現(xiàn)場總線技術(shù)及控制系統(tǒng)

標(biāo)簽：FCS  DCS

一、前言

七十年代以前，控制系統(tǒng)中采用模擬量對傳輸及控制信號進行轉(zhuǎn)換、傳遞，其精度差、受干擾信號影響大，因而整個控制系統(tǒng)的控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性都很差。七十年代末，隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，微處理器技術(shù)得到很大發(fā)展。微處理器功能強、體積小、可靠性高、通過適當(dāng)?shù)慕涌陔娐酚糜诳刂葡到y(tǒng)，控制效果得到提高;但是盡管如此，還是屬于集中式控制系統(tǒng)。隨著過程控制技術(shù)、自動化儀表技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，控制領(lǐng)域又發(fā)生了一次技術(shù)變革。這次變革使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)(如集散控制系統(tǒng))無論在結(jié)構(gòu)上還是在性能上都發(fā)生了巨大的飛躍，這次變革的基礎(chǔ)就是現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生。

現(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場智能設(shè)備和自動化控制設(shè)備的雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點通信網(wǎng)絡(luò)，它也被稱為現(xiàn)場底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)(INFRANET)。80年代以來，各種現(xiàn)場總線技術(shù)開始出現(xiàn)，人們要求對傳統(tǒng)的模擬儀表和控制系統(tǒng)變革的呼聲也越來越高，從而使現(xiàn)場總線成為一次世界性的技術(shù)變革浪潮。美國儀表協(xié)會(ISA)于1984年開始制訂現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，在歐洲有德國的PROFIBUS和法國的FIP等，各種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)形成。其中主要的有：基金會現(xiàn)場總線FF(Foundation Fieldbus)、控制局域網(wǎng)絡(luò)CAN(Controller Area Network)、局部操作網(wǎng)絡(luò)LonWorks(Local Operating Network)、過程現(xiàn)場總線PROFIBUS(Process Field Bus)和HART協(xié)議(Highway Addressable Remote Transducer)等。但是，總線標(biāo)準(zhǔn)的制定工作并非一帆風(fēng)順，由于行業(yè)與地域發(fā)展等歷史原因，加上各公司和企業(yè)集團受自身利益的驅(qū)使，致使現(xiàn)場總線的國際化標(biāo)準(zhǔn)工作進展緩慢。但是不論如何，制定單一的開放國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)是發(fā)展的必然。

二、當(dāng)前流行的幾類現(xiàn)場總線

1、基金會現(xiàn)場總線FF

基金會現(xiàn)場總線FF是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的一種技術(shù)。其前身是以美國Fisher-Rosemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地150家公司制定的World

FIP協(xié)議。這兩大集團于1994年9月合并，成立了現(xiàn)場總線基金會，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。

基金會現(xiàn)場總線分為H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25Kbps，通信距離可達1.9km，可支持總線供電和本質(zhì)安全防暴環(huán)境。H2的傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps兩種，通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可為雙絞線、光纜和無線，其傳輸信號采用曼切斯特編碼?；饡F(xiàn)場總線以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。用戶層主要針對自動化測控應(yīng)用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè)備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集。FF總線包括FF通信協(xié)議、ISO模型中的2～7層通信協(xié)議的通棧、用于描述設(shè)備特性及操作接口的DDL設(shè)備描述語言、設(shè)備描述字典，用于實現(xiàn)測量、控制、工程量轉(zhuǎn)換的應(yīng)用功能塊，實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)管理功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)以及構(gòu)筑集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)。

2、CAN總線

CAN總線最早是由德國Bosch公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。其總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，并且廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域。它也是基于OSI模型，但進行了優(yōu)化，采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，提高了實時性。其節(jié)點有優(yōu)先級設(shè)定，支持點對點、一點對多點、廣播模式通信。各節(jié)點可隨時發(fā)送消息。傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率與總線長度有關(guān)。CAN總線采用短消息報文，每一幀有效字節(jié)數(shù)為8個;當(dāng)節(jié)點出錯時，可自動關(guān)閉，抗干擾能力強，可靠性高。

3、LonWorks總線

LonWorks技術(shù)是美國ECHELON公司開發(fā)，并與Motorola和東芝公司共同倡導(dǎo)的現(xiàn)場總線技術(shù)。它采用了OSI參考模型全部的七層協(xié)議結(jié)構(gòu)。LonWorks技術(shù)的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片實現(xiàn)完整的

LonWorks的LonTalk通信協(xié)議。其上集成有三個8位CPU。一個CPU完成OSI模型第一和第二層的功能，稱為介質(zhì)訪問處理器。一個CPU是應(yīng)用處理器，運行操作系統(tǒng)與用戶代碼。還有一個CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器，作為前兩者的中介，它進行網(wǎng)絡(luò)變量尋址、更新、路徑選擇、網(wǎng)絡(luò)通信管理等。由神經(jīng)芯片構(gòu)成的節(jié)點之間可以進行對等通信。LonWorks支持多種物理介質(zhì)并支持多種拓撲結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)方式靈活，其IS-78本安物理通道使得它可以應(yīng)用于危險區(qū)域。LonWorks應(yīng)用范圍主要包括樓宇自動化、工業(yè)控制等，在組建分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方面有較優(yōu)越的性能。

4、PROFIBUS總線

PROFIBUS是符合德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50179的現(xiàn)場總線，包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三部分。它也只采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。PROFIBUS支持主從方式、純主方式、多主多從通信方式。主站對總線具有控制權(quán)，主站間通過傳遞令牌來傳遞對總線的控制權(quán)。取得控制權(quán)的主站，可向從站發(fā)送、獲取信息。PROFIBUS-DP用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域。FMS型適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。而PA型則是用于過程自動化的總線類型。

5、HART總線

HART協(xié)議是由Rosemount公司于1986年提出的通信協(xié)議。它是用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備間通信的一種協(xié)議。它包括ISO/OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。HART通信可以有點對點或多點連接模式。這種協(xié)議是可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時期具有較強市場競爭力，在智能儀表市場上占有很大的份額。

三、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的結(jié)構(gòu)與特點

1、結(jié)構(gòu)

隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)和成熟，促使了控制系統(tǒng)由集散控制系統(tǒng)(DCS)向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的過渡。在一般的FCS系統(tǒng)中，遵循一定現(xiàn)場總線協(xié)議的現(xiàn)場儀表可以組成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各個現(xiàn)場儀表中。從而減輕了控制站負擔(dān)，使得控制站可以專職于執(zhí)行復(fù)雜的高層次的控制算法。對于簡單的控制應(yīng)用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起連接現(xiàn)場總線作用的網(wǎng)橋和集線器，操作站直接與現(xiàn)場儀表相連，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。

2、特點

分布式的FCS系統(tǒng)比DCS系統(tǒng)更好地體現(xiàn)了“信息集中，控制分散"的思想。與傳統(tǒng)的DCS相比，F(xiàn)CS有其自身的特點。FCS系統(tǒng)具有高度的分散性，它可以由現(xiàn)場設(shè)備組成自治的控制回路?，F(xiàn)場儀表或設(shè)備具有高度的智能化與功能自主性，可完成控制的基本功能，并可以隨時診斷設(shè)備的運行情況。另外，F(xiàn)CS的結(jié)構(gòu)比DCS簡化。有的FCS系統(tǒng)省略了DCS中控制站這一層，操作站直接與現(xiàn)場儀表相連。這些使FCS的可靠性得到提高。

現(xiàn)場總線系統(tǒng)具有開放性。系統(tǒng)對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)具有一致性、公開性，強調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與遵從。通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換，通過現(xiàn)場總線可構(gòu)筑自動化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。系統(tǒng)的開放性決定了它具有互操作性和互用性?；ゲ僮餍灾富ミB設(shè)備間、系統(tǒng)間信息傳送與溝通;而互用則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實現(xiàn)相互替換。作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線還對現(xiàn)場環(huán)境有較強地適應(yīng)性。它支持雙絞線、同軸電纜、光纜、無線和電力線等，具有較強的抗干擾能力。

由于結(jié)構(gòu)上的改變，F(xiàn)CS比DCS更節(jié)約硬件設(shè)備。使用FCS可以減少大量的隔離器、端子柜、I/O卡及I/O端口，這樣就節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間;同時減少了大量電纜，可以極大地節(jié)省安裝費用。與此同時，F(xiàn)CS比DCS性能有所提高。由于免去了D/A與A/D變換，使儀表精度得到極大的提高;通過將PID功能植入到相應(yīng)的智能傳感器中去，使控制周期大為縮短。目前FCS可以從DCS的每秒調(diào)節(jié)2～5次增加到每秒調(diào)節(jié)10～20次，改善了調(diào)節(jié)性能。FCS控制系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較見圖1。

3、現(xiàn)場總線的優(yōu)點

由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使其從設(shè)計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。它不僅節(jié)省了硬件數(shù)量與投資，節(jié)省了安裝費用，而且系統(tǒng)的維護開銷也大大地降低?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不僅精確度與可靠性高，在方便使用和維護性方面，F(xiàn)CS也比DCS有優(yōu)勢。FCS使用統(tǒng)一的組態(tài)方式，安裝、運行、維修簡便;利用智能化現(xiàn)場儀表，使維修預(yù)報(Predicted maintenance)成為可能;由于系統(tǒng)具有互操作性和互用性，用戶可以自由選擇不同品牌的設(shè)備達到最佳的系統(tǒng)集成，在設(shè)備出現(xiàn)故障時，可以自由選擇替換的設(shè)備，保障用戶的高度系統(tǒng)集成主動權(quán)。此外，它還具有設(shè)計簡單，易于重構(gòu)等特點。

四、發(fā)展趨向

傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)(DCS系統(tǒng))具有集中監(jiān)控、分散控制、操作方便的特點。但是，在實際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)DCS的結(jié)構(gòu)存在一些不足之處，如控制不能做到徹底分散，危險仍然相對集中;由于系統(tǒng)的不開放性，不同廠家的產(chǎn)品不能互換、互聯(lián)，限制了用戶的選擇范圍。利用現(xiàn)場總線技術(shù)，開發(fā)FCS系統(tǒng)的目標(biāo)是針對現(xiàn)存的DCS的某些不足，改進控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高其性能和通用性。

FCS想要在實際中取代DCS，既要具備DCS所具有的功能，又要能克服DCS的缺點。FCS由于采用了現(xiàn)場總線技術(shù)，在開放性、控制分散等方面優(yōu)于傳統(tǒng)DCS。但是由于它是一種新技術(shù)，目前連標(biāo)準(zhǔn)本身都還沒有制定統(tǒng)一，因此FCS與成熟的DCS相比，還存在下列的一些欠缺。

(1)由于現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)本身尚在發(fā)展中，從而給產(chǎn)品的開發(fā)和測試帶來難度。這在一定程度上造成產(chǎn)品開發(fā)商、生產(chǎn)商少，產(chǎn)品品種單一而且價格昂貴。

(2)在某些場合中，F(xiàn)CS還無法提供DCS已有的控制功能。由于軟硬件水平的限制，其功能塊的功能還不是很強，品種也不夠齊全;用現(xiàn)場儀表還只能組成一般的控制回路如單回路、串級、比例控制等，對于復(fù)雜的、先進的控制算法還無法在儀表中實現(xiàn)，對于單回路內(nèi)有多輸入、多輸出的情況缺乏好的解決方案。

(3)目前FCS成功的應(yīng)用實例不多，難以評估實際應(yīng)用效果。由于以上這些原因，F(xiàn)CS取代DCS將是一個逐漸的過程。在這一過程中，會出現(xiàn)一些過渡型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系統(tǒng)。用戶將現(xiàn)場總線設(shè)備連接到獨立的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，服務(wù)器配有DCS中連接操作站的上層網(wǎng)絡(luò)接口，與操作站直接通信。在DCS的軟件系統(tǒng)中可增添相應(yīng)的通信與管理軟件。這樣不需要對原有控制系統(tǒng)作結(jié)構(gòu)上的重大變動。

五、結(jié)束語

當(dāng)前，各種形式的現(xiàn)場總線協(xié)議并存于控制領(lǐng)域。在樓宇自控領(lǐng)域，Lonworks和CAN網(wǎng)絡(luò)具有一定的優(yōu)勢;在過程自動化領(lǐng)域，主要有過渡型的HART協(xié)議、得到廣泛支持的FF現(xiàn)場總線協(xié)議以及同樣較有競爭力的PROFIBUS協(xié)議。HART協(xié)議將是目前幾年內(nèi)智能化儀表的主要通信協(xié)議;基金會現(xiàn)場總線是過程自動化領(lǐng)域中較有前途的一種現(xiàn)場總線，得到許多自動化儀表設(shè)備廠商的支持;由于Lonworks技術(shù)的開放性，國內(nèi)出現(xiàn)了利用它開發(fā)控制系統(tǒng)的許多開發(fā)商?？紤]到統(tǒng)一的開放式現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定的長期性和艱巨性，傳統(tǒng)DCS的退出將是一個漸進過程。在一段時期內(nèi)，會出現(xiàn)幾種現(xiàn)場總線共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連通訊的局面。但是，發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，真正形成開放式互連系統(tǒng)，是大勢所趨。