的應(yīng)用，并推動自動化相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

　　市面上最等流行的九大現(xiàn)場總線

　　目前國際上有40多種現(xiàn)場總線，但沒有任何一種現(xiàn)場總線能覆蓋所有的應(yīng)用面，按其傳輸數(shù)據(jù)的大小可分為3類：傳感器總線（sensorbus），屬于位 傳輸；設(shè)備總線（devicebus），屬于字節(jié)傳輸；現(xiàn)場總線，屬于數(shù)據(jù)流傳輸。下面讓我一起去認識這九種現(xiàn)再總線。

　　1、FF現(xiàn)場總線

　　FF現(xiàn)場總線基金會是由WORLDFIPNA（北美部分，不包括歐洲）和ISPFoundation于1994年6月聯(lián)合成立的，它是一個國際性的組 織，其目標是建立單一的、開放的、可互操作的現(xiàn)場總線國際標準。這個組織給予了IEC現(xiàn)場總線標準起草工作組以強大的支持。這個組織目前有l(wèi)00多成員單 位，包括了全世界主要的過程控制產(chǎn)品及系統(tǒng)的生產(chǎn)公司。1997年4月這個組織在中國成立了中國儀協(xié)現(xiàn)場總線專業(yè)委員會（CFC）。致力于這項技術(shù)在中國 的推廣應(yīng)用。FF成立的時間比較晚，在推出自己的產(chǎn)品和把這項技術(shù)完整地應(yīng)用到工程上相對于PROFIBUS和WORLDFIP要晚。但是正由于FF是 1992年9月成立的，是以FisherRosemount公司為核心的ISP（可互操作系統(tǒng)協(xié)議）與WORLDFIPNA兩大組織合并而成的，因此這個 組織具有相當實力：目前FF在IEC現(xiàn)場總線標準的制訂過程中起著舉足輕重的作用。

　　現(xiàn)場總線基金會自成立以來，經(jīng)過十年的發(fā)展，已經(jīng)形 成了一個開放的、全數(shù)字化的工業(yè)通信系統(tǒng)，并在上世紀末開始進入中國市場，推動了中國的工業(yè)自動化技術(shù)進步，并開始了大型全區(qū)域系統(tǒng)集成的應(yīng)用。一個開放 式的總線協(xié)議，很重要的一點就是有多少設(shè)備支持這個協(xié)議。否則，這個協(xié)議的開放性就沒有意義了。

　　在無線和遠程I/O管理方面，現(xiàn)場總線基金會發(fā)布了基金會遠程運營管理初步規(guī)范。新的技術(shù)規(guī)范是基金會面向無線和遠程I/O進行遠程運營管理解決方案的 一部分，面向遠程運營管理設(shè)備定義了代表基金會HART設(shè)備的現(xiàn)場總線變送器模塊。該模塊可以顯示有線HART及無線HART設(shè)備。

　　此外，該規(guī)范還描述了通過基金會高速以太網(wǎng)（HSE）傳輸基本HART命令協(xié)議接觸HART設(shè)備進行配置和資產(chǎn)管理的理想方法。規(guī)范也對在連接基金會遠程運營管理設(shè)備的有線多觸點網(wǎng)絡(luò)和無線HART網(wǎng)絡(luò)中識別和維護HART設(shè)備狀態(tài)的結(jié)構(gòu)進行了定義。

　　新的變送器模塊規(guī)范將會使那些需要將HART和無線HART設(shè)備連入基金會現(xiàn)場總線、提升其與控制系統(tǒng)或者基金會設(shè)備的最終用戶受益，”現(xiàn)場總 線基金會技術(shù)開發(fā)總監(jiān)DaveGlanzer說道：“他們可能會需要對資產(chǎn)管理采用一種網(wǎng)絡(luò)化的方法，連接大量的HART和無線HART設(shè)備，進行配置和 維護?！?/P>

　　在現(xiàn)場總線基金會架構(gòu)內(nèi)部，H1和HSE可以提供分布式功能模塊的能力，與HSE一起形成容量更大的通道，加快數(shù)據(jù)傳輸和傳輸 量?；饡h程運營管理的開發(fā)，為有線及無線HSE主干網(wǎng)絡(luò)建立了一個開放式、非專利性的規(guī)范，可以通過接口將不同的基金會遠程運營管理設(shè)備和無線現(xiàn)場設(shè) 備網(wǎng)絡(luò)進行集成。

　　使用高速HSE連接，可以高效的將模塊化的數(shù)字和模擬現(xiàn)場I/O設(shè)備大幅度集中到控制室當中。通過使用諸如智能遠程終 端單元（RTU）這類HSE設(shè)備功能，這項技術(shù)可以將各種形式的傳統(tǒng)I/O輕而易舉的融入到自然的現(xiàn)場總線環(huán)境當中。這一解決方案在同一個以太網(wǎng)絡(luò)上可以 同時支持數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、模擬輸入、模擬輸出和H1現(xiàn)場總線。