現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其特點(diǎn)
現(xiàn)場(chǎng)總線的概念是隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)成為可能后，于1984年左右提出的。現(xiàn)場(chǎng)總線一般定義為：一種用于智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的開放式，數(shù)字化，雙向串行，多節(jié)點(diǎn)的通信總線。其主要特征：
1．?dāng)?shù)字式通信方式取代設(shè)備級(jí)的模擬量（如4-20mA,0-5V等信號(hào)）和開關(guān)量信號(hào)；
2．在車間級(jí)與設(shè)備級(jí)通信的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)；
3．現(xiàn)場(chǎng)總線是工廠自動(dòng)化過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信的一次數(shù)字化革命；
4．現(xiàn)場(chǎng)總線使自控系統(tǒng)與設(shè)備加入工廠信息網(wǎng)絡(luò)，成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)底層。使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)；
5．在CIMS系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)總線是工廠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的延伸，是支撐現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)信息集成的技術(shù)基礎(chǔ)。
現(xiàn)場(chǎng)總線是工業(yè)控制系統(tǒng)的新型通訊標(biāo)準(zhǔn)，是基于現(xiàn)場(chǎng)總線的低成本自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的采用將帶來(lái)工業(yè)控制系統(tǒng)技術(shù)的革命。采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統(tǒng)開放化，符合工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。
作為連接生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的儀表、控制器等自動(dòng)化裝置的通訊網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)總線是九十年代在國(guó)際興起的新一代全分布式控制系統(tǒng)的核心技術(shù)。伴隨著數(shù)字化時(shí)代的來(lái)臨，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System, FCS)必將成為工業(yè)自動(dòng)化的主流。
現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：
全數(shù)字化
將企業(yè)管理與生產(chǎn)自動(dòng)化有機(jī)結(jié)合一直是工業(yè)界夢(mèng)寐以求的理想，但只有在FCS出現(xiàn)以后這種理想才有可能高效、低成本地實(shí)現(xiàn)。在采用FCS的企業(yè)中，用于生產(chǎn)管理的局域網(wǎng)能夠與用于自動(dòng)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)緊密銜接。此外，數(shù)字化信號(hào)固有的高精度、抗干擾特性也能提高控制系統(tǒng)的可靠性。
全分布
在FCS中各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(shè)備中，而不再需要一個(gè)中央控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)真正的分布式控制。
雙向傳輸
傳統(tǒng)的4~20mA電流信號(hào)，一條線只能傳遞一路信號(hào)。現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備則在一條線上即可以向上傳遞傳感器信號(hào)，也可以向下傳遞控制信息。
自診斷
現(xiàn)場(chǎng)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(hù)，而這在只能傳遞一路信號(hào)的傳統(tǒng)儀表中是做不到的。
節(jié)省布線及控制室空間
傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)每個(gè)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(gè)大配線架。而在FCS系統(tǒng)中多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可串行連接在一條總線上，這樣只需極少的線進(jìn)入中央控制室，大量節(jié)省了布線費(fèi)用，同時(shí)也降低了中央控制室的造價(jià)。
多功能儀表
數(shù)字、雙向傳輸方式使得現(xiàn)場(chǎng)總線儀表可以擺脫傳統(tǒng)儀表功能單一的制約，可以在一個(gè)儀表中集成多種功能，做成多變量變送器，甚至集檢測(cè)、運(yùn)算、控制與一體的變送控制器。
開放性
1999年底現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議已被IEC 批準(zhǔn)正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，從而使現(xiàn)場(chǎng)總線成為一種開放的技術(shù)。
互操作性
現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)保證不同廠家的產(chǎn)品可以互操作，這樣就可以在一個(gè)企業(yè)中由用戶根據(jù)產(chǎn)品的性能、價(jià)格選用不同廠商的產(chǎn)品，集成在一起，避免了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中必須選用同一廠家的產(chǎn)品限制，促進(jìn)了有效的競(jìng)爭(zhēng)，降低了控制系統(tǒng)的成本。
智能化與自治性
現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備能處理各種參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至網(wǎng)絡(luò)故障的情況下獨(dú)立工作，大大提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力。
現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)通常由以下部分組成：
現(xiàn)場(chǎng)總線儀表、控制器
現(xiàn)場(chǎng)總線線路
監(jiān)控、組態(tài)計(jì)算機(jī)
這里的儀表、控制器、計(jì)算機(jī)都需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡、通信協(xié)議軟件連接到網(wǎng)上。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡、通信協(xié)議軟件是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)和神經(jīng)中樞。
現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是國(guó)家九五科技攻關(guān)的重點(diǎn)項(xiàng)目。
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現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的功能安全評(píng)價(jià)大體分以下幾點(diǎn)：
(一)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)完成的功能
現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)所起的作用是通信，它包括一組硬件和軟件，允許兩個(gè)或多個(gè)裝置之間信息交換。在受控過(guò)程中，它不應(yīng)該傳播或建立會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)情形的錯(cuò)誤:它應(yīng)能找出數(shù)據(jù)的訛誤，保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳送，傳遞應(yīng)有序，避免混亂。同時(shí)應(yīng)能隨時(shí)了解可能出現(xiàn)的故障狀態(tài)，避免出現(xiàn)因通信錯(cuò)誤觸發(fā)不合理的安全動(dòng)作，例如使過(guò)程在不該停止時(shí)停了下來(lái)，或使過(guò)程在出現(xiàn)故障時(shí)還繼續(xù)工作等。
(二)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)安全功能評(píng)價(jià)的方法
要證明一個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)是否可以用在安全領(lǐng)域，是否符合IEC61508標(biāo)準(zhǔn)，有兩個(gè)途徑:一是按照IEC61508的原則設(shè)計(jì)一個(gè)新系統(tǒng);二是沿用以前已經(jīng)使用并證明是安全的系統(tǒng)，用"proven in use"方法來(lái)驗(yàn)證。現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的功能安全評(píng)價(jià)一般都采取第二種方法。這是一個(gè)在"使用中證實(shí)"的概念。如果一種產(chǎn)品或系統(tǒng)已經(jīng)在使用中，只要供應(yīng)商有足夠的證據(jù)證明它是安全的，那么以后相同的產(chǎn)品或系統(tǒng)就允許應(yīng)用在同等安全的領(lǐng)域。
IEC61508中提出的這種"proven in use"的概念對(duì)于供應(yīng)商和用戶都有極大的激勵(lì)作用。目前世界上此重要的設(shè)備供應(yīng)商都開始對(duì)自己的產(chǎn)品進(jìn)行這方面認(rèn)證工作。但"Proven in use"實(shí)際上有很嚴(yán)格的限制條件：
(l)Proven in use方法只能用于那些滿足相關(guān)要求的功能和接口子系統(tǒng);
(2)子系統(tǒng)的工作條件與原子系統(tǒng)的工作條件完全相同或十分相近;
(3)如果子系統(tǒng)的工作條件不同，則需要用分析和測(cè)試的方法來(lái)論證該系統(tǒng)的功能安全完整性可能達(dá)到的水平，以保證該系統(tǒng)可用于安全領(lǐng)域;
(4)聲明的失效率有足夠的統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ);
(5)收集有足夠的失效數(shù)據(jù);
(6)考慮了子系統(tǒng)的復(fù)雜性，子系統(tǒng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)降低的貢獻(xiàn)，子系統(tǒng)失效對(duì)整個(gè)系統(tǒng)可能造成的后果，新設(shè)計(jì)等

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