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案例頻道引言
目前，現場總線及FCS是自控領域中的熱點，正受到國內外自動化設備制造商與用戶越來越強烈的關注，并以迅猛的勢頭快速發展，是當今世界最新最先進的控制系統。FCS脫胎于DCS，它不但繼承DCS一系列優點，并且有所發展和創新。憑借著現場總線技術的本質：信息處理現場化，FCS將一直以來束縛DCS底層設備之間無法進行通信的瓶頸徹底解決。所以，FCS很好地解決了DCS自動化孤島這一技術難題。可以說數字通信網絡走向工廠底層，現場儀表的智能化等技術發展趨勢必然導致了現場總線和FCS的誕生[1]。它們的出現應該是過程控制領域的新一輪革命，其深度和廣度將超過歷史的任何一次。
1 什么是現場總線
1.1 現場總線的概念
現場總線是用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通訊網絡。它不僅是一個基層通信網絡，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統。現場總線技術是一種集計算機技術、網絡通信技術、集成電路技術于一身的新興控制技術，誕生于上世紀80年代中期。隨著微處理器與計算機功能的不斷增強和價格的降低，計算機與計算機網絡系統得到迅速發展。現場總線可實現整個企業的信息集成，實施綜合自動化，形成工廠底層網絡，完成現場自動化設備之間的多點數字通信，實現底層現場設備之間以及生產現場與外界的信息交換。根據國際電工委員會IEC標準和現場總線基金會FF的定義，現場總線是一種應用于現場，在現場設備之間、現場設備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節點通信的通信網絡。多節點指的是現場設備或儀表裝置，如傳感器、變送器、執行器和現場智能I/O等等，它們不是傳統的接收或傳送信號的現場儀表，而是具有綜合功能的智能儀表。一般說來，變送器除具有傳統的測量功能外，還具有溫度補償、函數變換和PID等控制運算功能；調節閥除具有信號驅動和輸出執行功能外，還具有輸出補償、自校驗和自診斷功能。
1.2 現場總線的通信協議
與開放式互連（OSI）參考模型比較現場總線物理結構沒有網絡層到表示層（即第3~6層），只有物理層、數據鏈路層和應用層(圖1)，除此之外，考慮到現場裝置的測試功能與互操作性，現場總線基金會(FF)還增加了用戶層。每個協議層完成各自一套功能，報文在這些層之間被解析。
物理層提供機械的、電器的、功能性和規范性，用以在數據鏈路實體間建立、維護和拆除物理連接。物理層包含報文傳輸的物理介質，一般是導線，物理層定義了數據通訊信號的大小、波形、最大節點數量、所用導線的類型和數據傳輸速率[2]。如FF對低速現場總線H1規定：通訊速度31.25Kpbs，總線不供電可帶32個裝置，總線供電可帶12個裝置，總線供電本安時只能帶6個現場裝置；采用#18、#2和#26AWG導線時總長度分別可達1900m、1200m和400m；總線的典型響應時間為1mS。
數據鏈路層的功能是保證數據的完整性并決定何時與誰對話，數據鏈路并不解釋傳輸的數據，它僅僅在物理層和它的上一層之間傳遞數據，其幀格式通常為：
|
控制格式 |
目標地址 |
源地址 |
參數 |
數據 |
校驗 |
圖1 現場總線通信協議物理結構
數據鏈路層分為兩個子層：媒體存取控制子層、邏輯鏈路控制子層，前者用來實現對總線媒體的通信管理，并檢測傳輸路線的異常情況；后者是在節點間用來對數據幀的發送、接受進行控制，并實現傳輸校驗與差錯控制。一般發送設備中的每個層都在原始的報文上增加一段信息，這些信息在接收設備的對應層中被剝離。例如，數據鏈路層增加的目的地地址在接收設備的數據鏈路層中被移去。
應用層的主要任務是實現現場總線的命令、響應、數據或事件信息的控制。它分為兩個子層，一個為用戶層提供服務，由現場總線信息規范所定義；一個與數據鏈路層連接，稱為現場總線訪問子層（FAS），它彌補了被省略的網絡層到表示層中的某些通信服務。
用戶層位于應用層之上，是一些數據或信息查詢的應用軟件，它將通信命令傳送到應用層。在用戶層，規定了標準的“功能模塊”，并使用設備描述語言為用戶組態提供接口。設備描述實際上是裝置的一個驅動器，它包含所有必要的參數描述和連接所需的操作步驟。這樣，盡管不同廠家定義的功能模塊在算法、編程及運行特性上可能完全不同，但對其功能模塊的特性描述、參數設定及相互聯系的方法是公開統一的，即對用戶是透明的，從而保證了現場裝置可實現真正互操作。
2 FCS與DCS的對比分析
DCS的每個現場裝置到控制室都需要使用一對一專用的雙絞線，以傳遞4-20mA模擬量信號。現場的各個裝置(傳感器、變送器、執行器)等之間無法進行信息通訊，是彼此獨立的“信息孤島”。當前，隨著工業生產規模不斷擴大、生產過程日益復雜，傳統的DCS阻礙了企業全方位多角度的信息化管理與控制。處于企業生產過程最底層的“信息孤島”制約了企業生產各模塊之間以及與外界的信息交互，是企業信息集成發展道路上的巨大障礙。
基于現場總線的控制系統就是FCS，它是現場總線技術的應用與拓展。FCS的每個現場裝置到接線盒的雙絞線仍然使用，但是從現場接線盒到中央控制室僅用一對雙絞線完成數字通信。它很好的解決了傳統過程控制系統中的“信息孤島”這一技術難題，推動了企業信息化、集成化的發展。FCS較DCS的結構對比如圖2所示。
圖2 DCS與FCS的結構
FCS是在DCS的基礎上發展起來的，它不但繼承了DCS的集中管理、集中操作與功能分散、危險分散的優點，并且有所發展和創新，適應了自動化發展的要求。與DCS相比FCS有以下幾個優勢：
（1）現場通信網絡；現場總線是用于過程自動化和制造自動化的現場儀表或現場設備互連的現場通信網絡，是CIPS/CIMS的最底層，而DCS的通信網絡截至于控制站或輸入輸出單元。在FCS中，各現場設備之間通過現場總線相連，彼此可以相互通信聯絡，從而解決了DCS的信息孤島這一技術難題。
（2）一對N的結構；一對傳輸線(現場總線)可以掛接N臺現場設備，雙向傳輸多個數字信號，N取決于現場控制回路的性質。這種結構比DCS一對一的單向模擬信號傳送結構布線簡單，安裝費用低、維護更方便[3]。
（3）徹底的分散控制功能模塊；由于采用了具有綜合功能的智能儀表，現場總線將控制功能由傳統的控制站下放到現場儀表設備中，做到了徹底的分散控制功能，提高了系統的靈活性和自治性。
（4）完全開放式系統；現場總線的技術和標準是公開的，因此現場總線為開放式互聯網絡系統，既可以與同層網絡互連，也可以與不同層網絡互連。不同廠家的網絡產品可以集成在同一現場總線控制系統中，只要他們遵守相同的通信協議，就可以實現各層網絡之間的信息交流。
（5）更好的兼容性與互操作性；用戶可以自由地選擇符合自己要求的不同生產廠家按同一標準生產的不同性能價格比的產品，將不同產品集成到自己的控制系統中，由于不同廠家的儀表在組態方式、功能結構上相同，因此具有完全的兼容性、可替代性和互操作性，即使某個儀表發生故障，也能隨時選擇其他廠家的產品予以更換，真正實現“即插即用”。
（6）更高的可靠性；現場總線采用全數字化處理和數字通訊技術，大大提高了現場裝置的信號測控精度，以及信號傳輸的抗干擾能力，從而可提高系統測控的可靠性和穩定性。
3 幾種典型現場總線的比較
現場總線技術的研究啟始于20世紀80年代，90年代逐步走向實用化。到目前為止國際上已經出現了多種現場總線通信協議，包括CAN, Lon Works, Profibus, HART, FF等。由于各大公司努力維護既得利益，希望在競爭中保持并擴大自身的市場份額，目前統一的現場總線技術標準尚難以確立，多種現場總線協議共存估計還要繼續很長一段時間,這給現場總線技術的應用和發展帶來了很多困難。下面對幾種典型現場總線作簡要的介紹。
CAN (Control Area Network)控制局域網，是由德國Bosch汽車公司在1983～1985年推出的。其最初設計目的是為汽車和控制的車間級設備提供數據通路，而后由于Intel公司的加入，使得CAN在技術上更加成熟。CAN具有可靠性強、支持多處理器，鏈路簡單、支持優先級處理等優點。CAN的通信速率為1Mbps (40m)和5kbps(10km)，節點數達到110個，傳輸介質為雙絞線和光纖。此外，CAN還具有以下特點 ：(1)其物理層類似于RS-485；(2)有效字長不超過8位，傳輸快；(3)有很強的容錯能力，抗干擾性強，傳輸安全性高；(4)提供多種接口標準，適用廣泛。由于以上優點，CAN已在火力發電、石油化工、冶金等領域有了廣泛的應用。CAN也是最早在我國得到應用的現場總線。現在基于CAN協議，又開發出了新一代的現場總線，如Rockwell公司(實際上是Allen-Brandley公司)開發的DeviceNet, Honeywell公司推出的SDS總線等，都具有良好的性能。
由西門子支持的Profibus，作為德國國家DIN19245現場總線標準，也是歐洲EN50170標準之一，已成為大多歐洲過程控制廠商所普遍接受的標準。其系列有用于自動化系統和分散外設間高速數據傳輸的Profibus-DP,適用于一般自動化的Profibus-FMS和用于過程自動化的Profibus-PA。Profibus-PA用于自動化系統和分散的現場設備的互連，其數據傳輸遵從IEC 1158-2標準。Profibus己滲透進石油、化工和釀造行業。
FF現場總線基金會是國際公認的不附屬于某企業的公正的非商業化的國際標準化組織，其宗旨是制訂統一的國際現場總線標準，無專利許可要求，供任何人使用。FF承諾全部遵從IEC61158標準。網絡拓樸結構可采用總線型和樹型，信息編碼方式是曼徹斯特編碼。為了確保互用性，用戶應用層定義了資源塊、功能塊和探頭塊等標準塊，和相關設備說明描述。FF現場總線分為兩種：FF Hl(低速現場總線)和FF H2(高速現場總線)。FF Hl主要用于如溫度、料位和流量等控制場合，FF H2通常應用于先進的過程控制、遠程I/0和要求高速工廠自動化的場合。但是，在1998年4月FF現場總線基金會宣布FF H2現場總線技術作廢，FF H2將來的發展將基于高速以太網技術。FF現場總線已獲得120多個控制廠商(如Honeywell. Fisher-Rosemount等)的支持，已經在北美、南美和亞洲取得了顯著的進步。
HART是可尋址遠程傳感器數據通路(Highway Addressable Remote Transducer)的縮寫。最早由Rosemount公司開發，得到80多家儀表公司的支持，并于1993年成立了HART通信基金會。HART協議參考了OSI參考模型的物理層、數據鏈路層和應用層。HART工作方式有點―點式或全數字式。點―點式是在4-20mA的模擬信號上疊加FSK數字信號，不影響4-20mA的信號；全數字式的優點是可連15臺儀表，減少了投入[4]。
4 現場總線及FCS在我國的應用及發展
為了在中國儀器儀表行業發展現場總線技術，國家計委將“現場總線智能儀表開發研究”列為九五國家重點科技攻關項日，國家機械工業局、教育部和中科院組織力量對HART、FF等現場總線展開研究和開發。目前已經取得了階段性成果，HART儀表已經開始投入使用，FF儀表也即將投入試用。我國已成為世界上少數幾個掌握現場總線協議技術的國家[5]。
現場總線及FCS在我國運用發展10多年來，在電力、化工、冶金、供水、石油等行業，都有很多應用實例。吉林甲醇廠化工/甲醇生產過程控制、濱州化工廠自備電廠鍋爐控制、揚子石化硫磺回收控制、安慶煉油廠硫磺回收/富液再生控制等。但就應用的整體情況而言，系統的規模都比較小(控制回路小于100路、監測點數小于400點)、控制回路的結構也比較簡單；就發展的速度來說，FCS的應用推廣速度比預料的要慢。畢竟，DCS發展應用多年，且技術成熟、產品門類齊全、功能強大、價格適中；而FCS雖然技術上先進，但起步晚，產品類型少且價格較高，現場總線標準不統一，使用者一次性投入的費用較高，此外FCS的傳輸速率及適時性不高都是制約其發展的因素。徹底擯棄DCS而發展FCS也是不符合實際情況的，所以，今后很長一段時間內兩者的關系是彼此相互結合，從而取彼之長補己之短。
關于DCS與FCS技術及應用，筆者認為應注意以下幾個方面:
(1)今后工業自動控制系統向開放型體系結構發展是大勢所趨，由現場總線I/O器件為主構成的徹底分散控制系統的發展很可能成為自動化控制系統的主流，即FCS取代DCS是必然趨勢。過程控制的三級遞階分層結構 (管理級、監控級、現場級) 將演變成二級 (管理級、現場控制級)。FCS代表目前自動化控制技術的發展方向，不宜過多的研究開發DCS，要轉移研究的重點至FCS。
(2)考慮到國內已投人運行的大機組大部分已采用DCS的實際情況，可以在新建小型機組及老機組改造項日中做試點，有計劃地應用FCS，以積累經驗。在那些大型的自動化系統要求較高的新建項目中要充分考慮FCS的使用。
(3)國家應加大開發與企業自動化有關的軟硬件的力度，做好FCS應用的配套工作，充分發揮其效能。
(4)現場總線的標準必然趨于統一，局部集中的體系機構+以太網+TCP/IP+OPC Server 是符合現場總線統一國際標準的唯一途徑，應該加強這方面研究開發的力度，盡快實現總線協議標準的統一。
(5)現場總線的通信速度及適時性問題是目前和今后要重點解決的問題，也是研究開發的熱點。
(6)目前現場總線的組態比較復雜，需要組態的參數多，各參數之間的關系復雜，因而很難將系統設置到最佳狀態。系統組態傻瓜化將是各制造商必須解決的技術問題。
5 結束語
現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。現場總線及FCS的應用和發展，在自控領域掀起了新一輪革命。目前，雖說FCS還不太完善，還存在著許多問題，這僅是暫時的，結合以太網、通訊技術，現場總線及FCS將會取得越來越廣闊的發展前景。
參考文獻
[1] 陽憲惠，現場總線技術及應用[M]。清華大學出版社，1999.6
[2] Jonas Berge，Fieldbuses for Process Control：Engineering,Operation,and Maintenance[M]，2003
[3] 程曉琳，徐用懋，FCS選型及與DCS的集成[J]，工業控制計算機，2000年13卷第2期
[4] 翟永盛，現場總線―DSC發展趨勢[C]，電力系統自動化網
[5] 楊寧，趙玉剛，集散控制系統及現場總線[M]，北京航空航天大學出版社，2003.9
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號