現(xiàn)場總線與工廠底層自動化及信息集成技術(shù)

1．現(xiàn)場總線技術(shù)

1.1 現(xiàn)場總線技術(shù)概念

根據(jù)國際電工委員會IEC1158定義，現(xiàn)場總線（Fieldbus）是"安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線"?；蛘哒f，現(xiàn)場總線是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。其中，"生產(chǎn)過程"應(yīng)包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類。現(xiàn)場設(shè)備/儀表指位于現(xiàn)場層的傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備。因此，現(xiàn)場總線是面向工廠底層自動化及信息集成的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?；谶@項(xiàng)技術(shù)的自動化系統(tǒng)稱為FCS（Fieldbus Control System）。

1.2 現(xiàn)場總線技術(shù)的主要特點(diǎn)
1.2.1 數(shù)字化通信取代4-20mA模擬信號：傳統(tǒng)技術(shù)，現(xiàn)場層設(shè)備與控制器之間的連接是一對一（一個(gè)I/O點(diǎn)對設(shè)備的一個(gè)測控點(diǎn)）所謂 I/O接線方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關(guān)量信息）信號。應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)可用一條通信電纜將控制器與現(xiàn)場設(shè)備（智能化、帶有通信接口）連接，使用數(shù)字化通信完成底層設(shè)備通信及控制要求。

1.2.2 現(xiàn)場設(shè)備智能化：應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，要求現(xiàn)場設(shè)備（傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備）是帶有串行通信接口的智能化（可編程或可參數(shù)化）設(shè)備。因此，現(xiàn)場總線技術(shù)以計(jì)算機(jī)大規(guī)模集成電路的發(fā)展為基礎(chǔ)。

1.2.3 集現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、參數(shù)化及故障診斷為一體：現(xiàn)場總線采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù)連接智能化現(xiàn)場設(shè)備，因此，控制器可從現(xiàn)場設(shè)備獲取大量豐富信息，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送，可完成設(shè)備遠(yuǎn)程控制、參數(shù)化及故障診斷工作。

1.2.4 現(xiàn)場總線是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信向現(xiàn)場級的延伸：傳統(tǒng)的現(xiàn)場層設(shè)備與控制器之間的通信采用一對一連線的方式，傳輸4-20mA/24VDC信號。這種通信技術(shù)信息量有限，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自控系統(tǒng)成為工廠中的"信息孤島"，嚴(yán)重制約了企業(yè)信息集成及企業(yè)綜合自動化的實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場總線技術(shù)采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù)，使自控系統(tǒng)與設(shè)備加入工廠信息網(wǎng)絡(luò)， 成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。

1.2.5 現(xiàn)場總線技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工廠底層信息集成的關(guān)鍵技術(shù)：要成功的實(shí)施CIMS，各層次的信息集成及它的支撐技術(shù)-計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)問題就必須得到很好的解決。現(xiàn)場總線是工廠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場級設(shè)備的延伸，是支撐現(xiàn)場級與車間級信息集成的技術(shù)基礎(chǔ)。

1.3 現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)
1.3.1 國內(nèi)外現(xiàn)場總線技術(shù)、產(chǎn)品發(fā)展迅速
國際上現(xiàn)場總線技術(shù)及產(chǎn)品、系統(tǒng)發(fā)展迅速。以現(xiàn)場總線PROFIBUS為例，目前支持PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品超過1500多種，分別來自國際上250多個(gè)生產(chǎn)廠家。在世界范圍內(nèi)已安裝運(yùn)行的PROFIBUS設(shè)備已超過200萬臺，年增長率25%。由CONSULTIC提供的現(xiàn)場總線系統(tǒng)FBS（FBS：由十個(gè)以上設(shè)備組成的現(xiàn)場總線系統(tǒng)）市場調(diào)查表明（在歐洲市場，1996年）：已安裝的FBS為427500套，新增FBS數(shù)量為146400?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)占整個(gè)自動化系統(tǒng)市場份額平均為25%。目前國際著名自動化、儀表、電器制造商均有現(xiàn)場總線產(chǎn)品及系統(tǒng)，如羅克威爾、西門子、施耐得、羅斯蒙特、霍尼威爾、橫河等。

1.3.2 現(xiàn)場總線沒有形成統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)
現(xiàn)場總線技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵問題，是要在自動化行業(yè)中形成一個(gè)制造商們共同遵守的現(xiàn)場總線通信協(xié)議技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國際上著名自動化產(chǎn)品及現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)廠家，意識到現(xiàn)場總線技術(shù)是未來發(fā)展方向，紛紛結(jié)成企業(yè)聯(lián)盟，推出自己的總線標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品，在市場上培養(yǎng)用戶、擴(kuò)大影響，并積極支持國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)。能否使自己總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在未來國際標(biāo)準(zhǔn)中占有較大比例成份，關(guān)系到該公司相關(guān)產(chǎn)品前途、用戶的信任及企業(yè)的名譽(yù)。而歷史經(jīng)驗(yàn)證明：國際標(biāo)準(zhǔn)都是采用一個(gè)或幾個(gè)市場上最成功的技術(shù)為基礎(chǔ)。因此，各大國際公司在制定現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)中的竟?fàn)?，體現(xiàn)了各公司在技術(shù)領(lǐng)先地位上的競爭，而其最終還是要?dú)w結(jié)到市場實(shí)力的競爭。

據(jù)說目前國際上現(xiàn)有各種總線及總線標(biāo)準(zhǔn)不下二百多種。具有一定影響和已占有一定市場份額的總線有如下幾種：

PROFIBUS現(xiàn)場總線：
1996年3月15日批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，即DIN 50170 V.2。PROFIBUS產(chǎn)品在世界市場上已被普遍接受，市場份額占?xì)W洲首位，年增長率25%。目前支持PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品超過1500多種，分別來自國際上250多個(gè)生產(chǎn)廠家。在世界范圍內(nèi)已安裝運(yùn)行的PROFIBUS設(shè)備已超過200萬臺，到1998年5月，適用于過程自動化的PROFIBUS-PA儀表設(shè)備在19個(gè)國家的40個(gè)用戶廠家投入現(xiàn)場運(yùn)行。

1989年12月，自愿在其產(chǎn)品中采用PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)組成用戶組織（PNO），1995年成立PROFIBUS國際組織（PI）。目前，PI在20個(gè)國家和地區(qū)有地區(qū)性組織，會員超過800家。1997年7月組建了中國現(xiàn)場總線（PROFIBUS）專業(yè)委員會，并建立現(xiàn)場總線PROFIBUS產(chǎn)品演示及認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室。PROFIBUS主要應(yīng)用領(lǐng)域有：制造業(yè)自動化、過程控制自動化、電力自動化、樓宇自動化、鐵路交通信號系統(tǒng)。

FF現(xiàn)場總線：
1994年由ISP 基金會和World FIP(北美)兩大集團(tuán)合并成立FF基金會，其宗旨在于開發(fā)出符合IEC和ISO標(biāo)準(zhǔn)的、唯一的國際現(xiàn)場總線（Fundation Fieldbus）。低速總線（H1）協(xié)議已于1996年發(fā)表。1997年5月建立了中國現(xiàn)場總線（FF）專業(yè)委員會，并籌建FF現(xiàn)場總線產(chǎn)品認(rèn)證中心。FF現(xiàn)場總線的應(yīng)用領(lǐng)域以過程自動化為主。如：化工、電力廠實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、廢水處理、油田等行業(yè)。