現(xiàn)場總線技術的發(fā)展與應用

　　1 概述

　　在計算機自動控制系統(tǒng)急速發(fā)展的今天，特別是考慮到現(xiàn)場總線已經(jīng)普遍地滲透到自動控制的各個領域的現(xiàn)實，現(xiàn)場總線必將成為電工自動控制領域主要的發(fā)展方向之一。現(xiàn)場總線技術一直是國際上各大公司激烈競爭的領域；并且國外大公司已經(jīng)在大力拓展中國市場，發(fā)展我國的現(xiàn)場總線產(chǎn)品已經(jīng)刻不容緩?，F(xiàn)場總線對自動化技術的影響意義深遠。當今可以認為現(xiàn)場總線是提高自動化系統(tǒng)整體水平的基礎技術，對國民經(jīng)濟影響重大。因此，要在自動化領域中推廣應用和發(fā)展現(xiàn)場總線。

　　現(xiàn)場總線是近年來自動化領域中發(fā)展很快的互連通信網(wǎng)絡，具有協(xié)議簡單開放、容錯能力強、實時性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點。目前，國際上各種各樣的現(xiàn)場總線有幾百種之多，統(tǒng)一的國際標準尚未建立。較著名的有基金會現(xiàn)場總線（FF）、HART現(xiàn)場總線、CAN現(xiàn)場總線、LONWORKS現(xiàn)場總線、PROFIBUS現(xiàn)場總線、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、AS－INTERFACE總線等。

　　自動化控制系統(tǒng)就是通信網(wǎng)絡把眾多的帶有通信接口的控制設備、檢測元件、執(zhí)行器件與主計算機連接起來，由計算機進行智能化管理，實現(xiàn)集中數(shù)據(jù)處理、集中監(jiān)控、集中分析和集中調(diào)度的新型生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)。

　　從目前國內(nèi)外自動化控制系統(tǒng)所應用的現(xiàn)場總線來看，主要有PROFIBUS、MODBUS、LONWORKS、FF、HART、CAN等現(xiàn)場總線。以上系統(tǒng)基本上都是采用單一的現(xiàn)場總線技術，即整個自動化控制系統(tǒng)中只采用一種現(xiàn)場總線，整個系統(tǒng)構造比較單一。

　　現(xiàn)場總線已不僅僅是一個新技術領域或新技術問題，在研究它的同時，我們發(fā)現(xiàn)它已經(jīng)改變了我們的觀念；如何去看待現(xiàn)場總線，要比研究它的技術細節(jié)更為重要。

　　1.1現(xiàn)場總線是一個巨大的商業(yè)機會

　　一項權威報告聲稱現(xiàn)場總線的應用將使控制系統(tǒng)的成本下降67％；巨大的商業(yè)利益直接導致產(chǎn)生一個巨大的市場，并且促使傳統(tǒng)市場萎縮，從而引發(fā)技術進步。這些對于我們行業(yè)來說都很重要，因為我們正處在新舊市場交替的關口。

　　1.2.現(xiàn)場總線是一場技術革命

　　現(xiàn)場總線帶來了觀念的變化，我們以往開發(fā)新產(chǎn)品，往往只注意產(chǎn)品本身的性能指標，對于新產(chǎn)品與其它相關產(chǎn)品的關聯(lián)就考慮比較少一點。這樣對于電工行業(yè)這樣一個比較保守的行業(yè)來說，新產(chǎn)品就不那么容易地被用戶接收。而現(xiàn)場總線產(chǎn)品卻恰恰相反，它是一個由用戶利益驅(qū)動的市場，用戶對新產(chǎn)品應用的積極性比生產(chǎn)商更高。然而，現(xiàn)場總線新產(chǎn)品的開發(fā)也與傳統(tǒng)產(chǎn)品不同；它是從系統(tǒng)構成的技術角度來看問題，它注重的是系統(tǒng)整體性能的提高，不強求局部最優(yōu)，而是整體的配合。這種配合在主控計算機軟件運行下能使控制系統(tǒng)應用新的理論來發(fā)揮最大的效能；這一點是傳統(tǒng)產(chǎn)品很難做到的?，F(xiàn)場總線的“負跨越（指在技術水平提高的同時，掌握和應用這項新技術的難度卻降低了）”的特性使它的推廣更加容易。

　　2.現(xiàn)場總線的發(fā)展

　　2.1自動控制領域的發(fā)展過程

　　2.1.150多年前第一代過程控制體系是基于5－13psi的氣動信號標準（氣動控制系統(tǒng)PCS，Pneumatic Control System）。簡單的就地操作模式，控制理論初步形成，尚未有控制室的概念。

　　2.1.2第二代過程控制體系（模擬式或ACS,Analog Control System）是基于0－10mA或4－20mA的電流模擬信號，這一明顯的進步，在整整25年內(nèi)牢牢地統(tǒng)治了整個自動控制領域。它表征了電氣自動控制時代的到來?？刂评碚撚辛酥卮蟀l(fā)展，三大控制論的確立奠定了現(xiàn)代控制的基礎；控制室的設立，控制功能分離的模式一直沿用至今。

　　2.1.3第三代過程控制體系（CCS，Computer Control System）.70年代開始了數(shù)字計算機的應用，產(chǎn)生了巨大的技術優(yōu)勢，人們在測量，模擬和邏輯控制領域率先使用，從而產(chǎn)生了第三代過程控制體系（CCS，Computer Control System）。這個被稱為第三代過程控制體系是自動控制領域的一次革命，它充分發(fā)揮了計算機的特長，于是人們普遍認為計算機能做好一切事情，自然而然地產(chǎn)生了被稱為“集中控制”的中央控制計算機系統(tǒng)，需要指出的是系統(tǒng)的信號傳輸系統(tǒng)依然是大部分沿用4－20mA的模擬信號，但是時隔不久人們發(fā)現(xiàn)，隨著控制的集中和可靠性方面的問題，失控的危險也集中了，稍有不慎就會使整個系統(tǒng)癱瘓。所以它很快被發(fā)展成分布式控制系統(tǒng)（DCS）。

　　2.1.4第四代過程控制體系（DCS，Distributed Control System分布式控制系統(tǒng)）：隨著半導體制造技術的飛速發(fā)展，微處理器的普遍使用，計算機技術可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代過程控制體系（DCS，或分布式數(shù)字控制系統(tǒng)），它主要特點是整個控制系統(tǒng)不再是僅僅具有一臺計算機，而是由幾臺計算機和一些智能儀表和智能部件構成一個了控制系統(tǒng)。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一個重要的發(fā)展是它們之間的信號傳遞也不僅僅依賴于4－20mA的模擬信號，而逐漸地以數(shù)字信號來取代模擬信號。

　　2.1.5第五代過程控制體系（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）：FCS是從DCS發(fā)展而來，就象DCS從CCS發(fā)展過來一樣，有了質(zhì)的飛躍?！胺稚⒖刂啤卑l(fā)展到“現(xiàn)場控制”；數(shù)據(jù)的傳輸采用“總線”方式。但是FCS與DCS的真正的區(qū)別在于FCS有更廣闊的發(fā)展空間。

　　2.2現(xiàn)場總線崛起的過程

　　80年代，微處理器及其相關技術的不斷發(fā)展，使得數(shù)據(jù)傳送環(huán)節(jié)成為DCS發(fā)展的瓶頸。1982年，現(xiàn)場總線的概念首先在歐洲提出，兩年后于1984年各國開始進行現(xiàn)場總線標準的研究和制定。1986年由Rosemount提出的通訊協(xié)議HART（Highway Addressable Remote Transducer,可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路），主要是在4－20mA的DC信號上疊加FSK（Frepuency Shift Keying,頻率調(diào)制鍵控）數(shù)字信號，結果取得了很好的效果，同時Interbus等簡單的現(xiàn)場總線也都取得了成功。這樣DSC的發(fā)展的重點落在了現(xiàn)場總線上，開始了被稱為第五代過程控制體系（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）的時代。

　　FCS是從DCS發(fā)展而來，有一個量變到質(zhì)變的過程。從表面上來看，F(xiàn)CS與DCS區(qū)別僅僅在于從“分散控制”發(fā)展到“現(xiàn)場控制”；數(shù)據(jù)的傳輸從“點到點”采用“總線”方式。其實不然，當時系統(tǒng)論的觀點已被廣泛地接受，人們開始以大系統(tǒng)的概念來看待整個過程控制體系。系統(tǒng)的增大，導致了網(wǎng)絡的通訊技術急劇發(fā)展；于是科技界充分認識到在計算機系統(tǒng)的發(fā)展中起過重要作用的總線技術可以大大地推進控制系統(tǒng)的發(fā)展。整個控制系統(tǒng)就象是一臺巨大的“計算機”按總線方式運行，這樣資源的共享成了FCS的主要發(fā)展空間，于是現(xiàn)場總線應運而生，并且以前所未有的激烈程度展開了市場競爭。