現(xiàn)場總線技術與計算機控制

1　引言
　　在計算機控制系統(tǒng)出現(xiàn)以后，工程實踐中廣泛使用模擬儀表系統(tǒng)中的傳感器、變送器和執(zhí)行機構。其信號傳送一般采用4-20mA的電流信號形式，一個變送器或執(zhí)行機構需要一對傳輸線來單向傳送一個模擬信號。這種傳輸方法使用的導線多，現(xiàn)場安裝及調試的工作量大，投資高，傳輸精度和抗干擾能力較低，不便維護。主控室的工作人員無法了解現(xiàn)場儀表的實際情況，不能對其進行參數(shù)調整和故障診斷，所以處于最底層的模擬變送器和執(zhí)行機構成了計算機控制系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，即所謂DCS系統(tǒng)的發(fā)展瓶頸。現(xiàn)場總線正是在這種情況下應運而生。

　　2　現(xiàn)場總線技術及其特點
　　現(xiàn)場總線技術是在80年代后期發(fā)展起來的一種先進的現(xiàn)場工業(yè)控制技術，它綜合了數(shù)字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網(wǎng)絡技術和智能儀表等多種技術手段，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，構成一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互連、多變量、多接點的通信與控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線則是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡，其基礎是智能儀表。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)視器一起共同構成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）。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?，F(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備上，控制室的控制設備用來監(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)關和企業(yè)的上級管理網(wǎng)絡相連，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備可以互換。

　　2.3　靈活的網(wǎng)絡拓撲結構
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)可以根據(jù)復雜的現(xiàn)場情況組成不同的網(wǎng)絡拓撲結構，如樹型、星型、總線型和層次化網(wǎng)絡結構等。

　　2.4　系統(tǒng)結構的高度分散性
　　現(xiàn)場設備本身屬于智能化設備，具有獨立自動控制的基本功能，從而從根本上改變了DCS的集中與分散相結合的體系結構，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)的結構?，F(xiàn)場總線與上一級網(wǎng)絡斷開后仍可維持底層設備的獨立正常運行，其智能程度大大加強。

　　2.5　現(xiàn)場設備的高度智能化
　　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)場控制設備，僅靠現(xiàn)場總線設備就可以實現(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，設定或調整現(xiàn)場設備的運行參數(shù)，還能借助現(xiàn)場設備的自診斷功能對故障進行定位和診斷。

　　2.6　對環(huán)境的高度適應性
　　現(xiàn)場總線是專為工業(yè)現(xiàn)場設計的，它可以使用雙絞線、同軸電纜、光纜、電力線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)場設各利用數(shù)據(jù)通信線進行供電，還能滿足本質安全防爆要求。

　　由于現(xiàn)場總線的諸多優(yōu)點，所以近十年來出現(xiàn)了多種有影響的現(xiàn)場總線，如基金會現(xiàn)場總線FF、Profibus、CAN、LONworks、HART等，并得到了廣泛的應用。下面僅對前兩種現(xiàn)場總線予以簡要介紹。