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现场总线技术及控制系统

摘要：文章介绍了现场总线概念,回顾了其产生及发展历程，分析了现场总线控制系统相对于集散控制系统特点和优点。针对目前流行多个现场总线，简明介绍了各自技术特色，指出控制系统开放互连是发展肯定。
关键词：现场总线，集散控制系统，分布式控制，FCS，DCS，开放式互连系统
一、序言
七十年代以前，控制系统中采取模拟量对传输及控制信号进行转换、传输，其精度差、受干扰信号影响大，所以整个控制系统控制效果及系统稳定性全部很差。七十年代末，伴随大规模集成电路出现，微处理器技术得到很大发展。微处理器功效强、体积小、可靠性高、经过合适接口电路用于控制系统，控制效果得到提升；不过尽管如此，还是属于集中式控制系统。伴随过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术成熟和发展，控制领域又发生了一次技术变革。这次变革使传统控制系统（如集散控制系统）不管在结构上还是在性能上全部发生了巨大飞跃，这次变革基础就是现场总线技术产生。
现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备双向串行、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，多种现场总线技术开始出现，大家要求对传统模拟仪表和控制系统变革呼声也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性技术变革浪潮。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PROFIBUS和法国FIP等，多种现场总线标准陆续形成。其中关键有：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。不过，总线标准制订工作并非一帆风顺，因为行业和地域发展等历史原因，加上各企业和企业集团受本身利益驱使，致使现场总线国际化标准工作进展缓慢。不过不管怎样，制订单一开放国际现场总线标准是发展肯定。
二、目前流行几类现场总线
1、基金会现场总线FF
基金会现场总线FF是在过程自动化领域得到广泛支持和含有良好发展前景一个技术。其前身是以美国Fisher－Rosemount企业为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家企业制订ISP协议和以Honeywell企业为首，联合欧洲等地150家企业制订World
FIP协议。这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一现场总线协议。
基金会现场总线分为H1和高速H2两种通信速率。H1传输速率为31.25Kbps，通信距离可达1.9km，可支持总线供电和本质安全防暴环境。H2传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，通信距离为750m和500m。物理传输介质可为双绞线、光缆和无线，其传输信号采取曼切斯特编码。基金会现场总线以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型对应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层关键针对自动化测控应用需要，定义了信息存取统一规则，采取设备描述语言要求了通用功效块集。FF总线包含FF通信协议、ISO模型中2～7层通信协议通栈、用于描述设备特征及操作接口DDL设备描述语言、设备描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换应用功效块，实现系统组态管理功效系统软件技术和构筑集成自动化系统、网络系统系统集成技术。
2、CAN总线
CAN总线最早是由德国Bosch企业推出，用于汽车内部测量和实施部件之间数据通信协议。其总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准，而且广泛应用于离散控制领域。它也是基于OSI模型，但进行了优化，采取了其中物理层、数据链路层、应用层，提升了实时性。其节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广播模式通信。各节点可随时发送消息。传输介质为双绞线，通信速率和总线长度相关。CAN总线采取短消息报文，每一帧有效字节数为8个；当节点犯错时，可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高。
3、LonWorks总线
LonWorks技术是美国ECHELON企业开发，并和Motorola和东芝企业共同提倡现场总线技术。它采取了OSI参考模型全部七层协议结构。LonWorks技术关键是含有通信和控制功效Neuron芯片。Neuron芯片实现完整
LonWorksLonTalk通信协议。其上集成有三个8位CPU。一个CPU完成OSI模型第一和第二层功效，称为介质访问处理器。一个CPU是应用处理器，运行操作系统和用户代码。还有一个CPU为网络处理器，作为前二者中介，它进行网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理等。由神经芯片组成节点之间能够进行对等通信。LonWorks支持多个物理介质并支持多个拓扑结构，组网方法灵活，其IS－78本安物理通道使得它能够应用于危险区域。LonWorks应用范围关键包含楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越性能。
4、PROFIBUS总线
PROFIBUS是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50179现场总线，包含PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA三部分。它也只采取了OSI模型物理层、数据链路层、应用层。PROFIBUS支持主从方法、纯主方法、多主多从通信方法。主站对总线含有控制权，主站间经过传输令牌来传输对总线控制权。取得控制权主站，可向从站发送、获取信息。PROFIBUS－DP用于分散外设间高速数据传输，适合于加工自动化领域。FMS型适适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而PA型则是用于过程自动化总线类型。
5、HART总线
HART协议是由Rosemount企业于1986年提出通信协议。它是用于现场智能仪表和控制室设备间通信一个协议。它包含ISO/OSI模型物理层、数据链路层和应用层。HART通信能够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过渡产品，所以在目前过渡时期含有较强市场竞争力，在智能仪表市场上占有很大份额。
三、现场总线控制系统（FCS）结构和特点
1、结构
伴随现场总线技术出现和成熟，促进了控制系统由集散控制系统（DCS）向现场总线控制系统（FCS）过渡。在通常FCS系统中，遵照一定现场总线协议现场仪表能够组成控制回路，使控制站部分控制功效下移分散到各个现场仪表中。从而减轻了控制站负担，使得控制站能够专职于实施复杂高层次控制算法。对于简单控制应用，甚至能够把控制站取消，在控制站位置代之以起连接现场总线作用网桥和集线器，操作站直接和现场仪表相连，组成份布式控制系统。
2、特点
分布式FCS系统比DCS系统愈加好地表现了“信息集中，控制分散"思想。和传统DCS相比，FCS有其本身特点。FCS系统含有高度分散性，它能够由现场设备组成自治控制回路。现场仪表或设备含有高度智能化和功效自主性，可完成控制基础功效，并能够随时诊疗设备运行情况。另外，FCS结构比DCS简化。有FCS系统省略了DCS中控制站这一层，操作站直接和现场仪表相连。这些使FCS可靠性得到提升。
现场总线系统含有开放性。系统对相关标准含有一致性、公开性，强调对标准共识和遵从。通信协议一致公开，各不一样厂家设备之间可实现信息交换，经过现场总线可构筑自动化领域开放互连系统。系统开放性决定了它含有互操作性和互用性。互操作性指互连设备间、系统间信息传送和沟通；而互用则意味着不一样生产厂家性能类似设备可实现相互替换。作为工厂网络底层现场总线还对现场环境有较强地适应性。它支持双绞线、同轴电缆、光缆、无线和电力线等，含有较强抗干扰能力。
因为结构上改变，FCS比DCS更节省硬件设备。使用FCS能够降低大量隔离器、端子柜、I/O卡及I/O端口，这么就节省了I/O装置及装置室空间；同时降低了大量电缆，能够极大地节省安装费用。和此同时，FCS比DCS性能有所提升。因为免去了D/A和A/D变换，使仪表精度得到极大提升；经过将PID功效植入到对应智能传感器中去，使控制周期大为缩短。现在FCS能够从DCS每秒调整2～5次增加到每秒调整10～20次，改善了调整性能。FCS控制系统和DCS控制系统结构比较见图1。
3、现场总线优点
因为现场总线以上特点，尤其是其系统结构简化，使其从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，全部表现出优越性。它不仅节省了硬件数量和投资，节省了安装费用，而且系统维护开销也大大地降低。现场总线控制系统不仅正确度和可靠性高，在方便使用和维护性方面，FCS也比DCS有优势。FCS使用统一组态方法，安装、运行、维修简便；利用智能化现场仪表，使维修预报（Predicted maintenance）成为可能；因为系统含有互操作性和互用性，用户能够自由选择不一样品牌设备达成最好系统集成，在设备出现故障时，能够自由选择替换设备，保障用户高度系统集成主动权。另外，它还含有设计简单，易于重构等特点。
四、发展趋向
传统集散控制系统（DCS系统）含有集中监控、分散控制、操作方便特点。不过，在实际应用中也发觉DCS结构存在部分不足之处，如控制不能做到根本分散，危险仍然相对集中；因为系统不开放性，不一样厂家产品不能交换、互联，限制了用户选择范围。利用现场总线技术，开发FCS系统目标是针对现存DCS一些不足，改善控制系统结构，提升其性能和通用性。
FCS想要在实际中替换DCS，既要含有DCS所含有功效，又要能克服DCS缺点。FCS因为采取了现场总线技术，在开放性、控制分散等方面优于传统DCS。不过因为它是一个新技术，现在连标准本身全部还没有制订统一，所以FCS和成熟DCS相比，还存在下列部分欠缺。
（1）因为现场总线标准本身尚在发展中，从而给产品开发和测试带来难度。这在一定程度上造成产品开发商、生产商少，产品品种单一而且价格昂贵。
（2）在一些场所中，FCS还无法提供DCS已经有控制功效。因为软硬件水平限制，其功效块功效还不是很强，品种也不够齐全；用现场仪表还只能组成通常控制回路如单回路、串级、百分比控制等，对于复杂、优异控制算法还无法在仪表中实现，对于单回路内有多输入、多输出情况缺乏好处理方案。
（3）现在FCS成功应用实例不多，难以评定实际应用效果。因为以上这些原因，FCS替换DCS将是一个逐步过程。在这一过程中，会出现部分过渡型系统结构，如在DCS中以FCS替换DCS中一些子系统。用户将现场总线设备连接到独立现场总线网络服务器，服务器配有DCS中连接操作站上层网络接口，和操作站直接通信。在DCS软件系统中可增添对应通信和管理软件。这么不需要对原有控制系统作结构上重大变动。
五、结束语
目前，多种形式现场总线协议并存于控制领域。在楼宇自控领域，Lonworks和CAN网络含有一定优势；在过程自动化领域，关键有过渡型HART协议、得到广泛支持FF现场总线协议和一样较有竞争力PROFIBUS协议。HART协议将是现在几年内智能化仪表关键通信协议；基金会现场总线是过程自动化领域中较有前途一个现场总线，得到很多自动化仪表设备厂商支持；因为Lonworks技术开放性，中国出现了利用它开发控制系统很多开发商。考虑到统一开放式现场总线协议标准制订长久性和艰巨性，传统DCS退出将是一个渐进过程。在一段时期内，会出现多个现场总线共存、同一生产现场有多个异构网络互连通讯局面。不过，发展共同遵从统一标准规范，真正形成开放式互连系统，是大势所趋。