现场总线技术与现场总线控制系统

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1、引言‍

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七十年代以前，控制系统中采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递，其精度差、受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都很差。七十年代末，随着大规模集成电路的出现，微处理器技术得到很大发展。微处理器功能强、体积小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系统，控制效果得到提高；但是尽管如此，还是属于集中式控制系统。随着过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展，控制领域又发生了一次技术变革。这次变革使传统的控制系统（如集散控制系统）无论在结构上还是在性能上都发生了巨大的飞跃，这次变革的基础就是现场总线技术的产生。

现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络，它也被称为现场底层设备控制网络（INFRANET）。80年代以来，各种现场总线技术开始出现，人们要求对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。美国仪表协会(ISA)于1984年开始制订现场总线标准，在欧洲有德国的PROFIBUS和法国的FIP等，各种现场总线标准陆续形成。其中主要的有：基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）、控制局域网络CAN（Controller Area Network）、局部操作网络LonWorks（Local Operating Network ）、过程现场总线PROFIBUS（Process Field Bus）和HART协议(Highway Addressable Remote Transducer)等。但是不论如何，制定单一的开放国际现场总线标准是发展的必然。

2、现场总线技术及其特点

现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。现有的多数现场设备，为提高其性能价格比，在实现其内部操作时都采用了微处理器和数字化元件，于是就提出了必须在这些领域的数字设备之间实现数字通信的要求。

现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题 。它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字一模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连的通信与控制系统。现场总线则是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，其基础是智能仪表。分散在各个工业现场的智能仪表通过数字现场总线连为一体，并与控制室中的控制器和监视器一起共同构成现场总线控制系统FSC。通过遵循一定的国际标准，可以将不同厂商的现场总线产品集成在同一套FCS中，具有互换性和互操作性。FCS把传统DCS的控制功能进一步下放到现场智能仪表，由现场智能仪表完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。现场仪表的数据（包括采集的数据和诊断数据）通过现场总线传到控制室的控制设备上，控制室的控制设备用来监视各个现场仪表的运行状态，保存各智能仪表上传的数据，同时完成少量现场仪表无法完成的高级控制功能。另外，FCS还可通过网关和企业的上级管理网络相连，以便企业管理者掌握第一手资料，为决策提供依据。所以现场总线具有以下突出特点： 　　 

2.1开放性 

现场总线控制系统（FCS）采用公开化的通信协议，遵守同一通信标准的不同厂商的设备之间可以互连及实现信息交换。用户可以灵活选用不同厂商的现场总线产品来组成实际的控制系统，达到最佳的系统集成。

2.2　互操作性 

互操作性是指不同厂商的控制设备不仅可以互相通信，而且可以统一组态，实现同一的控制策略和“即插即用”，不同厂商的性能相同的设备可以互换。

2.3　灵活的网络拓扑结构 

现场总线控制系统可以根据复杂的现场情况组成不同的网络拓扑结构，如树型、星型、总线型和层次化网络结构等。

2.4　系统结构的高度分散性 

现场设备本身属于智能化设备，具有独立自动控制的基本功能，从而从根本上改变了DCS的集中与分散相结合的体系结构，形成了一种全新的分布式控制系统，实现了控制功能的彻底分散，提高了控制系统的可靠性，简化了控制系统的结构。现场总线与上一级网络断开后仍可维持底层设备的独立正常运行，其智能程度大大加强。

2.5　现场设备的高度智能化 

传统的DCS使用相对集中的控制站，其控制站由CPU单元和输入/输出单元等组成。现场总线控制系统则将DCS的控制站功能彻底分散到现场控制设备，仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能，如数据采集与补偿、PID运算和控制、设备自校验和自诊断等功能。系统的操作员可以在控制室实现远程监控，设定或调整现场设备的运行参数,还能借助现场设备的自诊断功能对故障进行定位和诊断。

2.6　对环境的高度适应性 

现场总线是专为工业现场设计的，它可以使用双绞线、同轴电缆、光缆和无线的方式来传送数据，具有很强的抗干扰能力。常用的数据传输线是廉价的双绞线，并允许现场设各利用数据通信线进行供电，还能满足本质安全防爆要求。 

3、主要现场总线简介

3.1 基金会现场总线（Foundation Fieldbus） 　　基金会现场总线是由现场总线基金会推出。与私有的网络总线协议不同，FF总线不附属于任何一个企业或国家。其总线体系结构是参照、ISO的OSI模型中物理层、数据链路层和应用层，并增加了用户层而建立起来的通信模型。FF得到了世界上几乎所有的著名仪表制造商的支持，同时遵守IEC的协议规划，与IEC的现场总线国际标准和草案基本-致，加上它在技术上的优势，所以极有希望成为将来的主要国际标准。 　　FF总线提供了Hl和H2两种物理层标准。Hl是用于过程控制的低速总线，传输速率为31.25Kbps，传输距离为200m、450m、1200m、1900m四种（加中继器可以延长），可用总线供电，支持本质安全设备和非本质安全总线设备。H2为高速总线，其传输速率为1Mbps（此时传输距离为750m）或2.5bps（此时传输距离为为500m）。H1和H2每段节点数可达32个，使用中继器后可达240个，Hl和H2可通过网桥互连。FF的突出特点在于设备的互操作性、改善的过程数据、更早的预测维护及可靠的安全性。

3.2 过程现场总线Profibus 　　Profibus由Siemens公司提出并极力倡导，己先后成为德国国家标DIN19245和欧洲标准EN50170，是一种开放而独立的总线标准，在机械制造、工业过程控制、智能建筑中充当通信网络。Profibus由Profibus-PA、Profibus-DP和     Profibus-FMS三个系列组成。Profibus-PA （Process Automation）用于过程自动化的低速数据传输，其基本特性同FF的H1总线，可以提供总线供电和本质安全，并得到了专用集成电路（ASIC）和软件的支持。Profibus-DP与Profibus-PA兼容，基本特性同FF的H2总线，可实现高速传输，适用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传输，连接Profibus-PA和加工自动化。Profibus-FMS适用于一般自动化的中速数据传输，主要用于传感器、执行器、电气传动、PLC、纺织和楼宇自动化等。后两个系列采用RS485通信标准，传输速率从9.6kbps到12Mbps，传输距离从1200M到l00m（与传输速率有关）。介质存取控制的基本方式为主站之间的令牌方式和主站与从站之间的主从方式，以及综合这两种方式的混合方式。Profibus是一种比较成熟的总线，在工程上的应用十分广泛。

3.3 LonWorks 

LonWorks技术是采用神经元芯片(Neuron Chip)技术，在ISO的OSI七层协议上实现的网络控制技术，采用面向对象的编程方法，使用网络变量或显式消息进行相互通信。

3.4 CAN

控制器局域网（Controller area network 简称CAN）是德国Bosch公司于1983年为汽车应用而开发的。它的基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性。而且能够检测出产生的任何错误。在汽车制造业以及航空工业中受到广泛应用。

3.5 HART总线 　　

HART协议是由Rosemount公司于1986年提出的通信协议。它是用于现场智能仪表和控制室设备间通信的一种协议。它包括ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。HART通信可以有点对点或多点连接模式。这种协议是可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强市场竞争力，在智能仪表市场上占有很大的份额。

4、FCS控制系统

传统的计算机控制系统一般采用DCS结构。在DCS中，对现场信号需要进行点对点的连接，并且I/O端子与PLC或自动化仪表一起被放在控制柜中，而不是放在现场。这就需要铺设大量的信号传输电缆，布线复杂，既费料又费时，信号容易衰减并容易被干扰，而且又不便维护。DCS一般由操作员站、控制站等组成，结构复杂，成本高。而且DCS不是开放系统，互操作性差，难以实现数据共享。而基于PC的FCS则完全克服了这些缺点。

（1）在FCS中，所有的I/O模块均放在工业现场，而且所有的信号通过分布式智能I/O模块在现场被转换成标准数字信号，只需一根电缆就可把所有的现场子站连接起来，进而把现场信号非常简捷地传送到控制室监控设备上，降低了成本，又便于安装和维护，同时数字化的数据传输使系统具有很高的传输速度和很强的抗干扰能力。

（2）FCS具有开放性。在FCS中，软件和硬件都遵从同样的标准，互换性好，更新换代容易。程序设计采用IEC1131-3五种国际标准编程语言，编程和开发工具是完全开放的，同时还可以利用PC丰富的软硬件资源。 

（3）系统的效率大为提高。在FCS中，一台PC可同时完成原来要用两台设备才能完成的PLC和NC/CNC任务。在多任务的Windows NT操作系统下，PC中的软PLC可以同时执行多达十几个PLC任务，既提高了效率，又降低了成本。且PC上的PLC具有在线调试和仿真功能，极大地改善了编程环境。

　　在FCS中，系统的基本结构为：工控机或商用PC、现场总线主站接口卡、现场总线输入/输出模块、PLC或NC/CNC实时多任务控制软件包、组态软件和应用软件。上位机的主要功能包括系统组态、数据库组态、历史库组态、图形组态、控制算法组态、数据报表组态、实时数据显示、历史数据显示、图形显示、参数列表、数据打印输出、数据输入及参数修改、控制运算调节、报警处理、故障处理、通信控制和人机接口等各个方面，并真正实现控制集中、危险分散、数据共享、完全开放的控制要求。

5、结束语

当前，各种形式的现场总线协议并存于控制领域。在楼宇自控领域，Lonworks和CAN网络具有一定的优势；在过程自动化领域，主要有过渡型的HART协议、得到广泛支持的FF现场总线协议以及同样较有竞争力的PROFIBUS协议。HART协议将是目前几年内智能化仪表的主要通信协议；基金会现场总线是过程自动化领域中较有前途的一种现场总线，得到许多自动化仪表设备厂商的支持；由于Lonworks技术的开放性，国内出现了利用它开发控制系统的许多开发商。考虑到统一的开放式现场总线协议标准制定的长期性和艰巨性，传统DCS的退出将是一个渐进过程。随着现场总线技术的不断发展和完善，现场总线控制系统将得到广泛的使用。