现场总线的发展历史与未来发展趋势.doc

现场总线的发展历史与未来发展趋势从20世纪70年代末至今，现场总线技术的发展经历了30年历史。已被越来越多应用于现实的生产过程控制中，该技术在减少系统线缆，简化系统安装、维护和管理，降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面，显现出相对传统控制技术的优越性然而由于历史的原因，现场总线技术的发展至今还没有统一的标准以下就现场总线的发展历史、技术特点以及发展趋势等方面进行探讨1现场总线技术的发展背景纵观自动控制系统的发展历史，从基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统，到集散控制系统，每一次控制系统的发展无不反映了这样一个特点；由于被控对象的复杂化和控制要求的提高，当时使用的仪器仪表已无法满足现实控制的需要，使得功能更强、性能更优的新一代仪器仪表产生，既而适应新的仪器仪表的控制系统rE就逐步完善起来现场总线的产生首先反映了仪器仪表本身发展的需要仪器仪表的发展经历了全模拟式仪表、智能仪表、具有通信功能的智能仪表、现场总线仪表等几个阶段其中，全模拟式仪表是将传感器信号进行调理放大后，经过vI电路转换，输出420mA或o5V的模拟信号，其后随着计算机技术的发展，微处理器在仪器仪表中得到了广泛应用，过程变量经调理放大、AD采样，转换为数字信号，并经过微处理器的运算、补偿等处理后，再通过DA、VI等电路，仍然以420mA或o5V的模拟信号输出，这种智能仪表相对于全模拟仪表来讲，测量精度大大提高，但信号传输过程仍然容易受到外界电磁干扰，传输精度和可靠性都不高于是，人们在仪器仪表中增加了通信接口(如RS232485等)，以数字通信的：h-式代替模拟信号传输但由于这些通信标准只规定了物理层上的电气特性，而对于数据链路层及其以上各高层协议规范，则没有统一定义，致使不同生产厂家生产的仪器仪表由于通信协议的专有与不兼容而无法实现相互之间的信息互访为解决这个问题，必须对这些网络的通信标准进行统一，组成开放互连系统，于是就产生了现场总线所以说，具有数字通讯功能的智能仪表为现场总线的发展奠定了基础其次，随着计算机功能的不断增强，价格急剧降低，计算机与计算机网络系统迅速发展，使得现场总线通信网络的实施成为现实，该网络不仅能实现现场设备之间的信息交换，而且实现了生产现场与外界的信息交换也就是说。现场总线的产生同时反映了企业管控一体化信息集成的要求2现场总线的定义所谓现场总线，按照国际电工委员会IEC61158的定义，是指安装在翩造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场控制系统(FCS)现场总线与传统的控制方式的显著区别在于其通讯方式的不同现场总线是用于智能化现场设备和基于微处理器的控制室自动化系统间的全数字化、多站总线式的双向多信息数字通讯的通讯规程是互相操作以及数据共享的公共协议可以认为现场总线是通信总线在现场设备中的延伸。允许将各种现场设备如变送器、调节阀、基地式控制器、记录仪、显示器、PLC及手持终端和控制系统之间，通过同一总线进行双向多变量数字通讯3现场总线的发展历史方方面面的原因，现场总线的发展经历了曲折的历史，而且至今还没有形成一致的国际标准从20世纪70年代现场总线技术就已经萌芽，并在生产现场安装使用由于现场总线技术表现出的突出优点，欧美的许多厂家为此进行了大量的工作，它们各自采用不同的方法、不同的信号标准进行产品开发结果导致了众多的智能化工业控制仪表不相兼容从用户使用的角度看，这样的状况很不利于生产的全球化发展鉴于这种情况。国际电工技术委员会(IEC)从1985年开始着手制订国际性的智能化现场设备和控制室自动化设备之间的通讯标准。并命名为Fieldbus。即现场总线然而，也就是从此之后，关于现场总线的战争开始了，一直持续至今这其中有技术上的问题，更重要的是经济的、甚至是政治上的原因这里只简单讨论其标准化的进程1985年国际电工技术委员会(IEC)制订现场总线标准，实际是后来德国的PROFIBUS与法国的FIP在技术上的争端而未达成协议与此同时，美国仪表协会(ISA)下属的标准与实施工作组的ISASP50开始制订现场总线标准但都没有达成一致统一的结果无法达成统一的协议，基于经济利益的原因，各国各大公司纷纷开发自已的产品占领市场各种现场总线标准相继产生1986年，德国推出Profibus过程现场总线标准1990年，美国Echelon公司推出LonWorks现场总线产品1992年，Siemens、Rosemount、ABB、Foxboro、Yokogawa等80家公司联合，成立ISP(InteroperableSystem Project，可互操作系统规划)协会，着手在Profibus基础上制定标准1993年。Honewell、Bailey等公司成立WorldFIP协会，有120家公司参加，以法国标准FIP(FactorInsrtumentation Protoc01)为基础制定标准1994年ISP与WorldFIP(北美部分)两大集团握手言和，成立了现场总线基金会FF(FieldbusFoundation)FF成立后，标准制定工作进展较快1996年，FF公布了低速总线H1标准，并安装了示范系统将不同厂商的符合FF规范的设备互连构成控制系统和通讯网络使H1低速总线开始步人实用阶段这十年间，现场总线的争端处于胶着状态，直到1999年6月15日，国际电工技术委员会(IEC)决定以新的思路解决争端，在经过艰苦的努力之后，2000年1月4日。IEC宣布现场总线国际标准以86 oA赞成、12反对通过，IEC一61158面世2“实际上。IEC宣布现场总线国际标准并不是一种完全意义上的统一标准。其中包含有8种不同的现场总线协议，这8种通信协议。互不兼容，距离统一标准的现场总线，还有很大距离虽然这些现场总线在功能上可以互补但如果考虑到世界上已有30多种有影响的现场总线，这也还是在统一的路程上，前进了一大步4现场总线的特点以现场的智能仪表为基础，按现场总线技术构建起来的现场总线控制系统(FCS)，解决了传统控制系统一对一封闭回路、集中控制的状况，彻底将控制功能下放至现场的智能仪表，“分散控制集中监控”，具有显著的特点(1)结构简洁，易安装维护扩充系统即用一条传输线连接多台仪表，双向传输数字信号这种结构使得接线简单、安装费用低、容易维护增加现场控制设备与仪表时，只需要挂接到电缆上，无需架设新的电缆(2)高可靠性网络数据通信采用基带传输(即数字数据数字传输)，数据传输速率高(为Mbits或10Mbits级)，实时性好，抗干扰能力强；(3)现场级信息集成能力强现场级的智能仪表不仅可以实现传感测量、补偿计算、工程量处理与控制。而且可实现设备状态、故障、参数信息的双向传送即系统除完成远程控制。还可实现远程参数化工作，管控一体化(4)互可操作性与户用性用户可以将不同制造商的符合同一协议的不同品牌的仪表集成在一起。构成所需要的控制系统不必为集成不同品牌的产品而在硬件或软件上花费力气或者增加额外投资(5)分散控制控制功能分散在现场仪表中，通过现场仪表本身可构成控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自制性和灵活性，并降低了布线成本(6)系统开放现场总线是开放式互连网络，所有的技术和标准都是公开的，制造商必须共同遵守这样用户可以自由集成不同制造商的通信网络。既可同层网络互连，也可与不同层网络互连另外，用户可以极其方便地共享网络数据库总而言之，现场总线是高可靠、低成本、组态简单、可互操作性强、分散控制、方便运行。数据库一致的开放式系统6现场总线的发展趋势(1)FCS将会在一定的时期内成为主流控制系统2FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流，它必将替代DCS这已是业内人士的基本共识然而任何新事物的发生发展都是在对旧事物的扬弃中进行的，FCS与DCS的关系必然也不例外FCS代表潮流与发展方向，而DCS则代表传统与成熟，也是独具优势的事物特别是现阶段，FCS尚没有统一的国际标准而呈群雄逐鹿之势，DCS则以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应用而占据着一个尚不可完全替代的地位而且现阶段，DCS也在朝开放性、分散性和可互操作方向发展所以就目前现状看，工业控制处在DCS本身成熟和FCS发展过程中，智能Io是DCS向现场总线的一种过渡远程智能Io以其可靠性高、分散性好，而具备了现场总线的性能所以，现场总线和DCS将会长期共存，但FCS必将会在一定的时期内成为主流控制系统(2)现场总线的发展与计算机通信技术的关系随着商用计算机领域的局域通信逐步被以太网(ethernet)垄断，过程控制领域中上层的通信也逐步统一到以太网和快速以太网由于因特网的快速发展，人们通过因特网访问控制系统。进行远程诊断、维护和服务的愿望越来越强烈，因此TCPIP协议也进入过程控制领域实际上我们现在就可以看到通过因特网访问现场仪表的事例例如日本MAZRK公司的数控机床的售后维护已有30可以通过因特网实施。但所有这些仅限于故障诊断，维护等实时性要求很低的工作工业过程的现场总线控制不会被计算机通信技术取代，因为现场总线与一般计算机通信在功能、要求和结构上有所不同从功能上讲，计算机通信的基本功能是可靠地传递信息；现场总线的功能有：一是经济、安全、可靠地传递信息；二是正确使用所传信息；三是及时处理所传信息从要求上讲，对计算机通信的主要要求是快；对现场总线不仅要求传输速度快，在过程控制领域还要求响应时间短，即实时性要求高，以及巡回时间短，过程控制系统希望最长巡回时间是预先可知的，并小于一定值从结构上讲，计算机通信系统的结构是网络状的，从一点到另外一点的通信路径可以是不固定的；而大部分现场总线的结构是线状的，虽然现场总线的拓扑结构可以是总线型、星型、环行、回路型等；但在大多数现场总线中，从一点到另外一点的通信路径是比较固定的然而在实时性要求低、被控信息简单的现场环境，例如建筑物自动化等方面，新动向的发展确实值得关注，计算机通信技术正逐步深入到现场控制7 总结现场总线做为一种新的控制系统，目前在一些工业装置、楼宇智能化等方面得到了广泛的应用，其结果显示出巨大的发展前景在国际上，各大自动化仪表公司和自动化厂商竞相采用现场总线，使其在智能化、网络化方面得以快速发展，适应了工业生产自动化的需要由于其FCS系统的先进性，它将影响今后几十年内自动控制技术的发展，FCS将成为自动控制系统的主流