現場總線技術與現場總線控制系統

七十年代以前，控制系統中采用模擬量對傳輸及控制信號進行轉換、傳遞，其精度差、受干擾信號影響大，因而整個控制系統的控制效果及系統穩定性都很差。七十年代末，隨著大規模集成電路的出現，微處理器技術得到很大發展。微處理器功能強、體積小、可靠性高、通過適當的接口電路用于控制系統，控制效果得到提高；但是盡管如此，還是屬于集中式控制系統。隨著過程控制技術、自動化儀表技術和計算機網絡技術的成熟和發展，控制領域又發生了一次技術變革。這次變革使傳統的控制系統（如集散控制系統）無論在結構上還是在性能上都發生了巨大的飛躍，這次變革的基礎就是現場總線技術的產生。

現場總線是連接現場智能設備和自動化控制設備的雙向串行、數字式、多節點通信網絡，它也被稱為現場底層設備控制網絡（INFRANET）。80年代以來，各種現場總線技術開始出現，人們要求對傳統的模擬儀表和控制系統變革的呼聲也越來越高，從而使現場總線成為一次世界性的技術變革浪潮。美國儀表協會(ISA)于1984年開始制訂現場總線標準，在歐洲有德國的PROFIBUS和法國的FIP等，各種現場總線標準陸續形成。其中主要的有：基金會現場總線FF（Foundation Fieldbus）、控制局域網絡CAN（Controller Area Network）、局部操作網絡LonWorks（Local Operating Network）、過程現場總線PROFIBUS（Process Field Bus）和HART協議(Highway Addressable Remote Transducer)等。但是不論如何，制定單一的開放國際現場總線標準是發展的必然。

2.現場總線技術及其特點

現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。現有的多數現場設備，為提高其性能價格比，在實現其內部操作時都采用了微處理器和數字化元件，于是就提出了必須在這些領域的數字設備之間實現數字通信的要求。

現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的全數字、雙向、多站的通信系統。主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。它綜合了數字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網絡技術和智能儀表等多種技術手段，從根本上突破了傳統的“點對點”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、互連的通信與控制系統。現場總線則是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，其基礎是智能儀表。分散在各個工業現場的智能儀表通過數字現場總線連為一體，并與控制室中的控制器和監視器一起共同構成現場總線控制系統FSC。通過遵循一定的國際標準，可以將不同廠商的現場總線產品集成在同一套FCS中，具有互換性和互操作性。FCS把傳統DCS的控制功能進一步下放到現場智能儀表，由現場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。現場儀表的數據（包括采集的數據和診斷數據）通過現場總線傳到控制室的控制設備上，控制室的控制設備用來監視各個現場儀表的運行狀態，保存各智能儀表上傳的數據，同時完成少量現場儀表無法完成的高級控制功能。另外，FCS還可通過網關和企業的上級管理網絡相連，以便企業管理者掌握第一手資料，為決策提供依據。所以現場總線具有以下突出特點：

2.1開放性
　 現場總線控制系統（FCS）采用公開化的通信協議，遵守同一通信標準的不同廠商的設備之間可以互連及實現信息交換。用戶可以靈活選用不同廠商的現場總線產品來組成實際的控制系統，達到最佳的系統集成。

2.2　互操作性
互操作性是指不同廠商的控制設備不僅可以互相通信，而且可以統一組態，實現同一的控制策略和“即插即用”，不同廠商的性能相同的設備可以互換。

2.3　靈活的網絡拓撲結構
　　現場總線控制系統可以根據復雜的現場情況組成不同的網絡拓撲結構，如樹型、星型、總線型和層次化網絡結構等。

　2.4　系統結構的高度分散性
　 現場設備本身屬于智能化設備，具有獨立自動控制的基本功能，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，實現了控制功能的徹底分散，提高了控制系統的可靠性，簡化了控制系統的結構。現場總線與上一級網絡斷開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。現場總線控制系統則將DCS的控制站功能徹底分散到現場控制設備，僅靠現場總線設備就可以實現自動控制的基本功能，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現遠程監控，設定或調整現場設備的運行參數,還能借助現場設備的自診斷功能對故障進行定位和診斷。

2.6　對環境的高度適應性
　 現場總線是專為工業現場設計的，它可以使用雙絞線、同軸電纜、光纜和無線的方式來傳送數據，具有很強的抗干擾能力。常用的數據傳輸線是廉價的雙絞線，并允許現場設各利用數據通信線進行供電，還能滿足本質安全防爆要求。

3.主要現場總線簡介

3.1基金會現場總線（Foundation Fieldbus）
　 基金會現場總線是由現場總線基金會推出。與私有的網絡總線協議不同，FF總線不附屬于任何一個企業或國家。其總線體系結構是參照、ISO的OSI模型中物理層、數據鏈路層和應用層，并增加了用戶層而建立起來的通信模型。FF得到了世界上幾乎所有的著名儀表制造商的支持，同時遵守IEC的協議規劃，與IEC的現場總線國際標準和草案基本-致，加上它在技術上的優勢，所以極有希望成為將來的主要國際標準。

FF總線提供了Hl和H2兩種物理層標準。Hl是用于過程控制的低速總線，傳輸速率為31.25Kbps，傳輸距離為200m、450m、1200m、1900m四種（加中繼器可以延長），可用總線供電，支持本質安全設備和非本質安全總線設備。H2為高速總線，其傳輸速率為1Mbps（此時傳輸距離為750m）或2.5bps（此時傳輸距離為為500m）。H1和H2每段節點數可達32個，使用中繼器后可達240個，Hl和H2可通過網橋互連。FF的突出特點在于設備的互操作性、改善的過程數據、更早的預測維護及可靠的安全性。

3.2　過程現場總線Profibus
Profibus由Siemens公司提出并極力倡導，己先后成為德國國家標DIN19245和歐洲標準EN50170，是一種開放而獨立的總線標準，在機械制造、工業過程控制、智能建筑中充當通信網絡。Profibus由Profibus-PA、Profibus-DP和 Profibus-FMS三個系列組成。Profibus-PA （Process Automation）用于過程自動化的低速數據傳輸，其基本特性同FF的H1總線，可以提供總線供電和本質安全，并得到了專用集成電路（ASIC）和軟件的支持。Profibus-DP與Profibus-PA兼容，基本特性同FF的H2總線，可實現高速傳輸，適用于分散的外部設備和自控設備之間的高速數據傳輸，連接Profibus-PA和加工自動化。Profibus-FMS適用于一般自動化的中速數據傳輸，主要用于傳感器、執行器、電氣傳動、PLC、紡織和樓宇自動化等。后兩個系列采用RS485通信標準，傳輸速率從9.6kbps到12Mbps，傳輸距離從1200M到l00m（與傳輸速率有關）。介質存取控制的基本方式為主站之間的令牌方式和主站與從站之間的主從方式，以及綜合這兩種方式的混合方式。Profibus是一種比較成熟的總線，在工程上的應用十分廣泛。

3.3 LonWorks

LonWorks技術是采用神經元芯片(Neuron Chip)技術，在ISO的OSI七層協議上實現的網絡控制技術，采用面向對象的編程方法，使用網絡變量或顯式消息進行相互通信。

3.4CAN

控制器局域網（Controller area network 簡稱CAN）是德國Bosch公司于1983年為汽車應用而開發的。它的基本設計規范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性。而且能夠檢測出產生的任何錯誤。在汽車制造業以及航空工業中受到廣泛應用。www.diangon.com

3.5　HART總線　　

HART協議是由Rosemount公司于1986年提出的通信協議。它是用于現場智能儀表和控制室設備間通信的一種協議。它包括ISO/OSI模型的物理層、數據鏈路層和應用層。HART通信可以有點對點或多點連接模式。這種協議是可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議，其特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信，屬于模擬系統向數字系統轉變過程中的過渡產品，因而在當前的過渡時期具有較強市場競爭力，在智能儀表市場上占有很大的份額。

4、FCS控制系統

傳統的計算機控制系統一般采用DCS結構。在DCS中，對現場信號需要進行點對點的連接，并且I/O端子與PLC或自動化儀表一起被放在控制柜中，而不是放在現場。這就需要鋪設大量的信號傳輸電纜，布線復雜，既費料又費時，信號容易衰減并容易被干擾，而且又不便維護。DCS一般由操作員站、控制站等組成，結構復雜，成本高。而且DCS不是開放系統，互操作性差，難以實現數據共享。而基于PC的FCS則完全克服了這些缺點。

（1）在FCS中，所有的I/O模塊均放在工業現場，而且所有的信號通過分布式智能I/O模塊在現場被轉換成標準數字信號，只需一根電纜就可把所有的現場子站連接起來，進而把現場信號非常簡捷地傳送到控制室監控設備上，降低了成本，又便于安裝和維護，同時數字化的數據傳輸使系統具有很高的傳輸速度和很強的抗干擾能力。

（2）FCS具有開放性。在FCS中，軟件和硬件都遵從同樣的標準，互換性好，更新換代容易。程序設計采用IEC1131-3五種國際標準編程語言，編程和開發工具是完全開放的，同時還可以利用PC豐富的軟硬件資源。

（3）系統的效率大為提高。在FCS中，一臺PC可同時完成原來要用兩臺設備才能完成的PLC和NC/CNC任務。在多任務的Windows NT操作系統下，PC中的軟PLC可以同時執行多達十幾個PLC任務，既提高了效率，又降低了成本。且PC上的PLC具有在線調試和仿真功能，極大地改善了編程環境。

在FCS中，系統的基本結構為：工控機或商用PC、現場總線主站接口卡、現場總線輸入/輸出模塊、PLC或NC/CNC實時多任務控制軟件包、組態軟件和應用軟件。上位機的主要功能包括系統組態、數據庫組態、歷史庫組態、圖形組態、控制算法組態、數據報表組態、實時數據顯示、歷史數據顯示、圖形顯示、參數列表、數據打印輸出、數據輸入及參數修改、控制運算調節、報警處理、故障處理、通信控制和人機接口等各個方面，并真正實現控制集中、危險分散、數據共享、完全開放的控制要求。

5.結束語

當前，各種形式的現場總線協議并存于控制領域。在樓宇自控領域，Lonworks和CAN網絡具有一定的優勢；在過程自動化領域，主要有過渡型的HART協議、得到廣泛支持的FF現場總線協議以及同樣較有競爭力的PROFIBUS協議。HART協議將是目前幾年內智能化儀表的主要通信協議；基金會現場總線是過程自動化領域中較有前途的一種現場總線，得到許多自動化儀表設備廠商的支持；由于Lonworks技術的開放性，國內出現了利用它開發控制系統的許多開發商。考慮到統一的開放式現場總線協議標準制定的長期性和艱巨性，傳統DCS的退出將是一個漸進過程。隨著現場總線技術的不斷發展和完善，現場總線控制系統將得到廣泛的使用。