水工業(yè)現(xiàn)場總線技術的發(fā)展與應用
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在計算機自動控制系統(tǒng)急速發(fā)展的今天，特別是考慮到現(xiàn)場總線已經普遍地滲透到自動控制的各個領域的現(xiàn)實，現(xiàn)場總線必將成為電工自動控制領域主要的發(fā)展方向之一。現(xiàn)場總線技術一直是國際上各大公司激烈競爭的領域；并且國外大公司已經在大力拓展中國市場，發(fā)展我國的現(xiàn)場總線產品已經刻不容緩?，F(xiàn)場總線對自動化技術的影響意義深遠。當今可以認為現(xiàn)場總線是提高自動化系統(tǒng)整體水平的基礎技術，對國民經濟影響重大。因此，要在自動化領域中推廣應用和發(fā)展現(xiàn)場總線。
現(xiàn)場總線是近年來自動化領域中發(fā)展很快的互連通信網絡，具有協(xié)議簡單開放、容錯能力強、實時性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點。目前，國際上各種各樣的現(xiàn)場總線有幾百種之多，統(tǒng)一的國際標準尚未建立。較著名的有基金會現(xiàn)場總線（FF）、HART現(xiàn)場總線、CAN現(xiàn)場總線、LONWORKS現(xiàn)場總線、PROFIBUS現(xiàn)場總線、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、AS－INTERFACE總線等。
自動化控制系統(tǒng)就是通信網絡把眾多的帶有通信接口的控制設備、檢測元件、執(zhí)行器件與主計算機連接起來，由計算機進行智能化管理，實現(xiàn)集中數據處理、集中監(jiān)控、集中分析和集中調度的新型生產過程控制系統(tǒng)。
從目前國內外自動化控制系統(tǒng)所應用的現(xiàn)場總線來看，主要有PROFIBUS、MODBUS、LONWORKS、FF、HART、CAN等現(xiàn)場總線。以上系統(tǒng)基本上都是采用單一的現(xiàn)場總線技術，即整個自動化控制系統(tǒng)中只采用一種現(xiàn)場總線，整個系統(tǒng)構造比較單一。
現(xiàn)場總線已不僅僅是一個新技術領域或新技術問題，在研究它的同時，我們發(fā)現(xiàn)它已經改變了我們的觀念；如何去看待現(xiàn)場總線，要比研究它的技術細節(jié)更為重要。
1.1現(xiàn)場總線是一個巨大的商業(yè)機會
一項權威報告聲稱現(xiàn)場總線的應用將使控制系統(tǒng)的成本下降67％；巨大的商業(yè)利益直接導致產生一個巨大的市場，并且促使傳統(tǒng)市場萎縮，從而引發(fā)技術進步。這些對于我們行業(yè)來說都很重要，因為我們正處在新舊市場交替的關口。
1.2.現(xiàn)場總線是一場技術革命
現(xiàn)場總線帶來了觀念的變化，我們以往開發(fā)新產品，往往只注意產品本身的性能指標，對于新產品與其它相關產品的關聯(lián)就考慮比較少一點。這樣對于電工行業(yè)這樣一個比較保守的行業(yè)來說，新產品就不那么容易地被用戶接收。而現(xiàn)場總線產品卻恰恰相反，它是一個由用戶利益驅動的市場，用戶對新產品應用的積極性比生產商更高。然而，現(xiàn)場總線新產品的開發(fā)也與傳統(tǒng)產品不同；它是從系統(tǒng)構成的技術角度來看問題，它注重的是系統(tǒng)整體性能的提高，不強求局部最優(yōu)，而是整體的配合。這種配合在主控計算機軟件運行下能使控制系統(tǒng)應用新的理論來發(fā)揮最大的效能；這一點是傳統(tǒng)產品很難做到的?，F(xiàn)場總線的“負跨越（指在技術水平提高的同時，掌握和應用這項新技術的難度卻降低了）”的特性使它的推廣更加容易。
2.現(xiàn)場總線的發(fā)展
2.1自動控制領域的發(fā)展過程
2.1.150多年前第一代過程控制體系是基于5－13psi的氣動信號標準（氣動控制系統(tǒng)PCS，PneumaticControlSystem）。簡單的就地操作模式，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，這一明顯的進步，在整整25年內牢牢地統(tǒng)治了整個自動控制領域。它表征了電氣自動控制時代的到來?？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；控制室的設立，控制功能分離的模式一直沿用至今。
2.1.3第三代過程控制體系（CCS，ComputerControlSystem）.70年代開始了數字計算機的應用，產生了巨大的技術優(yōu)勢，人們在測量，模擬和邏輯控制領域率先使用，從而產生了第三代過程控制體系（CCS，ComputerControlSystem）。這個被稱為第三代過程控制體系是自動控制領域的一次革命，它充分發(fā)揮了計算機的特長，于是人們普遍認為計算機能做好一切事情，自然而然地產生了被稱為“集中控制”的中央控制計算機系統(tǒng)，需要指出的是系統(tǒng)的信號傳輸系統(tǒng)依然是大部分沿用4－20mA的模擬信號，但是時隔不久人們發(fā)現(xiàn)，隨著控制的集中和可靠性方面的問題，失控的危險也集中了，稍有不慎就會使整個系統(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第四代過程控制體系（DCS，DistributedControlSystem分布式控制系統(tǒng)）：隨著半導體制造技術的飛速發(fā)展，微處理器的普遍使用，計算機技術可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代過程控制體系（DCS，或分布式數字控制系統(tǒng)），它主要特點是整個控制系統(tǒng)不再是僅僅具有一臺計算機，而是由幾臺計算機和一些智能儀表和智能部件構成一個了控制系統(tǒng)。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一個重要的發(fā)展是它們之間的信號傳遞也不僅僅依賴于4－20mA的模擬信號，而逐漸地以數字信號來取代模擬信號。
2.1.5第五代過程控制體系（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）：FCS是從DCS發(fā)展而來，就象DCS從CCS發(fā)展過來一樣，有了質的飛躍?！胺稚⒖刂啤卑l(fā)展到“現(xiàn)場控制”；數據的傳輸采用“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)場總線崛起的過程
80年代，微處理器及其相關技術的不斷發(fā)展，使得數據傳送環(huán)節(jié)成為DCS發(fā)展的瓶頸。1982年，現(xiàn)場總線的概念首先在歐洲提出，兩年后于1984年各國開始進行現(xiàn)場總線標準的研究和制定。1986年由Rosemount提出的通訊協(xié)議HART（HighwayAddressableRemoteTransducer,可尋址遠程傳感器數據通路），主要是在4－20mA的DC信號上疊加FSK（FrepuencyShiftKeying,頻率調制鍵控）數字信號，結果取得了很好的效果，同時Interbus等簡單的現(xiàn)場總線也都取得了成功。這樣DSC的發(fā)展的重點落在了現(xiàn)場總線上，開始了被稱為第五代過程控制體系（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）的時代。
FCS是從DCS發(fā)展而來，有一個量變到質變的過程。從表面上來看，F(xiàn)CS與DCS區(qū)別僅僅在于從“分散控制”發(fā)展到“現(xiàn)場控制”；數據的傳輸從“點到點”采用“總線”方式。其實不然，當時系統(tǒng)論的觀點已被廣泛地接受，人們開始以大系統(tǒng)的概念來看待整個過程控制體系。系統(tǒng)的增大，導致了網絡的通訊技術急劇發(fā)展；于是科技界充分認識到在計算機系統(tǒng)的發(fā)展中起過重要作用的總線技術可以大大地推進控制系統(tǒng)的發(fā)展。整個控制系統(tǒng)就象是一臺巨大的“計算機”按總線方式運行，這樣資源的共享成了FCS的主要發(fā)展空間，于是現(xiàn)場總線應運而生，并且以前所未有的激烈程度展開了市場競爭。
2.3現(xiàn)場總線的技術基礎：
現(xiàn)場總線以數字信號取代模擬信號，在3C技術即計算機（Computer）、控制（Control）、通信（Communication）的基礎上，大量現(xiàn)場檢測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)場設備，一大批數字化、智能化的高新技術產品應運而生，自動化儀表與控制系統(tǒng)以嶄新的面貌呈現(xiàn)在廣大用戶面前。一般認為“現(xiàn)場總線是一種全數字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，是用于工業(yè)控制的計算機系統(tǒng)的工業(yè)總線。按照國際電工委員會IEC61158的標準定義：“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線稱為現(xiàn)場總線。
從現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem）的角度來看，它的通訊網絡結構將是ISO的通訊模型的七層結構（一般簡化為三層，物理層、數據鏈路層、應用層）。
2.4各種現(xiàn)場總線與標準
2.4.1IEC1984年提出現(xiàn)場總線國際標準的草案。1993年才通過了物理層的標準IEC1158－2。
2.4.2SP50IEC/ISASP50國際總線規(guī)范由Honeywell等公司共同開發(fā)。1984年美國儀表協(xié)會ISA（InstrumentSocietyofAmerica）下屬的標準實施（StandardandPractice）第50組，簡稱ISA/SP50開始制定現(xiàn)場總線標準，1992年IEC批準了SP50的物理層標準。
2.4.3Profibus,過程現(xiàn)場總線，1987年德國聯(lián)邦科技部集中了Siemens等13家公司的5個研究所成立了一個專門委員會開始制定Profibus。1991年4月完成了制定工作，在DIN19245中發(fā)表，對其進行了論述從而正式為德國現(xiàn)場總線的國家標準，現(xiàn)在是歐洲標準prENS50170的三個組成部分之一。被工業(yè)界稱為“德國派”。
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），是一個以Profibus為基礎制定的現(xiàn)場總線，1993年成立ISPF（ISPFoundation,ISP基金會）。
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，以法國標準46－602/603/604/606為基礎制定.該標準與德國的Profibus同時在歐洲投票通過為歐洲標準prEN50170,成為三個組成部分之一。被工業(yè)界稱為“法國派”。
2.4.6FF（FielbdusFoundation,現(xiàn)場總線基金會）1994年6月ISPF和WorldFIP握手言和成立了FF，總部設在美國Texas州的Austin，有會員120家，它是一個非商業(yè)化的公正的國際標準化組織和協(xié)會組織，無專利許可要求，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已進入實用階段。FF發(fā)展的主要障礙來自Profibus的商業(yè)利益。
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