水工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用
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在計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)急速發(fā)展的今天，特別是考慮到現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)普遍地滲透到自動(dòng)控制的各個(gè)領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)，現(xiàn)場(chǎng)總線必將成為電工自動(dòng)控制領(lǐng)域主要的發(fā)展方向之一。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)一直是國(guó)際上各大公司激烈競(jìng)爭(zhēng)的領(lǐng)域；并且國(guó)外大公司已經(jīng)在大力拓展中國(guó)市場(chǎng)，發(fā)展我國(guó)的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品已經(jīng)刻不容緩?，F(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的影響意義深遠(yuǎn)。當(dāng)今可以認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)總線是提高自動(dòng)化系統(tǒng)整體水平的基礎(chǔ)技術(shù)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)影響重大。因此，要在自動(dòng)化領(lǐng)域中推廣應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)總線。
現(xiàn)場(chǎng)總線是近年來(lái)自動(dòng)化領(lǐng)域中發(fā)展很快的互連通信網(wǎng)絡(luò)，具有協(xié)議簡(jiǎn)單開(kāi)放、容錯(cuò)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點(diǎn)。目前，國(guó)際上各種各樣的現(xiàn)場(chǎng)總線有幾百種之多，統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立。較著名的有基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）、HART現(xiàn)場(chǎng)總線、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線、LONWORKS現(xiàn)場(chǎng)總線、PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、AS－INTERFACE總線等。
自動(dòng)化控制系統(tǒng)就是通信網(wǎng)絡(luò)把眾多的帶有通信接口的控制設(shè)備、檢測(cè)元件、執(zhí)行器件與主計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行智能化管理，實(shí)現(xiàn)集中數(shù)據(jù)處理、集中監(jiān)控、集中分析和集中調(diào)度的新型生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)。
從目前國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化控制系統(tǒng)所應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)看，主要有PROFIBUS、MODBUS、LONWORKS、FF、HART、CAN等現(xiàn)場(chǎng)總線。以上系統(tǒng)基本上都是采用單一的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，即整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中只采用一種現(xiàn)場(chǎng)總線，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)造比較單一。
現(xiàn)場(chǎng)總線已不僅僅是一個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域或新技術(shù)問(wèn)題，在研究它的同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)它已經(jīng)改變了我們的觀念；如何去看待現(xiàn)場(chǎng)總線，要比研究它的技術(shù)細(xì)節(jié)更為重要。
1.1現(xiàn)場(chǎng)總線是一個(gè)巨大的商業(yè)機(jī)會(huì)
一項(xiàng)權(quán)威報(bào)告聲稱現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用將使控制系統(tǒng)的成本下降67％；巨大的商業(yè)利益直接導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)巨大的市場(chǎng)，并且促使傳統(tǒng)市場(chǎng)萎縮，從而引發(fā)技術(shù)進(jìn)步。這些對(duì)于我們行業(yè)來(lái)說(shuō)都很重要，因?yàn)槲覀冋幵谛屡f市場(chǎng)交替的關(guān)口。
1.2.現(xiàn)場(chǎng)總線是一場(chǎng)技術(shù)革命
現(xiàn)場(chǎng)總線帶來(lái)了觀念的變化，我們以往開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，往往只注意產(chǎn)品本身的性能指標(biāo)，對(duì)于新產(chǎn)品與其它相關(guān)產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)就考慮比較少一點(diǎn)。這樣對(duì)于電工行業(yè)這樣一個(gè)比較保守的行業(yè)來(lái)說(shuō)，新產(chǎn)品就不那么容易地被用戶接收。而現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品卻恰恰相反，它是一個(gè)由用戶利益驅(qū)動(dòng)的市場(chǎng)，用戶對(duì)新產(chǎn)品應(yīng)用的積極性比生產(chǎn)商更高。然而，現(xiàn)場(chǎng)總線新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)也與傳統(tǒng)產(chǎn)品不同；它是從系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)角度來(lái)看問(wèn)題，它注重的是系統(tǒng)整體性能的提高，不強(qiáng)求局部最優(yōu)，而是整體的配合。這種配合在主控計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)行下能使控制系統(tǒng)應(yīng)用新的理論來(lái)發(fā)揮最大的效能；這一點(diǎn)是傳統(tǒng)產(chǎn)品很難做到的?，F(xiàn)場(chǎng)總線的“負(fù)跨越（指在技術(shù)水平提高的同時(shí)，掌握和應(yīng)用這項(xiàng)新技術(shù)的難度卻降低了）”的特性使它的推廣更加容易。
2.現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展
2.1自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展過(guò)程
2.1.150多年前第一代過(guò)程控制體系是基于5－13psi的氣動(dòng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)（氣動(dòng)控制系統(tǒng)PCS，PneumaticControlSystem）。簡(jiǎn)單的就地操作模式，控制理論初步形成，尚未有控制室的概念。
2.1.2第二代過(guò)程控制體系（模擬式或ACS,AnalogControlSystem）是基于0－10mA或4－20mA的電流模擬信號(hào)，這一明顯的進(jìn)步，在整整25年內(nèi)牢牢地統(tǒng)治了整個(gè)自動(dòng)控制領(lǐng)域。它表征了電氣自動(dòng)控制時(shí)代的到來(lái)?？刂评碚撚辛酥卮蟀l(fā)展，三大控制論的確立奠定了現(xiàn)代控制的基礎(chǔ)；控制室的設(shè)立，控制功能分離的模式一直沿用至今。
2.1.3第三代過(guò)程控制體系（CCS，ComputerControlSystem）.70年代開(kāi)始了數(shù)字計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，人們?cè)跍y(cè)量，模擬和邏輯控制領(lǐng)域率先使用，從而產(chǎn)生了第三代過(guò)程控制體系（CCS，ComputerControlSystem）。這個(gè)被稱為第三代過(guò)程控制體系是自動(dòng)控制領(lǐng)域的一次革命，它充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的特長(zhǎng)，于是人們普遍認(rèn)為計(jì)算機(jī)能做好一切事情，自然而然地產(chǎn)生了被稱為“集中控制”的中央控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，需要指出的是系統(tǒng)的信號(hào)傳輸系統(tǒng)依然是大部分沿用4－20mA的模擬信號(hào)，但是時(shí)隔不久人們發(fā)現(xiàn)，隨著控制的集中和可靠性方面的問(wèn)題，失控的危險(xiǎn)也集中了，稍有不慎就會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。所以它很快被發(fā)展成分布式控制系統(tǒng)（DCS）。
2.1.4第四代過(guò)程控制體系（DCS，DistributedControlSystem分布式控制系統(tǒng)）：隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的飛速發(fā)展，微處理器的普遍使用，計(jì)算機(jī)技術(shù)可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代過(guò)程控制體系（DCS，或分布式數(shù)字控制系統(tǒng)），它主要特點(diǎn)是整個(gè)控制系統(tǒng)不再是僅僅具有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，而是由幾臺(tái)計(jì)算機(jī)和一些智能儀表和智能部件構(gòu)成一個(gè)了控制系統(tǒng)。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一個(gè)重要的發(fā)展是它們之間的信號(hào)傳遞也不僅僅依賴于4－20mA的模擬信號(hào)，而逐漸地以數(shù)字信號(hào)來(lái)取代模擬信號(hào)。
2.1.5第五代過(guò)程控制體系（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）：FCS是從DCS發(fā)展而來(lái)，就象DCS從CCS發(fā)展過(guò)來(lái)一樣，有了質(zhì)的飛躍。“分散控制”發(fā)展到“現(xiàn)場(chǎng)控制”；數(shù)據(jù)的傳輸采用“總線”方式。但是FCS與DCS的真正的區(qū)別在于FCS有更廣闊的發(fā)展空間。
2.2現(xiàn)場(chǎng)總線崛起的過(guò)程
80年代，微處理器及其相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得數(shù)據(jù)傳送環(huán)節(jié)成為DCS發(fā)展的瓶頸。1982年，現(xiàn)場(chǎng)總線的概念首先在歐洲提出，兩年后于1984年各國(guó)開(kāi)始進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定。1986年由Rosemount提出的通訊協(xié)議HART（HighwayAddressableRemoteTransducer,可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路），主要是在4－20mA的DC信號(hào)上疊加FSK（FrepuencyShiftKeying,頻率調(diào)制鍵控）數(shù)字信號(hào)，結(jié)果取得了很好的效果，同時(shí)Interbus等簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)總線也都取得了成功。這樣DSC的發(fā)展的重點(diǎn)落在了現(xiàn)場(chǎng)總線上，開(kāi)始了被稱為第五代過(guò)程控制體系（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）的時(shí)代。
FCS是從DCS發(fā)展而來(lái)，有一個(gè)量變到質(zhì)變的過(guò)程。從表面上來(lái)看，F(xiàn)CS與DCS區(qū)別僅僅在于從“分散控制”發(fā)展到“現(xiàn)場(chǎng)控制”；數(shù)據(jù)的傳輸從“點(diǎn)到點(diǎn)”采用“總線”方式。其實(shí)不然，當(dāng)時(shí)系統(tǒng)論的觀點(diǎn)已被廣泛地接受，人們開(kāi)始以大系統(tǒng)的概念來(lái)看待整個(gè)過(guò)程控制體系。系統(tǒng)的增大，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)的通訊技術(shù)急劇發(fā)展；于是科技界充分認(rèn)識(shí)到在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展中起過(guò)重要作用的總線技術(shù)可以大大地推進(jìn)控制系統(tǒng)的發(fā)展。整個(gè)控制系統(tǒng)就象是一臺(tái)巨大的“計(jì)算機(jī)”按總線方式運(yùn)行，這樣資源的共享成了FCS的主要發(fā)展空間，于是現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)運(yùn)而生，并且以前所未有的激烈程度展開(kāi)了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。
2.3現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)基礎(chǔ)：
現(xiàn)場(chǎng)總線以數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)，在3C技術(shù)即計(jì)算機(jī)（Computer）、控制（Control）、通信（Communication）的基礎(chǔ)上，大量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與控制的信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，一大批數(shù)字化、智能化的高新技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)以嶄新的面貌呈現(xiàn)在廣大用戶面前。一般認(rèn)為“現(xiàn)場(chǎng)總線是一種全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，是用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工業(yè)總線。按照國(guó)際電工委員會(huì)IEC61158的標(biāo)準(zhǔn)定義：“安裝在制造和過(guò)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)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線。
從現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem）的角度來(lái)看，它的通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將是ISO的通訊模型的七層結(jié)構(gòu)（一般簡(jiǎn)化為三層，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層）。
2.4各種現(xiàn)場(chǎng)總線與標(biāo)準(zhǔn)
2.4.1IEC1984年提出現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的草案。1993年才通過(guò)了物理層的標(biāo)準(zhǔn)IEC1158－2。
2.4.2SP50IEC/ISASP50國(guó)際總線規(guī)范由Honeywell等公司共同開(kāi)發(fā)。1984年美國(guó)儀表協(xié)會(huì)ISA（InstrumentSocietyofAmerica）下屬的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施（StandardandPractice）第50組，簡(jiǎn)稱ISA/SP50開(kāi)始制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，1992年IEC批準(zhǔn)了SP50的物理層標(biāo)準(zhǔn)。
2.4.3Profibus,過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線，1987年德國(guó)聯(lián)邦科技部集中了Siemens等13家公司的5個(gè)研究所成立了一個(gè)專門(mén)委員會(huì)開(kāi)始制定Profibus。1991年4月完成了制定工作，在DIN19245中發(fā)表，對(duì)其進(jìn)行了論述從而正式為德國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在是歐洲標(biāo)準(zhǔn)prENS50170的三個(gè)組成部分之一。被工業(yè)界稱為“德國(guó)派”。
2.4.4ISP和ISPF1992年由Siemens,Foxboro,Rosemount,Fisher,Yokogawa,ABB等公司成立ISP組織（InteroperableSystemProject,可互操作系統(tǒng)規(guī)劃），是一個(gè)以Profibus為基礎(chǔ)制定的現(xiàn)場(chǎng)總線，1993年成立ISPF（ISPFoundation,ISP基金會(huì)）。
2.4.5WorldFIP工廠儀表世界協(xié)議，1993年由Honeywell,Bailey等公司牽頭成立FIP（FactoryInstrumentationProtocol），120家公司加盟，以法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)46－602/603/604/606為基礎(chǔ)制定.該標(biāo)準(zhǔn)與德國(guó)的Profibus同時(shí)在歐洲投票通過(guò)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)prEN50170,成為三個(gè)組成部分之一。被工業(yè)界稱為“法國(guó)派”。
2.4.6FF（FielbdusFoundation,現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)）1994年6月ISPF和WorldFIP握手言和成立了FF，總部設(shè)在美國(guó)Texas州的Austin，有會(huì)員120家，它是一個(gè)非商業(yè)化的公正的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和協(xié)會(huì)組織，無(wú)專利許可要求，供任何人使用（WorldFIP的歐洲部分在1995年3月才參加）。低速總線H1已進(jìn)入實(shí)用階段。FF發(fā)展的主要障礙來(lái)自Profibus的商業(yè)利益。
評(píng)論