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)。現(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。現(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)儀表無法完成的高級(jí)控制功能。另外，F(xiàn)CS還可通過網(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開放性
　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）采用公開化的通信協(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)。現(xiàn)場(chǎng)總線與上一級(jí)網(wǎng)絡(luò)斷開后仍可維持底層設(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。現(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、電力線和無線的方式來傳送數(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。

3　主要現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

　　3.1　基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF（Foundation Fieldbus）
　　基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線是國(guó)際上幾家現(xiàn)場(chǎng)總線經(jīng)過激烈競(jìng)爭(zhēng)后形成的的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，由現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)推出。與私有的網(wǎng)絡(luò)總線協(xié)議不同，F(xiàn)F總線不附屬于任何一個(gè)企業(yè)或國(guó)家。其總線體系結(jié)構(gòu)是參照、ISO的OSI模型中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，并增加了用戶層而建立起來的通信模型。FF得到了世界上幾乎所有的著名儀表制造商的支持，同時(shí)遵守IEC的協(xié)議規(guī)劃，與IEC的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和草案基本-致，加上它在技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，所以極有希望成為將來的主要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
　　FF總線提供了Hl和H2兩種物理層標(biāo)準(zhǔn)。Hl是用于過程控制的低速總線，傳輸速率為31.25Kbps，傳輸距離為200m、450m、1200m、1900m四種（加中繼器可以延長(zhǎng)），可用總線供電，支持本質(zhì)安全設(shè)備和非本質(zhì)安全總線設(shè)備。H2為高速總線，其傳輸速率為1Mbps（此時(shí)傳輸距離為750m）或2.5bps（此時(shí)傳輸距離為為500m）。H1和H2每段節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)32個(gè)，使用中繼器后可達(dá)240個(gè)，Hl和H2可通過網(wǎng)橋互連。FF的突出特點(diǎn)在于設(shè)備的互操作性、改善的過程數(shù)據(jù)、更早的預(yù)測(cè)維護(hù)及可靠的安全性。

　　3.2　過程現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus
　　Profibus由Siemens公司提出并極力倡導(dǎo)，己先后成為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170，是一種開放而獨(dú)立的總線標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)械制造、工業(yè)過程控制、智能建筑中充當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)。Profibus由Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS三個(gè)系列組成。Profibus-PA （Process Automation）用于過程自動(dòng)化的低速數(shù)據(jù)傳輸，其基本特性同F(xiàn)F的H1總線，可以提供總線供電和本質(zhì)安全，并得到了專用集成電路（ASIC）和軟件的支持。Profibus-DP與Profibus-PA兼容，基本特性同F(xiàn)F的H2總線，可實(shí)現(xiàn)高速傳輸，適用于分散的外部設(shè)備和自控設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，用于連接Profibus-PA和加工自動(dòng)化。Profibus-FMS適用于一般自動(dòng)化的中速數(shù)據(jù)傳輸，主要用于傳感器、執(zhí)行器、電氣傳動(dòng)、PLC、紡織和樓宇自動(dòng)化等。后兩個(gè)系列采用RS485通信標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率從9.6kbps到12Mbps，傳輸距離從1200M到l00m（與傳輸速率有關(guān)）。介質(zhì)存取控制的基本方式為主站之間的令牌方式和主站與從站之間的主從方式，以及綜合這兩種方式的混合方式。Profibus是一種比較成熟的總線，在工程上的應(yīng)用十分廣泛。

　　4、FCS對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的影響

　　傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般采用DCS結(jié)構(gòu)。在DCS中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)需要進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，并且I/O端子與PLC或自動(dòng)化儀表一起被放在控制柜中，而不是放在現(xiàn)場(chǎng)。這就需要鋪設(shè)大量的信號(hào)傳輸電纜，布線復(fù)雜，既費(fèi)料又費(fèi)時(shí)，信號(hào)容易衰減并容易被干擾，而且又不便維護(hù)。DCS一般由操作員站、控制站等組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。而且DCS不是開放系統(tǒng)，互操作性差，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。而基于PC的FCS則完全克服了這些缺點(diǎn)。

　　（1）在FCS中，借助于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，所有的I/O模塊均放在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，而且所有的信號(hào)通過分布式智能I/O模塊在現(xiàn)場(chǎng)被轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，只需一根電纜就可把所有的現(xiàn)場(chǎng)子站連接起來，進(jìn)而把現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)非常簡(jiǎn)捷地傳送到控制室監(jiān)控設(shè)備上，降低了成本，又便于安裝和維護(hù)，同時(shí)數(shù)字化的數(shù)據(jù)傳輸使系統(tǒng)具有很高的傳輸速度和很強(qiáng)的抗干擾能力。

　　（2）FCS具有開放性。在FCS中，軟件和硬件都遵從同樣的標(biāo)準(zhǔn)，互換性好，更新?lián)Q代容易。程序設(shè)計(jì)采用IEC1131-3五種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)編程語言，編程和開發(fā)工具是完全開放的，同時(shí)還可以利用PC豐富的軟硬件資源。

　　（3）系統(tǒng)的效率大為提高。在FCS中，一臺(tái)PC可同時(shí)完成原來要用兩臺(tái)設(shè)備才能完成的PLC和NC/CNC任務(wù)。在多任務(wù)的Windows NT操作系統(tǒng)下，PC中的軟PLC可以同時(shí)執(zhí)行多達(dá)十幾個(gè)PLC任務(wù)，既提高了效率，又降低了成本。且PC上的PLC具有在線調(diào)試和仿真功能，極大地改善了編程環(huán)境。
　　在FCS中，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為：工控機(jī)或商用PC、現(xiàn)場(chǎng)總線主站接口卡、現(xiàn)場(chǎng)總線輸入/輸出模塊、PLC或NC/CNC實(shí)時(shí)多任務(wù)控制軟件包、組態(tài)軟件和應(yīng)用軟件。上位機(jī)的主要功能包括系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、歷史庫組態(tài)、圖形組態(tài)、控制算法組態(tài)、數(shù)據(jù)報(bào)表組態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示、圖形顯示、參數(shù)列表、數(shù)據(jù)打印輸出、數(shù)據(jù)輸入及參數(shù)修改、控制運(yùn)算調(diào)節(jié)、報(bào)警處理、故障處理、通信控制和人機(jī)接口等各個(gè)方面，并真正實(shí)現(xiàn)控制集中、危險(xiǎn)分散、數(shù)據(jù)共享、完全開放的控制要求。

　　5　結(jié)束語

　　由前面的討論可以看出，F(xiàn)CS的技術(shù)關(guān)鍵是智能儀表技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。智能儀表不僅具有精度高、可自診斷等優(yōu)點(diǎn)，而且具有控制功能，必將取代傳統(tǒng)的4-20mA模擬儀表。連接現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的現(xiàn)場(chǎng)總線是一種開放式、數(shù)字化、多接點(diǎn)的雙向傳輸串行數(shù)據(jù)通路，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。結(jié)合PC豐富的軟硬件資源，既克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，又極大地提高了控制系統(tǒng)的靈活性和效率，形成了一種全新的控制系統(tǒng)，開創(chuàng)了自動(dòng)控制的新紀(jì)元，成為自動(dòng)控制發(fā)展的必然趨勢(shì)。