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案例頻道引言
目前，現(xiàn)場總線及FCS是自控領(lǐng)域中的熱點(diǎn)，正受到國內(nèi)外自動化設(shè)備制造商與用戶越來越強(qiáng)烈的關(guān)注，并以迅猛的勢頭快速發(fā)展，是當(dāng)今世界最新最先進(jìn)的控制系統(tǒng)。FCS脫胎于DCS，它不但繼承DCS一系列優(yōu)點(diǎn)，并且有所發(fā)展和創(chuàng)新。憑借著現(xiàn)場總線技術(shù)的本質(zhì)：信息處理現(xiàn)場化，F(xiàn)CS將一直以來束縛DCS底層設(shè)備之間無法進(jìn)行通信的瓶頸徹底解決。所以，F(xiàn)CS很好地解決了DCS自動化孤島這一技術(shù)難題。可以說數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)走向工廠底層，現(xiàn)場儀表的智能化等技術(shù)發(fā)展趨勢必然導(dǎo)致了現(xiàn)場總線和FCS的誕生[1]。它們的出現(xiàn)應(yīng)該是過程控制領(lǐng)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(xiàn)場總線
1.1 現(xiàn)場總線的概念
現(xiàn)場總線是用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它不僅是一個基層通信網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線技術(shù)是一種集計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、集成電路技術(shù)于一身的新興控制技術(shù)，誕生于上世紀(jì)80年代中期。隨著微處理器與計(jì)算機(jī)功能的不斷增強(qiáng)和價(jià)格的降低，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。現(xiàn)場總線可實(shí)現(xiàn)整個企業(yè)的信息集成，實(shí)施綜合自動化，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場自動化設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換。根據(jù)國際電工委員會IEC標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場總線基金會FF的定義，現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間實(shí)行雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)通信的通信網(wǎng)絡(luò)。多節(jié)點(diǎn)指的是現(xiàn)場設(shè)備或儀表裝置，如傳感器、變送器、執(zhí)行器和現(xiàn)場智能I/O等等，它們不是傳統(tǒng)的接收或傳送信號的現(xiàn)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(tǒng)的測量功能外，還具有溫度補(bǔ)償、函數(shù)變換和PID等控制運(yùn)算功能；調(diào)節(jié)閥除具有信號驅(qū)動和輸出執(zhí)行功能外，還具有輸出補(bǔ)償、自校驗(yàn)和自診斷功能。
1.2 現(xiàn)場總線的通信協(xié)議
與開放式互連（OSI）參考模型比較現(xiàn)場總線物理結(jié)構(gòu)沒有網(wǎng)絡(luò)層到表示層（即第3~6層），只有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層(圖1)，除此之外，考慮到現(xiàn)場裝置的測試功能與互操作性，現(xiàn)場總線基金會(FF)還增加了用戶層。每個協(xié)議層完成各自一套功能，報(bào)文在這些層之間被解析。
物理層提供機(jī)械的、電器的、功能性和規(guī)范性，用以在數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體間建立、維護(hù)和拆除物理連接。物理層包含報(bào)文傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)，一般是導(dǎo)線，物理層定義了數(shù)據(jù)通訊信號的大小、波形、最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量、所用導(dǎo)線的類型和數(shù)據(jù)傳輸速率[2]。如FF對低速現(xiàn)場總線H1規(guī)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(xiàn)場裝置；采用#18、#2和#26AWG導(dǎo)線時總長度分別可達(dá)1900m、1200m和400m；總線的典型響應(yīng)時間為1mS。
數(shù)據(jù)鏈路層的功能是保證數(shù)據(jù)的完整性并決定何時與誰對話，數(shù)據(jù)鏈路并不解釋傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，它僅僅在物理層和它的上一層之間傳遞數(shù)據(jù)，其幀格式通常為：
|
控制格式 |
目標(biāo)地址 |
源地址 |
參數(shù) |
數(shù)據(jù) |
校驗(yàn) |
圖1 現(xiàn)場總線通信協(xié)議物理結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)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(jié)點(diǎn)間用來對數(shù)據(jù)幀的發(fā)送、接受進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)傳輸校驗(yàn)與差錯控制。一般發(fā)送設(shè)備中的每個層都在原始的報(bào)文上增加一段信息，這些信息在接收設(shè)備的對應(yīng)層中被剝離。例如，數(shù)據(jù)鏈路層增加的目的地地址在接收設(shè)備的數(shù)據(jù)鏈路層中被移去。
應(yīng)用層的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線的命令、響應(yīng)、數(shù)據(jù)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(wù)，由現(xiàn)場總線信息規(guī)范所定義；一個與數(shù)據(jù)鏈路層連接，稱為現(xiàn)場總線訪問子層（FAS），它彌補(bǔ)了被省略的網(wǎng)絡(luò)層到表示層中的某些通信服務(wù)。
用戶層位于應(yīng)用層之上，是一些數(shù)據(jù)或信息查詢的應(yīng)用軟件，它將通信命令傳送到應(yīng)用層。在用戶層，規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的“功能模塊”，并使用設(shè)備描述語言為用戶組態(tài)提供接口。設(shè)備描述實(shí)際上是裝置的一個驅(qū)動器，它包含所有必要的參數(shù)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(yùn)行特性上可能完全不同，但對其功能模塊的特性描述、參數(shù)設(shè)定及相互聯(lián)系的方法是公開統(tǒng)一的，即對用戶是透明的，從而保證了現(xiàn)場裝置可實(shí)現(xiàn)真正互操作。
2 FCS與DCS的對比分析
DCS的每個現(xiàn)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(xiàn)場的各個裝置(傳感器、變送器、執(zhí)行器)等之間無法進(jìn)行信息通訊，是彼此獨(dú)立的“信息孤島”。當(dāng)前，隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大、生產(chǎn)過程日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的DCS阻礙了企業(yè)全方位多角度的信息化管理與控制。處于企業(yè)生產(chǎn)過程最底層的“信息孤島”制約了企業(yè)生產(chǎn)各模塊之間以及與外界的信息交互，是企業(yè)信息集成發(fā)展道路上的巨大障礙。
基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)就是FCS，它是現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用與拓展。FCS的每個現(xiàn)場裝置到接線盒的雙絞線仍然使用，但是從現(xiàn)場接線盒到中央控制室僅用一對雙絞線完成數(shù)字通信。它很好的解決了傳統(tǒng)過程控制系統(tǒng)中的“信息孤島”這一技術(shù)難題，推動了企業(yè)信息化、集成化的發(fā)展。FCS較DCS的結(jié)構(gòu)對比如圖2所示。
圖2 DCS與FCS的結(jié)構(gòu)
FCS是在DCS的基礎(chǔ)上發(fā)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(xiǎn)分散的優(yōu)點(diǎn)，并且有所發(fā)展和創(chuàng)新，適應(yīng)了自動化發(fā)展的要求。與DCS相比FCS有以下幾個優(yōu)勢：
（1）現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)；現(xiàn)場總線是用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設(shè)備互連的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，是CIPS/CIMS的最底層，而DCS的通信網(wǎng)絡(luò)截至于控制站或輸入輸出單元。在FCS中，各現(xiàn)場設(shè)備之間通過現(xiàn)場總線相連，彼此可以相互通信聯(lián)絡(luò)，從而解決了DCS的信息孤島這一技術(shù)難題。
（2）一對N的結(jié)構(gòu)；一對傳輸線(現(xiàn)場總線)可以掛接N臺現(xiàn)場設(shè)備，雙向傳輸多個數(shù)字信號，N取決于現(xiàn)場控制回路的性質(zhì)。這種結(jié)構(gòu)比DCS一對一的單向模擬信號傳送結(jié)構(gòu)布線簡單，安裝費(fèi)用低、維護(hù)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(xiàn)場總線將控制功能由傳統(tǒng)的控制站下放到現(xiàn)場儀表設(shè)備中，做到了徹底的分散控制功能，提高了系統(tǒng)的靈活性和自治性。
（4）完全開放式系統(tǒng)；現(xiàn)場總線的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)是公開的，因此現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可以與不同層網(wǎng)絡(luò)互連。不同廠家的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品可以集成在同一現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，只要他們遵守相同的通信協(xié)議，就可以實(shí)現(xiàn)各層網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)廠家按同一標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的不同性能價(jià)格比的產(chǎn)品，將不同產(chǎn)品集成到自己的控制系統(tǒng)中，由于不同廠家的儀表在組態(tài)方式、功能結(jié)構(gòu)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(fā)生故障，也能隨時選擇其他廠家的產(chǎn)品予以更換，真正實(shí)現(xiàn)“即插即用”。
（6）更高的可靠性；現(xiàn)場總線采用全數(shù)字化處理和數(shù)字通訊技術(shù)，大大提高了現(xiàn)場裝置的信號測控精度，以及信號傳輸?shù)目垢蓴_能力，從而可提高系統(tǒng)測控的可靠性和穩(wěn)定性。
3 幾種典型現(xiàn)場總線的比較
現(xiàn)場總線技術(shù)的研究啟始于20世紀(jì)80年代，90年代逐步走向?qū)嵱没５侥壳盀橹箛H上已經(jīng)出現(xiàn)了多種現(xiàn)場總線通信協(xié)議，包括CAN, Lon Works, Profibus, HART, FF等。由于各大公司努力維護(hù)既得利益，希望在競爭中保持并擴(kuò)大自身的市場份額，目前統(tǒng)一的現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚難以確立，多種現(xiàn)場總線協(xié)議共存估計(jì)還要繼續(xù)很長一段時間,這給現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展帶來了很多困難。下面對幾種典型現(xiàn)場總線作簡要的介紹。
CAN (Control Area Network)控制局域網(wǎng)，是由德國Bosch汽車公司在1983～1985年推出的。其最初設(shè)計(jì)目的是為汽車和控制的車間級設(shè)備提供數(shù)據(jù)通路，而后由于Intel公司的加入，使得CAN在技術(shù)上更加成熟。CAN具有可靠性強(qiáng)、支持多處理器，鏈路簡單、支持優(yōu)先級處理等優(yōu)點(diǎn)。CAN的通信速率為1Mbps (40m)和5kbps(10km)，節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到110個，傳輸介質(zhì)為雙絞線和光纖。此外，CAN還具有以下特點(diǎn) ：(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(qiáng)的容錯能力，抗干擾性強(qiáng)，傳輸安全性高；(4)提供多種接口標(biāo)準(zhǔn)，適用廣泛。由于以上優(yōu)點(diǎn)，CAN已在火力發(fā)電、石油化工、冶金等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。CAN也是最早在我國得到應(yīng)用的現(xiàn)場總線。現(xiàn)在基于CAN協(xié)議，又開發(fā)出了新一代的現(xiàn)場總線，如Rockwell公司(實(shí)際上是Allen-Brandley公司)開發(fā)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(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，也是歐洲EN50170標(biāo)準(zhǔn)之一，已成為大多歐洲過程控制廠商所普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)。其系列有用于自動化系統(tǒng)和分散外設(shè)間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜rofibus-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(tǒng)和分散的現(xiàn)場設(shè)備的互連，其數(shù)據(jù)傳輸遵從IEC 1158-2標(biāo)準(zhǔn)。Profibus己滲透進(jìn)石油、化工和釀造行業(yè)。
FF現(xiàn)場總線基金會是國際公認(rèn)的不附屬于某企業(yè)的公正的非商業(yè)化的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，其宗旨是制訂統(tǒng)一的國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，無專利許可要求，供任何人使用。FF承諾全部遵從IEC61158標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)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(yīng)用層定義了資源塊、功能塊和探頭塊等標(biāo)準(zhǔn)塊，和相關(guān)設(shè)備說明描述。FF現(xiàn)場總線分為兩種：FF Hl(低速現(xiàn)場總線)和FF H2(高速現(xiàn)場總線)。FF Hl主要用于如溫度、料位和流量等控制場合，F(xiàn)F H2通常應(yīng)用于先進(jìn)的過程控制、遠(yuǎn)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(xiàn)場總線基金會宣布FF H2現(xiàn)場總線技術(shù)作廢，F(xiàn)F H2將來的發(fā)展將基于高速以太網(wǎng)技術(shù)。FF現(xiàn)場總線已獲得120多個控制廠商(如Honeywell. Fisher-Rosemount等)的支持，已經(jīng)在北美、南美和亞洲取得了顯著的進(jìn)步。
HART是可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路(Highway Addressable Remote Transducer)的縮寫。最早由Rosemount公司開發(fā)，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(xié)議參考了OSI參考模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。HART工作方式有點(diǎn)―點(diǎn)式或全數(shù)字式。點(diǎn)―點(diǎn)式是在4-20mA的模擬信號上疊加FSK數(shù)字信號，不影響4-20mA的信號；全數(shù)字式的優(yōu)點(diǎn)是可連15臺儀表，減少了投入[4]。
4 現(xiàn)場總線及FCS在我國的應(yīng)用及發(fā)展
為了在中國儀器儀表行業(yè)發(fā)展現(xiàn)場總線技術(shù)，國家計(jì)委將“現(xiàn)場總線智能儀表開發(fā)研究”列為九五國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)日，國家機(jī)械工業(yè)局、教育部和中科院組織力量對HART、FF等現(xiàn)場總線展開研究和開發(fā)。目前已經(jīng)取得了階段性成果，HART儀表已經(jīng)開始投入使用，F(xiàn)F儀表也即將投入試用。我國已成為世界上少數(shù)幾個掌握現(xiàn)場總線協(xié)議技術(shù)的國家[5]。
現(xiàn)場總線及FCS在我國運(yùn)用發(fā)展10多年來，在電力、化工、冶金、供水、石油等行業(yè)，都有很多應(yīng)用實(shí)例。吉林甲醇廠化工/甲醇生產(chǎn)過程控制、濱州化工廠自備電廠鍋爐控制、揚(yáng)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(yīng)用的整體情況而言，系統(tǒng)的規(guī)模都比較小(控制回路小于100路、監(jiān)測點(diǎn)數(shù)小于400點(diǎn))、控制回路的結(jié)構(gòu)也比較簡單；就發(fā)展的速度來說，F(xiàn)CS的應(yīng)用推廣速度比預(yù)料的要慢。畢竟，DCS發(fā)展應(yīng)用多年，且技術(shù)成熟、產(chǎn)品門類齊全、功能強(qiáng)大、價(jià)格適中；而FCS雖然技術(shù)上先進(jìn)，但起步晚，產(chǎn)品類型少且價(jià)格較高，現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，使用者一次性投入的費(fèi)用較高，此外FCS的傳輸速率及適時性不高都是制約其發(fā)展的因素。徹底擯棄DCS而發(fā)展FCS也是不符合實(shí)際情況的，所以，今后很長一段時間內(nèi)兩者的關(guān)系是彼此相互結(jié)合，從而取彼之長補(bǔ)己之短。
關(guān)于DCS與FCS技術(shù)及應(yīng)用，筆者認(rèn)為應(yīng)注意以下幾個方面:
(1)今后工業(yè)自動控制系統(tǒng)向開放型體系結(jié)構(gòu)發(fā)展是大勢所趨，由現(xiàn)場總線I/O器件為主構(gòu)成的徹底分散控制系統(tǒng)的發(fā)展很可能成為自動化控制系統(tǒng)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(jié)構(gòu) (管理級、監(jiān)控級、現(xiàn)場級) 將演變成二級 (管理級、現(xiàn)場控制級)。FCS代表目前自動化控制技術(shù)的發(fā)展方向，不宜過多的研究開發(fā)DCS，要轉(zhuǎn)移研究的重點(diǎn)至FCS。
(2)考慮到國內(nèi)已投人運(yùn)行的大機(jī)組大部分已采用DCS的實(shí)際情況，可以在新建小型機(jī)組及老機(jī)組改造項(xiàng)日中做試點(diǎn)，有計(jì)劃地應(yīng)用FCS，以積累經(jīng)驗(yàn)。在那些大型的自動化系統(tǒng)要求較高的新建項(xiàng)目中要充分考慮FCS的使用。
(3)國家應(yīng)加大開發(fā)與企業(yè)自動化有關(guān)的軟硬件的力度，做好FCS應(yīng)用的配套工作，充分發(fā)揮其效能。
(4)現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)必然趨于統(tǒng)一，局部集中的體系機(jī)構(gòu)+以太網(wǎng)+TCP/IP+OPC Server 是符合現(xiàn)場總線統(tǒng)一國際標(biāo)準(zhǔn)的唯一途徑，應(yīng)該加強(qiáng)這方面研究開發(fā)的力度，盡快實(shí)現(xiàn)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。
(5)現(xiàn)場總線的通信速度及適時性問題是目前和今后要重點(diǎn)解決的問題，也是研究開發(fā)的熱點(diǎn)。
(6)目前現(xiàn)場總線的組態(tài)比較復(fù)雜，需要組態(tài)的參數(shù)多，各參數(shù)之間的關(guān)系復(fù)雜，因而很難將系統(tǒng)設(shè)置到最佳狀態(tài)。系統(tǒng)組態(tài)傻瓜化將是各制造商必須解決的技術(shù)問題。
5 結(jié)束語
現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。現(xiàn)場總線及FCS的應(yīng)用和發(fā)展，在自控領(lǐng)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(jié)合以太網(wǎng)、通訊技術(shù)，現(xiàn)場總線及FCS將會取得越來越廣闊的發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號