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摘要: 现场总线控制技术作为工业标准的新的现场解决方案, 它与传统的过程控制技术相比较有许多明显的优势。文章从各个方面对现场总线控制技术做了明确的分析和比较, 并且给出选用何种总线标准的建议。
 　　
 　　关键词: 现场总线; 现场总线控制系统( FCS) ; 分散控制系统(DCS)
 　　
 　　1　引言
 　　现场总线( Fieldbus) 技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术;是一次工业现场级设备通信的数字化革命。随着计算机技术、通信技术、控制技术的发展, 使得这种全数字化、全分散式、全开放可互操作和开放式互联网络的新一代现场总线控制系统( FCS) 得到长足的发展。它与智能化的现场设备相结合充分体现现场总线控制系统的优越性。现场总线的优越性是无庸置疑的, 它在各个行业的应用也是来势汹涌。因此我们关注它的发展动态, 是很有意义的。
 　　
 　　2　现场总线技术概念
 　　目前, 公认的现场总线技术概念描述如下: 现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。其中, “生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者, 现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点, 用总线相连接, 实现相互交换信息, 共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。
 　　
 　　3　基于现场总线的控制系统主要特点
 　　与传统的模拟仪表控制系统及其它现场总线仪表相比, 现场总线及现场总线控制系统在以下几方面具有极大的优势。
 　　3. 1　系统结构大大简化,降低系统及工程成本
 　　传统的控制系统(如DCS) 与模拟仪表间保持着一对一的连接方式, 每个现场仪表到控制系统都需要使用一对传输线, 单向传输一个模拟信号。
 　　这种结构, 在现场需要使用I/O模块、接线盒、电缆; 在控制室又要使用大量的电缆、端子排。仪表到系统连接环节多, 因而导致设备费用高, 占用空间大, 接线庞杂, 安装费用高, 工程周期长, 维护困难。
 　　现场总线仪表与控制系统之间采用的是一对N的连接方式, 一对传输线可接N 台设备, 双向传输多个信号。这种结构节省大量的电缆, 无需使用I/O模块、接线盒和大量的端子排, 使得接线大大简化, 减少由接线点造成的不可靠因素。设备占用空间小, 安装费用低, 工程周期短, 维护方便, 系统扩展容易。
 　　3. 2　真正的分散控制
 　　现场总线控制系统将传统控制系统的控制功能分散到现场仪表模块中, 现场设备和仪表就地构成控制回路, 不再如今日的过程自动控制结构以DCS为中心, 不再依赖于控制室, 取消了I/O单元与控制站, 实现彻底的分散。在现场控制回路中, 变送器不仅具有信号变送、补偿等功能, 还有I/O、P ID调节和运算功能; 执行机构不仅具有信号转换和执行功能, 还可内含输出特性校验和补偿功能,也可以有P ID控制和运算功能。各种功能都被模块化做成功能块, 用户可根据需要选用功能块安装在现场设备和仪表中, 控制功能块可放在变送器模块中, 也可以放在执行器模块中, 或二者均设置, 实现冗余控制。控制系统仍可对过程进行远程监控,对现场仪表和设备进行在线组态、调校等, 同时还可用控制系统完成一些复杂的控制和管理功能。这样提高系统的可靠性、自治性和灵活性。
 　　3. 3　开放式、互操作性、可维护性、可集成性
 　　不同厂家产品只要使用同一总线标准, 就具有互操作性、互换性, 因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式, 允许其它厂商将自己专长的控制技术, 如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去, 因此, 市场上将有许多面向行业特点的监控系统。同样也增强了现场级信息集成能力,现场总线可从现场设备获取大量丰富信息, 能够更好的满足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络, 它不单纯取代4～20 mA信号, 还可实现现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能, 可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作, 也增强了系统的可维护性。基于现场总线的自动化监控系统如果采用计算机数字化通信技术, 使自控系统与设备加入工厂信息网络, 构成企业信息网络底层, 使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。
 　　在CIMS系统中, 现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸, 是支撑现场级信息集成的技术基础。
 　　3. 4　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、电力线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, 并允许现场设备利用数据通信线进行供电, 还能满足本质安全防爆要求。
 　　3. 5　规模可变的控制系统和灵活的网络拓扑结构
 　　传统的DCS或PLC分大、中、小规模和型号, 增加设备时要增加电缆、I/O接口及接线牌, 甚至增加控制器, 对不同的系统还要采用不同的计算机语言等进行组态, 系统扩展给设计和施工带来许多不便。
 　　现场总线控制系统采用完全分散式结构, 系统功能单元模块化, 功能块内嵌于现场总线设备和仪表或控制器中, 现场设备和仪表作为节点平等地挂接在现场总线上, 如果是相对理想状态, 从几个回路到几百个回路均可。增加控制回路或单元, 只需将设备挂接到网络节点上, 功能强大的软件可帮我们迅速组态现场设备, 并投入运行, 系统扩展十分简单, 故被称为规模可变的控制系统。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。
 　　可以说, 开发性、分散性和低成本是现场总线最显著的三大特征。在一些特殊行业、特殊要求下, 现场总线对环境的适应性以及采用灵活的网络结构是很有必要的。比如在危险区域, 要求现场设备的防爆; 常规的防爆方法会通过限制能量来避免由于电磁感应产生的火花能量。这样与现场总线的主要优点就有了抵触, 因为为了限制能量(运用本安方法) , 那么, 每个总线分支上允许连接的现场设备就会大大的减少。又比如总线采用线状结构, 如果一条总线支路的电缆断了, 这个支路就瘫痪了; 如果采用网状结构, 即使断了一两条支路,信息还可以通过其他途径传递, 系统功能会下降,但不会瘫痪。
 　　
 　　4　主要现场总线简介
 　　现场总线发展迅速, 现正处于群雄并起、百家争鸣的阶段, 目前已开发出40多种现场总线, 具有影响力的有4种。
 　　4. 1　基金会现场总线FF( Founda tion Fieldbus)
 　　基金会现场总线是国际上几家现场总线经过激烈竞争后形成的的一种现场总线, 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。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. 25 kbp s, 传输距离为200 m、450m、1 200 m、1 900 m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, 刚开始FF对H2的构想为1Mbp s (此时传输距离为750 m) 或2. 5 Mbps(此时传输距离为500 m) 。在后来的会议中决定改为以100Mbp s以太网为基础, 并称为高速以太网现场总线HSE (High Speed Ethernet Fieldbus) 。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。目前, FF现场总线的应用领域以过程自动化为主。如: 化工、电力厂实验系统、废水处理、油田等行业。
 　　4. 2　过程现场总线Prof ibus
 　　Profibus是由Siemens公司提出并极力倡导,己先后成为德国国家标准D IN19245 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, 用于连接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. 6 kbp s到12 Mbp s, 传输距离从1 200 m 到100 m (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。
 　　4. 3　Lonwoks总线
 　　Lonworks现场总线全称为Lonworks NetWorks,即分布式智能控制网络技术, 希望推出能够适合各种现场总线应用场合的测控网络。智能节点和LonTalk通讯协议是LonWorks现场总线的基础, 前者支持分散化、智能化的特征, 后者满足了现场智能节点之间无拥塞、快速安全的通讯要求。它的最大特点是全分散智能监控, 赋予现场智能节点更大的自主权, 大部分任务就地完成, 上位机只起系统建造、组态和维护的作用。建立好的系统可以脱离上位机正常运行, 上位机成为“虚拟主机”。目前LONWORKS应用范围广泛, 主要包括工业控制、楼宇自动化、数据采集、SCADA 系统等。国内主要应用于楼宇自动化方面。
 　　4. 4　CANBUS现场总线
 　　CANBUS现场总线已由ISO /TC22技术委员会批准为国际标准IOS 11898 (通讯速率小于1 Mbp s) 和ISO 11519 (通讯速率小于125 kbp s) 。它的协议是工作站现场总线———智能现场设备两层多主结构网络。它具有标准通讯协议, 开放性功能好;无损结构的逐位仲裁方式进行总线的优先权访问;强有力的错误处理能力, 故障节点自动脱离总线;有较强的网络抗干扰能力等特点。CANBUS主要产品应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型I/O。另外在电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。
 　　
 　　5　如何选择现场总线的建议
 　　(1) 是否选用现场总线。在任何领域, 没有实际使用过的“新鲜事物”, 人们往往抱着一种怀疑和谨慎的态度, 更何况先前使用的是一种比较成熟的技术或产品。可随着现场总线标准的日益细化, 现场总线系统产品的逐渐完善, 使它在风险分散、控制层开放、成本下降等各方面的优越性日益突现, 选择使用现场总线的厂家和项目逐渐增多。
 　　另一方面, 由于历史原因, 我国在工控行业内如PLC、DCS落后于国外, 根本原因是国外少数几家大公司为保证其垄断经营的地位对其工控产品采用封闭式结构, 我国对其关键核心技术只有通过引进消化后方可掌握。现场总线技术的开放性策略无疑为我国工控界在国际市场上的发展带来了一个千载难逢的平等竞争机遇。我们应当紧紧抓住这一契机, 率先推出有中国自己的现场总线产品, 开创中国自己的国际工控产品的名牌。
 　　(2) 选择标准。现在现场总线的标准比较多样化, 与各个行业的习惯不同有关。我们应该选择在本行业里占有份额比较大、在实际应用中取得良好成果的标准。这样将来国际标准化组织根据科学技术飞速发展现状及厂商用户对标准制定的要求,对标准的制定及批准手续作出相应的改变, 并承认存在所谓事实上的标准———即那些在市场中已占有较大份额、具有很大的用户成功应用经验的技术标标准。
 　　(3) 选择总线产品。在目前国际上现场总线
 　　群雄并起局面下, 用户应从实际应用工程特点出发去选择。因为没有一种可包罗万象、适合所有应用领域的现场总线技术和产品。应着重考察这种总线在本行业中的应用业绩。如制造业自动化、电力自动化及过程控制自动化三个领域, 在数据实时响应要求方面就大不一样。当然用户可尽量选择国际知名度大、拥有用户多、产品应用基础好的公司产品, 因为这些公司的现场总线技术被国际标准采纳的可能性大, 售后服务好, 及无缝升级产品的机会大。
 　　针对船舶行业要求安全性高、实用性强、监控点多、监控物理量类型多等的特点, 并且多年的实际应用基础和前辈的推荐, 一般采用LonWorks或CANBUS现场总线结构是比较合适的。
 　　针对海洋平台应用中过程控制连续运转能力的要求, 及其系统设计中强调“故障—安全”性和惯用的总线标准, 一般采用FF或ProfiBus这两种总线结构。
 　　
 　　6　结束语
 　　现场总线技术克服了模拟仪表和传统的控制系统(如DCS: 集散控制系统) 在技术上和应用中的各种缺陷, 带来了传统控制技术所无法比拟的长期效益。在选用现场总线时, 要制定出自己的要点, 选择适用的现场总线标准和产品。现场总线的时代已经悄悄来临, 让我们以热情和主动的姿态迎接这场工控革命带来的挑战和机遇!