水工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展與應用
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在計算機自動(dòng)控制系統急速發(fā)展的今天，特別是考慮到現場(chǎng)總線(xiàn)已經(jīng)普遍地滲透到自動(dòng)控制的各個(gè)領(lǐng)域的現實(shí)，現場(chǎng)總線(xiàn)必將成為電工自動(dòng)控制領(lǐng)域主要的發(fā)展方向之一。現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)一直是國際上各大公司激烈競爭的領(lǐng)域；并且國外大公司已經(jīng)在大力拓展中國市場(chǎng)，發(fā)展我國的現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品已經(jīng)刻不容緩?，F場(chǎng)總線(xiàn)對自動(dòng)化技術(shù)的影響意義深遠。當今可以認為現場(chǎng)總線(xiàn)是提高自動(dòng)化系統整體水平的基礎技術(shù)，對國民經(jīng)濟影響重大。因此，要在自動(dòng)化領(lǐng)域中推廣應用和發(fā)展現場(chǎng)總線(xiàn)。
現場(chǎng)總線(xiàn)是近年來(lái)自動(dòng)化領(lǐng)域中發(fā)展很快的互連通信網(wǎng)絡(luò )，具有協(xié)議簡(jiǎn)單開(kāi)放、容錯能力強、實(shí)時(shí)性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點(diǎn)。目前，國際上各種各樣的現場(chǎng)總線(xiàn)有幾百種之多，統一的國際標準尚未建立。較著(zhù)名的有基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)（FF）、HART現場(chǎng)總線(xiàn)、CAN現場(chǎng)總線(xiàn)、LONWORKS現場(chǎng)總線(xiàn)、PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、AS－INTERFACE總線(xiàn)等。
自動(dòng)化控制系統就是通信網(wǎng)絡(luò )把眾多的帶有通信接口的控制設備、檢測元件、執行器件與主計算機連接起來(lái)，由計算機進(jìn)行智能化管理，實(shí)現集中數據處理、集中監控、集中分析和集中調度的新型生產(chǎn)過(guò)程控制系統。
從目前國內外自動(dòng)化控制系統所應用的現場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)看，主要有PROFIBUS、MODBUS、LONWORKS、FF、HART、CAN等現場(chǎng)總線(xiàn)。以上系統基本上都是采用單一的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，即整個(gè)自動(dòng)化控制系統中只采用一種現場(chǎng)總線(xiàn)，整個(gè)系統構造比較單一。
現場(chǎng)總線(xiàn)已不僅僅是一個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域或新技術(shù)問(wèn)題，在研究它的同時(shí)，我們發(fā)現它已經(jīng)改變了我們的觀(guān)念；如何去看待現場(chǎng)總線(xiàn)，要比研究它的技術(shù)細節更為重要。
1.1現場(chǎng)總線(xiàn)是一個(gè)巨大的商業(yè)機會(huì )
一項權威報告聲稱(chēng)現場(chǎng)總線(xiàn)的應用將使控制系統的成本下降67％；巨大的商業(yè)利益直接導致產(chǎn)生一個(gè)巨大的市場(chǎng)，并且促使傳統市場(chǎng)萎縮，從而引發(fā)技術(shù)進(jìn)步。這些對于我們行業(yè)來(lái)說(shuō)都很重要，因為我們正處在新舊市場(chǎng)交替的關(guān)口。
1.2.現場(chǎng)總線(xiàn)是一場(chǎng)技術(shù)革命
現場(chǎng)總線(xiàn)帶來(lái)了觀(guān)念的變化，我們以往開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，往往只注意產(chǎn)品本身的性能指標，對于新產(chǎn)品與其它相關(guān)產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)就考慮比較少一點(diǎn)。這樣對于電工行業(yè)這樣一個(gè)比較保守的行業(yè)來(lái)說(shuō)，新產(chǎn)品就不那么容易地被用戶(hù)接收。而現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品卻恰恰相反，它是一個(gè)由用戶(hù)利益驅動(dòng)的市場(chǎng)，用戶(hù)對新產(chǎn)品應用的積極性比生產(chǎn)商更高。然而，現場(chǎng)總線(xiàn)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)也與傳統產(chǎn)品不同；它是從系統構成的技術(shù)角度來(lái)看問(wèn)題，它注重的是系統整體性能的提高，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應用新的理論來(lái)發(fā)揮最大的效能；這一點(diǎn)是傳統產(chǎn)品很難做到的?，F場(chǎng)總線(xiàn)的“負跨越（指在技術(shù)水平提高的同時(shí)，掌握和應用這項新技術(shù)的難度卻降低了）”的特性使它的推廣更加容易。
2.現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展
2.1自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展過(guò)程
2.1.150多年前第一代過(guò)程控制體系是基于5－13psi的氣動(dòng)信號標準（氣動(dòng)控制系統PCS，PneumaticControlSystem）。簡(jiǎn)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(guò)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(jìn)步，在整整25年內牢牢地統治了整個(gè)自動(dòng)控制領(lǐng)域。它表征了電氣自動(dòng)控制時(shí)代的到來(lái)?？刂评碚撚辛酥卮蟀l(fā)展，三大控制論的確立奠定了現代控制的基礎；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(guò)程控制體系（CCS，ComputerControlSystem）.70年代開(kāi)始了數字計算機的應用，產(chǎn)生了巨大的技術(shù)優(yōu)勢，人們在測量，模擬和邏輯控制領(lǐng)域率先使用，從而產(chǎn)生了第三代過(guò)程控制體系（CCS，ComputerControlSystem）。這個(gè)被稱(chēng)為第三代過(guò)程控制體系是自動(dòng)控制領(lǐng)域的一次革命，它充分發(fā)揮了計算機的特長(cháng)，于是人們普遍認為計算機能做好一切事情，自然而然地產(chǎn)生了被稱(chēng)為“集中控制”的中央控制計算機系統，需要指出的是系統的信號傳輸系統依然是大部分沿用4－20mA的模擬信號，但是時(shí)隔不久人們發(fā)現，隨著(zhù)控制的集中和可靠性方面的問(wèn)題，失控的危險也集中了，稍有不慎就會(huì )使整個(gè)系統癱瘓。所以它很快被發(fā)展成分布式控制系統（DCS）。
2.1.4第四代過(guò)程控制體系（DCS，DistributedControlSystem分布式控制系統）：隨著(zhù)半導體制造技術(shù)的飛速發(fā)展，微處理器的普遍使用，計算機技術(shù)可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代過(guò)程控制體系（DCS，或分布式數字控制系統），它主要特點(diǎn)是整個(gè)控制系統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(gè)了控制系統。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一個(gè)重要的發(fā)展是它們之間的信號傳遞也不僅僅依賴(lài)于4－20mA的模擬信號，而逐漸地以數字信號來(lái)取代模擬信號。
2.1.5第五代過(guò)程控制體系（FCS，FieldbusControlSystem現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統）：FCS是從DCS發(fā)展而來(lái)，就象DCS從CCS發(fā)展過(guò)來(lái)一樣，有了質(zhì)的飛躍?！胺稚⒖刂啤卑l(fā)展到“現場(chǎng)控制”；數據的傳輸采用“總線(xiàn)”方式。但是FCS與DCS的真正的區別在于FCS有更廣闊的發(fā)展空間。
2.2現場(chǎng)總線(xiàn)崛起的過(guò)程
80年代，微處理器及其相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得數據傳送環(huán)節成為DCS發(fā)展的瓶頸。1982年，現場(chǎng)總線(xiàn)的概念首先在歐洲提出，兩年后于1984年各國開(kāi)始進(jìn)行現場(chǎng)總線(xiàn)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(shí)Interbus等簡(jiǎn)單的現場(chǎng)總線(xiàn)也都取得了成功。這樣DSC的發(fā)展的重點(diǎn)落在了現場(chǎng)總線(xiàn)上，開(kāi)始了被稱(chēng)為第五代過(guò)程控制體系（FCS，FieldbusControlSystem現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統）的時(shí)代。
FCS是從DCS發(fā)展而來(lái)，有一個(gè)量變到質(zhì)變的過(guò)程。從表面上來(lái)看，FCS與DCS區別僅僅在于從“分散控制”發(fā)展到“現場(chǎng)控制”；數據的傳輸從“點(diǎn)到點(diǎn)”采用“總線(xiàn)”方式。其實(shí)不然，當時(shí)系統論的觀(guān)點(diǎn)已被廣泛地接受，人們開(kāi)始以大系統的概念來(lái)看待整個(gè)過(guò)程控制體系。系統的增大，導致了網(wǎng)絡(luò )的通訊技術(shù)急劇發(fā)展；于是科技界充分認識到在計算機系統的發(fā)展中起過(guò)重要作用的總線(xiàn)技術(shù)可以大大地推進(jìn)控制系統的發(fā)展。整個(gè)控制系統就象是一臺巨大的“計算機”按總線(xiàn)方式運行，這樣資源的共享成了FCS的主要發(fā)展空間，于是現場(chǎng)總線(xiàn)應運而生，并且以前所未有的激烈程度展開(kāi)了市場(chǎng)競爭。
2.3現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)基礎：
現場(chǎng)總線(xiàn)以數字信號取代模擬信號，在3C技術(shù)即計算機（Computer）、控制（Control）、通信（Communication）的基礎上，大量現場(chǎng)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場(chǎng)設備，一大批數字化、智能化的高新技術(shù)產(chǎn)品應運而生，自動(dòng)化儀表與控制系統以嶄新的面貌呈現在廣大用戶(hù)面前。一般認為“現場(chǎng)總線(xiàn)是一種全數字化、雙向、多站的通信系統，是用于工業(yè)控制的計算機系統的工業(yè)總線(xiàn)。按照國際電工委員會(huì )IEC61158的標準定義：“安裝在制造和過(guò)程區域的現場(chǎng)裝置與控制室內的自動(dòng)控制裝置之間的數字式、串行、多點(diǎn)通信的數據總線(xiàn)稱(chēng)為現場(chǎng)總線(xiàn)。
從現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS，FieldbusControlSystem）的角度來(lái)看，它的通訊網(wǎng)絡(luò )結構將是ISO的通訊模型的七層結構（一般簡(jiǎn)化為三層，物理層、數據鏈路層、應用層）。
2.4各種現場(chǎng)總線(xiàn)與標準
2.4.1IEC1984年提出現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準的草案。1993年才通過(guò)了物理層的標準IEC1158－2。
2.4.2SP50IEC/ISASP50國際總線(xiàn)規范由Honeywell等公司共同開(kāi)發(fā)。1984年美國儀表協(xié)會(huì )ISA（InstrumentSocietyofAmerica）下屬的標準實(shí)施（StandardandPractice）第50組，簡(jiǎn)稱(chēng)ISA/SP50開(kāi)始制定現場(chǎng)總線(xiàn)標準，1992年IEC批準了SP50的物理層標準。
2.4.3Profibus,過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)，1987年德國聯(lián)邦科技部集中了Siemens等13家公司的5個(gè)研究所成立了一個(gè)專(zhuān)門(mén)委員會(huì )開(kāi)始制定Profibus。1991年4月完成了制定工作，在DIN19245中發(fā)表，對其進(jìn)行了論述從而正式為德國現場(chǎng)總線(xiàn)的國家標準，現在是歐洲標準prENS50170的三個(gè)組成部分之一。被工業(yè)界稱(chēng)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,可互操作系統規劃），是一個(gè)以Profibus為基礎制定的現場(chǎng)總線(xiàn)，1993年成立ISPF（ISPFoundation,ISP基金會(huì )）。
2.4.5WorldFIP工廠(chǎng)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(shí)在歐洲投票通過(guò)為歐洲標準prEN50170,成為三個(gè)組成部分之一。被工業(yè)界稱(chēng)為“法國派”。
2.4.6FF（FielbdusFoundation,現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )）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(huì )員120家，它是一個(gè)非商業(yè)化的公正的國際標準化組織和協(xié)會(huì )組織，無(wú)專(zhuān)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(xiàn)H1已進(jìn)入實(shí)用階段。FF發(fā)展的主要障礙來(lái)自Profibus的商業(yè)利益。
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