現場(chǎng)總線(xiàn)與工廠(chǎng)底層自動(dòng)化及信息集成技術(shù)

1．現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

1.1 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)概念

根據國際電工委員會(huì )IEC1158定義，現場(chǎng)總線(xiàn)（Fieldbus）是"安裝在生產(chǎn)過(guò)程區域的現場(chǎng)設備/儀表與控制室內的自動(dòng)控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、多點(diǎn)通信的數據總線(xiàn)"?；蛘哒f(shuō)，現場(chǎng)總線(xiàn)是以單個(gè)分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，用總線(xiàn)相連接，實(shí)現相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò )系統與控制系統。其中，"生產(chǎn)過(guò)程"應包括斷續生產(chǎn)過(guò)程和連續生產(chǎn)過(guò)程兩類(lèi)?，F場(chǎng)設備/儀表指位于現場(chǎng)層的傳感器、驅動(dòng)器、執行機構等設備。因此，現場(chǎng)總線(xiàn)是面向工廠(chǎng)底層自動(dòng)化及信息集成的數字化網(wǎng)絡(luò )技術(shù)?；谶@項技術(shù)的自動(dòng)化系統稱(chēng)為FCS（Fieldbus Control System）。

1.2 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的主要特點(diǎn)
1.2.1 數字化通信取代4-20mA模擬信號：傳統技術(shù)，現場(chǎng)層設備與控制器之間的連接是一對一（一個(gè)I/O點(diǎn)對設備的一個(gè)測控點(diǎn)）所謂 I/O接線(xiàn)方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開(kāi)關(guān)量信息）信號。應用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)可用一條通信電纜將控制器與現場(chǎng)設備（智能化、帶有通信接口）連接，使用數字化通信完成底層設備通信及控制要求。

1.2.2 現場(chǎng)設備智能化：應用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，要求現場(chǎng)設備（傳感器、驅動(dòng)器、執行機構等設備）是帶有串行通信接口的智能化（可編程或可參數化）設備。因此，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)以計算機大規模集成電路的發(fā)展為基礎。

1.2.3 集現場(chǎng)設備的遠程控制、參數化及故障診斷為一體：現場(chǎng)總線(xiàn)采用計算機數字化通信技術(shù)連接智能化現場(chǎng)設備，因此，控制器可從現場(chǎng)設備獲取大量豐富信息，可實(shí)現設備狀態(tài)、故障、參數信息傳送，可完成設備遠程控制、參數化及故障診斷工作。

1.2.4 現場(chǎng)總線(xiàn)是計算機網(wǎng)絡(luò )通信向現場(chǎng)級的延伸：傳統的現場(chǎng)層設備與控制器之間的通信采用一對一連線(xiàn)的方式，傳輸4-20mA/24VDC信號。這種通信技術(shù)信息量有限，難以實(shí)現設備之間及系統與外界之間的信息交換，使自控系統成為工廠(chǎng)中的"信息孤島"，嚴重制約了企業(yè)信息集成及企業(yè)綜合自動(dòng)化的實(shí)現?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)采用計算機數字化通信技術(shù)，使自控系統與設備加入工廠(chǎng)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)現場(chǎng)。

1.2.5 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是實(shí)現工廠(chǎng)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它的支撐技術(shù)-計算機網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題就必須得到很好的解決?，F場(chǎng)總線(xiàn)是工廠(chǎng)計算機網(wǎng)絡(luò )到現場(chǎng)級設備的延伸，是支撐現場(chǎng)級與車(chē)間級信息集成的技術(shù)基礎。

1.3 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展及標準
1.3.1 國內外現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、產(chǎn)品發(fā)展迅速
國際上現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及產(chǎn)品、系統發(fā)展迅速。以現場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS為例，目前支持PROFIBUS標準的產(chǎn)品超過(guò)1500多種，分別來(lái)自國際上250多個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家。在世界范圍內已安裝運行的PROFIBUS設備已超過(guò)200萬(wàn)臺，年增長(cháng)率25%。由CONSULTIC提供的現場(chǎng)總線(xiàn)系統FBS（FBS：由十個(gè)以上設備組成的現場(chǎng)總線(xiàn)系統）市場(chǎng)調查表明（在歐洲市場(chǎng)，1996年）：已安裝的FBS為427500套，新增FBS數量為146400?，F場(chǎng)總線(xiàn)系統占整個(gè)自動(dòng)化系統市場(chǎng)份額平均為25%。目前國際著(zhù)名自動(dòng)化、儀表、電器制造商均有現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品及系統，如羅克威爾、西門(mén)子、施耐得、羅斯蒙特、霍尼威爾、橫河等。

1.3.2 現場(chǎng)總線(xiàn)沒(méi)有形成統一的國際標準
現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)得以實(shí)現的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，是要在自動(dòng)化行業(yè)中形成一個(gè)制造商們共同遵守的現場(chǎng)總線(xiàn)通信協(xié)議技術(shù)標準。國際上著(zhù)名自動(dòng)化產(chǎn)品及現場(chǎng)設備生產(chǎn)廠(chǎng)家，意識到現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是未來(lái)發(fā)展方向，紛紛結成企業(yè)聯(lián)盟，推出自己的總線(xiàn)標準及產(chǎn)品，在市場(chǎng)上培養用戶(hù)、擴大影響，并積極支持國際標準組織制定現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準。能否使自己總線(xiàn)技術(shù)標準在未來(lái)國際標準中占有較大比例成份，關(guān)系到該公司相關(guān)產(chǎn)品前途、用戶(hù)的信任及企業(yè)的名譽(yù)。而歷史經(jīng)驗證明：國際標準都是采用一個(gè)或幾個(gè)市場(chǎng)上最成功的技術(shù)為基礎。因此，各大國際公司在制定現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準中的竟爭，體現了各公司在技術(shù)領(lǐng)先地位上的競爭，而其最終還是要歸結到市場(chǎng)實(shí)力的競爭。

據說(shuō)目前國際上現有各種總線(xiàn)及總線(xiàn)標準不下二百多種。具有一定影響和已占有一定市場(chǎng)份額的總線(xiàn)有如下幾種：

PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)：
1996年3月15日批準為歐洲標準，即DIN 50170 V.2。PROFIBUS產(chǎn)品在世界市場(chǎng)上已被普遍接受，市場(chǎng)份額占歐洲首位，年增長(cháng)率25%。目前支持PROFIBUS標準的產(chǎn)品超過(guò)1500多種，分別來(lái)自國際上250多個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家。在世界范圍內已安裝運行的PROFIBUS設備已超過(guò)200萬(wàn)臺，到1998年5月，適用于過(guò)程自動(dòng)化的PROFIBUS-PA儀表設備在19個(gè)國家的40個(gè)用戶(hù)廠(chǎng)家投入現場(chǎng)運行。

1989年12月，自愿在其產(chǎn)品中采用PROFIBUS標準的企業(yè)組成用戶(hù)組織（PNO），1995年成立PROFIBUS國際組織（PI）。目前，PI在20個(gè)國家和地區有地區性組織，會(huì )員超過(guò)800家。1997年7月組建了中國現場(chǎng)總線(xiàn)（PROFIBUS）專(zhuān)業(yè)委員會(huì )，并建立現場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS產(chǎn)品演示及認證的實(shí)驗室。PROFIBUS主要應用領(lǐng)域有：制造業(yè)自動(dòng)化、過(guò)程控制自動(dòng)化、電力自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、鐵路交通信號系統。

FF現場(chǎng)總線(xiàn)：
1994年由ISP 基金會(huì )和World FIP(北美)兩大集團合并成立FF基金會(huì )，其宗旨在于開(kāi)發(fā)出符合IEC和ISO標準的、唯一的國際現場(chǎng)總線(xiàn)（Fundation Fieldbus）。低速總線(xiàn)（H1）協(xié)議已于1996年發(fā)表。1997年5月建立了中國現場(chǎng)總線(xiàn)（FF）專(zhuān)業(yè)委員會(huì )，并籌建FF現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品認證中心。FF現場(chǎng)總線(xiàn)的應用領(lǐng)域以過(guò)程自動(dòng)化為主。如：化工、電力廠(chǎng)實(shí)驗系統、廢水處理、油田等行業(yè)。