現場總線技術的發展與應用

　　1 概述

　　在計算機自動控制系統急速發展的今天，特別是考慮到現場總線已經普遍地滲透到自動控制的各個領域的現實，現場總線必將成為電工自動控制領域主要的發展方向之一。現場總線技術一直是國際上各大公司激烈競爭的領域；并且國外大公司已經在大力拓展中國市場，發展我國的現場總線產品已經刻不容緩。現場總線對自動化技術的影響意義深遠。當今可以認為現場總線是提高自動化系統整體水平的基礎技術，對國民經濟影響重大。因此，要在自動化領域中推廣應用和發展現場總線。

　　現場總線是近年來自動化領域中發展很快的互連通信網絡，具有協議簡單開放、容錯能力強、實時性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點。目前，國際上各種各樣的現場總線有幾百種之多，統一的國際標準尚未建立。較著名的有基金會現場總線（FF）、HART現場總線、CAN現場總線、LONWORKS現場總線、PROFIBUS現場總線、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、AS－INTERFACE總線等。

　　自動化控制系統就是通信網絡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，由計算機進行智能化管理，實現集中數據處理、集中監控、集中分析和集中調度的新型生產過程控制系統。

　　從目前國內外自動化控制系統所應用的現場總線來看，主要有PROFIBUS、MODBUS、LONWORKS、FF、HART、CAN等現場總線。以上系統基本上都是采用單一的現場總線技術，即整個自動化控制系統中只采用一種現場總線，整個系統構造比較單一。

　　現場總線已不僅僅是一個新技術領域或新技術問題，在研究它的同時，我們發現它已經改變了我們的觀念；如何去看待現場總線，要比研究它的技術細節更為重要。

　　1.1現場總線是一個巨大的商業機會

　　一項權威報告聲稱現場總線的應用將使控制系統的成本下降67％；巨大的商業利益直接導致產生一個巨大的市場，并且促使傳統市場萎縮，從而引發技術進步。這些對于我們行業來說都很重要，因為我們正處在新舊市場交替的關口。

　　1.2.現場總線是一場技術革命

　　現場總線帶來了觀念的變化，我們以往開發新產品，往往只注意產品本身的性能指標，對于新產品與其它相關產品的關聯就考慮比較少一點。這樣對于電工行業這樣一個比較保守的行業來說，新產品就不那么容易地被用戶接收。而現場總線產品卻恰恰相反，它是一個由用戶利益驅動的市場，用戶對新產品應用的積極性比生產商更高。然而，現場總線新產品的開發也與傳統產品不同；它是從系統構成的技術角度來看問題，它注重的是系統整體性能的提高，不強求局部最優，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發揮最大的效能；這一點是傳統產品很難做到的。現場總線的“負跨越（指在技術水平提高的同時，掌握和應用這項新技術的難度卻降低了）”的特性使它的推廣更加容易。

　　2.現場總線的發展

　　2.1自動控制領域的發展過程

　　2.1.150多年前第一代過程控制體系是基于5－13psi的氣動信號標準（氣動控制系統PCS，Pneumatic Control System）。簡單的就地操作模式，控制理論初步形成，尚未有控制室的概念。

　　2.1.2第二代過程控制體系（模擬式或ACS,Analog Control System）是基于0－10mA或4－20mA的電流模擬信號，這一明顯的進步，在整整25年內牢牢地統治了整個自動控制領域。它表征了電氣自動控制時代的到來。控制理論有了重大發展，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第三代過程控制體系（CCS，Computer Control System）.70年代開始了數字計算機的應用，產生了巨大的技術優勢，人們在測量，模擬和邏輯控制領域率先使用，從而產生了第三代過程控制體系（CCS，Computer Control System）。這個被稱為第三代過程控制體系是自動控制領域的一次革命，它充分發揮了計算機的特長，于是人們普遍認為計算機能做好一切事情，自然而然地產生了被稱為“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，但是時隔不久人們發現，隨著控制的集中和可靠性方面的問題，失控的危險也集中了，稍有不慎就會使整個系統癱瘓。所以它很快被發展成分布式控制系統（DCS）。

　　2.1.4第四代過程控制體系（DCS，Distributed Control System分布式控制系統）：隨著半導體制造技術的飛速發展，微處理器的普遍使用，計算機技術可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代過程控制體系（DCS，或分布式數字控制系統），它主要特點是整個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了控制系統。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一個重要的發展是它們之間的信號傳遞也不僅僅依賴于4－20mA的模擬信號，而逐漸地以數字信號來取代模擬信號。

　　2.1.5第五代過程控制體系（FCS，Fieldbus Control System現場總線控制系統）：FCS是從DCS發展而來，就象DCS從CCS發展過來一樣，有了質的飛躍。“分散控制”發展到“現場控制”；數據的傳輸采用“總線”方式。但是FCS與DCS的真正的區別在于FCS有更廣闊的發展空間。

　　2.2現場總線崛起的過程

　　80年代，微處理器及其相關技術的不斷發展，使得數據傳送環節成為DCS發展的瓶頸。1982年，現場總線的概念首先在歐洲提出，兩年后于1984年各國開始進行現場總線標準的研究和制定。1986年由Rosemount提出的通訊協議HART（Highway Addressable Remote Transducer,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（Frepuency Shift Keying,頻率調制鍵控）數字信號，結果取得了很好的效果，同時Interbus等簡單的現場總線也都取得了成功。這樣DSC的發展的重點落在了現場總線上，開始了被稱為第五代過程控制體系（FCS，Fieldbus Control System現場總線控制系統）的時代。

　　FCS是從DCS發展而來，有一個量變到質變的過程。從表面上來看，FCS與DCS區別僅僅在于從“分散控制”發展到“現場控制”；數據的傳輸從“點到點”采用“總線”方式。其實不然，當時系統論的觀點已被廣泛地接受，人們開始以大系統的概念來看待整個過程控制體系。系統的增大，導致了網絡的通訊技術急劇發展；于是科技界充分認識到在計算機系統的發展中起過重要作用的總線技術可以大大地推進控制系統的發展。整個控制系統就象是一臺巨大的“計算機”按總線方式運行，這樣資源的共享成了FCS的主要發展空間，于是現場總線應運而生，并且以前所未有的激烈程度展開了市場競爭。