現(xiàn)場總線技術及其控制系統(tǒng)縱橫談
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現(xiàn)場總線在控制領域嶄露頭角不過是最近幾年，然而其來勢兇涌，且有愈演愈烈之趨勢。那么，究竟什么是現(xiàn)場總線？什么是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)？現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)較之目前在工控界仍占主導地位的集散控制系統(tǒng)（ＤＣＳ）有何特點和優(yōu)點？面對目前４０多種現(xiàn)場總線，應選用哪一種？本文將圍繞以上問題展開論述，從控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程角度探討現(xiàn)場總線的成因；闡述現(xiàn)場總線的概念、體系結構和特點給出現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)狀；提出面對現(xiàn)場總線百家爭鳴的現(xiàn)狀應采取的對策。
１ 現(xiàn)場總線的產生
７０年代以前，控制系統(tǒng)中采用模擬量對傳輸及控制信號進行轉換、傳遞，其精度差、受干擾信號影響大，因而整個控制系統(tǒng)的控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性都很差。７０年代末，隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，微處理器技術得到很大發(fā)展。微處理器功能強、體積小、可靠性高、通過適當?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、自動化儀表技術和計算機網絡技術的成熟和發(fā)展，控制領域又發(fā)生了一次技術變革。這次變革使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)（如集散控制系統(tǒng)）無論在結構上還是在性能上都發(fā)生了巨大的飛躍，這次變革的基礎就是現(xiàn)場總線技術的產生。
現(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場智能設備和自動化控制設備的雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點通信網絡，它也被稱為現(xiàn)場底層設備控制網絡（ＩＮＴＲＡＮＥＴ）。８０年代以來，各種現(xiàn)場總線技術開始出現(xiàn)，人們要求對傳統(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)場總線成為一次世界性的技術變革浪潮。美國儀表協(xié)會ＩＳＡ于１９８４年開始制訂現(xiàn)場總線標準，在歐洲有德國的ＰＲＯＦＩＢＵＳ和法國的ＦＩＰ等，各種現(xiàn)場總線標準陸續(xù)形成。其中主要的有：基金會現(xiàn)場總線ＦＦ（Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）、控制局域網絡ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、局部操作網絡ＬｏｎＷｏｒｋｓ（Ｌｏｃａｌ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ ）、過程現(xiàn)場總線ＰＲＯＦＩＢＵＳ（Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｆｉｅｌｄ Ｂｕｓ）和ＨＡＲＴ協(xié)議Ｈｉｇｈｗａｙ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｒｅｍｏｔｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ等。但是，總線標準的制定工作并非一帆風順，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)集團受自身利益的驅使，致使現(xiàn)場總線的國際化標準工作進展緩慢。但是不論如何，制定單一的開放國際現(xiàn)場總線標準是發(fā)展的必然。
２ 現(xiàn)場總線的定義及其標準
權威組織國際電工委員會ＩＥＣ對現(xiàn)場總線的定義是：安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通訊的數(shù)據總線。而什么叫現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（ＦＣＳ－ｆｉｌｅｄｂｕｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ）ＩＥＣ并沒有做出明確解釋。所以，許多文章與資料中經常是把“現(xiàn)場總線”和 “現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)”混為一談?？赡苁乾F(xiàn)場總線的標準太多的緣故吧?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的構成是以某一標準現(xiàn)場總線為基礎的。一旦現(xiàn)場總線標準確定，其對應的控制系統(tǒng)的結構體系也就確定了。雖然，ＩＥＣ在２０００年１月４日宣布現(xiàn)場總線國際標準（ＩＥＣ－６１１８５）以８６％贊成，１２％反對獲得通過。但ＩＥＣ－６１１８５仍然是一個“求大同存小異”的妥協(xié)方案。其把應用層的功能（算法）模塊特長與行業(yè)應用潛能的自由競爭天地留給各ＦＣＳ制造廠商。ＩＥＣ－６１１８５包括了８個子集：ＦＦ－ＨＳＥ、ＦＦ－Ｈ１、ＰＲＯＦＩＢＵＳ、Ｐ－ＮＥＴ、ＣＯＮＴＲＯＬ－ＮＥＴ、ＳＷＩＦＴ－ＮＥＴ。
３ 現(xiàn)場總線技術的特點
（ｌ）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。
（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、驅動器、執(zhí)行機構等設備）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。
（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。
（４）現(xiàn)場總線是計算機網絡通信向現(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)。現(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絡，成為企業(yè)信息網絡底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產現(xiàn)場。
（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支撐技術――計算機網絡問題就必須得到解決。現(xiàn)場總線是工廠計算機網絡到現(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。
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