| 1、前言
目前，在工業(yè)過程控利領(lǐng)域出現(xiàn)了一種新興的控制技術(shù)，即現(xiàn)場總線（Fieldbus），它是在生產(chǎn)現(xiàn)場微機化測控設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信系統(tǒng)，也既為開放式，數(shù)字化，多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)�，F(xiàn)場總線技術(shù)順應(yīng)了“智能化，數(shù)寧化，信息化，網(wǎng)絡(luò)化，分散化”的當(dāng)今自控技術(shù)發(fā)展的主流，是當(dāng)今自動控制技術(shù)發(fā)展的熱點，代表了工業(yè)控制領(lǐng)域今后的一種發(fā)展方向，使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)無論在結(jié)構(gòu)上還是在性能上出現(xiàn)巨大的飛躍，形成廠新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System），對傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)Dcs（Distribution Control System）造成了沖擊�，F(xiàn)場總線正逐步在過程自動化，制造自動化，智能樓宇，交通等各行業(yè)得到推廣應(yīng)用。
2、現(xiàn)場總線
2.1 Fieldbus產(chǎn)生背景
現(xiàn)場總線技術(shù)起源于用戶現(xiàn)場控制信息傳遞、維護管理等方面的要求，是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的。
60年代-70年代，處于企業(yè)生產(chǎn)過程底層的傳統(tǒng)測控自動化系統(tǒng)，采用兩線制電壓電流模擬信號進行測量控制，70年代中期，形成集散控制系統(tǒng)DCS，采用三層結(jié)構(gòu)模式，存在線路多，維護管理麻煩，且各開發(fā)商的DCS遵循各自的標(biāo)準(zhǔn)，不能互聯(lián)，以及難于實現(xiàn)設(shè)備之間和系統(tǒng)與外界之間的信息交換等，嚴(yán)重制約了系統(tǒng)本身的發(fā)展。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)場有越來越多的信息需要往上傳，通信技術(shù)越來越往下延伸到現(xiàn)場，信息溝通聯(lián)絡(luò)的范圍不斷擴大。為實現(xiàn)企業(yè)的信息集成，實施綜合自動化，使模擬儀表向智能化儀表發(fā)展、工業(yè)控制分立設(shè)備向共享設(shè)備發(fā)展、計算機網(wǎng)絡(luò)從TOP、MAP向現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，最終用戶需要一種適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行、可靠性高、實時性強、造價低廉、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便的控制系統(tǒng)，以形成工廠的底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場自動化設(shè)備之間的多點數(shù)字通信、以及自動化系統(tǒng)與外界的信息交換�，F(xiàn)場總線就是／在這種實際需求的驅(qū)動下產(chǎn)生的。它是以自動控制、自動化儀表、計算機、通信、微電子為主要內(nèi)容的一門綜合技術(shù)，是當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。
現(xiàn)場總線把專用微處理器植入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自都具有丁獨立承擔(dān)某些控制、數(shù)字計算和數(shù)字通信能力。提高丁信號的測量、控制、傳輸精度和速度，同時豐富信息的內(nèi)容�，F(xiàn)場總線可采用多種傳輸介質(zhì)，如用普通電纜、雙絞線、光纖、紅外線、甚至電力傳輸線等，把多個測量控制儀表、計算機等作為節(jié)點連接成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在現(xiàn)場總線的環(huán)境下，借助現(xiàn)場總線網(wǎng)段以及與之有通信連接的其它網(wǎng)段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享，實現(xiàn)異地遠程控制�，F(xiàn)場總線設(shè)備與傳統(tǒng)自控設(shè)備相比，拓寬了信息內(nèi)容，提供傳統(tǒng)儀表所不能提供的如閥門開關(guān)動作次數(shù)、故障診斷等信息，便于操作管理人員更好、更深入地了解生產(chǎn)現(xiàn)場和自控設(shè)備的運行狀態(tài)。
2.2 Fieldbus技術(shù)特點
(1) 開放性、互操作性和互換性
遵循公開統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可實現(xiàn)設(shè)備互操作性和互換性。也就是說，用戶可以把遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的不同廠家、不向品牌、功能相同的產(chǎn)品集成在同一個系統(tǒng)內(nèi)，構(gòu)成FCS，并可在同功能的產(chǎn)品之間進行相互替換，使用戶具有了自控設(shè)備選擇、集成的主動權(quán)。
(2) 數(shù)字化通信
現(xiàn)場設(shè)備具有數(shù)字通信功能。利用數(shù)字信號代替模擬信號，其傳輸抗干擾性強，測量精度高，大大提高了系統(tǒng)性能。
(3) 智能化與功能自治性
智能化的現(xiàn)場設(shè)備可以實現(xiàn)多種先進的功能，如簡單控制功能、檢測、變換、診斷和運算等，可現(xiàn)場就地及時處理信息，不使信息過多地往返于網(wǎng)絡(luò)上傳遞，提高傳輸速度和減小控制響應(yīng)時間。
(4) 高度分散性
現(xiàn)場設(shè)備智能化，實現(xiàn)徹底的分散控制，位控制系統(tǒng)功能不依賴控制室的計算機或控制儀表，而在現(xiàn)場完成，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。
(5) 適應(yīng)性
指對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性，含電磁環(huán)境，氣候環(huán)境，機械環(huán)境。大部分現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)是線狀的，且采用兩線制實現(xiàn)供電和通信，易解決網(wǎng)絡(luò)供電、本安防爆等問題，具有較強抗干擾能力。
3、DCS
3.1 DCS的產(chǎn)生
70年代工業(yè)的發(fā)展使生產(chǎn)過程日益復(fù)雜，規(guī)模更加擴大，在生產(chǎn)中采用原來的集中控制系統(tǒng)，可靠性差，出現(xiàn)事故時會中斷生產(chǎn)，為提高可靠性，滿足生產(chǎn)過程控制要求，70年代初，美國日本利歐洲等國開始研制集散型控制系統(tǒng)（DCS）。 DCS是計算機、通信、CRT和控制技術(shù)的結(jié)合。
3.2 DCS的技術(shù)特點
系統(tǒng)的—些主要特點為：
(1) 控制功能強�？蓪崿F(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，如串級、前饋、解耦、自適應(yīng)、最優(yōu)和非線性控制等，也可實現(xiàn)順序控制。
(2) 系統(tǒng)可靠性高。
(3) 采用CRT操作站有良好的人機交互接口。
(4) 軟硬件采用模塊化積木式結(jié)構(gòu)。
(5) 系統(tǒng)容易開發(fā)。
(6) 用組態(tài)軟件，編程簡單，操作方便。
(7) 具有良好的性價比。
DCS是以微處理器為核心，實現(xiàn)地理上和功能上相對分散的控制系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)通道把各個分散點的信息集中起來，進行集中的監(jiān)視和操作，它具有事故分析、性能計算、歷史數(shù)據(jù)存儲、分析、各種報表生成、打印等功能，目前已經(jīng)在國內(nèi)外得到非常廣泛的應(yīng)用。在DCS系統(tǒng)中，測量變送，執(zhí)行器一般由模擬儀表來完成，他們與控制室的監(jiān)控計算機共同構(gòu)成控制系統(tǒng)，是模擬和數(shù)字混合系統(tǒng)，可實現(xiàn)高級復(fù)雜規(guī)律的控制。
4、PLC
可編程控制器（PLC）是60年代發(fā)展起來的一種自動控制裝置，是一種嵌入式的工控機，他以順序控制為主，回路調(diào)節(jié)為輔，能完成邏輯判斷、定時、計數(shù)、記憶和算術(shù)運算功能，既能進行開關(guān)量控制，又能進行模擬量控制，還具有通信功能。隨著自動控制技術(shù)，計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC的發(fā)展十分迅速，一方面繼續(xù)開發(fā)簡易，價格低廉，超小型產(chǎn)品，另一方面轉(zhuǎn)向大型、多功能、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化產(chǎn)品的研制。在單臺設(shè)備的自動化、多臺設(shè)備自動化和整個工廠的生產(chǎn)過程自動化， PLC在其中充當(dāng)著重要作用。
5、發(fā)展應(yīng)用
當(dāng)計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用后，人們對企業(yè)生產(chǎn)過程的控制提出了更高的要求，企業(yè)與外界信息溝通的范圍不斷擴大，這就需要把大量的現(xiàn)場信息送到外面，又需要遠程對現(xiàn)場進行診斷、維護和服務(wù)，實現(xiàn)從現(xiàn)場控制到監(jiān)控、管理、決策等各層次的信息交換和集成。現(xiàn)場總線順應(yīng)了這種要求的發(fā)展。
現(xiàn)場總線的優(yōu)點為：
(1) 系統(tǒng)功能擴充、結(jié)構(gòu)改型方便。
(2) 降低系統(tǒng)部分成木。節(jié)省控制柜，大幅度減少導(dǎo)線、電線橋架、接插件等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔。
(3) 系統(tǒng)可靠性高。由于全數(shù)字化信號精度比傳統(tǒng)的模擬信號高，高度分散控制使風(fēng)險得到徹底分散。
(4) 系統(tǒng)可維護性好。智能化的現(xiàn)場設(shè)備具有自診斷功能，使設(shè)備的預(yù)防性診斷和維護得以實現(xiàn)。
(5) 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)。在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)集成中遇到的不兼容協(xié)議、接口等問題得到了解決，用戶可以自由選擇不同廠商所提供的產(chǎn)品來集成系統(tǒng)。
(6) 提供更豐富的現(xiàn)場信息，能夠更深入地掌握現(xiàn)場生產(chǎn)過程情況、設(shè)備儀表信息。
作為開放互連系統(tǒng)的現(xiàn)場總線，首先必須有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但由于諸多原因，已經(jīng)在不同領(lǐng)域形成了頗具影響的幾大總線系列，如基金會現(xiàn)場總線（FF）、LonWorks、 PROFIBUS、 CAN、 HART等。當(dāng)然，多種現(xiàn)場總線之間的良性競爭，有利于FCS技術(shù)的提高和發(fā)展，也有利于產(chǎn)品價格的降低和用戶系統(tǒng)投資成本的減小，但是，發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，是現(xiàn)場總線的發(fā)展方向，也是廣大用戶的要求。
現(xiàn)場總線是工業(yè)過程控制技術(shù)的發(fā)展主流，可以說FCS的發(fā)展應(yīng)用是自動化領(lǐng)域的一場革命，也既要“革”傳統(tǒng)儀表的命，同時向傳統(tǒng)DCS發(fā)出了挑戰(zhàn)。對于DCS的發(fā)展過程，因為受計算機系統(tǒng)早期存在的一些缺陷影響，造成各生產(chǎn)開發(fā)商的產(chǎn)品自成一體，較難實現(xiàn)互換和互操作，系統(tǒng)也難了與外界進行信息交換，這樣對用戶來說，使企業(yè)的信息集成存在一定的困難；另外， DC3的控制分散也并不是徹底的分散，控制功能是通過各個集中的過程控制站如PLC來完成，許多方面的性能與FCS相比有較大差距。但是，DCS在當(dāng)前情況下仍具有較強的生命力，其理由為：（1）近年來DCS技術(shù)的成熟以及廣泛應(yīng)用，DCS在可靠性、開放性、標(biāo)準(zhǔn)化方面大大前進了一步。（2）DCS的價格大幅度下降。（3）DCS能夠滿足目前的生產(chǎn)控制要求，用戶習(xí)慣容易接受。（4）FCS正在發(fā)展過程之中，某些方面還不是十分完美。比如說現(xiàn)場總線的線狀結(jié)構(gòu)，一旦總線某支路的電纜斷了，這條文路的運行就癱瘓了。又如系統(tǒng)組態(tài)鉸復(fù)雜，不易將系統(tǒng)設(shè)置到最佳狀態(tài)等。（5）目前現(xiàn)場總線儀表與常規(guī)儀表相比價格仍然較貴，硬要去追求潮流，將企業(yè)現(xiàn)有的運行良好的傳統(tǒng)儀器儀表更新成智能儀器儀表，以及將DCS改換成FCS不是很現(xiàn)實的�；谕鍪鲈颍� DCS現(xiàn)在仍是大多數(shù)用戶選擇的主流控制系統(tǒng)。FCS作為一個完整的控制系統(tǒng)，也需要具有類似于DCS那樣的監(jiān)控管理系統(tǒng)，F(xiàn)CS的發(fā)展不是對DCS的絕對否定，既有在它們基礎(chǔ)上對優(yōu)點的繼承，又具有自己特色的變革部分。雖然傳統(tǒng)DCS屬非開放式專用網(wǎng)絡(luò)，但根據(jù)目前的實際情況，將出現(xiàn)通過特殊的網(wǎng)關(guān)將DC3掛接在現(xiàn)場總線網(wǎng)段上，或作為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的—個特殊的子網(wǎng)，形成現(xiàn)場總線與DCS并存的局面。傳統(tǒng)的DCS在—個過渡階段內(nèi)，仍會在一個很長的時期內(nèi)在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，而且，DCS如果能融合FCS的優(yōu)勢技術(shù)，將會是“柳暗花明又一春”。
在FCS中，智能儀器儀表代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀表，控制功能下放分散到現(xiàn)場，PLC的作用將被取代嗎？答案是否定的。 |
