工業(yè)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

　　1.現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性和系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性：一般地講，過(guò)程控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求為0.01～0.5S，制造自動(dòng)化系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間是0.5～2S，IT網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間為2～6S，因此在IT大部分使用中，實(shí)時(shí)性是可以忽略的。

　　2.現(xiàn)場(chǎng)總線強(qiáng)調(diào)在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳送的完整性、可靠性：現(xiàn)場(chǎng)總線具有在粉塵、高溫、潮濕、振動(dòng)、酸(堿)腐蝕，特別是電磁和無(wú)線電干擾等的工業(yè)環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)、可靠、完整傳送數(shù)據(jù)的能力。能夠抗工業(yè)電網(wǎng)的浪涌、失波、跌落和尖峰干擾等。在可燃或易爆場(chǎng)合，還要求現(xiàn)場(chǎng)總線具有本質(zhì)安全性能

二、標(biāo)準(zhǔn)與非標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線。

　　市場(chǎng)上出現(xiàn)了三十多種牌號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)總線及其系統(tǒng)，并且都稱是真正的現(xiàn)場(chǎng)總線，可應(yīng)用于各種領(lǐng)域。實(shí)際上，市場(chǎng)上的現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)分為標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)兩種。

　　1.標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線是符合IEC(國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì))現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議模型框架，具有近似標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)制的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，這些主要有IEC61158、FF(基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線)、LonWorks、Pro-tibus、WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線。適用于過(guò)程控制、制造自動(dòng)化和樓宇自動(dòng)化等。

　　2.非標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線，其余的現(xiàn)場(chǎng)總線都可看作是非標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線，它們大多具有專用標(biāo)準(zhǔn)，適于專用領(lǐng)域。不會(huì)向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靠攏。

三、FCS與DCS

　　基于FF的FCS(現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng))將取代傳統(tǒng)DCS(分布式控制系統(tǒng))成為控制系統(tǒng)主角。下面就幾個(gè)主要方面進(jìn)行對(duì)比。

　　1.數(shù)字化

　　1)FCS：全數(shù)字化，純數(shù)的通信使過(guò)程控制具有更高的可靠性。在FCS中，從傳感器、變送器到調(diào)節(jié)器，一直是數(shù)字信號(hào)，這就使得更復(fù)雜、更精確的信號(hào)處理得以實(shí)現(xiàn)。普通的噪音很難扭曲現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)里的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字通信的查錯(cuò)功能可檢出傳輸中的誤碼。

　　2)DCS：半數(shù)字化，在傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)里，溫度和壓力變送器須將它們測(cè)到的原始數(shù)字信號(hào)在送入DCS前轉(zhuǎn)換成4-20mA模擬信號(hào)，在模擬系統(tǒng)中，噪音及其他信號(hào)扭曲無(wú)法被檢測(cè)。

　　2.可互操作性：采用具有可互操作性和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，用戶可以在性能、價(jià)格、質(zhì)量和售后服務(wù)等因素基礎(chǔ)上，選擇最好的硬件產(chǎn)品，并省時(shí)省力地將它們集成為一體。

　　1)現(xiàn)場(chǎng)總線自動(dòng)化設(shè)備的可互操作性主要是通過(guò)對(duì)功能模塊及其參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化而實(shí)現(xiàn)，具有極好的可互操作性。

　　2)大多數(shù)用于DCS和智能型變送器間的通信協(xié)議是DCS制造商獨(dú)家采用的專用封閉系統(tǒng)。

　　3.分散性

　　1)FCS：采用的是完全分散式體系，它的控制全部分散到現(xiàn)場(chǎng)，控制回路由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

　　2)DCS：采用一個(gè)或多個(gè)"控制單元"對(duì)多回路進(jìn)行控制，其控制部分分散到一些控制板上，每個(gè)控制板上又有多個(gè)回路的半分散式體系。

　　4.可靠性、可維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性

　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)采用數(shù)字總線式通信線路代替?zhèn)鹘y(tǒng)DCS中一對(duì)一的I/O連線，對(duì)于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，減少了由連線帶來(lái)的不可靠，同時(shí)降低了布線成本，與傳統(tǒng)DCS技術(shù)相比，可節(jié)省電纜、調(diào)試、維護(hù)成本40%以上。

　　5.現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)發(fā)展成為可以取代DCS的新型的FCS控制系統(tǒng)。DCS與FCS并存是可能的，但DCS并不適合與現(xiàn)場(chǎng)總線集成。如果現(xiàn)場(chǎng)總線連接到DCS上，它的大多數(shù)優(yōu)勢(shì)便無(wú)法發(fā)揮出來(lái)。因?yàn)榉植荚诂F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的功能塊組態(tài)、狀態(tài)、診斷、校驗(yàn)、設(shè)備自身信息以及來(lái)自現(xiàn)設(shè)備的管理信息等均無(wú)法完全映射到DCS中。

四、EIC(電氣傳動(dòng)、儀表、計(jì)算機(jī))一體化

　　在由現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的控制系統(tǒng)FCS中，儀表已發(fā)展成為具有綜合功能的智能儀表，也就是具有過(guò)去實(shí)現(xiàn)儀表控制的DCS的功能?，F(xiàn)場(chǎng)控制器實(shí)際上是過(guò)去PLC功能的分散，它代替了用于電氣傳動(dòng)控制的PLC。從以上兩點(diǎn)不難看出，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS，正是一個(gè)實(shí)現(xiàn)電氣傳動(dòng)控制、儀表控制和計(jì)算機(jī)控制一體化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)恰恰是鋼鐵工業(yè)自動(dòng)化用的較多而又急需的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

五、現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)展情況

　　目前，較為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線有FF、LonWorks、Profibus、WorldFIP、CAN、HART(過(guò)渡協(xié)議)等，這些現(xiàn)場(chǎng)總線和過(guò)渡協(xié)議在我國(guó)(主要是北京)都有了代表處或掛靠單位，并且大多數(shù)都有不同程度的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。其中FF和HART列入"九五"攻關(guān)項(xiàng)目，參加現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表的研究開(kāi)發(fā)單位主要有：西安儀表集團(tuán)、上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所、重慶工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所、上海自動(dòng)化儀表股份公司、重慶川儀集團(tuán)、北京華控技術(shù)公司等，專門攻克HART協(xié)議和FF協(xié)議通信軟硬件技術(shù)難關(guān)。

　　1.開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品主要有：

　　1)HART變送器(包括智能溫度變送器、智能壓力變送器、智能流量變送器)；

　　2)HART智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

　　3)HART網(wǎng)橋；

　　4)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)軟件；

　　5)FF現(xiàn)場(chǎng)總線和CAN總線園卡、接口等HART的攻關(guān)任務(wù)已基本完成，今年就可驗(yàn)收。FF的攻關(guān)明年上半年可完成并驗(yàn)收。

　　目前，較流行的現(xiàn)場(chǎng)總線中，F(xiàn)F、Profibus、LonWorks、CANHART協(xié)議書籍報(bào)刊上介紹的比較多，其中HART和LonWorks在我國(guó)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用較多。下面只簡(jiǎn)單介紹一下WorldFIP的情況。

　　2.WorldFIP:WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線不論高速還是低速，只有一套通信協(xié)議，可以不需要任何網(wǎng)橋或網(wǎng)關(guān)，低速與高速的銜接只用軟件完成。

　　WorldFIP組織認(rèn)為，它的生產(chǎn)者/使用者(Producer/Consumer)模式和總線仲裁器(BUSAr-biter)的調(diào)度方式特別適合工業(yè)過(guò)程控制的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。它的很多優(yōu)點(diǎn)都與此有關(guān)。FF與IEC標(biāo)準(zhǔn)草案都采用了這種通信模式，只是名稱不同。FF稱為發(fā)布方/接收方(Publi-sher/Subscriber)與鏈接調(diào)度器(LAS)，實(shí)際方式與WorldFIP基本一致。這也說(shuō)明了為什么WorldFIP支持IEC標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗麄兿騃EC靠攏在技術(shù)上是比較容易的。

　　目前，WorldFIP的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋狠旊?、鐵路運(yùn)輸、地鐵、化工、空間技術(shù)、汽車制造等。1998年5月，WorldFIP組織在中國(guó)建立了技術(shù)推廣中心，并把注意力放在中國(guó)的能源和鐵路兩個(gè)將大力發(fā)展的領(lǐng)域。