現(xiàn)場總線與工廠底層自動化及信息集成技術

1．現(xiàn)場總線技術

1.1 現(xiàn)場總線技術概念

根據(jù)國際電工委員會IEC1158定義，現(xiàn)場總線（Fieldbus）是"安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線"。或者說，現(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。其中，"生產(chǎn)過程"應包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類?，F(xiàn)場設備/儀表指位于現(xiàn)場層的傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行機構(gòu)等設備。因此，現(xiàn)場總線是面向工廠底層自動化及信息集成的數(shù)字化網(wǎng)絡技術?；谶@項技術的自動化系統(tǒng)稱為FCS（Fieldbus Control System）。

1.2 現(xiàn)場總線技術的主要特點
1.2.1 數(shù)字化通信取代4-20mA模擬信號：傳統(tǒng)技術，現(xiàn)場層設備與控制器之間的連接是一對一（一個I/O點對設備的一個測控點）所謂 I/O接線方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關量信息）信號。應用現(xiàn)場總線技術可用一條通信電纜將控制器與現(xiàn)場設備（智能化、帶有通信接口）連接，使用數(shù)字化通信完成底層設備通信及控制要求。

1.2.2 現(xiàn)場設備智能化：應用現(xiàn)場總線技術，要求現(xiàn)場設備（傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行機構(gòu)等設備）是帶有串行通信接口的智能化（可編程或可參數(shù)化）設備。因此，現(xiàn)場總線技術以計算機大規(guī)模集成電路的發(fā)展為基礎。

1.2.3 集現(xiàn)場設備的遠程控制、參數(shù)化及故障診斷為一體：現(xiàn)場總線采用計算機數(shù)字化通信技術連接智能化現(xiàn)場設備，因此，控制器可從現(xiàn)場設備獲取大量豐富信息，可實現(xiàn)設備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送，可完成設備遠程控制、參數(shù)化及故障診斷工作。

1.2.4 現(xiàn)場總線是計算機網(wǎng)絡通信向現(xiàn)場級的延伸：傳統(tǒng)的現(xiàn)場層設備與控制器之間的通信采用一對一連線的方式，傳輸4-20mA/24VDC信號。這種通信技術信息量有限，難以實現(xiàn)設備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自控系統(tǒng)成為工廠中的"信息孤島"，嚴重制約了企業(yè)信息集成及企業(yè)綜合自動化的實現(xiàn)?，F(xiàn)場總線技術采用計算機數(shù)字化通信技術，使自控系統(tǒng)與設備加入工廠信息網(wǎng)絡， 成為企業(yè)信息網(wǎng)絡底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。

1.2.5 現(xiàn)場總線技術是實現(xiàn)工廠底層信息集成的關鍵技術：要成功的實施CIMS，各層次的信息集成及它的支撐技術-計算機網(wǎng)絡問題就必須得到很好的解決?，F(xiàn)場總線是工廠計算機網(wǎng)絡到現(xiàn)場級設備的延伸，是支撐現(xiàn)場級與車間級信息集成的技術基礎。

1.3 現(xiàn)場總線技術發(fā)展及標準
1.3.1 國內(nèi)外現(xiàn)場總線技術、產(chǎn)品發(fā)展迅速
國際上現(xiàn)場總線技術及產(chǎn)品、系統(tǒng)發(fā)展迅速。以現(xiàn)場總線PROFIBUS為例，目前支持PROFIBUS標準的產(chǎn)品超過1500多種，分別來自國際上250多個生產(chǎn)廠家。在世界范圍內(nèi)已安裝運行的PROFIBUS設備已超過200萬臺，年增長率25%。由CONSULTIC提供的現(xiàn)場總線系統(tǒng)FBS（FBS：由十個以上設備組成的現(xiàn)場總線系統(tǒng)）市場調(diào)查表明（在歐洲市場，1996年）：已安裝的FBS為427500套，新增FBS數(shù)量為146400?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)占整個自動化系統(tǒng)市場份額平均為25%。目前國際著名自動化、儀表、電器制造商均有現(xiàn)場總線產(chǎn)品及系統(tǒng)，如羅克威爾、西門子、施耐得、羅斯蒙特、霍尼威爾、橫河等。

1.3.2 現(xiàn)場總線沒有形成統(tǒng)一的國際標準
現(xiàn)場總線技術得以實現(xiàn)的一個關鍵問題，是要在自動化行業(yè)中形成一個制造商們共同遵守的現(xiàn)場總線通信協(xié)議技術標準。國際上著名自動化產(chǎn)品及現(xiàn)場設備生產(chǎn)廠家，意識到現(xiàn)場總線技術是未來發(fā)展方向，紛紛結(jié)成企業(yè)聯(lián)盟，推出自己的總線標準及產(chǎn)品，在市場上培養(yǎng)用戶、擴大影響，并積極支持國際標準組織制定現(xiàn)場總線國際標準。能否使自己總線技術標準在未來國際標準中占有較大比例成份，關系到該公司相關產(chǎn)品前途、用戶的信任及企業(yè)的名譽。而歷史經(jīng)驗證明：國際標準都是采用一個或幾個市場上最成功的技術為基礎。因此，各大國際公司在制定現(xiàn)場總線國際標準中的竟爭，體現(xiàn)了各公司在技術領先地位上的競爭，而其最終還是要歸結(jié)到市場實力的競爭。

據(jù)說目前國際上現(xiàn)有各種總線及總線標準不下二百多種。具有一定影響和已占有一定市場份額的總線有如下幾種：

PROFIBUS現(xiàn)場總線：
1996年3月15日批準為歐洲標準，即DIN 50170 V.2。PROFIBUS產(chǎn)品在世界市場上已被普遍接受，市場份額占歐洲首位，年增長率25%。目前支持PROFIBUS標準的產(chǎn)品超過1500多種，分別來自國際上250多個生產(chǎn)廠家。在世界范圍內(nèi)已安裝運行的PROFIBUS設備已超過200萬臺，到1998年5月，適用于過程自動化的PROFIBUS-PA儀表設備在19個國家的40個用戶廠家投入現(xiàn)場運行。

1989年12月，自愿在其產(chǎn)品中采用PROFIBUS標準的企業(yè)組成用戶組織（PNO），1995年成立PROFIBUS國際組織（PI）。目前，PI在20個國家和地區(qū)有地區(qū)性組織，會員超過800家。1997年7月組建了中國現(xiàn)場總線（PROFIBUS）專業(yè)委員會，并建立現(xiàn)場總線PROFIBUS產(chǎn)品演示及認證的實驗室。PROFIBUS主要應用領域有：制造業(yè)自動化、過程控制自動化、電力自動化、樓宇自動化、鐵路交通信號系統(tǒng)。

FF現(xiàn)場總線：
1994年由ISP 基金會和World FIP(北美)兩大集團合并成立FF基金會，其宗旨在于開發(fā)出符合IEC和ISO標準的、唯一的國際現(xiàn)場總線（Fundation Fieldbus）。低速總線（H1）協(xié)議已于1996年發(fā)表。1997年5月建立了中國現(xiàn)場總線（FF）專業(yè)委員會，并籌建FF現(xiàn)場總線產(chǎn)品認證中心。FF現(xiàn)場總線的應用領域以過程自動化為主。如：化工、電力廠實驗系統(tǒng)、廢水處理、油田等行業(yè)。