畢業(yè)設計（論文）現(xiàn)場總線技術(shù)及其應用研究

目錄1現(xiàn)場總線技術(shù)概述 6現(xiàn)場總線的定義： 61.2現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)生的意義 61.3現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望 61.3.1現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 61.3.2現(xiàn)場總線技術(shù)的應用展望 82現(xiàn)場總線的種類 9基金會現(xiàn)場總線 92.2LonWorks 92.3Profibus 102.4CAN 112.5HART 112.6RS-485 123各種現(xiàn)場總線的特點和應用領(lǐng)域 133.1PROFIBUS現(xiàn)場總線 134.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展 15現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 15自動控制領(lǐng)域的發(fā)展過程 15第一代過程控制體系 15第二代過程控制體系 15第三代過程控制體系 15第四代過程控制體系 16第五代過程控制體系 16現(xiàn)場總線協(xié)議控制器 16智能化配電系統(tǒng) 16現(xiàn)場總線崛起的過程 17現(xiàn)場總線的技術(shù)基礎 17多現(xiàn)場總線技術(shù) 174.8現(xiàn)場總線的技術(shù)特點 194.8.1系統(tǒng)的開放性 194.8.2互可操作性與互用性 194.8.3現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性 194.8.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 194.8.5對現(xiàn)場環(huán)境的適應性 19現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)的比較 204.9.1模擬儀表控制系統(tǒng) 204.9.2集中式數(shù)字控制系統(tǒng) 214.9.3集散控制系統(tǒng)（DCS） 214.9.4現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS） 215現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢 22現(xiàn)場總線的優(yōu)點 22節(jié)省硬件數(shù)量與投資 22節(jié)省安裝費用 22節(jié)省維護開銷 22用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán) 22提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性 23現(xiàn)場總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)的DCS相比，具有以下技術(shù)特點和優(yōu)勢。 245.2.1全數(shù)字通信 245.2.2控制分散 245.2.3開放性、互操作性 245.2.4多分支結(jié)構(gòu) 255.2.5現(xiàn)場設備狀態(tài)可控 255.2.6降低了系統(tǒng)及工程成本 25基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)主要優(yōu)點 25增強了現(xiàn)場級信息集成能力 25開放式、互操作性、互換性、可集成性 25系統(tǒng)可靠性高、可維護性好 26降低了系統(tǒng)及工程成本 266現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢 27現(xiàn)場總線的發(fā)展不會被計算機通信技術(shù)取代 27現(xiàn)場總線與一般計算機通信在功能上的不同 27現(xiàn)場總線與一般計算機通信在要求上的不同 276.現(xiàn)場總線與一般計算機通信在結(jié)構(gòu)上的不同 28國內(nèi)現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢 297工業(yè)以太網(wǎng) 31前言 31工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀 31以太網(wǎng)集線器 31在以太網(wǎng)的協(xié)議中加入實時功能 32工業(yè)以太網(wǎng)的研究課題 32工業(yè)以太網(wǎng)的應用實例 32現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)的區(qū)別 338結(jié)束語 33現(xiàn)場總線技術(shù)及其應用研究中文摘要:現(xiàn)場總線技術(shù)自70年代誕生至今，由于它在多方面的優(yōu)越性，得到大范圍的推廣，導致了自動控制領(lǐng)域的一場革命。本文從多個方面介紹了現(xiàn)場總線技術(shù)的種類、現(xiàn)狀、應用領(lǐng)域及前景。現(xiàn)場總線FF（FieldBus）的概念起源于70年代，當時主要考慮將操作室的現(xiàn)場信號和到控制儀器的控制信號由一組總線以數(shù)字信號形式傳送，不必每個信號都用一組信號線。隨著儀表智能化和通訊數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字通信網(wǎng)絡延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場成為可能，由全數(shù)字現(xiàn)場控制系統(tǒng)代替數(shù)字與模擬分散型控制系統(tǒng)已成為工業(yè)化控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢?，F(xiàn)場總線已經(jīng)發(fā)展成為集計算機網(wǎng)絡、通信技術(shù)、現(xiàn)場控制、生產(chǎn)管理等內(nèi)容為一體的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Field-busControlSystem）。它將通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場生產(chǎn)設備，用于過程和制造自動化的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表互連的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，將傳統(tǒng)的DCS三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)變成兩層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，降低了成本，提高了可靠性，實現(xiàn)了控制管理一體化的結(jié)構(gòu)體系。Englishsummary:Fieldbustechnologysincethe70birthdate,becauseofitssuperiorityinmanywaystogetawiderangeofpromotion,ledtoarevolutioninthefieldofautomaticcontrol.Thisarticledescribesseveralaspectsofthetypesoffieldbustechnology,status,applicationsandprospects.FieldbusFF(FieldBus)conceptoriginatedinthe70's,themainconsiderationwastheoperatingroomon-sitesignalsandcontrolsignalstocontroltheinstrumentbyateambustothedigitalsignalistransmitted,eachsignalhavingasetofsignallinesareused.Intelligentinstrumentationandcommunicationwiththedigitaltechnology,digitalcommunicationnetworkextendstothefieldofindustrialprocesspossible,bytheall-digitalon-siteinsteadofdigitalandanalogcontrolsystemDistributedcontrolsystemindustrialcontrolsystemshavebecomeaninevitabletrend.Fieldbushasdevelopedintocomputernetworks,communicationtechnology,fieldcontrol,productionmanagement,etc.asoneofthefieldbuscontrolsystemFCS(Field-busControlSystem).Communicationlinewillextendtotheproductionsitehasbeenproducingequipmentforprocessandmanufacturingautomationequipmentorfieldinstrumentfield-sitecommunicationnetworkinterconnection,thetraditionalDCSnetworkstructureintoatwo-tiernetworkarchitecture,reducecosts,Improvethereliability,controlandmanagementtoachievetheintegrationofarchitecture.關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線技術(shù)、自動控制、發(fā)展趨勢致謝:本課題在選題及研究過程中得到劉萍老師的悉心指導，劉老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓思路，精心點撥熱忱鼓勵。劉老師一絲不茍的作風嚴謹求實的態(tài)度踏踏實實的精神不僅授我以文，而且教我做人，對劉老師的感激之情是無法用言語表達的！感謝蕭申昕老師、楊彥老師、李林老師等對我的教育培養(yǎng)，他們細心指導我的學習，在此，我要向諸位老師深深地鞠上一躬許多同學及朋友為我提供了良好的研究條件和精確資料，謹向各位同仁表示誠摯的敬意和謝忱！感謝我的父母，焉得湲草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠健康快樂是我最大的心愿！在論文即將完成之際，我的心情無法平靜。從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友、給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！前言現(xiàn)場總線（Fieldbus）是80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的，用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設備互連通訊網(wǎng)絡。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡的基礎，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個基層網(wǎng)絡，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注，成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點，并將導致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設備的深刻變革。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是順應智能現(xiàn)場儀表而發(fā)展起來的。它的初衷是用數(shù)字通訊代替4－20mA模擬傳輸技術(shù)，但隨著現(xiàn)場總線技術(shù)與智能儀表管控一體化（儀表調(diào)校、控制組態(tài)、診斷、報警、記錄）的發(fā)展，在控制領(lǐng)域內(nèi)引起了一場前所未有的革命?？刂茖＜覀兗娂婎A言：FCS將成為21世紀控制系統(tǒng)的主流。

1現(xiàn)場總線技術(shù)概述1.1現(xiàn)場總線的定義：目前，公認的現(xiàn)場總線技術(shù)概念描述如下：現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線。其中，"生產(chǎn)過程"包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類。或者，現(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。1.2現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)生的意義

（1）現(xiàn)場總線（Fieldbus）技術(shù)是實現(xiàn)現(xiàn)場級控制設備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡通信技術(shù)；是一次工業(yè)現(xiàn)場級設備通信的數(shù)字化革命?，F(xiàn)場總線技術(shù)可使用一條通信電纜將現(xiàn)場設備（智能化、帶有通信接口）連接，用數(shù)字化通信代替4-20mA/24VDC信號，完成現(xiàn)場設備控制、監(jiān)測、遠程參數(shù)化等功能。

（2）傳統(tǒng)的現(xiàn)場級自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用一對一連線的、4-20mA/24VDC信號，信息量有限，難以實現(xiàn)設備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自控系統(tǒng)成為工廠中的"信息孤島"，嚴重制約了企業(yè)信息集成及企業(yè)綜合自動化的實現(xiàn)。

（3）基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用計算機數(shù)字化通信技術(shù)，使自控系統(tǒng)與設備加入工廠信息網(wǎng)絡，構(gòu)成企業(yè)信息網(wǎng)絡底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。在CIMS系統(tǒng)中，現(xiàn)場總線是工廠計算機網(wǎng)絡到現(xiàn)場級設備的延伸，是支撐現(xiàn)場級與車間級信息集成的技術(shù)基礎。

1.3現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望1.3.1現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀從20世紀90年代以后，現(xiàn)場總線技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了群雄并起、百家爭鳴的局面。目前已開發(fā)出有40多種現(xiàn)場總線，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具有影響力的有5種，分別是FF、LonWorks、Profibus、CAN和HART。FCS（Filedbuscontrolsystem）則是基于現(xiàn)場總線的自動控制系統(tǒng)，即以現(xiàn)場總線作為工廠底層網(wǎng)絡，通過網(wǎng)絡集成而構(gòu)成的自動控制系統(tǒng)網(wǎng)絡，按照公開、規(guī)范的通訊協(xié)議在智能設備之間、智能設備與遠程計算機之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，從而實現(xiàn)控制與管理一體化的綜合自動控制系統(tǒng)。縱觀控制系統(tǒng)的發(fā)展過程，任何一種新的控制系統(tǒng)的出現(xiàn)都是針對舊的控制系統(tǒng)存在的缺陷而給出的解決方案，并在用戶需求和市場競爭等外部因素的推動下占據(jù)主導地位，現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展也經(jīng)歷了同樣的過程。早期的控制系統(tǒng)主要是模擬儀表控制系統(tǒng)，設備之間傳輸?shù)男盘枮?～5V或4～20mA的直流模擬信號，信號的精度較低，傳輸過程中易受干擾。隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，以單片機、計算機和可編程序控制器（PLC）為控制器的集中數(shù)字控制系統(tǒng)逐步取代了模擬儀表控制系統(tǒng)，集中數(shù)字控制系統(tǒng)中控制器內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，克服了模擬儀表控制系統(tǒng)中模擬信號精度較低的缺點，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。但是集中數(shù)字控制系統(tǒng)對控制器的要求很高，必須具有足夠的處理能力和很高的可靠性，當系統(tǒng)任務增加時控制器的效率和可靠性會下降。以集中管理、分散控制為核心思想的集散控制系統(tǒng)（DCS）在20世紀末期逐步占據(jù)了主導地位。在集散控制系統(tǒng)中管理與控制相分離，上位機用于集中監(jiān)視管理功能，多臺下位機下放分散到現(xiàn)場實現(xiàn)分布式控制功能，上下位機之間以控制網(wǎng)絡互聯(lián)以實現(xiàn)相互之間的信息傳遞，克服了集中數(shù)字控制系統(tǒng)對控制器的的處理能力和可靠性要求很高的缺點。在集散控制系統(tǒng)中分布式控制功能的實現(xiàn)正是得益于網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展和應用，然而，由于不同的DCS廠家出于壟斷經(jīng)營的目的而對其控制通訊網(wǎng)絡采用專用的封閉形式，不同廠家的DCS系統(tǒng)之間以及DCS與上層的Intranet、Internet之間難以實現(xiàn)網(wǎng)絡互聯(lián)和信息共享，因此DCS系統(tǒng)實質(zhì)上是一種專用封閉的、不能互聯(lián)的分布式控制系統(tǒng)，且DCS價格昂貴，用戶對此提出了開放性和降低成本的迫切要求?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS正是順應了上述的用戶要求，采用了現(xiàn)場總線這一開放的、可互連的網(wǎng)絡技術(shù)將現(xiàn)場的各種控制器和儀表設備相互連接，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，降低了安裝成本和維護費用。因此FCS系統(tǒng)實質(zhì)上是一種開放的、可以互連的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)。1984年，美國儀表協(xié)會（ISA）下屬的標準與實施工作組中的ISA/SP50開始制定現(xiàn)場總線標準；1985年，國際電工委員會決定由ProwayWorkingGroup負責現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)與標準的研究制定工作；1986年，德國開始制定過程現(xiàn)場總線（ProcessFieldbus）標準，簡稱為PROFIBUS，由此拉開了現(xiàn)場總線標準制定及其產(chǎn)品開發(fā)的序幕。1992年，由Siemens，Rocemount，ABB，F(xiàn)oxboro，Yokogawa等80家公司聯(lián)合，成立了ISP（InteroperableSystemProtocol）組織，著手在PROFIBUS的基礎上制定現(xiàn)場總線標準。1993年，以Honeywell，Bailey等公司為首，成立了WorldFIP（FactoryInstrumentationProtocol）組織，有120多個公司加盟該組織，并以法國標準FIP為基礎制定現(xiàn)場總線標準。1994年，ISP和WorldFIP的北美分部合并成立了現(xiàn)場總線基金會（FieldbusFoundation簡稱FF），推動了現(xiàn)場總線標準的制定和產(chǎn)品開發(fā)，并于1996年第一季度頒布了低速總線H1的標準，安裝了示范系統(tǒng)，將不同廠商的符合FF規(guī)范的設備互連構(gòu)成控制系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡，使H1低速總線開始步入實用階段。與此同時，在不同行業(yè)還陸續(xù)派生出一些有影響的總線標準。它們大都在某些公司標準的基礎上逐漸形成，并得到其他公司、廠商、用戶及國際組織的支持。如德國Bosch公司推出的CAN（ControlAreaNetwork），美國Echelon公司推出的LonWorks等。預計在今后的一段時期內(nèi)，會出現(xiàn)幾種現(xiàn)場總線標準共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡互連通訊的局面。但是發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標準規(guī)范，真正形成開放的互連系統(tǒng)，將是現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展趨勢。現(xiàn)場總線技術(shù)是工業(yè)控制領(lǐng)域出一種新興的控制技術(shù)，它是計算機技術(shù)，通信技術(shù)，集成電路技術(shù)及智能傳感技術(shù)幾種技術(shù)的結(jié)合，是當今自動控制技術(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。它的出現(xiàn)，將使傳統(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，可以說現(xiàn)場總線是控制領(lǐng)域的一場革命，它代表了一種有突破意義的新的控制思想，它將開辟一個新的時代?，F(xiàn)場總線出現(xiàn)于80年代中后期，從本質(zhì)上來說，它是一種數(shù)字通信協(xié)議，是一種應用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在智能化控制設備之間實行雙向串行通信、多節(jié)點的數(shù)字通信的系統(tǒng)，是一種開放的、數(shù)字化的、多點通信的低層控制網(wǎng)絡。它使得自控系統(tǒng)和設備有了通信能力?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem）是繼基地式氣動儀表控制系統(tǒng)，電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)，集中實式數(shù)字控制系統(tǒng)集散式控制系統(tǒng)DCS后的新一代控制系統(tǒng)。現(xiàn)代工業(yè)控制思想的核心是“分散控制，集中監(jiān)控”使得“危險分散，控制分散”，但即使是現(xiàn)在流行的DCS控制，其與工業(yè)過程打交道的過程控制站仍然還是集中的，現(xiàn)場信號的檢測、傳輸和控制還是采用的4~20mA的模擬信號，這正是對分散控制，集中監(jiān)控思想的違背。而FCS控制系統(tǒng)真正做到了這一點，把控制徹底地下放到現(xiàn)場，現(xiàn)場的智能儀表就能完成諸如數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，控制運算和數(shù)據(jù)輸出大部分現(xiàn)場功能，只有一些現(xiàn)場儀表無法完成的高級控制功能才由上位機來完成。而且現(xiàn)場節(jié)點之間可以相互通信實現(xiàn)互操作，現(xiàn)場節(jié)點也可以把自己的診斷數(shù)據(jù)傳送給上位機，有益于設備管理?，F(xiàn)場總線技術(shù)的應用展望現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生促進了現(xiàn)場設備的數(shù)字化和網(wǎng)絡化，使現(xiàn)場控制的功能更加強大。由于采用了現(xiàn)場總線技術(shù)而帶來了過程控制系統(tǒng)的開放性，使得系統(tǒng)成為具有測量、控制、執(zhí)行和過程診斷等綜合能力的控制網(wǎng)絡。為更好適應工業(yè)過程控制的需要，今后現(xiàn)場總線技術(shù)會從以下幾個方面發(fā)展：(1)基于現(xiàn)場總線的一次儀表和二次儀表的研制現(xiàn)在，生產(chǎn)自動化儀表的廠家必須向現(xiàn)場總線靠攏，開發(fā)出具有現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)的一次及二次儀表。檢測、變換、補償、控制、告警、趨勢分析等功能可以分散在現(xiàn)場解決，簡化上層系統(tǒng)，徹底實現(xiàn)分散控制、集中管理以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。(2)基于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡設備的軟、硬件開發(fā)系統(tǒng)的開放性和通信問題是分散控制系統(tǒng)的突出問題，它需要解決不同廠家軟、硬件產(chǎn)品能否集中到一個系統(tǒng)的問題。如LonWorks總線技術(shù)的產(chǎn)品，只要遵循LonTalk標準，幾百家不同產(chǎn)品均可連接在一個系統(tǒng)中，所以要進行網(wǎng)絡設備的研制必須遵循現(xiàn)場總線的統(tǒng)一標準。(3)開放的組態(tài)技術(shù)研究目前現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組態(tài)是比較復雜的，需要組態(tài)的參數(shù)多，各參數(shù)之間的關(guān)系比較復雜，所以研究開放的組態(tài)技術(shù)也是現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢。開放的組態(tài)技術(shù)的研究主要還包括網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡設備、網(wǎng)段互聯(lián)等。在異構(gòu)網(wǎng)連接的網(wǎng)關(guān)路由的開發(fā)方面，LonWorks具有獨特的優(yōu)勢。(4)網(wǎng)絡設計與網(wǎng)絡管理技術(shù)的增強網(wǎng)絡設計的重點是從物理形態(tài)上考慮通信網(wǎng)絡和輸入、輸出線纜網(wǎng)絡的布置，減少信息的往返傳遞是現(xiàn)場總線系統(tǒng)中網(wǎng)絡設計和系統(tǒng)組態(tài)的一條重要原則。因此，網(wǎng)絡設計時應優(yōu)先將相互間信息交換量大的節(jié)點放在同一條支路里。網(wǎng)絡管理技術(shù)主要還包括網(wǎng)絡管理軟件、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)操作與傳輸。現(xiàn)場總線的出現(xiàn)形成了低層網(wǎng)絡，應同時提供與企業(yè)網(wǎng)、國際互聯(lián)網(wǎng)相連接的可能性。(5)基于現(xiàn)場總線技術(shù)的全開放控制系統(tǒng)集成技術(shù)的開發(fā)自動化系統(tǒng)與設備將朝著現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展，并且涉及的應用領(lǐng)域十分廣闊，幾乎覆蓋了所有的過程控制領(lǐng)域。(6)控制網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的結(jié)合實現(xiàn)Internet-Intranet-Infranet體系結(jié)構(gòu)，對于人們的生產(chǎn)和生活有著重要的意義。如遠程監(jiān)控系統(tǒng)就是該體系在生產(chǎn)控制領(lǐng)域內(nèi)的應用之一?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)接入Internet，在一定的條件下便可通過Internet監(jiān)視，并控制這些生產(chǎn)系統(tǒng)和現(xiàn)場設備的運行狀況和各種參數(shù)[3]。2現(xiàn)場總線的種類從20世紀90年代以后，現(xiàn)場總線技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了群雄并起、百家爭鳴的局面。目前已開發(fā)出有40多種現(xiàn)場總線，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具有影響力的有5種，分別是FF、LonWorks、Profibus、CAN和HART?；饡F(xiàn)場總線基金會現(xiàn)場總線，即FoudationFieldbus,簡稱FF，這是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以美國Fisher-Rousemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的WordFIP協(xié)議。屈于用戶的壓力，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。它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層?；饡F(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為3125Kbps,通信距離可達1900m(可加中繼器延長),可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為1Mbps和2.5Mbps兩種，其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持比絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼，每位發(fā)送數(shù)據(jù)的中心位置或是正跳變，或是負跳變。正跳變代表0，負跳變代表1，從而使串行數(shù)據(jù)位流中具有足夠的定位信息，以保持發(fā)送雙方的時間同步。接收方既可根據(jù)跳變的極性來判斷數(shù)據(jù)的“1”、“0”狀態(tài)，也可根據(jù)數(shù)據(jù)的中心位置精確定位。為滿足用戶需要，Honeywell、Ronan等公司已開發(fā)出可完成物理層和部分數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的專用芯片，許多儀表公司已開發(fā)出符合FF協(xié)議的產(chǎn)品，1總線已通過ａ測試和β測試，完成了由13個不同廠商提供設備而組成的FF現(xiàn)場總線工廠試驗系統(tǒng)。2總線標準也已經(jīng)形成。1996年10月，在芝加哥舉行的ISA96展覽會上，由現(xiàn)場總線基金會組織實施，向世界展示了來自40多家廠商的70多種符合FF協(xié)議的產(chǎn)品，并將這些分布在不同樓層展覽大廳不同展臺上的FF展品，用醒目的橙紅色電纜，互連為七段現(xiàn)場總線演示系統(tǒng)，各展臺現(xiàn)場設備之間可實地進行現(xiàn)場互操作，展現(xiàn)了基金會現(xiàn)場總線的成就與技術(shù)實力。2.2LonWorksLonWorks是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術(shù)，它是由美國Ecelon公司推出并由它們與摩托羅拉、東芝公司共同倡導，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O計方法，通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信設計簡化為參數(shù)設置，其通訊速率從300bps至15Mbps不等，直接通信距離可達到2700m(78kbps，雙絞線),支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)相應的本安防爆產(chǎn)品，被譽為通用控制網(wǎng)絡。LonWorks技術(shù)所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為Neuron的芯片中并得以實現(xiàn)。集成芯片中有3個8位CPU;一個用于完成開放互連模型中第1～2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實現(xiàn)介質(zhì)訪問的控制與處理;第二個用于完成第3～6層的功能，稱為網(wǎng)絡處理器，進行網(wǎng)絡變量處理的尋址、處理、背景診斷、函數(shù)路徑選擇、軟件計量時、網(wǎng)絡管理，并負責網(wǎng)絡通信控制、收發(fā)數(shù)據(jù)包等;第三個是應用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區(qū)，以實現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡緩沖區(qū)和應用緩沖區(qū)。如Motorola公司生產(chǎn)的神經(jīng)元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM。LonWorks技術(shù)的不斷推廣促成了神經(jīng)元芯片的低成本(每片價格約5～9美元)，而芯片的低成本又返過來促進了LonWorks技術(shù)的推廣應用，形成了良好循環(huán)，據(jù)Ecelon公司的有關(guān)資料，到1996年7月，已生產(chǎn)出500萬片神經(jīng)元芯片。LonWorks公司的技術(shù)策略是鼓勵各OEM開發(fā)商運用LonWorks技術(shù)和神經(jīng)元芯片，開發(fā)自己的應用產(chǎn)品，據(jù)稱目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技術(shù):1000多家公司已經(jīng)推出了LonWorks產(chǎn)品，并進一步組織起LonWark互操作協(xié)會，開發(fā)推廣LonWorks技術(shù)與產(chǎn)品。它被廣泛應用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設備、運輸設備、工業(yè)過程控制等行業(yè)。為了支持LonWorks與其它協(xié)議和網(wǎng)絡之間的互連與互操作，該公司正在開發(fā)各種網(wǎng)關(guān)，以便將LonWorks與以太網(wǎng)、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互連為系統(tǒng)。另外，在開發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面，LonWorks神經(jīng)元芯片也具有獨特的優(yōu)勢。LonWorks技術(shù)已經(jīng)被美國暖通工程師協(xié)會ASRE定為建筑自動化協(xié)議BACnet的一個標準。根據(jù)剛剛收到的消息，美國消費電子制造商協(xié)會已經(jīng)通過決議，以LonWorks技術(shù)為基礎制定了EIA-709標準。這樣，LonWorks已經(jīng)建立了一套從協(xié)議開發(fā)、芯片設計、芯片制造、控制模塊開發(fā)制造、OEM控制產(chǎn)品、最終控制產(chǎn)品、分銷、系統(tǒng)集成等一系列完整的開發(fā)、制造、推廣、應用體系結(jié)構(gòu)，吸引了數(shù)萬家企業(yè)參與到這項工作中來，這對于一種技術(shù)的推廣、應用有很大的促進作用。2.3ProfibusProfibus是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準prEN50170的現(xiàn)場總線。ISO/OSI模型也是它的參考模型。由Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA組成了Profibus系列。DP型用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域的應用。FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等一般自動化，而PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC1158-2標準。該項技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，由這兩部分形成了其標準第一部分的子集，DP型隱去了3～7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用戶接口，F(xiàn)MS型只隱去第3～6層，采用了應用層，作為標準的第二部分。PA型的標準目前還處于制定過程之中，其傳輸技術(shù)遵從IEC1158-2(1)標準，可實現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。Porfibus支持主—從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。主站具有對總線的控制權(quán)，可主動發(fā)送信息。對多主站系統(tǒng)來說，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點可在一個事先規(guī)定的時間內(nèi)擁有總線控制權(quán)，共事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長時間。按Profibus的通信規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行方向進行傳遞。主站在得到控制權(quán)時，可以按主—從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實現(xiàn)點對點通信。主站可采取對所有站點廣播(不要求應答),或有選擇地向一組站點廣播。Profibus的傳輸速率為96～12kbps最大傳輸距離在12kbps時為1000m，15Mbps時為400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個站點。2.4CANCAN是控制網(wǎng)絡ControlAreaNetwork的簡稱，最早由德國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。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標準組織制訂為國際標準，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應用在離散控制領(lǐng)域。CAN協(xié)議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎上的，不過，其模型結(jié)構(gòu)只有3層，只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂上層的應用層。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率最高可達1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達10km/kbps,可掛接設備最多可達110個。CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當節(jié)點嚴重錯誤時，具有自動關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。CAN支持多主方式工作，網(wǎng)絡上任何節(jié)點均在任意時刻主動向其它節(jié)點發(fā)送信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術(shù)，當出現(xiàn)幾個節(jié)點同時在網(wǎng)絡上傳輸信息時，優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級低的節(jié)點則主動停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。已有多家公司開發(fā)生產(chǎn)了符合CAN協(xié)議的通信芯片，如Intel公司的82527，Motorola公司的MC68HC05X4，Philips公司的82C250等。還有插在PC機上的CAN總線接口卡，具有接口簡單、編程方便、開發(fā)系統(tǒng)價格便宜等優(yōu)點。2.5HARTHART是HighwayAddressableRemoteTransduer的縮寫。最早由Rosemout公司開發(fā)并得到80多家著名儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會。這種被稱為可尋址遠程傳感高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中工業(yè)過程控制的過渡性產(chǎn)品，因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較好的發(fā)展。HART通信模型由3層組成:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。物理層采用FSK(FrequencyShiftKeying)技術(shù)在4～20mA模擬信號上迭加一個頻率信號，頻率信號采用Bell202國際標準;數(shù)據(jù)傳輸速率為1200bps,邏輯“0”的信號頻率為2200Hz，邏輯“1”的信號傳輸頻率為1200Hz。數(shù)據(jù)鏈路層用于按HART通信協(xié)議規(guī)則建立HART信息格式。其信息構(gòu)成包括開頭碼、顯示終端與現(xiàn)場設備地址、字節(jié)數(shù)、現(xiàn)場設備狀態(tài)與通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)、奇偶校驗等。其數(shù)據(jù)字節(jié)結(jié)構(gòu)為1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個奇偶校驗位，1個終止位。應用層的作用在于使HART指令付諸實現(xiàn)，即把通信狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應的信息。它規(guī)定了一系列命令;按命令方式工作。它有3類命令，第一類稱為通用命令，這是所有設備理解、執(zhí)行的命令;第二類稱為一般行為命令，它所提供的功能可以在許多現(xiàn)場設備(盡管不是全部)中實現(xiàn)，這類命令包括最常用的現(xiàn)場設備的功能庫;第三類稱為特殊設備命令，以便在某些設備中實現(xiàn)特殊功能，這類命既可以在基金會中開放使用，又可以為開發(fā)此命令的公司所獨有。在一個現(xiàn)場設備中通常可發(fā)現(xiàn)同時存在這3類命令。HART支持點對點主從應答方式和多點廣播方式。按應答應方式工作時的數(shù)據(jù)更新速率為2～3次/ｓ,按廣播方式工作時的數(shù)據(jù)更新速率為3～4次/ｓ,它還可支持兩個通信主設備。總線上可掛設備數(shù)多達15個，每個現(xiàn)場設備可有256個變量，每個信息最大可包含4個變量。最大傳輸距離3000m，HART采用統(tǒng)一的設備描述語言DDL?，F(xiàn)場設備開發(fā)商采用這種標準語言來描述設備特性，由HART基金會負責登記管理這些設備描述并把它們編為設備描述字典，主設備運用DDL技術(shù)，來理解這些設備的特性參數(shù)而不必為這些設備開發(fā)專用接口。但由于這種模擬數(shù)字混信號制，導致難以開發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本安防爆要求。2.6RS-485盡管ＲＳ-485不能稱為現(xiàn)場總線，但是作為現(xiàn)場總線的鼻祖，還有許多設備繼續(xù)沿用這種通訊協(xié)議。采用RS-485通訊具有設備簡單、低成本等優(yōu)勢，仍有一定的生命力。以RS-485為基礎的OPTO-22命令集等也在許多系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。3各種現(xiàn)場總線的特點和應用領(lǐng)域3.1PROFIBUS現(xiàn)場總線

1996年3月15日批準為歐洲標準，即DIN50170V.2。PROFIBUS產(chǎn)品在世界市場上已被普遍接受，市場份額占歐洲首位，年增長率25%。目前支持PROFIBUS標準的產(chǎn)品超過1500多種，分別來自國際上250多個生產(chǎn)廠家。在世界范圍內(nèi)已安裝運行的PROFIBUS設備已超過200萬臺，到1998年5月，適用于過程自動化的PROFIBUS-PA儀表設備在19個國家的40個用戶廠家投入現(xiàn)場運行。

1985年組建了PROFIBUS國際支持中心；1989年12月建立了PROFIBUS用戶組織（PNO）。目前在世界各地相繼組建了20個地區(qū)性的用戶組織，企業(yè)會員近650家。1997年7月組建了中國現(xiàn)場總線（PROFIBUS）專業(yè)委員會，并籌建現(xiàn)場總線PROFIBUS產(chǎn)品演示及認證的實驗室。

PROFIBUS主要應用領(lǐng)域有：

.制造業(yè)自動化：汽車制造（機器人、裝配線、沖壓線等）、造紙、紡織。

.過程控制自動化：石化、制藥、水泥、食品、啤酒。

.電力：發(fā)電、輸配電。

.樓宇：空調(diào)、風機、照明。

.鐵路交通：信號系統(tǒng)

FF現(xiàn)場總線

1994年由ISP基金會和WorldFIP(北美)兩大集團合并成立FF基金會，其宗旨

在于開發(fā)出符合IEC和ISO標準的、唯一的國際現(xiàn)場總線（FundationFieldbus）。低速總線（H1）協(xié)議已于1996年發(fā)表。已完成開發(fā)的高速總線（H2）擬于1998年內(nèi)發(fā)表。1997年5月建立了中國現(xiàn)場總線（FF）專業(yè)委員會，并籌建FF現(xiàn)場總線產(chǎn)品認證中心。

目前，F(xiàn)F現(xiàn)場總線的應用領(lǐng)域以過程自動化為主。如：化工、電力廠實驗系統(tǒng)、廢水處理、油田等行業(yè)。

LONWORKS總線

LONWORKS現(xiàn)場總線全稱為LONWORKSNetWorks,即分布式智能控制網(wǎng)絡技術(shù)，希望推出能夠適合各種現(xiàn)場總線應用場合的測控網(wǎng)絡。目前LONGWORKS應用范圍廣泛，主要包括工業(yè)控制、樓宇自動化、數(shù)據(jù)采集、SCADA系統(tǒng)等。國內(nèi)主要應用于樓宇自動化方面。

CANBUS現(xiàn)場總線

CANBUS現(xiàn)場總線已由ISO/TC22技術(shù)委員會批準為國際標準IOS11898（通訊速率小于1Mbps）和ISO11519（通訊速率小于125Kbps）。CANBUS主要產(chǎn)品應用于汽車制造、公共交通車輛、機器人、液壓系統(tǒng)、分散型I/O。另外在電梯、醫(yī)療器械、工具機床、樓宇自動化等場合均有所應用。

WorldFIP現(xiàn)場總線

90~91年FIP現(xiàn)場總線成為法國國家安全標準。96年成為歐洲標準（EN50170V.3）。下一步目標是靠近IEC標準，現(xiàn)在技術(shù)上已做好充分準備。WorldFIP國際組織在北京設有辦事處，即WorldFIP中國信息中心，負責中國的技術(shù)支持。

WorldFIP現(xiàn)場總線采用單一總線結(jié)構(gòu)來適應不同應用領(lǐng)域的需求，不同應用領(lǐng)域采用不同的總線速率。過程控制采用31.25Kbit/s,制造業(yè)為1Mbit/s,驅(qū)動控制為1-2.5Mbit/s。采用總線仲裁器和優(yōu)先級來管理總線上（包括各支線）的各控制站的通信?？蛇M行1對1、1對多點（組）、1對全體等多重通信方式。在應用系統(tǒng)中，可采用雙總線結(jié)構(gòu)，其中一條總線為備用線，增加了系統(tǒng)運行的安全性。

WorldFIP現(xiàn)場總線適用范圍廣泛，在過程自動化、制造業(yè)自動化、電力及樓宇自動化方面都有很好的應用。

P-NET現(xiàn)場總線

P-NET現(xiàn)場總線籌建于己于1983年。1984年推出采用多重主站現(xiàn)場總線的第一批產(chǎn)品。1986年通信協(xié)議中加入了多重網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重接口產(chǎn)品。1987年P(guān)-NET標準成為開放式的完整標準，成為丹麥的國家標準。1996年成為歐洲總線標準的一部分（EN50170V.1）。1997年組建國際P-NET用戶組織，現(xiàn)有企業(yè)會員近百家，總部設在丹麥的Siekeborg，并在德國、英國、葡萄牙和加拿大等地設有地區(qū)性組織分部。

P-NET現(xiàn)場總線在歐洲及北美地區(qū)得到廣泛應用，其中包括石油化工、能源、交通、輕工、建材、環(huán)保工程和制造業(yè)等應用領(lǐng)域。4.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)通常由現(xiàn)場智能儀表、控制器，現(xiàn)場總線系統(tǒng)，監(jiān)控、組態(tài)計算機三部分組成。它由三層網(wǎng)絡組成:最底層(即I/O端)為低速現(xiàn)場總線(如FF的H1,DeviceNet或Profibus的PA)連成的控制網(wǎng)絡CNET，連接各種智能儀表(包括壓力變送器、溫度變送器、流量測量儀表及調(diào)節(jié)閥等)，各控制器節(jié)點下放到現(xiàn)場,構(gòu)成一種徹底的分布式控制體系結(jié)構(gòu)；中間一層采用中速網(wǎng)(如FF的H2或Profibus的DP)連接控制器、數(shù)據(jù)集中器、遠程I/O及智能I/O設備，形成系統(tǒng)網(wǎng)絡SNET；最上一層即決策支持層MNET，采用高速以太網(wǎng)連接各控制器與站級計算機。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一個實現(xiàn)電氣傳動控制、儀表控制和計算機控制一體化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)可采用線形、總線形、星形、環(huán)形等。一般情況下采用線形結(jié)構(gòu),通訊介質(zhì)可用雙絞線、光導纖維電纜、同軸電纜、電力線、無線、紅外線等各種形式。4.2自動控制領(lǐng)域的發(fā)展過程4.2.1第一代過程控制體系50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，PneumaticControlSystem）。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。4.2.2第二代過程控制體系第二代過程控制體系（模擬式或ACS,AnalogControlSystem）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(lǐng)域。它表征了電氣自動控制時代的到來。控制理論有了重大發(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。4.2.3第三第三代過程控制體系（CCS，ComputerControlSystem）.70年代開始了數(shù)字計算機的應用，產(chǎn)生了巨大的技術(shù)優(yōu)勢，人們在測量，模擬和邏輯控制領(lǐng)域率先使用，從而產(chǎn)生了第三代過程控制體系（CCS，ComputerControlSystem）。這個被稱為第三代過程控制體系是自動控制領(lǐng)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）。4.2.4第四第四代過程控制體系（DCS，DistributedControlSystem分布式控制系統(tǒng)）：隨著半導體制造技術(shù)的飛速發(fā)展，微處理器的普遍使用，計算機技術(shù)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(gòu)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。4.2.5第五第五代過程控制體系（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem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。“分散控制”發(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。4.3現(xiàn)場總線協(xié)議控制器通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器是采用模塊化結(jié)構(gòu)和多CPU工作方式來設計的，因為模塊化的結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)有較強的擴展能力，為系統(tǒng)將來的升級換代帶來便利。通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器主要由底板和插卡組成，其中底板帶有電源以及擴展槽、固定支架、系統(tǒng)總線、信號線構(gòu)成。插卡分三種，分別為主控板、協(xié)議板、接口板，其中主控板和協(xié)議板帶CPU。主控板負責管理整個系統(tǒng)以及與上位機的通信，通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器通過RS232接口與上位機連接，主控板通過它與上位機進行信息交換，主要包括：管理系統(tǒng)總線，給協(xié)議板和接口板分配系統(tǒng)資源，與協(xié)議板進行信息交換，對來自協(xié)議板的數(shù)據(jù)進行處理，等待上位機提取。協(xié)議板是通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器的關(guān)鍵部分，所有與現(xiàn)場設備的通信都由它完成。協(xié)議板可以提供多種現(xiàn)場總線協(xié)議，一般一塊協(xié)議板只能進行一種現(xiàn)場總線協(xié)議的通信。接口板從屬于某一協(xié)議板，為協(xié)議板提供通信接口。用戶可以根據(jù)實際情況進行選擇，接口種類有RS232、RS422、RS485等。通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器與上位機以及與現(xiàn)場設備的通信都采用串行方式，而通信控制器內(nèi)部各插卡之間通過系統(tǒng)總線來完成。其中主控板與各協(xié)議板的通信采用主從式。主控板通過系統(tǒng)總線分別與協(xié)議板進行通信，各協(xié)議板之間不能進行通信。通信過程如下：主控板在系統(tǒng)總線上，通過廣播方式發(fā)送協(xié)議板號來呼叫與之通信的協(xié)議板，每塊協(xié)議板上有協(xié)議板號識別電路，只有與發(fā)送的協(xié)議板號相符的協(xié)議板才響應主控板，從而實現(xiàn)主控板與協(xié)議板的通信。當用戶增加新的協(xié)議設備時，不必改動硬件，只需在增加的新的協(xié)議板上設置好協(xié)議板號，并在上位機的組態(tài)中添加相應的系統(tǒng)信息存入計算機即可。協(xié)議板和接口之間的信息傳遞通過系統(tǒng)中的局部總線來完成。智能化配電系統(tǒng)智能化配電系統(tǒng)由配各種智能化開關(guān)柜的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件包括各種智能化開關(guān)柜、通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器、上位控制計算機。軟件由主控程序、通訊界面和人機界面三部分組成。根據(jù)以上硬件設備的配置情況，在上位機上輸入系統(tǒng)配置信息，通過串行口傳遞給控制器主板。主控板將系統(tǒng)配置信息分類傳遞給各協(xié)議板，各協(xié)議板收到系統(tǒng)信息后與所屬硬件設備進行通信，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)主控板傳送到上位機，并通過主控板接受上位機命令。4.5現(xiàn)場總線崛起的過程80年代，微處理器及其相關(guān)技術(shù)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（HighwayAddressableRemoteTransducer,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（FrepuencyShiftKeying,頻率調(diào)制鍵控）數(shù)字信號，結(jié)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)ieldbusControlSystem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(shù)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(shù)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。4.6現(xiàn)場總線的技術(shù)基礎現(xiàn)場總線以數(shù)字信號取代模擬信號，在3C技術(shù)即計算機（Computer）、控制（Control）、通信（Communication）的基礎上，大量現(xiàn)場檢測與控制的信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移至現(xiàn)場設備，一大批數(shù)字化、智能化的高新技術(shù)產(chǎn)品應運而生，自動化儀表與控制系統(tǒng)以嶄新的面貌呈現(xiàn)在廣大用戶面前。一般認為“現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，是用于工業(yè)控制的計算機系統(tǒng)的工業(yè)總線。按照國際電工委員會IEC61158的標準定義：“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。從現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem）的角度來看，它的通訊網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)將是ISO的通訊模型的七層結(jié)構(gòu)（一般簡化為三層，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層）。4.7多現(xiàn)場總線技術(shù)目前，在一些工程中通常的做法是在某種現(xiàn)場總線的基礎上開發(fā)能連接其他公司現(xiàn)場總線的接口產(chǎn)品。由于現(xiàn)場總線國際標準尚未建立，多種類型的現(xiàn)場總線枚不勝數(shù)，需要開發(fā)大量的接口產(chǎn)品才能滿足不同工程需要。如果僅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS－DP、MODBUS五種著名現(xiàn)場總線為例，要使它們中任意兩種不同現(xiàn)場總線能統(tǒng)一于一個智能化配電系統(tǒng)中，僅是協(xié)議轉(zhuǎn)換器這種接口產(chǎn)品就要有二十種之多，如果一個系統(tǒng)中有三種或三種以上不同現(xiàn)場總線產(chǎn)品，那麻煩則更大。不少企業(yè)，包括一些國際上的大公司為了解決來自不同廠家的產(chǎn)品兼容性問題，都投入了巨大的精力和財力，但成效甚微。隨著自動化技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，帶有通信接口的產(chǎn)品應用量越來越大，而且隨著用戶對智能化控制系統(tǒng)可靠性和靈活性的更高要求，加上各現(xiàn)場總線本身的特點以及相關(guān)的產(chǎn)品品種繁多，因此在智能化配電系統(tǒng)工程設計中，采用一種現(xiàn)場總線總線的智能化產(chǎn)品往往不能滿足應用的全面要求，多現(xiàn)場總線產(chǎn)品共存于一個智能化控制系統(tǒng)已成為一個現(xiàn)實的問題。由于多現(xiàn)場總線系統(tǒng)中不同類型的產(chǎn)品均配專用的通信協(xié)議，有的廠家還專門為自己的產(chǎn)品開發(fā)了專用的通信卡、通信控制器等專用設備，因此，整個系統(tǒng)中的產(chǎn)品由于通信協(xié)議不同無法直接和主控單元進行通信，這嚴重防礙智能自動化控制系統(tǒng)設計中對智能設備的選擇。對應用而言,如果在一個智能化控制系統(tǒng)中每一種智能化產(chǎn)品均選擇其專用的通信卡或通信控制器，一個智能化控制系統(tǒng)將變得支離破碎，組態(tài)性和靈活性均較差，使得系統(tǒng)的性能價格比不高，而且在系統(tǒng)進行改造或升級時，將要花費用戶更多的時間和費用。因此，多現(xiàn)場總線技術(shù)在一個智能化控制系統(tǒng)中的應用已成為一個重要的研究課題。對于智能化自動化控制領(lǐng)域來說，它的現(xiàn)場總線有一定的特殊性。同時它又不能完全脫離上層現(xiàn)場總線。對于智能化控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，特別是過程自動化系統(tǒng)將不得不面對幾個現(xiàn)場總線其原因是：實際上過程自動化控制系統(tǒng)和高中壓電網(wǎng)控制系統(tǒng)存在各種不同的現(xiàn)場總線。①建筑自動化系統(tǒng)在推廣Lonworks現(xiàn)場總線，用于智能大廈。②FF有國家的大力支持，也許是重要的發(fā)展方向。③CAN的價格優(yōu)勢對低壓電器有很大的吸引力。④Profibus已經(jīng)有了不少應用。這是一個需要認真考慮的現(xiàn)實。智能化召開系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡是個多層次的網(wǎng)絡,IEC62026本身就包含各種現(xiàn)場總線。IEC62026明確表示了高層的工業(yè)通訊網(wǎng)絡由IEC/SC65C考慮。FCS，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的一個重要的發(fā)展方向是多層次的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；向下連接低層次的現(xiàn)場總線，智能化控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡需要多層次的網(wǎng)絡。而智能設備需要非常靈活地與各種總線、控制對象等的配合控制和交換信息。實現(xiàn)各種總線相互間的轉(zhuǎn)換也是解決現(xiàn)場總線之爭的途徑之一。目前，在一些工程設計中通常的做法是在某種現(xiàn)場總線的基礎上開發(fā)能連接其他公司現(xiàn)場總線的接口產(chǎn)品。由于現(xiàn)場總線國際標準尚未建立，多種類型的現(xiàn)場總線枚不勝數(shù)，需要開發(fā)大量的接口產(chǎn)品才能滿足不同工程需要。如果僅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS－DP、MODBUS五種著名現(xiàn)場總線為例，要使它們中任意兩種不同現(xiàn)場總線能統(tǒng)一于一個智能化配電系統(tǒng)中，僅是協(xié)議轉(zhuǎn)換器這種接口產(chǎn)品就要有二十種之多，如果一個系統(tǒng)中有三種或三種以上不同現(xiàn)場總線產(chǎn)品，其技術(shù)復雜程度和管理、維護、擴展等因素都是影響現(xiàn)場總線在智能化控制系統(tǒng)中推廣應用，國際上的個大公司為了解決來自不同廠家的產(chǎn)品兼容性問題，都投入了巨大的精力和財力，但成效甚微。針對上述在智能化控制系統(tǒng)開發(fā)中遇到的實際問題，在工程中的解決方案是做一個統(tǒng)一而簡單的子網(wǎng)：一個簡單的子網(wǎng)可能解決自動化控制系統(tǒng)的大部分控制問題。各智能化設備的各種現(xiàn)場總線接口的配合可以通過相應的協(xié)議芯片來解決。統(tǒng)一的子網(wǎng)可能使整個行業(yè)的開發(fā)成本最低，開發(fā)速度最快。為此提出了通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器這種全面的解決方案，通過硬件和軟件的方法共同對現(xiàn)場總線協(xié)議進行處理，解決智能化控制系統(tǒng)中多現(xiàn)場總線的兼容性問題，其目的是為了能將不同現(xiàn)場總線的產(chǎn)品和諧地融入一個系統(tǒng)中，充分發(fā)揮不同產(chǎn)品的長處，為那些希望使用不同廠家優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的用戶提供更大的靈活性。通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器是現(xiàn)場級的通用通信管理設備，由它把各個現(xiàn)場設備連成網(wǎng)絡，并負責現(xiàn)場設備與上位機之間的信息傳遞。由于其是通用性的，只需通過相應的CPU及接口電路和軟件就可以完成多種現(xiàn)場總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)與不同廠家的現(xiàn)場設備進行通信。4.8現(xiàn)場總線的技術(shù)特點現(xiàn)場總線在技術(shù)上主要具有以下特點：4.8.1系統(tǒng)的開放性開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，不同廠家的設備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換。一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡系統(tǒng)必須是開放的，開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶，用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。4.8.2互可操作性與互用性互可操作性是指實現(xiàn)互連設備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設備可進行互換而實現(xiàn)互用。4.8.3現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性現(xiàn)場總線設備能處理各種參數(shù)、運行狀態(tài)信息及故障信息，能在部件、甚至網(wǎng)絡故障的情況下獨立工作，大大提高了整個控制系統(tǒng)的可靠性和容錯能力。4.8.4由于現(xiàn)場設備本身可完成自動控制的基本功能，控制站功能分散在現(xiàn)場儀表中，通過現(xiàn)場儀表就可以構(gòu)成控制回路，實現(xiàn)了徹底的分散控制，從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。4.8.5對現(xiàn)場環(huán)境的適應性作為工廠網(wǎng)絡底層的現(xiàn)場總線，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信，并可滿足本安防爆要求等。4.9現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)的比較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(lǐng)域的現(xiàn)實，現(xiàn)場總線必將成為電工自動控制領(lǐng)域主要的發(fā)展方向之一。現(xiàn)場總線技術(shù)一直是國際上各大公司激烈競爭的領(lǐng)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(shù)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(shù)，對國民經(jīng)濟影響重大。因此，要在自動化領(lǐng)域中推廣應用和發(fā)展現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場總線是近年來自動化領(lǐng)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(shù)，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(gòu)造比較單一?，F(xiàn)場總線已不僅僅是一個新技術(shù)領(lǐng)域或新技術(shù)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(shù)細節(jié)更為重要。①現(xiàn)場總線是一個巨大的商業(yè)機會一項權(quán)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(shù)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(guān)口。②.現(xiàn)場總線是一場技術(shù)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(guān)產(chǎn)品的關(guān)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(gòu)成的技術(shù)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(shù)水平提高的同時，掌握和應用這項新技術(shù)的難度卻降低了）”的特性使它的推廣更加容易。4.9.1模擬儀表控制系統(tǒng)模擬儀表控制系統(tǒng)于六七十年代占主導地位。其顯著缺點是：模擬信號精度低，易受干擾。4.9.2集中式數(shù)字控制系統(tǒng)集中式數(shù)字控制系統(tǒng)于七八十年代占主導地位。采用單片機、PLC、SLC或微機作為控制器，控制器內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，克服了模擬儀表控制系統(tǒng)中模擬信號精度低的缺陷，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。它的優(yōu)點是容易根據(jù)全局情況進行控制計算和判斷，在控制方式、控制時機的選擇上可以統(tǒng)一調(diào)度和安排；不足的是，對控制器本身要求很高，必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性。4.9.3集散控制系統(tǒng)（DCS）集散控制系統(tǒng)（DCS）于八九十年代占主導地位。其核心思想是集中管理、分散控制，有力地克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)中對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷；不足的是，不同廠家的DCS系統(tǒng)之間以及DCS與上層Intranet、Internet信息網(wǎng)絡之間難以實現(xiàn)網(wǎng)絡互連和信息共享，因此DCS從這個角度出發(fā)實質(zhì)是一種封閉專用的、不具可互操作性的分布式控制系統(tǒng)而且DCS造價十分昂貴。在這種情況下，用戶對網(wǎng)絡控制系統(tǒng)提出了開放化和降低成本的迫切要求。4.9.4現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）作為新一代控制系統(tǒng)，利用現(xiàn)場總線開放且具有可互操作的網(wǎng)絡將現(xiàn)場各控制器及儀表設備互連，構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，控制功能徹底下放到現(xiàn)場，降低了安裝成本和維護費用。一方面，突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡的局限；另一方面把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)?？梢哉f，開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線系統(tǒng)最顯著的特征。5現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢現(xiàn)場總線的優(yōu)點由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)的設計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。節(jié)省硬件數(shù)量與投資由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設備前端的智能設備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設備的減少，還可減少控制室的占地面積。節(jié)省安裝費用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現(xiàn)場控制設備時，無需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗工程的測算資料，可節(jié)約安裝費用60以上。節(jié)省維護開銷由于現(xiàn)場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行，診斷維護信息