現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)與計算機控制

1　引言
　　在計算機控制系統出現以后，工程實(shí)踐中廣泛使用模擬儀表系統中的傳感器、變送器和執行機構。其信號傳送一般采用4-20mA的電流信號形式，一個(gè)變送器或執行機構需要一對傳輸線(xiàn)來(lái)單向傳送一個(gè)模擬信號。這種傳輸方法使用的導線(xiàn)多，現場(chǎng)安裝及調試的工作量大，投資高，傳輸精度和抗干擾能力較低，不便維護。主控室的工作人員無(wú)法了解現場(chǎng)儀表的實(shí)際情況，不能對其進(jìn)行參數調整和故障診斷，所以處于最底層的模擬變送器和執行機構成了計算機控制系統中最薄弱的環(huán)節，即所謂DCS系統的發(fā)展瓶頸。現場(chǎng)總線(xiàn)正是在這種情況下應運而生。

　　2　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及其特點(diǎn)
　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是在80年代后期發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的現場(chǎng)工業(yè)控制技術(shù)，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、多變量、多接點(diǎn)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（Fieldbus Control System，FCS）。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、電力線(xiàn)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。

　　由于現場(chǎng)總線(xiàn)的諸多優(yōu)點(diǎn)，所以近十年來(lái)出現了多種有影響的現場(chǎng)總線(xiàn)，如基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF、Profibus、CAN、LONworks、HART等，并得到了廣泛的應用。下面僅對前兩種現場(chǎng)總線(xiàn)予以簡(jiǎn)要介紹。