現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用與前景

楊東波

[摘 要]現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通訊以及這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。

[關(guān)鍵詞]現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù);種類;優(yōu)點(diǎn);發(fā)展現(xiàn)狀;趨勢(shì)

現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是20世紀(jì)80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的，用于電氣自動(dòng)化、制造自動(dòng)化，等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)及控制設(shè)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(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項(xiàng)以智能傳感、控制、計(jì)算機(jī)、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(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，并將導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。

由于上述特點(diǎn)，從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù)，都具有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。人們一般把50年代前的氣動(dòng)信號(hào)控制系統(tǒng)PCS稱作第一代，把4～20mA等電動(dòng)模擬信號(hào)控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計(jì)算機(jī)集中式控制系統(tǒng)稱為第三代，而把70年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代。一般把現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng)，也稱作FCS（集中式控制系統(tǒng)）。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng)，一方面，突破所造成的缺陷;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)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)?？梢哉f，開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)最顯著的特征。

現(xiàn)場(chǎng)總線以數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)，在3C技術(shù)即計(jì)算機(jī)（Computer）、控制（Control）、通信（Communication）的基礎(chǔ)上，大量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(chǎng)設(shè)備，一大批數(shù)字化、智能化的高新技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，自動(dòng)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(rèn)為“現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工業(yè)總線。按照國際電工委員會(huì)IEC61158的標(biāo)準(zhǔn)定義：“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線。

從現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System）的角度來看，它的通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將是ISO的通訊模型的七層結(jié)構(gòu)（一般簡(jiǎn)化為三層，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層）。

目前世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場(chǎng)總線，這些現(xiàn)場(chǎng)總線大都用于過程自動(dòng)化、醫(yī)藥領(lǐng)域、加工制造、交通運(yùn)輸、國防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領(lǐng)域，目前的工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)可歸為三類：485網(wǎng)絡(luò)、HART網(wǎng)絡(luò)、FieldBUS現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1、有助于工業(yè)企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率;

2、由于分散在前端的智能設(shè)備能執(zhí)行較為復(fù)雜的任務(wù)，不再需要單獨(dú)的控制器、計(jì)算單元等，節(jié)省了硬件投資和使用面積;

3、高度的系統(tǒng)集成自主權(quán)，可以通過比較靈活選擇合適的廠家產(chǎn)品;整體系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性也大為提高。這一切都幫助用戶實(shí)現(xiàn)了減低安裝、使用、維護(hù)的成本，最終達(dá)到增加利潤的目的;

4、提出了以協(xié)議轉(zhuǎn)換方式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互操作的理論方法。協(xié)議轉(zhuǎn)換可以根據(jù)通信協(xié)議的異同在不同的通信層次通過協(xié)議級(jí)、服務(wù)級(jí)和混合的方式實(shí)現(xiàn)，為互操作的實(shí)現(xiàn)提供理論和實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。

目前，在一些工程中通常的做法是在某種現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)上開發(fā)能連接其他公司現(xiàn)場(chǎng)總線的接口產(chǎn)品。由于現(xiàn)場(chǎng)總線國際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，多種類型的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線為例，要使它們中任意兩種不同現(xiàn)場(chǎng)總線能統(tǒng)一于一個(gè)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(gè)系統(tǒng)中有三種或三種以上不同現(xiàn)場(chǎng)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(cái)力，但成效甚微。

由于多現(xiàn)場(chǎng)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(shè)備，因此，整個(gè)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(jìn)行通信，這嚴(yán)重防礙智能自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)智能設(shè)備的選擇。對(duì)應(yīng)用而言，如果在一個(gè)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(gè)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(jià)格比不高，而且在系統(tǒng)進(jìn)行改造或升級(jí)時(shí)，將要花費(fèi)用戶更多的時(shí)間和費(fèi)用。因此，多現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在一個(gè)智能化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用已成為一個(gè)重要的研究課題。

總之，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的興起，開辟了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的新天地，將不同現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)品和諧地融入一個(gè)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。它將促使企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，為企業(yè)帶來新的效益。

參考文獻(xiàn)：

1.尤佳;徐煒 現(xiàn)場(chǎng)總線--自控系統(tǒng)的一項(xiàng)新技術(shù) [期刊論文] -浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2001（04）

2.趙文宏;曹李民;施一明 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展概況 [期刊論文] -浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2001（02）

3.肖維榮;現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與工廠自動(dòng)化（FA）[J];現(xiàn)代制造;1999年03期

4.蘇永樂;現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景（續(xù)）[J];工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置;1999年06期

5.《現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用》介紹[J];工業(yè)控制計(jì)算機(jī);1999年04期