【正文】 第一章 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）第一節(jié) 概述 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）是繼基地式氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)、電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)（DCS）后的新一代控制系統(tǒng)。由于它適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向數(shù)字化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向，給自動(dòng)化系統(tǒng)的最終用戶帶來更大實(shí)惠和更多方便，并促使目前生產(chǎn)的自動(dòng)化儀表、集散控制系統(tǒng)、可編程控制器（PLC）產(chǎn)品面臨體系結(jié)構(gòu)、功能等方面的重大變革，導(dǎo)致工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品的又一次更新?lián)Q代，因而現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)被譽(yù)為跨世紀(jì)的自控新技術(shù)。一、 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展隨著控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到控制、管理的各個(gè)層次，從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場(chǎng)。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）就是順應(yīng)這一形勢(shì)發(fā)展起來的新技術(shù)。什么是現(xiàn)場(chǎng)總線
現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動(dòng)化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，采用雙絞線等作為總線，把多個(gè)測(cè)量控制儀表連接成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種適應(yīng)實(shí)際需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)而言之，它把單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。它給自動(dòng)化領(lǐng)域帶來的變化，正如眾多分散的計(jì)算機(jī)被網(wǎng)絡(luò)連接在一起，使計(jì)算機(jī)的功能、作用發(fā)生的變化。現(xiàn)場(chǎng)總線則使自控系統(tǒng)與設(shè)備具有了通信能力，把它們連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，加入到信息網(wǎng)絡(luò)的行列。因此把現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)說成是一個(gè)控制技術(shù)新時(shí)代的開端并不過分。 現(xiàn)場(chǎng)總線是20世紀(jì)80年代中期在國(guó)際上發(fā)展起來的。隨著微處理器與計(jì)算機(jī)功能的不斷增強(qiáng)和價(jià)格的急劇降低，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，而處于生產(chǎn)過程底層的測(cè)控自動(dòng)化系統(tǒng)，采用一對(duì)一連線，用電壓、電流的模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量控制，或采用自封閉式的集散系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自動(dòng)化系統(tǒng)成為“自動(dòng)化孤島”。要實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的信息集成，要實(shí)施綜合自動(dòng)化，就必須設(shè)計(jì)出一種能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境運(yùn)行的、性能可靠、造價(jià)低廉的通信系統(tǒng)，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與外界的信息交換。 現(xiàn)場(chǎng)總線就是在這種實(shí)際需求的驅(qū)動(dòng)下應(yīng)運(yùn)而生的。它作為過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇、交通等領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備之間的互連通信網(wǎng)絡(luò)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，為徹底打破自動(dòng)化系統(tǒng)的信息孤島創(chuàng)造了條件。 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)既是一個(gè)開放通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布控制系統(tǒng)。它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進(jìn)一步構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基本控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動(dòng)化功能，這是一項(xiàng)以智能傳感器、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)。由于現(xiàn)場(chǎng)總線適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向，它一經(jīng)產(chǎn)生便成為全球工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)，受到全世界的普遍關(guān)注。現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)，導(dǎo)致目前生產(chǎn)的自動(dòng)化儀表、集散控制系統(tǒng)、可編程控制器在產(chǎn)品的體系結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)方面的較大變革，自動(dòng)化設(shè)備的制造廠家被迫面臨產(chǎn)品更新?lián)Q代的又一次挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的模擬儀表將逐步讓位于智能化數(shù)字儀表，并具備數(shù)字通信功能。出現(xiàn)了一批集檢測(cè)、運(yùn)算、控制功能于一體的變送控制器；出現(xiàn)了可集檢測(cè)溫度、壓力、流量于一身的多變量變送器；出現(xiàn)了帶控制模塊和具有故障信息的執(zhí)行器；并由此大大改變了現(xiàn)有的設(shè)備維護(hù)管理方法。現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展 50年代以前，由于當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)規(guī)模較小，檢測(cè)控制儀表尚處于發(fā)展的初級(jí)階段，所采用的僅僅是安裝在生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)、只具備簡(jiǎn)單測(cè)控功能的基地式氣動(dòng)儀表，其信號(hào)僅在本儀表內(nèi)起作用，一般不能傳送給別的儀表或系統(tǒng)，即各測(cè)控點(diǎn)只能成為封閉狀態(tài)，無法與外界溝通信息，操作人員只能通過生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的巡視，了解生產(chǎn)過程的狀況。 隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，操作人員需要綜合掌握多點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)與信息，需要同時(shí)按多點(diǎn)的信息實(shí)行操作控制，于是出現(xiàn)了氣動(dòng)、電動(dòng)系列的單元組合式儀表，出現(xiàn)了集中控制室。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號(hào)，～，0～10mA，4～20mA的直流電流信號(hào)，1～5V直流電壓信號(hào)等，送往集中控制室。操作人員可以坐在控制室縱觀生產(chǎn)流程各處的狀況，可以把各單元儀表的信號(hào)按需要組合成復(fù)雜控制系統(tǒng)。 由于模擬信號(hào)的傳遞需要一對(duì)一的物理連接，信號(hào)變化緩慢，提高計(jì)算速度與精度的開銷、難度都較大，信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差，人們開始尋求用數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)，出現(xiàn)了直接數(shù)字控制。由于當(dāng)時(shí)的數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)尚不發(fā)達(dá)，價(jià)格昂貴，人們企圖用一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代控制室的幾乎所有的儀表盤，出現(xiàn)了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)。但由于當(dāng)時(shí)數(shù)字計(jì)算機(jī)的可靠性還較差，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)某種故障，就會(huì)造成所有控制回路癱瘓、生產(chǎn)停工的嚴(yán)重局面，這種危險(xiǎn)也集中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難為生產(chǎn)過程所接受。 隨著計(jì)算機(jī)可靠性的提高，價(jià)格的大幅度下降，出現(xiàn)了數(shù)字調(diào)節(jié)器、可編程控制器以及由多個(gè)計(jì)算機(jī)遞階構(gòu)成的集中管理、分散控制相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)。這就是今天正在被許多企業(yè)采用的DCS系統(tǒng)。 DCS系統(tǒng)中，測(cè)量變送儀表一般為模擬儀表，因而它是一種模擬數(shù)字混合系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在功能、性能上較模擬儀表、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)有了很大進(jìn)步，可在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)裝置級(jí)、車間級(jí)的優(yōu)化控制。但是，在DCS系統(tǒng)形成的過程中，由于受計(jì)算機(jī)系統(tǒng)早期存在的系統(tǒng)封閉這一缺陷的影響，各廠家的產(chǎn)品自成系統(tǒng)，不同廠家的設(shè)備不能互連在一起，難以實(shí)現(xiàn)互換與互操作，組成更大范圍信息共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在很多困難。 新型的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)則突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，即可以把來自不同廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動(dòng)化設(shè)備，通過現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)連接成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化的各種功能；同時(shí)把DCS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)，依靠現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備本身便可實(shí)現(xiàn)基本控制功能?，F(xiàn)場(chǎng)總線之所以具有較高的測(cè)控能力指數(shù)，一是得益于儀表的微機(jī)化，二是得益于設(shè)備的通信功能。把微處理器置入現(xiàn)場(chǎng)自控設(shè)備、使設(shè)備具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，一方面提高了信號(hào)的測(cè)量、控制和傳輸精度，同時(shí)為豐富控制信息的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程傳送創(chuàng)造了條件。在現(xiàn)場(chǎng)總線的環(huán)境下，借助設(shè)備的計(jì)算、通信能力，在現(xiàn)場(chǎng)就可進(jìn)行許多復(fù)雜計(jì)算，形成真正分散在現(xiàn)場(chǎng)的完整的控制系統(tǒng)，提高控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。還可借助現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段以及與之有通信連接的其他網(wǎng)段，實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，如操作遠(yuǎn)在數(shù)百公里之外的電氣開關(guān)等。還可提供傳統(tǒng)儀表所不能提供的如閥門開關(guān)動(dòng)作次數(shù)、故障診斷等信息，便于操作管理人員更好、更深入地了解生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和自控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。 1984年，美國(guó)儀表協(xié)會(huì)（ISA）下屬的標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施工作組中的ISA／SP50開始制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)；1985年，國(guó)際電工委員會(huì)決定由Proway Working Group負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)的研究制定工作；1986年，德國(guó)開始制定過程現(xiàn)場(chǎng)總線（Process Fieldbus）標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱為PROFIBUS，由此拉開了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)制定及其產(chǎn)品開發(fā)的序幕。1992年，由Siemens，Rosemount，ABB，F(xiàn)oxboro，Yokogawa等80家公司聯(lián)合，成立了ISP（Interoperable System Protocol）組織，著手在PROFIBUS的基礎(chǔ)上制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。1993年，以Honeywell，Balley等公司為首，成立了World FIP（Factory Instrumentation Protocol）組織，有120多個(gè)公司加盟該組織，并以法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)FIP為基礎(chǔ)制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)各大公司均已清醒地認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)該有一個(gè)統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)勢(shì)在必行。但總線標(biāo)準(zhǔn)的制定工作并非一帆風(fēng)順，由于行業(yè)與地域發(fā)展歷史等原因，加之各公司和企業(yè)集團(tuán)受自身商業(yè)利益的驅(qū)使，致使總線的標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)展緩慢。 1994年，ISP和World FIP北美部分合并，成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)（Fieldbus Foundation，簡(jiǎn)標(biāo)FF），推動(dòng)了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的制定和產(chǎn)品開發(fā)，于1996年第一季度頒布了低速總線H1的標(biāo)準(zhǔn)，安裝了示范系統(tǒng)，將不同廠商的符合FF規(guī)范的儀表互連為控制系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)，使H1低速總線開始步入實(shí)用階段。與此同時(shí)，在不同行業(yè)還陸續(xù)派生出一些有影響的總線標(biāo)準(zhǔn)。它們大都在公司標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上逐漸形成，并得到其他公司、廠商、用戶以至于國(guó)際組織的支持。如德國(guó)Bosch公司推出CAN（Control Area Network），美國(guó)Echelon公司推出的Lon Works等。大千世界，眾多行業(yè)，需求各異，加上要考慮已有各種總線產(chǎn)品的投資效益和各公司的商業(yè)利益，預(yù)計(jì)在今后一段時(shí)期內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)幾種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連通訊的局面。但發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，真正形成開放互連系統(tǒng)，是大勢(shì)所趨?，F(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)⑴ 系統(tǒng)的開放性：開放是指對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。一個(gè)開放系統(tǒng)，是指它可以與世界上任何地方遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備或系統(tǒng)連接。通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換。現(xiàn)場(chǎng)總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。用戶可按自己的需要和考慮，把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。通過現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)筑自動(dòng)化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。⑵ 互可操作性與互用性：互可操作性，是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而互用則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)相互替換。⑶ 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性：它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。⑷ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性：現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。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(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。⑸ 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性：工作在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境而設(shè)計(jì)的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。⑹節(jié)省硬件數(shù)量與投資：由于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場(chǎng)的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報(bào)警和計(jì)算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的調(diào)節(jié)器、計(jì)算單元等，也不再需要DCS的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控PC機(jī)作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，并可減少控制室的占地面積。⑺節(jié)省安裝費(fèi)用：現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的接線十分簡(jiǎn)單，一對(duì)雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備時(shí)，無需增設(shè)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(shè)計(jì)、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測(cè)算資料表明，可節(jié)約安裝費(fèi)用60％以上。⑻節(jié)省維護(hù)開銷：由于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)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(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維