谈现场总线技术

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摘要：分析现场总线产生的原因；阐述现场总线的概念，体系结构与特点；给出现场总线的发展现状；提出为迎接现场总线这场自控领域内的技术变革应采取的对策。

关键词：现场总线；分布式体系结构；通讯协议；开放性

中图分类号：TP368文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)04-10981-01

1 前言

现场总线在控制领域崭露头角不过是最近几年，然而其来势汹涌，且呈愈演愈烈之势。现场总线的技术基础是一种全数字化、双向、多站的通信系统，是应用于各种计算机控制领域的工业总线。用现场总线将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。当今现场总线技术也一直是国际上各大公司激烈竞争的领域，由于现场总线技术的不断创新，过程控制系统由第四代的DCS发展至今的FCS（Fieldbus Control System）系统，已被称为第五代过程控制系统。而FCS和DCS的真正区别在于其现场总线技术。现场总线技术以数字信号取代模拟信号，在3C（Computer计算机、Control控制、Commcenication通信）技术的基础上，大量现场检测与控制信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备。

2 现场总线是自动化技术发展的必然趋势

一个典型的企业网络信息集成系统可以分成三层结构：控制网infranet、企业内部网 int ranet和全球信息互联网 internet。就企业的控制网来说，传统的自动化监控及信息集成系统(包括基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统)，其主要特点是现场设备与控制站之间采用一对一连线的所谓I/O连接方式，用电压、电流的模拟信号进行测控，是一个模拟与数字混合系统，其缺点是：

2.1信息集成能力不强。控制站所获取的管理信息有限，大量的数据如设备参数、故障及故障记录等数据很难得到，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换与信息共享。

2.2系统不开放，可集成性差，不同厂家产品之间缺乏互操作性和互换性。

2.3可靠性不易保证。只是将控制分散到若干局部，而未能实现危险的彻底分散。大量I/O电缆敷设施工，不仅增加了成本，也增加了系统的不可靠性。

2.4可维护性不高。由于现场设备信息不全，其在线故障诊断、报警、记录功能不强，很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。

随着计算机、微处理器、网络等技术的飞速发展，内置CPU的智能现场设备集检测与控制于一体，增强了就地处理能力，使得控制功能完全下放到现场。现场总线位于生产控制和网络结构的底层，是用于现场设备与控制室控制系统之间的一种全数字化、双向、多站的串行通信的数据总线。开放的、统一的全数字网络通信技术实现了现场设备的互联，形成了现场总线式全分布集成网络控制系统(FCS)。FCS将控制站、可通信智能现场设备以及其他信息资源作为企业网络中的节点，使非控制信息(管理信息)大大增加，从而为企业从过程控制走向过程管理，也即为企业构建管控一体化铺平了道路，促进了企业网络化进程，也为控制网络与公用数据网络的一体化，实现产供销最优起到了促进作用。因此，FCS是自动化技术发展的必然趋势。

3 现场总线的应用要着眼于控制技术的发展

在信息技术飞速发展的现阶段，我们的立足点应当高一点。不仅要考虑目前市场份额的因素，更宜从技术发展的角度来做出评估和判断。IEC 61158标准不得不采纳多种类型总线标准的根本原因通常认为有二：一是认为没有单一的标准可以从技术和经济角度同时满足不同类型和不同层次应用的需要，因此，从市场角度看不同类别的现场总线并无高低优劣之分；二是认为纯属商业竞争的结果。笔者更倾向于认为后者才是最重要的原因。按广义现场总线的观点可将总线划分为位总线(传感器执行器总线)、设备总线和信息流总线。这样的划分也许并不错，但问题是不能模糊了现代现场总线与古典现场总线之间的本质区别。从技术角度看，各种现场总线由于其发展的背景和应用的目的不同，技术上是存在差异的。例如作为现场总线关键性技术的网络通信技术，目前存在的若干种现场总线其通信方式主要是建立在三种基本的通信模式之上，即客户/服务器型；主/从型；生产者/消费者型。三种通信方式中前两者均为一对一、点对点的通信，后者则是一对多的通信方式，它们在通信的实时性、效率及网络结构灵活性等方面是不相同的。目前现场总线中，既有采用单一模式的，也有采用多种模式相结合以增强其通信能力，满足不同需要的，例如FF总线即是典型的三种基本通信模式相结合的总线，分别将其应用于非周期量通信和准确周期量通信，以提高网络结构的灵活性和安全性。总之，不同的现场总线尽管占有其一定的市场份额，但在技术上各有特点。因此，用户是从广义总线的角度出发，采用按系统的不同部分选用不同的总线即多层次总线呢还是在条件成熟时选用单一总线，是一个需要慎重考虑的问题。

4 现场总线控制系统的优越性

一般人们在论述FCS的优点时总是对DCS来说的。与DCS相比， FCS具有以下几个方面的优点：

4.1 FCS的可靠性比DCS高

这包括两方面的内容：

(1)FCS的系统的可靠性比DCS高。

(2)FCS传输出数字信号，抗干扰能力强、可靠性高。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量和控制的精确度，减少了传送误差。同时由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统工作的可靠性，

4.2结构性好

FCS可以把智能技术分散现场各点。把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备实现基本控制功能。

4.3可控性强

FCS有较强的自诊断功能，数字通信使用户从控制室中查索所有设备的数据、组态、运行和诊断信息已成为现实。自诊断功能可以及时帮助用户分析问题是否发生在变法器。无需亲临现场观察后才得出结论。这样，即使设备发生故障，也可以很快地恢复生产。

4.4互操作性和互换性

标准化的智能仪表可方便互连、互组态和互换。互操作性是实现互连设备间、系统问的信息传送与沟通。互换性是指不同生产厂家功能类似的设备之间可以进行相互替换。互操作和互换性是将系统升级为现场总线的关键动力之一。

4.5统一组态

现场总线采用功能块方式组态。现场总线已有大量可满足各种过程控制的功能模块。如输入、输出、PID调节等，一些模块还具有报警功能。

4.6开放性好

标准化的网络互连。在FCS中，用户可以把遵循相同协议不同品牌的产品集成到一个规模随意的系统里，使用户真正具有系统集成的主动权。可以说现场总线控制系统就是自动化领域的开设互联系统，它从根本上打破了DCS系统的封闭性，使企业与外界信息的沟通范围不断扩大，为企业实现信息化控制与管理创造了条件。

4.7数据库的一致性

现场总线采用完全分散的数据库概念，任何同现场总线接口的人机界面都可显示有关仪表与控制回路的信息。这样，便不会产生重复的、不一致的数据。在DCS系统中，操作站与仪表数据库之间的同步化无法保证。现场总线只使用一个数据库，也就是分散于现场仪表中的数据库，人机界面就是从该数据库中获取定标数据的，手持终端所查索的也是同一个数据库。

4.8节省开支

节省电缆和控制室面积，降低安装及维护的费用。与传统设备间点对点的接线方式相比，让多台设备共享一条总线的现场总线系统自然能够节省大量的电缆、端子、槽盒、桥架。连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上。这样既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。

5 现场总线标准的统一是必然的

这种预言也许为时尚早，但无论如何从用户角度看，多种总线并立决不是一件好事。由于现场总线采用完全不同的通信协议，要解决这些不同标准系统之间的相互兼容和互操作问题，就必然会增加用户的投资和使用维护的复杂性。统一的TCP/IP协议使得In ternet网络快速发展的经验和以太网标准的许多进步，使一直为不同协议的兼容问题所困扰的工业界看到一线希望，许多现场总线组织正致力于发展Ethernet/IP技术，以太网以其廉价高速方便的特性被引入底层网络不仅使现场层、控制层和管理层在垂直面的集成获得方便，更能降低不同厂家在水平层面的集成成本。当然，要使工业以太网最终成为统一的总线标准还有许多技术问题有待解决(如总线供电、本征安全等)，但并非是不可能的。

6 结束语

综上所述，现场总线技术适应了控制向智能化、分散化、网络化以及标准化发展的潮流，是建立企业信息网络，实现管控一体化的基础，因此成为自动化技术发展的热点。但多种总线的利益之争，实际上已阻碍和延缓了FCS技术在我国的应用。我国工控界应如何迎接自控领域这场变革的到来呢？这个问题可从分析我国工控业的发展历程和现状中找到答案。我国民族工控产品如PLC、DCS长期落后于国外，根本原因是国外少数几家大公司为保证其垄断经营的地位对其工控产品采用封闭式结构，我国对其关键核心技术只有通过引进消化后方可掌握，因此贻误了市场时机而总是落后于人家，受制于人。现场总线技术的开放性策略无疑为我国工控界在国际市场上的发展带来了一个千载难逢的平等竞争机遇，当游戏规则的变更使大家站在同一起跑线上时，就看谁捷足先登，抢先占领市场，把握主动权，最终领导市场。因此，我们应当紧紧抓住这一契机，率先推出有中国特色的现场总线产品，开创中国自己的国际工控产品的名牌，从而翻开中国工控界发展的新篇章。从目前来看，我国在现场总线的开发和应用方面都紧跟了世界潮流，其发展速度超出预料。但同时我们希望政府和企业应拿出更多的资金，投入这一领域，这是大有希望的事业。

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