現場(chǎng)總線(xiàn)基礎知識講座

現場(chǎng)總線(xiàn)（Fieldbus）是80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的，用于過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現場(chǎng)智能設備互連通訊網(wǎng)絡(luò )。它作為工廠(chǎng)數字通信網(wǎng)絡(luò )的基礎，溝通了生產(chǎn)過(guò)程現場(chǎng)及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò )，而且還是一種開(kāi)放式、新型全分布控制系統。這項以智能傳感、控制、計算機、數字通訊等技術(shù)為主要內容的綜合技術(shù)，已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注，成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，并將導致自動(dòng)化系統結構與設備的深刻變革。國際上許多實(shí)力、有影響的公司都先后在不同程度上進(jìn)行了現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)與產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。現場(chǎng)總線(xiàn)設備的工作環(huán)境處于過(guò)程設備的底層，作為工廠(chǎng)設備級基礎通訊網(wǎng)絡(luò )，要求具有協(xié)議簡(jiǎn)單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點(diǎn) :具有一定的時(shí)間確定性和較高的實(shí)時(shí)性要求,還具有網(wǎng)絡(luò )負載穩定，多數為短幀傳送、信息交換頻繁等特點(diǎn)。由于上述特點(diǎn)，現場(chǎng)總線(xiàn)系統從網(wǎng)絡(luò )結構到通訊技術(shù)，都具有不同上層高速數據通信網(wǎng)的特色。

一般把現場(chǎng)總線(xiàn)系統稱(chēng)為第五代控制系統，也稱(chēng)作FCS——現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統。人們一般把50年代前的氣動(dòng)信號控制系統PCS稱(chēng)作第一代，把4～20mA等電動(dòng)模擬信號控制系統稱(chēng)為第二代，把數字計算機集中式控制系統稱(chēng)為第三代，而把70年代中期以來(lái)的集散式分布控制系統DCS稱(chēng)作第四代?，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS作為新一代控制系統，一方面，突破了DCS系統采用通信專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )的局限，采用了基于公開(kāi)化、標準化的解決方案，克服了封閉系統所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場(chǎng)?？梢哉f(shuō)，開(kāi)放性、分散性與數字通訊是現場(chǎng)總線(xiàn)系統最顯著(zhù)的特征。

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在歷經(jīng)了群雄并起，分散割據的初始階段后，盡管已有一定范圍的磋商合并，但至今尚未形成完整統一的國際標準。其中有較強實(shí)力和影響的有 :FoudationFieldbus（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。它們具有各自的特色，在不同應用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢。本文將在簡(jiǎn)要描述現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)特點(diǎn)的基礎，緊扣系統的可靠性、實(shí)用性等，介紹現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結構、體系結構等關(guān)鍵技術(shù)及目前較為流行的幾種有實(shí)力的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的現狀，最后闡述現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展趨勢與技術(shù)展望。

一、現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)

1、系統的開(kāi)放性。開(kāi)放系統是指通信協(xié)議公開(kāi)，各不同廠(chǎng)家的設備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現信息交換，現場(chǎng)總線(xiàn)開(kāi)發(fā)者就是要致力于建立統一的工廠(chǎng)底層網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)放系統。這里的開(kāi)放是指對相關(guān)標準的一致、公開(kāi)性，強調對標準的共識與遵從。一個(gè)開(kāi)放系統，它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。一個(gè)具有總線(xiàn)功能的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統必須是開(kāi)放的，開(kāi)放系統把系統集成的權利交給了用戶(hù)。用戶(hù)可按自己的需要和對象把來(lái)自不同供應商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統。

2、互可操作性與互用性，這里的互可操作性，是指實(shí)現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通，可實(shí)行點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)的數字通信。而互用性則意味著(zhù)不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的性能類(lèi)似的設備可進(jìn)行互換而實(shí)現互用。

3、現場(chǎng)設備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場(chǎng)設備中完成，僅靠現場(chǎng)設備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設備的運行狀態(tài)。

4、系統結構的高度分散性。由于現場(chǎng)設備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能，使得現場(chǎng)總線(xiàn)已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構。從根本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡(jiǎn)化了系統結構，提高了可靠性。

5、對現場(chǎng)環(huán)境的適應性。工作在現場(chǎng)設備前端，作為工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )底層的現場(chǎng)總線(xiàn)，是專(zhuān)為在現場(chǎng)環(huán)境工作而設計的，它可支持雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線(xiàn)、電力線(xiàn)等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線(xiàn)制實(shí)現送電與通信，并可滿(mǎn)足本質(zhì)安全防爆要求等。

二、現場(chǎng)總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)

由于現場(chǎng)總線(xiàn)的以上特點(diǎn)，特別是現場(chǎng)總線(xiàn)系統結構的簡(jiǎn)化，使控制系統的設計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護，都體現出優(yōu)越性。

1、節省硬件數量與投資。由于現場(chǎng)總線(xiàn)系統中分散在設備前端的智能設備能直接執行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統的信號調理、轉換、隔離技術(shù)等功能單元及其復雜接線(xiàn)，還可以用工控PC機作為操作站，從而節省了一大筆硬件投資，由于控制設備的減少，還可減少控制室的占地面積。

2、節省安裝費用?，F場(chǎng)總線(xiàn)系統的接線(xiàn)十分簡(jiǎn)單，由于一對雙絞線(xiàn)或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線(xiàn)設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場(chǎng)控制設備時(shí)，無(wú)需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。據有關(guān)典型試驗工程的測算資料，可節約安裝費用60%以上。

3、節省維護開(kāi)銷(xiāo)。由于現場(chǎng)控制設備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過(guò)數字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室，用戶(hù)可以查詢(xún)所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除?？s短了維護停工時(shí)間，同時(shí)由于系統結構簡(jiǎn)化，連線(xiàn)簡(jiǎn)單而減少了維護工作量。

4、用戶(hù)具有高度的系統集成主動(dòng)權。用戶(hù)可以自由選擇不同廠(chǎng)商所提供的設備來(lái)集成系統。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品被“框死”了設備的選擇范圍，不會(huì )為系統集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統集成過(guò)程中的主動(dòng)權完全掌握在用戶(hù)手中。

5、提高了系統的準確性與可靠性。由于現場(chǎng)總線(xiàn)設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統的結構簡(jiǎn)化，設備與連線(xiàn)減少，現場(chǎng)儀表內部功能加強:減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。此外，由于它的設備標準化和功能模塊化，因而還具有設計簡(jiǎn)單，易于重構等優(yōu)點(diǎn)。