【正文】 第一章 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）第一節(jié) 概述 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）是繼基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動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)。由于它適應了工業(yè)控制系統(tǒng)向數(shù)字化、分散化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展的方向，給自動化系統(tǒng)的最終用戶帶來更大實惠和更多方便，并促使目前生產的自動化儀表、集散控制系統(tǒng)、可編程控制器（PLC）產品面臨體系結構、功能等方面的重大變革，導致工業(yè)自動化產品的又一次更新?lián)Q代，因而現(xiàn)場總線技術被譽為跨世紀的自控新技術。一、 現(xiàn)場總線的發(fā)展隨著控制、計算機、通信、網(wǎng)絡等技術的發(fā)展，信息交換的領域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設備層到控制、管理的各個層次，從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。信息技術的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結構的變革，逐步形成以網(wǎng)絡集成自動化系統(tǒng)為基礎的企業(yè)信息系統(tǒng)。現(xiàn)場總線（Fieldbus）就是順應這一形勢發(fā)展起來的新技術。什么是現(xiàn)場總線
現(xiàn)場總線是應用在生產現(xiàn)場、在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動化系統(tǒng)中具有廣泛的應用前景。 現(xiàn)場總線技術將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，采用雙絞線等作為總線，把多個測量控制儀表連接成的網(wǎng)絡系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的多個微機化測量控制設備之間以及現(xiàn)場儀表與遠程監(jiān)控計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種適應實際需要的自動控制系統(tǒng)。簡而言之，它把單個分散的測量控制設備變成網(wǎng)絡節(jié)點，以現(xiàn)場總線為紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。它給自動化領域帶來的變化，正如眾多分散的計算機被網(wǎng)絡連接在一起，使計算機的功能、作用發(fā)生的變化?，F(xiàn)場總線則使自控系統(tǒng)與設備具有了通信能力，把它們連接成網(wǎng)絡系統(tǒng)，加入到信息網(wǎng)絡的行列。因此把現(xiàn)場總線技術說成是一個控制技術新時代的開端并不過分。 現(xiàn)場總線是20世紀80年代中期在國際上發(fā)展起來的。隨著微處理器與計算機功能的不斷增強和價格的急劇降低，計算機與計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，而處于生產過程底層的測控自動化系統(tǒng)，采用一對一連線，用電壓、電流的模擬信號進行測量控制，或采用自封閉式的集散系統(tǒng)，難以實現(xiàn)設備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自動化系統(tǒng)成為“自動化孤島”。要實現(xiàn)整個企業(yè)的信息集成，要實施綜合自動化，就必須設計出一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的、性能可靠、造價低廉的通信系統(tǒng)，形成工廠底層網(wǎng)絡，完成現(xiàn)場自動化設備之間的多點數(shù)字通信，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設備之間以及生產現(xiàn)場與外界的信息交換。 現(xiàn)場總線就是在這種實際需求的驅動下應運而生的。它作為過程自動化、制造自動化、樓宇、交通等領域現(xiàn)場智能設備之間的互連通信網(wǎng)絡，溝通了生產過程現(xiàn)場控制設備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡之間的聯(lián)系，為徹底打破自動化系統(tǒng)的信息孤島創(chuàng)造了條件。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)既是一個開放通信網(wǎng)絡，又是一種全分布控制系統(tǒng)。它作為智能設備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡節(jié)點的智能設備連接為網(wǎng)絡系統(tǒng)，并進一步構成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動化功能，這是一項以智能傳感器、控制、計算機、數(shù)字通信、網(wǎng)絡為主要內容的綜合技術。由于現(xiàn)場總線適應了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展的方向，它一經產生便成為全球工業(yè)自動化技術的熱點，受到全世界的普遍關注?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)，導致目前生產的自動化儀表、集散控制系統(tǒng)、可編程控制器在產品的體系結構、功能結構方面的較大變革，自動化設備的制造廠家被迫面臨產品更新?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、運算、控制功能于一體的變送控制器；出現(xiàn)了可集檢測溫度、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)有的設備維護管理方法?，F(xiàn)場總線的發(fā)展 50年代以前，由于當時的生產規(guī)模較小，檢測控制儀表尚處于發(fā)展的初級階段，所采用的僅僅是安裝在生產設備現(xiàn)場、只具備簡單測控功能的基地式氣動儀表，其信號僅在本儀表內起作用，一般不能傳送給別的儀表或系統(tǒng)，即各測控點只能成為封閉狀態(tài)，無法與外界溝通信息，操作人員只能通過生產現(xiàn)場的巡視，了解生產過程的狀況。 隨著生產規(guī)模的擴大，操作人員需要綜合掌握多點的運行參數(shù)與信息，需要同時按多點的信息實行操作控制，于是出現(xiàn)了氣動、電動系列的單元組合式儀表，出現(xiàn)了集中控制室。生產現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，～，0～10mA，4～20mA的直流電流信號，1～5V直流電壓信號等，送往集中控制室。操作人員可以坐在控制室縱觀生產流程各處的狀況，可以把各單元儀表的信號按需要組合成復雜控制系統(tǒng)。 由于模擬信號的傳遞需要一對一的物理連接，信號變化緩慢，提高計算速度與精度的開銷、難度都較大，信號傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差，人們開始尋求用數(shù)字信號取代模擬信號，出現(xiàn)了直接數(shù)字控制。由于當時的數(shù)字計算機技術尚不發(fā)達，價格昂貴，人們企圖用一臺計算機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)。但由于當時數(shù)字計算機的可靠性還較差，一旦計算機出現(xiàn)某種故障，就會造成所有控制回路癱瘓、生產停工的嚴重局面，這種危險也集中的系統(tǒng)結構很難為生產過程所接受。 隨著計算機可靠性的提高，價格的大幅度下降，出現(xiàn)了數(shù)字調節(jié)器、可編程控制器以及由多個計算機遞階構成的集中管理、分散控制相結合的集散控制系統(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)有了很大進步，可在此基礎上實現(xiàn)裝置級、車間級的優(yōu)化控制。但是，在DCS系統(tǒng)形成的過程中，由于受計算機系統(tǒng)早期存在的系統(tǒng)封閉這一缺陷的影響，各廠家的產品自成系統(tǒng)，不同廠家的設備不能互連在一起，難以實現(xiàn)互換與互操作，組成更大范圍信息共享的網(wǎng)絡系統(tǒng)存在很多困難。 新型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)則突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡的封閉系統(tǒng)來實現(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、標準化的解決方案，即可以把來自不同廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動化設備，通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡連接成系統(tǒng)，實現(xiàn)綜合自動化的各種功能；同時把DCS集中與分散相結合的集散系統(tǒng)結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設備本身便可實現(xiàn)基本控制功能。現(xiàn)場總線之所以具有較高的測控能力指數(shù)，一是得益于儀表的微機化，二是得益于設備的通信功能。把微處理器置入現(xiàn)場自控設備、使設備具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，一方面提高了信號的測量、控制和傳輸精度，同時為豐富控制信息的內容，實現(xiàn)其遠程傳送創(chuàng)造了條件。在現(xiàn)場總線的環(huán)境下，借助設備的計算、通信能力，在現(xiàn)場就可進行許多復雜計算，形成真正分散在現(xiàn)場的完整的控制系統(tǒng)，提高控制系統(tǒng)運行的可靠性。還可借助現(xiàn)場總線網(wǎng)段以及與之有通信連接的其他網(wǎng)段，實現(xiàn)異地遠程自動控制，如操作遠在數(shù)百公里之外的電氣開關等。還可提供傳統(tǒng)儀表所不能提供的如閥門開關動作次數(shù)、故障診斷等信息，便于操作管理人員更好、更深入地了解生產現(xiàn)場和自控設備的運行狀態(tài)。 1984年，美國儀表協(xié)會（ISA）下屬的標準與實施工作組中的ISA／SP50開始制定現(xiàn)場總線標準；1985年，國際電工委員會決定由Proway Working Group負責現(xiàn)場總線體系結構與標準的研究制定工作；1986年，德國開始制定過程現(xiàn)場總線（Process Fieldbus）標準，簡稱為PROFIBUS，由此拉開了現(xiàn)場總線標準制定及其產品開發(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的基礎上制定現(xiàn)場總線標準。1993年，以Honeywell，Balley等公司為首，成立了World FIP（Factory Instrumentation Protocol）組織，有120多個公司加盟該組織，并以法國標準FIP為基礎制定現(xiàn)場總線標準。此時各大公司均已清醒地認識到，現(xiàn)場總線應該有一個統(tǒng)一的國際標準，現(xiàn)場總線技術勢在必行。但總線標準的制定工作并非一帆風順，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)集團受自身商業(yè)利益的驅使，致使總線的標準化工作進展緩慢。 1994年，ISP和World FIP北美部分合并，成立了現(xiàn)場總線基金會（Fieldbus Foundation，簡標FF），推動了現(xiàn)場總線標準的制定和產品開發(fā)，于1996年第一季度頒布了低速總線H1的標準，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，使H1低速總線開始步入實用階段。與此同時，在不同行業(yè)還陸續(xù)派生出一些有影響的總線標準。它們大都在公司標準的基礎上逐漸形成，并得到其他公司、廠商、用戶以至于國際組織的支持。如德國Bosch公司推出CAN（Control Area Network），美國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品的投資效益和各公司的商業(yè)利益，預計在今后一段時期內，會出現(xiàn)幾種現(xiàn)場總線標準共存、同一生產現(xiàn)場有幾種異構網(wǎng)絡互連通訊的局面。但發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標準規(guī)范，真正形成開放互連系統(tǒng)，是大勢所趨?，F(xiàn)場總線的特點⑴ 系統(tǒng)的開放性：開放是指對相關標準的一致性、公開性，強調對標準的共識與遵從。一個開放系統(tǒng)，是指它可以與世界上任何地方遵守相同標準的其他設備或系統(tǒng)連接。通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設備之間可實現(xiàn)信息交換?，F(xiàn)場總線開發(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，把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統(tǒng)。通過現(xiàn)場總線構筑自動化領域的開放互連系統(tǒng)。⑵ 互可操作性與互用性：互可操作性，是指實現(xiàn)互連設備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而互用則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可實現(xiàn)相互替換。⑶ 現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性：它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設備中完成，僅靠現(xiàn)場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。⑷ 系統(tǒng)結構的高度分散性：現(xiàn)場總線已構成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結構。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結構，提高了可靠性。⑸ 對現(xiàn)場環(huán)境的適應性：工作在生產現(xiàn)場前端，作為工廠網(wǎng)絡底層的現(xiàn)場總線，是專為現(xiàn)場環(huán)境而設計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質安全防爆要求等。⑹節(jié)省硬件數(shù)量與投資：由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場的智能設備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的調節(jié)器、計算單元等，也不再需要DCS的信號調理、轉換、隔離等功能單元及其復雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，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)省安裝費用：現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現(xiàn)場控制設備時，無需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。據(jù)有關典型試驗工程的測算資料表明，可節(jié)約安裝費用60％以上。⑻節(jié)省維護開銷：由于現(xiàn)場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通訊將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維