現場總線技術及其特點

現場總線技術及其特點
現場總線的概念是隨著微電子技術的發展，數字通信網絡延伸到工業過程現場成為可能后，于1984年左右提出的。現場總線一般定義為：一種用于智能化現場設備和自動化系統的開放式，數字化，雙向串行，多節點的通信總線。其主要特征：
1．數字式通信方式取代設備級的模擬量（如4-20mA,0-5V等信號）和開關量信號；
2．在車間級與設備級通信的數字化網絡；
3．現場總線是工廠自動化過程中現場級通信的一次數字化革命；
4．現場總線使自控系統與設備加入工廠信息網絡，成為企業信息網絡底層。使企業信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產現場；
5．在CIMS系統中，現場總線是工廠計算機網絡到現場級設備的延伸，是支撐現場級與車間級信息集成的技術基礎。
現場總線是工業控制系統的新型通訊標準，是基于現場總線的低成本自動化系統技術。現場總線技術的采用將帶來工業控制系統技術的革命。采用現場總線技術可以促進現場儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統開放化，符合工業控制系統領域的技術發展趨勢。
作為連接生產現場的儀表、控制器等自動化裝置的通訊網絡，現場總線是九十年代在國際興起的新一代全分布式控制系統的核心技術。伴隨著數字化時代的來臨，現場總線控制系統(Fieldbus Control System, FCS)必將成為工業自動化的主流。
現場總線控制系統有如下優點：
全數字化
將企業管理與生產自動化有機結合一直是工業界夢寐以求的理想，但只有在FCS出現以后這種理想才有可能高效、低成本地實現。在采用FCS的企業中，用于生產管理的局域網能夠與用于自動控制的現場總線網絡緊密銜接。此外，數字化信號固有的高精度、抗干擾特性也能提高控制系統的可靠性。
全分布
在FCS中各現場設備有足夠的自主性，它們彼此之間相互通信，完全可以把各種控制功能分散到各種設備中，而不再需要一個中央控制計算機，實現真正的分布式控制。
雙向傳輸
傳統的4~20mA電流信號，一條線只能傳遞一路信號。現場總線設備則在一條線上即可以向上傳遞傳感器信號，也可以向下傳遞控制信息。
自診斷
現場總線儀表本身具有自診斷功能，而且這種診斷信息可以送到中央控制室，以便于維護，而這在只能傳遞一路信號的傳統儀表中是做不到的。
節省布線及控制室空間
傳統的控制系統每個儀表都需要一條線連到中央控制室，在中央控制室裝備一個大配線架。而在FCS系統中多臺現場設備可串行連接在一條總線上，這樣只需極少的線進入中央控制室，大量節省了布線費用，同時也降低了中央控制室的造價。
多功能儀表
數字、雙向傳輸方式使得現場總線儀表可以擺脫傳統儀表功能單一的制約，可以在一個儀表中集成多種功能，做成多變量變送器，甚至集檢測、運算、控制與一體的變送控制器。
開放性
1999年底現場總線協議已被IEC 批準正式成為國際標準，從而使現場總線成為一種開放的技術。
互操作性
現場總線標準保證不同廠家的產品可以互操作，這樣就可以在一個企業中由用戶根據產品的性能、價格選用不同廠商的產品，集成在一起，避免了傳統控制系統中必須選用同一廠家的產品限制，促進了有效的競爭，降低了控制系統的成本。
智能化與自治性
現場總線設備能處理各種參數、運行狀態信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至網絡故障的情況下獨立工作，大大提高了整個控制系統的可靠性和容錯能力。
現場總線控制系統通常由以下部分組成：
現場總線儀表、控制器
現場總線線路
監控、組態計算機
這里的儀表、控制器、計算機都需要通過現場總線網卡、通信協議軟件連接到網上。因此，現場總線網卡、通信協議軟件是現場總線控制系統的基礎和神經中樞。
現場總線控制系統是國家九五科技攻關的重點項目。
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現場總線系統的功能安全評價大體分以下幾點：
(一)現場總線系統完成的功能
現場總線系統所起的作用是通信，它包括一組硬件和軟件，允許兩個或多個裝置之間信息交換。在受控過程中，它不應該傳播或建立會產生危險情形的錯誤:它應能找出數據的訛誤，保證實時數據的傳送，傳遞應有序，避免混亂。同時應能隨時了解可能出現的故障狀態，避免出現因通信錯誤觸發不合理的安全動作，例如使過程在不該停止時停了下來，或使過程在出現故障時還繼續工作等。
(二)現場總線系統安全功能評價的方法
要證明一個系統或子系統是否可以用在安全領域，是否符合IEC61508標準，有兩個途徑:一是按照IEC61508的原則設計一個新系統;二是沿用以前已經使用并證明是安全的系統，用"proven in use"方法來驗證。現場總線系統的功能安全評價一般都采取第二種方法。這是一個在"使用中證實"的概念。如果一種產品或系統已經在使用中，只要供應商有足夠的證據證明它是安全的，那么以后相同的產品或系統就允許應用在同等安全的領域。
IEC61508中提出的這種"proven in use"的概念對于供應商和用戶都有極大的激勵作用。目前世界上此重要的設備供應商都開始對自己的產品進行這方面認證工作。但"Proven in use"實際上有很嚴格的限制條件：
(l)Proven in use方法只能用于那些滿足相關要求的功能和接口子系統;
(2)子系統的工作條件與原子系統的工作條件完全相同或十分相近;
(3)如果子系統的工作條件不同，則需要用分析和測試的方法來論證該系統的功能安全完整性可能達到的水平，以保證該系統可用于安全領域;
(4)聲明的失效率有足夠的統計學數據基礎;
(5)收集有足夠的失效數據;
(6)考慮了子系統的復雜性，子系統對風險降低的貢獻，子系統失效對整個系統可能造成的后果，新設計等

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