現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其控制系統(tǒng)縱橫談
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現(xiàn)場(chǎng)總線在控制領(lǐng)域嶄露頭角不過是最近幾年，然而其來(lái)勢(shì)兇涌，且有愈演愈烈之趨勢(shì)。那么，究竟什么是現(xiàn)場(chǎng)總線？什么是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)？現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)較之目前在工控界仍占主導(dǎo)地位的集散控制系統(tǒng)（ＤＣＳ）有何特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)？面對(duì)目前４０多種現(xiàn)場(chǎng)總線，應(yīng)選用哪一種？本文將圍繞以上問題展開論述，從控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程角度探討現(xiàn)場(chǎng)總線的成因；闡述現(xiàn)場(chǎng)總線的概念、體系結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)給出現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展現(xiàn)狀；提出面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線百家爭(zhēng)鳴的現(xiàn)狀應(yīng)采取的對(duì)策。
１ 現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生
７０年代以前，控制系統(tǒng)中采用模擬量對(duì)傳輸及控制信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、傳遞，其精度差、受干擾信號(hào)影響大，因而整個(gè)控制系統(tǒng)的控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性都很差。７０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(qiáng)、體積小、可靠性高、通過適當(dāng)?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(dòng)化儀表技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(wú)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(chǎng)總線技術(shù)的產(chǎn)生。
現(xiàn)場(chǎng)總線是連接現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備和自動(dòng)化控制設(shè)備的雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，它也被稱為現(xiàn)場(chǎng)底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)（ＩＮＴＲＡＮＥＴ）。８０年代以來(lái)，各種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開始出現(xiàn)，人們要求對(duì)傳統(tǒng)的模擬儀表和控制系統(tǒng)變革的呼聲也越來(lái)越高，從而使現(xiàn)場(chǎng)總線成為一次世界性的技術(shù)變革浪潮。美國(guó)儀表協(xié)會(huì)ＩＳＡ于１９８４年開始制訂現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，在歐洲有德國(guó)的ＰＲＯＦＩＢＵＳ和法國(guó)的ＦＩＰ等，各種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)形成。其中主要的有：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線ＰＲＯＦＩＢＵＳ（Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｆｉｅｌｄ Ｂｕｓ）和ＨＡＲＴ協(xié)議Ｈｉｇｈｗａｙ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｒｅｍｏｔｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ等。但是，總線標(biāo)準(zhǔn)的制定工作并非一帆風(fēng)順，由于行業(yè)與地域發(fā)展等歷史原因，加上各公司和企業(yè)集團(tuán)受自身利益的驅(qū)使，致使現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)工作進(jìn)展緩慢。但是不論如何，制定單一的開放國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)是發(fā)展的必然。
２ 現(xiàn)場(chǎng)總線的定義及其標(biāo)準(zhǔn)
權(quán)威組織國(guó)際電工委員會(huì)ＩＥＣ對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的定義是：安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通訊的數(shù)據(jù)總線。而什么叫現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（ＦＣＳ－ｆｉｌｅｄｂｕｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ）ＩＥＣ并沒有做出明確解釋。所以，許多文章與資料中經(jīng)常是把“現(xiàn)場(chǎng)總線”和 “現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)”混為一談?？赡苁乾F(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)太多的緣故吧?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的構(gòu)成是以某一標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的。一旦現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)確定，其對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系也就確定了。雖然，ＩＥＣ在２０００年１月４日宣布現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ＩＥＣ－６１１８５）以８６％贊成，１２％反對(duì)獲得通過。但ＩＥＣ－６１１８５仍然是一個(gè)“求大同存小異”的妥協(xié)方案。其把應(yīng)用層的功能（算法）模塊特長(zhǎng)與行業(yè)應(yīng)用潛能的自由競(jìng)爭(zhēng)天地留給各ＦＣＳ制造廠商。ＩＥＣ－６１１８５包括了８?jìng)€(gè)子集：ＦＦ－ＨＳＥ、ＦＦ－Ｈ１、ＰＲＯＦＩＢＵＳ、Ｐ－ＮＥＴ、ＣＯＮＴＲＯＬ－ＮＥＴ、ＳＷＩＦＴ－ＮＥＴ。
３ 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn)
（ｌ）數(shù)字化通信取代４～２０ｍＡ模擬信號(hào)傳統(tǒng)技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備與控制器之間的連接是一對(duì)一（一個(gè)Ｉ／Ｏ點(diǎn)對(duì)設(shè)備的一個(gè)測(cè)控點(diǎn)）所謂Ｉ／Ｏ接線方式，信號(hào)傳遞４～２０ｍＡ（傳送模擬量信息）或２４ＶＤＣ（傳送開關(guān)量信息）信號(hào)。應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可用一條通信電纜將控制器與現(xiàn)場(chǎng)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。
（２）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（傳感器、驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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)。
（３）集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、參數(shù)化及故障診斷為一體，現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備，因此，控制器可從現(xiàn)場(chǎng)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。
（４）現(xiàn)場(chǎng)總線是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信向現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的延伸，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備與控制器之間的通信采用一對(duì)一連線的方式，傳輸４～２０ｍＡ／２４ＶＤＣ信號(hào)。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(dòng)化的實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)。
（５）現(xiàn)場(chǎng)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支撐技術(shù)――計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)問題就必須得到解決?，F(xiàn)場(chǎng)總線是工廠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的延伸，是支撐現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)信息集成的技術(shù)基礎(chǔ)。
評(píng)論