智能傳感器、現場(chǎng)總線(xiàn)與FCS解析

一、引言

以現場(chǎng)總線(xiàn)為基礎的全數字控制系統將現有的模擬信號電纜用高容量的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )代替，從而大大減輕現場(chǎng)信號電纜連接的費用和工作量，提高信號的傳輸效率。實(shí)際上現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統就是以現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為核心，以基于現場(chǎng)總線(xiàn)的智能I/O或智能傳感器、智能儀表為控制主體、以計算機為監控指揮中心的系統編程、組態(tài)、維護、監控等功能為一體的工作平臺。

二、智能傳感器的性能特點(diǎn)

一般的傳感器只能作為敏感元件，須配上變換儀表來(lái)檢測物理量、化學(xué)量等的變化。隨著(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)展，出現了智能儀表。智能儀表采用超大規模集成電路，利用嵌入軟件協(xié)調內部操作，在完成輸入信號的非線(xiàn)性補償、零點(diǎn)錯誤、溫度補償、故障診斷等基礎上，還可完成對工業(yè)過(guò)程的控制，使控制系統的功能進(jìn)一步分散。智能傳感器集成了傳感器、智能儀表全部功能及部分控制功能，具有很高的線(xiàn)性度和低的溫度漂移，降低了系統的復雜性、簡(jiǎn)化了系統結構。特點(diǎn)如下：

1、一定程度的人工智能是硬件與軟件的結合體，可實(shí)現學(xué)習功能，更能體現儀表在控制系統中的作用?？梢愿鶕煌臏y量要求，選擇合適的方案，并能對信息進(jìn)行綜合處理，對系統狀態(tài)進(jìn)行預測。

2、多敏感功能將原來(lái)分散的、各自獨立的單敏傳感器集成為具有多敏感功能的傳感器，能同時(shí)測量多種物理量和化學(xué)量，全面反映被測量的綜合信息。

3、精度高、測量范圍寬隨時(shí)檢測出被測量的變化對檢測元件特性的影響，并完成各種運算，其輸出信號更為精確，同時(shí)其量程比可達100：1，最高達 400：1，可用一個(gè)智能傳感器應付很寬的測量范圍，特別適用于要求量程比大的控制場(chǎng)合。

4、通信功能可采用標準化總線(xiàn)接口，進(jìn)行信息交換，這是智能傳感器的關(guān)鍵標志之一。

智能傳感器的出現將復雜信號由集中型處理變成分散型處理，即可以保證數據處理的質(zhì)量，提高抗干擾性能。同時(shí)又降低系統的成本。它使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多變量檢測發(fā)展，使傳感器由被動(dòng)進(jìn)行信號轉換向主動(dòng)控制和主動(dòng)進(jìn)行信息處理方向發(fā)展，并使傳感器由孤立的元件向系統化、網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展。

三、現場(chǎng)總線(xiàn)的體系結構與特點(diǎn)

根據IEC/ISA定義，現場(chǎng)總線(xiàn)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、多分支的通信網(wǎng)絡(luò )。它是用于過(guò)程自動(dòng)化最底層的現場(chǎng)設備以及現場(chǎng)儀表的互連網(wǎng)絡(luò )，是現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )和控制系統的集成?，F場(chǎng)總線(xiàn)將當今網(wǎng)絡(luò )通信與管理的概念帶入控制領(lǐng)域，代表了今后自動(dòng)化控制體系結構發(fā)展的一種方向。

現場(chǎng)總線(xiàn)是以ISO的OSI模型為基本框架的，并根據實(shí)際需要進(jìn)行簡(jiǎn)化了的體系結構系統，它一般主要包括物理層、數據鏈路層、應用層、用戶(hù)層。

物理層向上連接數據鏈路層，向下連接介質(zhì)。物理層規定了傳輸介質(zhì)（雙絞線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)和光纖）、傳輸速率、傳輸距離、信號類(lèi)型等。在發(fā)送期間，物理層編碼并調制來(lái)自數據鏈路層的數據流。在接收期間，它用來(lái)自媒介的合適的控制信息將收到的數據信息解調和解碼并送給鏈路層；數據鏈路層負責執行總線(xiàn)通信規則，處理差錯檢測、仲裁、調度等。應用層為最終用戶(hù)的應用提供一個(gè)簡(jiǎn)單接口，它定義了如何讀、寫(xiě)、解釋和執行一條信息或命令。用戶(hù)層實(shí)際上是一些數據或信息查詢(xún)的應用軟件，它規定了標準的功能塊、對象字典和設備描述等一些應用程序，給用戶(hù)一個(gè)直觀(guān)簡(jiǎn)單的使用界面。

現場(chǎng)總線(xiàn)除具有一對N結構、互換性、互操作性、控制功能分散、互連網(wǎng)絡(luò )、維護方便等優(yōu)點(diǎn)外，還具有如下特點(diǎn)：

1、網(wǎng)絡(luò )體系結構簡(jiǎn)單其結構模型一般僅有4層，這種簡(jiǎn)化的體系結構具有設計靈活，執行直觀(guān)，價(jià)格低廉，性能良好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還保證了通信的速度。

2、綜合自動(dòng)化功能把現場(chǎng)智能設備分別作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)實(shí)現各節點(diǎn)之間、節點(diǎn)與管理層之間的信息傳遞與溝通，易于實(shí)現各種復雜的綜合自動(dòng)化功能。

3、容錯能力強現場(chǎng)總線(xiàn)通過(guò)使用檢錯、自校驗、監督定時(shí)、屏蔽邏輯等故障檢測方法，大大提高了系統的容錯能力。

4、提高了系統的抗干擾能力和測控精度現場(chǎng)智能設備可以就近處理信號并采用數字通信方式與主控系統交換信息，不僅具有較強的抗干擾能力，而且其精度和可靠性也得到了很大的提高。


現場(chǎng)總線(xiàn)的這些特點(diǎn)，不僅保證了它完全可以適應目前工業(yè)界對數字通信和傳統控制的要求，而且使它具有不同層次的復雜控制與先進(jìn)控制、優(yōu)化控制功能成為可能。

四、現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）

隨著(zhù)復雜過(guò)程工業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)過(guò)程控制對大量現場(chǎng)信號的采集、傳遞和數據轉換以及對精度、可靠性、管控一體化都提出了更新、更高的要求?，F有的 DCS 已不能滿(mǎn)足這些要求；況且現有的DCS具有諸如控制不能徹底分散、故障相對集中、系統不徹底開(kāi)放、成本較高等缺點(diǎn)。于是通過(guò)數字通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和微處理器技術(shù)的融合，把傳統的數字信號和模擬信號的混合系統變成全數字信號系統，從而產(chǎn)生了新一代的控制系統FCS。

1、智能傳感器和現場(chǎng)總線(xiàn)是組成FCS的兩個(gè)重要部分

FCS用現場(chǎng)總線(xiàn)在控制現場(chǎng)建立一條高可靠性的數據通信線(xiàn)路，實(shí)現各智能傳感器之間及智能傳感器與主控機之間的數據通信，把單個(gè)分散的智能傳感器變成網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。智能傳感器中的數據處理有助于減輕主控站的工作負擔，使大量信息處理就地化，減少了現場(chǎng)儀表與主控站之間的信息往返，降低了對網(wǎng)絡(luò )數據通信容量的要求。經(jīng)過(guò)智能傳感器預處理的數據通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)匯集到主機上，進(jìn)行更高級的處理（主要是系統組態(tài)、優(yōu)化、管理、診斷、容錯等），使系統由面到點(diǎn)，再由點(diǎn)到面，對被控對象進(jìn)行分析判斷，提高了系統的可靠性和容偌能力。這樣FCS把各個(gè)智能傳感器連接成了可以互相溝通信息，共同完成控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò )系統與控制系統，能更好地體現DCS中的"信息集中，控制分散"的功能，提高了信號傳輸的準確性、實(shí)時(shí)性和快速性。

以現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為基礎，以微處理器為核心，以數字化通信為傳輸方式的現場(chǎng)總線(xiàn)智能傳感器與一般智能傳感器相比，需有以下功能：

共用一條總線(xiàn)傳遞信息，具有多種計算、數據處理及控制功能，從而減少主機的負擔。取代4-20mA模擬信號傳輸，實(shí)現傳輸信號的數字化，增強信號的抗干擾能力。采用統一的網(wǎng)絡(luò )化協(xié)議，成為FCS的節點(diǎn)，實(shí)現傳感器與執行器之間信息交換。系統可對之進(jìn)行校驗、組態(tài)、測試，從而改善系統的可靠性。接口標準化，具有"即插即用"特性。

現場(chǎng)總線(xiàn)智能傳感器是未來(lái)工業(yè)過(guò)程控制系統的主流儀表，它與現場(chǎng)總線(xiàn)組成FCS的兩個(gè)重要部分，將對傳統的控制系統結構和方法帶來(lái)革命性的變化。但現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準的制定卻進(jìn)展緩慢，現場(chǎng)總線(xiàn)標準不統一影響了現場(chǎng)總線(xiàn)智能傳感器的應用。

從世界范圍看，已流行的幾種現場(chǎng)總線(xiàn)都有各自的優(yōu)點(diǎn)、各具特色，難以統一到某一種現場(chǎng)總線(xiàn)標準上，其原因是多方面的。首先是技術(shù)的原因，現有各種現場(chǎng)總線(xiàn)都具有各自的協(xié)議規范和行業(yè)標準，要統一存在許多技術(shù)難題。其次是商業(yè)利益，各現場(chǎng)總線(xiàn)與其背后的開(kāi)發(fā)公司息息相關(guān)，各企業(yè)為今后占有更多的市場(chǎng)份額，都希望在現場(chǎng)總線(xiàn)的國際標準中采用自己的技術(shù)。再次是組織上的原因，現場(chǎng)總線(xiàn)的標準化必須有一個(gè)統一的國際性組織來(lái)完成。然而，多年來(lái)，用戶(hù)迫切需要現場(chǎng)總線(xiàn)有一個(gè)統一的國際標準，以實(shí)現現場(chǎng)設備的互操作性和互換性。在這種情況下，產(chǎn)生了FF（Foundation Fieldbus——基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)），FF的宗旨就是開(kāi)發(fā)一種統一的現場(chǎng)總線(xiàn)標準，并推動(dòng)現場(chǎng)總線(xiàn)的應用。目前，FF包括了世界上95%的儀表及控制系統制造商，已制定了低速H1標準（31．25kb/s），高速H2標準正在制定中?，F場(chǎng)總線(xiàn)統一標準曲最終制定必將全面推進(jìn)FCS的應用，使用戶(hù)在實(shí)現控制策賂和系統開(kāi)發(fā)方面發(fā)生巨大的變化。

2、FCS對DCS的影響

傳統的DCS系統由各種工作站通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò )連接而成，操作站和信息管理站完成系統的組態(tài)、監控和運行管理，現場(chǎng)測控站則完成生產(chǎn)過(guò)程信息的采集和控制。 DCS的主要問(wèn)題是開(kāi)放性差，分散不夠，需要用大量的電纜傳遞信號。FCS則突破了DCS系統中通信由專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )的封閉系統來(lái)實(shí)現所造成的缺陷，把基于封閉、專(zhuān)用的解決方案變成了基于開(kāi)放、通用標準化的解決方案，把集散系統結構變成了新型全分布式結構，把DCS控制站中基本且可獨立的功能塊徹底下放到現場(chǎng)智能儀表中去，從而構成虛擬控制站，更好地體現了DCS思想的精華。

實(shí)際上，工業(yè)過(guò)程控制的發(fā)展大體分氣動(dòng)儀表控制-電動(dòng)儀表控制-計算機集中控制-DCS幾個(gè)階段，電動(dòng)儀表控制以電2型表為主，基本上是簡(jiǎn)單閉環(huán)控制，其最大特點(diǎn)是危險性完全分散在各單回路上，最大弱點(diǎn)是難于實(shí)現復雜控制、先進(jìn)控制及優(yōu)化控制。為此，60年代出現計算機集中控制，結果可以實(shí)現復雜控制、先進(jìn)控制及優(yōu)化控制，然而危險性集中未能繼承電Ⅲ型系統的危險性完全分散的特點(diǎn)；從而70年代出現DCS系統，綜合前兩種優(yōu)點(diǎn)，即實(shí)現復雜等控制，又把危險性分散在各控制器上，但還不能徹底分散，且不能完全開(kāi)放。80年代韌提出即能繼承DCS全部功能，并使系統完全開(kāi)放，又能實(shí)現危險性徹底分散在各回路中去（與電皿型系統一樣）的系統——FCS．由于FCS具有明顯優(yōu)于DCS的特點(diǎn)，FCS必將代替DCS。

然而在目前，在我國絕大部分過(guò)程工業(yè)都以DCS作為主流控制系統，電皿型儀表作為主導儀表；加上因認識上的原因和現場(chǎng)總線(xiàn)智能儀表尚為非主導產(chǎn)品，暫不能大量普及FCS。單從利用現有資源角度，DCS系統的消失或完全被取代，短期內也是不合理的，應立足于現有DCS，充分挖掘現有設備的潛力（如可以在 DCS與FCS之間安裝網(wǎng)關(guān)，以實(shí)現信息的傳遞），使即有投資又不至于浪費。另外，DCS是一個(gè)不斷發(fā)展的控制系統，它必然采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)對自身進(jìn)行改造，使DCS能與現場(chǎng)總線(xiàn)智能傳感器（智能儀表）和局部FCS連接起來(lái)。目前一段時(shí)期所有這些情況造成FCS與DCS共存的局面。據估計，用10年左右的時(shí)間才能真正過(guò)渡到FCS的主導地位。