現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介及技術(shù)特征

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System,FCS)是分布控制系統(tǒng)(DCS) 的更新?lián)Q代產(chǎn)品，并且已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中一個(gè)新的熱點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是20 世紀(jì)90年代興起的一種先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)，它將現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)通信與管理的觀念引入工業(yè)控制領(lǐng)域。從本質(zhì)上說(shuō)，它是一種數(shù)字通信協(xié)議，是連按智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、全分散、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。它是控制技術(shù)、儀表工業(yè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)三者的結(jié)合，具有現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連、互操作性、分散的功能塊、通信線供電和開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)特點(diǎn)。這些特點(diǎn)不僅保證了它完全可以適應(yīng)工業(yè)界對(duì)數(shù)字通信和自動(dòng)控制的需求，而且使它與Internet 互連構(gòu)成不同層次的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)成為可能，代表了今后工業(yè)控制體系結(jié)構(gòu)發(fā) 展 的一種方向。

現(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的定義現(xiàn)場(chǎng)總線是順應(yīng)智能現(xiàn)場(chǎng)儀表而發(fā)展起來(lái)的一種開(kāi)放型的數(shù)字通信技術(shù)，其發(fā)展的初衷是用數(shù)字通信代替一對(duì)一的I/O連接方式，把數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)。根據(jù)IEC和美國(guó)儀表協(xié)會(huì)ISA的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，它的關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通信。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與智能儀表管控一體化(儀表調(diào)校、控制組態(tài)、診斷、報(bào)警、記錄)的發(fā)展，這種開(kāi)放型的工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了新一代的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，即現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱FCS)。FCS作為新一代控制系統(tǒng)，采用了基于開(kāi)放式、標(biāo)準(zhǔn)化的通信技術(shù)，突破了DCS采用專用通信網(wǎng)絡(luò)的局限;同時(shí)還進(jìn)一步變革了DCS中“集散”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，形成了全分布式系統(tǒng)架構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)。簡(jiǎn)而言之，現(xiàn)場(chǎng)總線是把控制系統(tǒng)最基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)自下而上的全數(shù)字化通信，可以認(rèn)為是通信總線在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的延伸，把企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍延伸到了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制器之間均采用一對(duì)一的物理連接。這種傳輸方式一方面要給現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試及維護(hù)帶來(lái)困難，另一方面難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)儀表的在線參數(shù)整定和故障診斷，無(wú)法實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)儀表的實(shí)際情況，使得處于最底層的模擬變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)?，F(xiàn)場(chǎng)總線采用數(shù)字信號(hào)傳輸，允許在一條通信線纜上掛接多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，而不再需要A/D、D/A等I/O組件。當(dāng)需要增加現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)儀表可就近連接在原有的通信線上，無(wú)需增設(shè)其它任何組件。從結(jié)構(gòu)上看，DCS實(shí)際上是“半分散”、“半數(shù)字”的系統(tǒng)，而FCS采用的是一個(gè)“全分散”、“全數(shù)字”的系統(tǒng)架構(gòu)。FCS的技術(shù)特征可以歸納為以下幾個(gè)方面：①全數(shù)字化通信――現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)都保持著數(shù)字特性，現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備采用全數(shù)字化通信。②開(kāi)放型的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)――可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。③互可操作性與互用性――互操作性的含義是指來(lái)自不同制造廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以互相通信、統(tǒng)一組態(tài);而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類(lèi)似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互用。④現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化――總線儀表除了能實(shí)現(xiàn)基本功能之外，往往還具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)分析及故障自診斷功能，系統(tǒng)可以隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。⑤系統(tǒng)架構(gòu)的高度分散性――它可以把傳統(tǒng)控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場(chǎng)儀表，構(gòu)成一種全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了十多年的紛爭(zhēng)，1999年8月形成了一個(gè)由8個(gè)類(lèi)型組成的IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，分別是：TS61158、ControlNet、PROFIBUS、P-Net、FF-HSE、SwiftNet、WorldFIP和Interbus。IEC 61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)只是一種模式，它不改變各組織專有的行規(guī)，各種類(lèi)型都是平等的，其中Type2～Type8需要對(duì)Type1提供接口，而標(biāo)準(zhǔn)本身不要求Type2～Type8之間提供接口，目的就是為了保護(hù)各自的利益。2001年8月制定出由10種類(lèi)型現(xiàn)場(chǎng)總線組成的第三版現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，在原來(lái)8種現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)上增加FF H1和PROFInet。歸納起來(lái)，P-Net和SwiftNe 是用于有限領(lǐng)域的專用現(xiàn)場(chǎng)總線，ControlNet、PROFIBUS、WorldFIP和Interbus是由PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)總線，F(xiàn)F H1和HSE是由傳統(tǒng)DCS發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)總線，總線功能較為復(fù)雜和全面，它們是IEC推薦的國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。在樓宇自控領(lǐng)域，Lonworks和CAN總線具有一定的優(yōu)勢(shì);在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域，過(guò)渡型的HART協(xié)議也將是近期內(nèi)智能化儀表主要的過(guò)渡通信協(xié)議。相比較而言，F(xiàn)F和PROFIBUS是過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中最具競(jìng)爭(zhēng)力的現(xiàn)場(chǎng)總線，它們得到了眾多著名自動(dòng)化儀表設(shè)備廠商的支持，也具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。