現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)與現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統

七十年代以前，控制系統中采用模擬量對傳輸及控制信號進(jìn)行轉換、傳遞，其精度差、受干擾信號影響大，因而整個(gè)控制系統的控制效果及系統穩定性都很差。七十年代末，隨著(zhù)大規模集成電路的出現，微處理器技術(shù)得到很大發(fā)展。微處理器功能強、體積小、可靠性高、通過(guò)適當的接口電路用于控制系統，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。隨著(zhù)過(guò)程控制技術(shù)、自動(dòng)化儀表技術(shù)和計算機網(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。這次變革使傳統的控制系統（如集散控制系統）無(wú)論在結構上還是在性能上都發(fā)生了巨大的飛躍，這次變革的基礎就是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的產(chǎn)生。

現場(chǎng)總線(xiàn)是連接現場(chǎng)智能設備和自動(dòng)化控制設備的雙向串行、數字式、多節點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò )，它也被稱(chēng)為現場(chǎng)底層設備控制網(wǎng)絡(luò )（INFRANET）。80年代以來(lái)，各種現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)開(kāi)始出現，人們要求對傳統的模擬儀表和控制系統變革的呼聲也越來(lái)越高，從而使現場(chǎng)總線(xiàn)成為一次世界性的技術(shù)變革浪潮。美國儀表協(xié)會(huì )(ISA)于1984年開(kāi)始制訂現場(chǎng)總線(xiàn)標準，在歐洲有德國的PROFIBUS和法國的FIP等，各種現場(chǎng)總線(xiàn)標準陸續形成。其中主要的有：基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)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(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS（Process Field Bus）和HART協(xié)議(Highway Addressable Remote Transducer)等。但是不論如何，制定單一的開(kāi)放國際現場(chǎng)總線(xiàn)標準是發(fā)展的必然。

2.現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及其特點(diǎn)

現場(chǎng)總線(xiàn)是當今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)?，F有的多數現場(chǎng)設備，為提高其性能價(jià)格比，在實(shí)現其內部操作時(shí)都采用了微處理器和數字化元件，于是就提出了必須在這些領(lǐng)域的數字設備之間實(shí)現數字通信的要求。

現場(chǎng)總線(xiàn)是連接智能現場(chǎng)設備和自動(dòng)化系統的全數字、雙向、多站的通信系統。主要解決工業(yè)現場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場(chǎng)設備間的數字通信以及這些現場(chǎng)控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問(wèn)題。它綜合了數字通信技術(shù)、計算機技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段，從根本上突破了傳統的“點(diǎn)對點(diǎn)”式的模擬信號或數字一模擬信號控制的局限性，構成一種全分散、全數字化、智能、雙向、互連的通信與控制系統?，F場(chǎng)總線(xiàn)則是連接智能現場(chǎng)設備和自動(dòng)化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡(luò )，其基礎是智能儀表。分散在各個(gè)工業(yè)現場(chǎng)的智能儀表通過(guò)數字現場(chǎng)總線(xiàn)連為一體，并與控制室中的控制器和監視器一起共同構成現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FSC。通過(guò)遵循一定的國際標準，可以將不同廠(chǎng)商的現場(chǎng)總線(xiàn)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DCS的控制功能進(jìn)一步下放到現場(chǎng)智能儀表，由現場(chǎng)智能儀表完成數據采集、數據處理、控制運算和數據輸出等功能?，F場(chǎng)儀表的數據（包括采集的數據和診斷數據）通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)傳到控制室的控制設備上，控制室的控制設備用來(lái)監視各個(gè)現場(chǎng)儀表的運行狀態(tài)，保存各智能儀表上傳的數據，同時(shí)完成少量現場(chǎng)儀表無(wú)法完成的高級控制功能。另外，FCS還可通過(guò)網(wǎng)關(guān)和企業(yè)的上級管理網(wǎng)絡(luò )相連，以便企業(yè)管理者掌握第一手資料，為決策提供依據。所以現場(chǎng)總線(xiàn)具有以下突出特點(diǎn)：

2.1開(kāi)放性
　 現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）采用公開(kāi)化的通信協(xié)議，遵守同一通信標準的不同廠(chǎng)商的設備之間可以互連及實(shí)現信息交換。用戶(hù)可以靈活選用不同廠(chǎng)商的現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品來(lái)組成實(shí)際的控制系統，達到最佳的系統集成。

2.2　互操作性
互操作性是指不同廠(chǎng)商的控制設備不僅可以互相通信，而且可以統一組態(tài)，實(shí)現同一的控制策略和“即插即用”，不同廠(chǎng)商的性能相同的設備可以互換。

2.3　靈活的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構
　　現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統可以根據復雜的現場(chǎng)情況組成不同的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，如樹(shù)型、星型、總線(xiàn)型和層次化網(wǎng)絡(luò )結構等。

　2.4　系統結構的高度分散性
　 現場(chǎng)設備本身屬于智能化設備，具有獨立自動(dòng)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，實(shí)現了控制功能的徹底分散，提高了控制系統的可靠性，簡(jiǎn)化了控制系統的結構?，F場(chǎng)總線(xiàn)與上一級網(wǎng)絡(luò )斷開(kāi)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　現場(chǎng)設備的高度智能化
傳統的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場(chǎng)總線(xiàn)控制系統則將DCS的控制站功能徹底分散到現場(chǎng)控制設備，僅靠現場(chǎng)總線(xiàn)設備就可以實(shí)現自動(dòng)控制的基本功能，如數據采集與補償、PID運算和控制、設備自校驗和自診斷等功能。系統的操作員可以在控制室實(shí)現遠程監控，設定或調整現場(chǎng)設備的運行參數,還能借助現場(chǎng)設備的自診斷功能對故障進(jìn)行定位和診斷。

2.6　對環(huán)境的高度適應性
　 現場(chǎng)總線(xiàn)是專(zhuān)為工業(yè)現場(chǎng)設計的，它可以使用雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纜和無(wú)線(xiàn)的方式來(lái)傳送數據，具有很強的抗干擾能力。常用的數據傳輸線(xiàn)是廉價(jià)的雙絞線(xiàn)，并允許現場(chǎng)設各利用數據通信線(xiàn)進(jìn)行供電，還能滿(mǎn)足本質(zhì)安全防爆要求。

3.主要現場(chǎng)總線(xiàn)簡(jiǎn)介

3.1基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)（Foundation Fieldbus）
　 基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)是由現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )推出。與私有的網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)協(xié)議不同，FF總線(xiàn)不附屬于任何一個(gè)企業(yè)或國家。其總線(xiàn)體系結構是參照、ISO的OSI模型中物理層、數據鏈路層和應用層，并增加了用戶(hù)層而建立起來(lái)的通信模型。FF得到了世界上幾乎所有的著(zhù)名儀表制造商的支持，同時(shí)遵守IEC的協(xié)議規劃，與IEC的現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準和草案基本-致，加上它在技術(shù)上的優(yōu)勢，所以極有希望成為將來(lái)的主要國際標準。

FF總線(xiàn)提供了Hl和H2兩種物理層標準。Hl是用于過(guò)程控制的低速總線(xiàn)，傳輸速率為31.25Kbps，傳輸距離為200m、450m、1200m、1900m四種（加中繼器可以延長(cháng)），可用總線(xiàn)供電，支持本質(zhì)安全設備和非本質(zhì)安全總線(xiàn)設備。H2為高速總線(xiàn)，其傳輸速率為1Mbps（此時(shí)傳輸距離為750m）或2.5bps（此時(shí)傳輸距離為為500m）。H1和H2每段節點(diǎn)數可達32個(gè)，使用中繼器后可達240個(gè)，Hl和H2可通過(guò)網(wǎng)橋互連。FF的突出特點(diǎn)在于設備的互操作性、改善的過(guò)程數據、更早的預測維護及可靠的安全性。

3.2　過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)Profibus
Profibus由Siemens公司提出并極力倡導，己先后成為德國國家標DIN19245和歐洲標準EN50170，是一種開(kāi)放而獨立的總線(xiàn)標準，在機械制造、工業(yè)過(guò)程控制、智能建筑中充當通信網(wǎng)絡(luò )。Profibus由Profibus-PA、Profibus-DP和 Profibus-FMS三個(gè)系列組成。Profibus-PA （Process Automation）用于過(guò)程自動(dòng)化的低速數據傳輸，其基本特性同FF的H1總線(xiàn)，可以提供總線(xiàn)供電和本質(zhì)安全，并得到了專(zhuān)用集成電路（ASIC）和軟件的支持。Profibus-DP與Profibus-PA兼容，基本特性同FF的H2總線(xiàn)，可實(shí)現高速傳輸，適用于分散的外部設備和自控設備之間的高速數據傳輸，連接Profibus-PA和加工自動(dòng)化。Profibus-FMS適用于一般自動(dòng)化的中速數據傳輸，主要用于傳感器、執行器、電氣傳動(dòng)、PLC、紡織和樓宇自動(dòng)化等。后兩個(gè)系列采用RS485通信標準，傳輸速率從9.6kbps到12Mbps，傳輸距離從1200M到l00m（與傳輸速率有關(guān)）。介質(zhì)存取控制的基本方式為主站之間的令牌方式和主站與從站之間的主從方式，以及綜合這兩種方式的混合方式。Profibus是一種比較成熟的總線(xiàn)，在工程上的應用十分廣泛。

3.3 LonWorks

LonWorks技術(shù)是采用神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)技術(shù)，在ISO的OSI七層協(xié)議上實(shí)現的網(wǎng)絡(luò )控制技術(shù)，采用面向對象的編程方法，使用網(wǎng)絡(luò )變量或顯式消息進(jìn)行相互通信。

3.4CAN

控制器局域網(wǎng)（Controller area network 簡(jiǎn)稱(chēng)CAN）是德國B(niǎo)osch公司于1983年為汽車(chē)應用而開(kāi)發(fā)的。它的基本設計規范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性。而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。在汽車(chē)制造業(yè)以及航空工業(yè)中受到廣泛應用。www.diangon.com

3.5　HART總線(xiàn)　　

HART協(xié)議是由Rosemount公司于1986年提出的通信協(xié)議。它是用于現場(chǎng)智能儀表和控制室設備間通信的一種協(xié)議。它包括ISO/OSI模型的物理層、數據鏈路層和應用層。HART通信可以有點(diǎn)對點(diǎn)或多點(diǎn)連接模式。這種協(xié)議是可尋址遠程傳感器高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議，其特點(diǎn)是在現有模擬信號傳輸線(xiàn)上實(shí)現數字信號通信，屬于模擬系統向數字系統轉變過(guò)程中的過(guò)渡產(chǎn)品，因而在當前的過(guò)渡時(shí)期具有較強市場(chǎng)競爭力，在智能儀表市場(chǎng)上占有很大的份額。

4、FCS控制系統

傳統的計算機控制系統一般采用DCS結構。在DCS中，對現場(chǎng)信號需要進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的連接，并且I/O端子與PLC或自動(dòng)化儀表一起被放在控制柜中，而不是放在現場(chǎng)。這就需要鋪設大量的信號傳輸電纜，布線(xiàn)復雜，既費料又費時(shí)，信號容易衰減并容易被干擾，而且又不便維護。DCS一般由操作員站、控制站等組成，結構復雜，成本高。而且DCS不是開(kāi)放系統，互操作性差，難以實(shí)現數據共享。而基于PC的FCS則完全克服了這些缺點(diǎn)。

（1）在FCS中，所有的I/O模塊均放在工業(yè)現場(chǎng)，而且所有的信號通過(guò)分布式智能I/O模塊在現場(chǎng)被轉換成標準數字信號，只需一根電纜就可把所有的現場(chǎng)子站連接起來(lái)，進(jìn)而把現場(chǎng)信號非常簡(jiǎn)捷地傳送到控制室監控設備上，降低了成本，又便于安裝和維護，同時(shí)數字化的數據傳輸使系統具有很高的傳輸速度和很強的抗干擾能力。

（2）FCS具有開(kāi)放性。在FCS中，軟件和硬件都遵從同樣的標準，互換性好，更新?lián)Q代容易。程序設計采用IEC1131-3五種國際標準編程語(yǔ)言，編程和開(kāi)發(fā)工具是完全開(kāi)放的，同時(shí)還可以利用PC豐富的軟硬件資源。

（3）系統的效率大為提高。在FCS中，一臺PC可同時(shí)完成原來(lái)要用兩臺設備才能完成的PLC和NC/CNC任務(wù)。在多任務(wù)的Windows NT操作系統下，PC中的軟PLC可以同時(shí)執行多達十幾個(gè)PLC任務(wù)，既提高了效率，又降低了成本。且PC上的PLC具有在線(xiàn)調試和仿真功能，極大地改善了編程環(huán)境。

在FCS中，系統的基本結構為：工控機或商用PC、現場(chǎng)總線(xiàn)主站接口卡、現場(chǎng)總線(xiàn)輸入/輸出模塊、PLC或NC/CNC實(shí)時(shí)多任務(wù)控制軟件包、組態(tài)軟件和應用軟件。上位機的主要功能包括系統組態(tài)、數據庫組態(tài)、歷史庫組態(tài)、圖形組態(tài)、控制算法組態(tài)、數據報表組態(tài)、實(shí)時(shí)數據顯示、歷史數據顯示、圖形顯示、參數列表、數據打印輸出、數據輸入及參數修改、控制運算調節、報警處理、故障處理、通信控制和人機接口等各個(gè)方面，并真正實(shí)現控制集中、危險分散、數據共享、完全開(kāi)放的控制要求。

5.結束語(yǔ)

當前，各種形式的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議并存于控制領(lǐng)域。在樓宇自控領(lǐng)域，Lonworks和CAN網(wǎng)絡(luò )具有一定的優(yōu)勢；在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域，主要有過(guò)渡型的HART協(xié)議、得到廣泛支持的FF現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議以及同樣較有競爭力的PROFIBUS協(xié)議。HART協(xié)議將是目前幾年內智能化儀表的主要通信協(xié)議；基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)是過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中較有前途的一種現場(chǎng)總線(xiàn)，得到許多自動(dòng)化儀表設備廠(chǎng)商的支持；由于Lonworks技術(shù)的開(kāi)放性，國內出現了利用它開(kāi)發(fā)控制系統的許多開(kāi)發(fā)商?？紤]到統一的開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議標準制定的長(cháng)期性和艱巨性，傳統DCS的退出將是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程。隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統將得到廣泛的使用。