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現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及控制系統(tǒng)摘要：文章介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線的概念,回顧了其產(chǎn)生及發(fā)展歷程，分析了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)相對(duì)于集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)當(dāng)前流行的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線，簡要介紹了各自的技術(shù)特色，指出控制系統(tǒng)的開放互連是發(fā)展的必然。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線，集散控制系統(tǒng)，分布式控制，F(xiàn)CS，DCS，開放式互連系統(tǒng) 一、前言 七十年代以前，控制系統(tǒng)中采用模擬量對(duì)傳輸及控制信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、傳遞，其精度差、受干擾信號(hào)影響大，因而整個(gè)控制系統(tǒng)的控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性都很差。七十年代末，隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，微處理器技術(shù)得到很大發(fā)展。微處理器功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、通過適當(dāng)?shù)慕涌陔娐酚糜诳刂葡到y(tǒng)，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(tǒng)。隨著過程控制技術(shù)、自動(dòng)化儀表技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，控制領(lǐng)域又發(fā)生了一次技術(shù)變革。這次變革使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)（如集散控制系統(tǒng)）無論在結(jié)構(gòu)上還是在性能上都發(fā)生了巨大的飛躍，這次變革的基礎(chǔ)就是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的產(chǎn)生。 現(xiàn)場(chǎng)總線是連接現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備和自動(dòng)化控制設(shè)備的雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，它也被稱為現(xiàn)場(chǎng)底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)（INFRANET）。80年代以來，各種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開始出現(xiàn)，人們要求對(duì)傳統(tǒng)的模擬儀表和控制系統(tǒng)變革的呼聲也越來越高，從而使現(xiàn)場(chǎng)總線成為一次世界性的技術(shù)變革浪潮。美國儀表協(xié)會(huì)(ISA)于1984年開始制訂現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，在歐洲有德國的PROFIBUS和法國的FIP等，各種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)形成。其中主要的有：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF（Foundation Fieldbus）、控制局域網(wǎng)絡(luò)CAN（Controller Area Network）、局部操作網(wǎng)絡(luò)LonWorks（Local Operating Network）、過程現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS（Process Field Bus）和HART協(xié)議(Highway Addressable Remote Transducer)等。但是，總線標(biāo)準(zhǔn)的制定工作并非一帆風(fēng)順，由于行業(yè)與地域發(fā)展等歷史原因，加上各公司和企業(yè)集團(tuán)受自身利益的驅(qū)使，致使現(xiàn)場(chǎng)總線的國際化標(biāo)準(zhǔn)工作進(jìn)展緩慢。但是不論如何，制定單一的開放國際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)是發(fā)展的必然。 二、當(dāng)前流行的幾類現(xiàn)場(chǎng)總線 1、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF是在過程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的一種技術(shù)。其前身是以美國FisherRosemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地150家公司制定的World FIP協(xié)議。這兩大集團(tuán)于1994年9月合并，成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線分為H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25Kbps，通信距離可達(dá)1.9km，可支持總線供電和本質(zhì)安全防暴環(huán)境。H2的傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps兩種，通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可為雙絞線、光纜和無線，其傳輸信號(hào)采用曼切斯特編碼?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。用戶層主要針對(duì)自動(dòng)化測(cè)控應(yīng)用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè)備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集。FF總線包括FF通信協(xié)議、ISO模型中的27層通信協(xié)議的通棧、用于描述設(shè)備特性及操作接口的DDL設(shè)備描述語言、設(shè)備描述字典，用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量、控制、工程量轉(zhuǎn)換的應(yīng)用功能塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)管理功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)以及構(gòu)筑集成自動(dòng)化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)。 2、CAN總線 CAN總線最早是由德國Bosch公司推出，用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。其總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，并且廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域。它也是基于OSI模型，但進(jìn)行了優(yōu)化，采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，提高了實(shí)時(shí)性。其節(jié)點(diǎn)有優(yōu)先級(jí)設(shè)定，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、廣播模式通信。各節(jié)點(diǎn)可隨時(shí)發(fā)送消息。傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率與總線長度有關(guān)。CAN總線采用短消息報(bào)文，每一幀有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)時(shí)，可自動(dòng)關(guān)閉，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。 3、LonWorks總線 LonWorks技術(shù)是美國ECHELON公司開發(fā)，并與Motorola和東芝公司共同倡導(dǎo)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。它采用了OSI參考模型全部的七層協(xié)議結(jié)構(gòu)。LonWorks技術(shù)的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片實(shí)現(xiàn)完整的 LonWorks的LonTalk通信協(xié)議。其上集成有三個(gè)8位CPU。一個(gè)CPU完成OSI模型第一和第二層的功能，稱為介質(zhì)訪問處理器。一個(gè)CPU是應(yīng)用處理器，運(yùn)行操作系統(tǒng)與用戶代碼。還有一個(gè)CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器，作為前兩者的中介，它進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量尋址、更新、路徑選擇、網(wǎng)絡(luò)通信管理等。由神經(jīng)芯片構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行對(duì)等通信。LonWorks支持多種物理介質(zhì)并支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組網(wǎng)方式靈活，其IS78本安物理通道使得它可以應(yīng)用于危險(xiǎn)區(qū)域。LonWorks應(yīng)用范圍主要包括樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制等，在組建分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方面有較優(yōu)越的性能。 4、PROFIBUS總線 PROFIBUS是符合德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50179的現(xiàn)場(chǎng)總線，包括PROFIBUSDP、PROFIBUSFMS、PROFIBUSPA三部分。它也只采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。PROFIBUS支持主從方式、純主方式、多主多從通信方式。主站對(duì)總線具有控制權(quán)，主站間通過傳遞令牌來傳遞對(duì)總線的控制權(quán)。取得控制權(quán)的主站，可向從站發(fā)送、獲取信息。PROFIBUSDP用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域。FMS型適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。而PA型則是用于過程自動(dòng)化的總線類型。 5、HART總線 HART協(xié)議是由Rosemount公司于1986年提出的通信協(xié)議。它是用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備間通信的一種協(xié)議。它包括ISO/OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。HART通信可以有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)連接模式。這種協(xié)議是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時(shí)期具有較強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭力，在智能儀表市場(chǎng)上占有很大的份額。 三、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 1、結(jié)構(gòu) 隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)和成熟，促使了控制系統(tǒng)由集散控制系統(tǒng)（DCS）向現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）的過渡。在一般的FCS系統(tǒng)中，遵循一定現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表可以組成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表中。從而減輕了控制站負(fù)擔(dān)，使得控制站可以專職于執(zhí)行復(fù)雜的高層次的控制算法。對(duì)于簡單的控制應(yīng)用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起連接現(xiàn)場(chǎng)總線作用的網(wǎng)橋和集線器，操作站直接與現(xiàn)場(chǎng)儀表相連，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。 2、特點(diǎn) 分布式的FCS系統(tǒng)比DCS系統(tǒng)更好地體現(xiàn)了“信息集中，控制分散的思想。與傳統(tǒng)的DCS相比，F(xiàn)CS有其自身的特點(diǎn)。FCS系統(tǒng)具有高度的分散性，它可以由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成自治的控制回路?，F(xiàn)場(chǎng)儀表或設(shè)備具有高度的智能化與功能自主性，可完成控制的基本功能，并可以隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行情況。另外，F(xiàn)CS的結(jié)構(gòu)比DCS簡化。有的FCS系統(tǒng)省略了DCS中控制站這一層，操作站直接與現(xiàn)場(chǎng)儀表相連。這些使FCS的可靠性得到提高。 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)具有開放性。系統(tǒng)對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)具有一致性、公開性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換，通過現(xiàn)場(chǎng)總線可構(gòu)筑自動(dòng)化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。系統(tǒng)的開放性決定了它具有互操作性和互用性?；ゲ僮餍灾富ミB設(shè)備間、系統(tǒng)間信息傳送與溝通；而互用則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)相互替換。作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線還對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有較強(qiáng)地適應(yīng)性。它支持雙絞線、同軸電纜、光纜、無線和電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 由于結(jié)構(gòu)上的改變，F(xiàn)CS比DCS更節(jié)約硬件設(shè)備。使用FCS可以減少大量的隔離器、端子柜、I/O卡及I/O端口，這樣就節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間；同時(shí)減少了大量電纜，可以極大地節(jié)省安裝費(fèi)用。與此同時(shí)，F(xiàn)CS比DCS性能有所提高。由于免去了D/A與A/D變換，使儀表精度得到極大的提高；通過將PID功能植入到相應(yīng)的智能傳感器中去，使控制周期大為縮短。目前FCS可以從DCS的每秒調(diào)節(jié)25次增加到每秒調(diào)節(jié)1020次，改善了調(diào)節(jié)性能。FCS控制系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較見圖1。 3、現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn) 由于現(xiàn)場(chǎng)總線的以上特點(diǎn)，特別是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使其從設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。它不僅節(jié)省了硬件數(shù)量與投資，節(jié)省了安裝費(fèi)用，而且系統(tǒng)的維護(hù)開銷也大大地降低?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)不僅精確度與可靠性高，在方便使用和維護(hù)性方面，F(xiàn)CS也比DCS有優(yōu)勢(shì)。FCS使用統(tǒng)一的組態(tài)方式，安裝、運(yùn)行、維修簡便；利用智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表，使維修預(yù)報(bào)（Predicted maintenance）成為可能；由于系統(tǒng)具有互操作性和互用性，用戶可以自由選擇不同品牌的設(shè)備達(dá)到最佳的系統(tǒng)集成，在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，可以自由選擇替換的設(shè)備，保障用戶的高度系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。此外，它還具有設(shè)計(jì)簡單，易于重構(gòu)等特點(diǎn)。 四、發(fā)展趨向 傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）具有集中監(jiān)控、分散控制、操作方便的特點(diǎn)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)DCS的結(jié)構(gòu)存在一些不足之處，如控制不能做到徹底分散，危險(xiǎn)仍然相對(duì)集中；由于系統(tǒng)的不開放性，不同廠家的產(chǎn)品不能互換、互聯(lián)，限制了用戶的選擇范圍。利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，開發(fā)FCS系統(tǒng)的目標(biāo)是針對(duì)現(xiàn)存的DCS的某些不足，改進(jìn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高其性能和通用性。 FCS想要在實(shí)際中取代DCS，既要具備DCS所具有的功能，又要能克服DCS的缺點(diǎn)。FCS由于采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，在開放性、控制分散等方面優(yōu)于傳統(tǒng)DCS。但是由于它是一種新技術(shù)，目前連標(biāo)準(zhǔn)本身都還沒有制定統(tǒng)一，因此FCS與成熟的DCS相比，還存在下列的一些欠缺。 （1）由于現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)本身尚在發(fā)展中，從而給產(chǎn)品的開發(fā)和測(cè)試帶來難度。這在一定程度上造成產(chǎn)品開發(fā)商、生產(chǎn)商少，產(chǎn)品品種單一而且價(jià)格昂貴。 （2）在某些場(chǎng)合中，F(xiàn)CS還無法提供DCS已有的控制功能。由于軟硬件水平的限制，其功能塊的功能還不是很強(qiáng)，品種也不夠齊全；用現(xiàn)場(chǎng)儀表還只能組成一般的控制回路如單回路、串級(jí)、比例控制等，對(duì)于復(fù)雜的、先進(jìn)的控制算法還無法在儀表中實(shí)現(xiàn)，對(duì)于單回路內(nèi)有多輸入、多輸出的情況缺乏好的解決方案。 （3）目前FCS成功的應(yīng)用實(shí)例不多，難以評(píng)估實(shí)際應(yīng)用效果。由于以上這些原因，F(xiàn)CS取代DCS將是一個(gè)逐漸的過程。在這一過程中，會(huì)出現(xiàn)一些過渡型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系統(tǒng)。用戶將現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備連接到獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，服務(wù)器配有DCS中連接操作站的上層網(wǎng)絡(luò)接口，與操作站直接通信。在DCS的軟件系統(tǒng)中可增添相應(yīng)的通信與管理軟件。這樣不需要對(duì)原有控制系統(tǒng)作結(jié)構(gòu)上的重大變動(dòng)。 五、結(jié)束語 當(dāng)前，各種形式的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議并存于控制領(lǐng)域。在樓宇自控領(lǐng)域，Lonworks和CAN網(wǎng)絡(luò)具有一定的優(yōu)勢(shì)；在過程自動(dòng)化領(lǐng)域，主要有過渡型的HART協(xié)議、得到廣泛支持的FF現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議以及