現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制

1　引言
　　在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)以后，工程實(shí)踐中廣泛使用模擬儀表系統(tǒng)中的傳感器、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其信號(hào)傳送一般采用4-20mA的電流信號(hào)形式，一個(gè)變送器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要一對(duì)傳輸線來(lái)單向傳送一個(gè)模擬信號(hào)。這種傳輸方法使用的導(dǎo)線多，現(xiàn)場(chǎng)安裝及調(diào)試的工作量大，投資高，傳輸精度和抗干擾能力較低，不便維護(hù)。主控室的工作人員無(wú)法了解現(xiàn)場(chǎng)儀表的實(shí)際情況，不能對(duì)其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和故障診斷，所以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)，即所謂DCS系統(tǒng)的發(fā)展瓶頸。現(xiàn)場(chǎng)總線正是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生。

　　2　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其特點(diǎn)
　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是在80年代后期發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制技術(shù)，它綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”式的模擬信號(hào)或數(shù)字一模擬信號(hào)控制的局限性，構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互連、多變量、多接點(diǎn)的通信與控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線則是連接智能現(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)，其基礎(chǔ)是智能儀表。分散在各個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表通過(guò)數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)總線連為一體，并與控制室中的控制器和監(jiān)視器一起共同構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）。通過(guò)遵循一定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，可以將不同廠商的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品集成在同一套FCS中，具有互換性和互操作性。FCS把傳統(tǒng)DCS的控制功能進(jìn)一步下放到現(xiàn)場(chǎng)智能儀表，由現(xiàn)場(chǎng)智能儀表完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制運(yùn)算和數(shù)據(jù)輸出等功能?，F(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)（包括采集的數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳到控制室的控制設(shè)備上，控制室的控制設(shè)備用來(lái)監(jiān)視各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表的運(yùn)行狀態(tài)，保存各智能儀表上傳的數(shù)據(jù)，同時(shí)完成少量現(xiàn)場(chǎng)儀表無(wú)法完成的高級(jí)控制功能。另外，F(xiàn)CS還可通過(guò)網(wǎng)關(guān)和企業(yè)的上級(jí)管理網(wǎng)絡(luò)相連，以便企業(yè)管理者掌握第一手資料，為決策提供依據(jù)。所以現(xiàn)場(chǎng)總線具有以下突出特點(diǎn)：
　　
　　2.1開(kāi)放性
　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）采用公開(kāi)化的通信協(xié)議，遵守同一通信標(biāo)準(zhǔn)的不同廠商的設(shè)備之間可以互連及實(shí)現(xiàn)信息交換。用戶可以靈活選用不同廠商的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品來(lái)組成實(shí)際的控制系統(tǒng)，達(dá)到最佳的系統(tǒng)集成。

　　2.2　互操作性
　　互操作性是指不同廠商的控制設(shè)備不僅可以互相通信，而且可以統(tǒng)一組態(tài)，實(shí)現(xiàn)同一的控制策略和“即插即用”，不同廠商的性能相同的設(shè)備可以互換。

　　2.3　靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)可以根據(jù)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)情況組成不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如樹(shù)型、星型、總線型和層次化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。

　　2.4　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性
　　現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身屬于智能化設(shè)備，具有獨(dú)立自動(dòng)控制的基本功能，從而從根本上改變了DCS的集中與分散相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，形成了一種全新的分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了控制功能的徹底分散，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)總線與上一級(jí)網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)后仍可維持底層設(shè)備的獨(dú)立正常運(yùn)行，其智能程度大大加強(qiáng)。

　　2.5　現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的高度智能化
　　傳統(tǒng)的DCS使用相對(duì)集中的控制站，其控制站由CPU單元和輸入/輸出單元等組成?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)則將DCS的控制站功能徹底分散到現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，僅靠現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的基本功能，如數(shù)據(jù)采集與補(bǔ)償、PID運(yùn)算和控制、設(shè)備自校驗(yàn)和自診斷等功能。系統(tǒng)的操作員可以在控制室實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，設(shè)定或調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，還能借助現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自診斷功能對(duì)故障進(jìn)行定位和診斷。

　　2.6　對(duì)環(huán)境的高度適應(yīng)性
　　現(xiàn)場(chǎng)總線是專為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的，它可以使用雙絞線、同軸電纜、光纜、電力線和無(wú)線的方式來(lái)傳送數(shù)據(jù)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。常用的數(shù)據(jù)傳輸線是廉價(jià)的雙絞線，并允許現(xiàn)場(chǎng)設(shè)各利用數(shù)據(jù)通信線進(jìn)行供電，還能滿足本質(zhì)安全防爆要求。

　　由于現(xiàn)場(chǎng)總線的諸多優(yōu)點(diǎn)，所以近十年來(lái)出現(xiàn)了多種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線，如基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF、Profibus、CAN、LONworks、HART等，并得到了廣泛的應(yīng)用。下面僅對(duì)前兩種現(xiàn)場(chǎng)總線予以簡(jiǎn)要介紹。