現場總線技術與計算機控制

1　引言
　　在計算機控制系統出現以后，工程實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，一個變送器或執行機構需要一對傳輸線來單向傳送一個模擬信號。這種傳輸方法使用的導線多，現場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法了解現場儀表的實際情況，不能對其進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節，即所謂DCS系統的發展瓶頸。現場總線正是在這種情況下應運而生。

　　2　現場總線技術及其特點
　　現場總線技術是在80年代后期發展起來的一種先進的現場工業控制技術，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、多變量、多接點的通信與控制系統。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（Fieldbus Control System，FCS）。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、電力線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。

　　由于現場總線的諸多優點，所以近十年來出現了多種有影響的現場總線，如基金會現場總線FF、Profibus、CAN、LONworks、HART等，并得到了廣泛的應用。下面僅對前兩種現場總線予以簡要介紹。