【文章內(nèi)容簡介】 相互連接，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，降低了安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。因此 FCS 系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種開放的、可以互連的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)。 1984 年，美國儀表協(xié)會（ 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)場總線標(biāo)準(zhǔn)； 1985 年，國際電工委 員會決定由 Proway Working Group 負(fù)責(zé)現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，簡稱為 PROFIBUS，由此拉開了現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)制定及其產(chǎn)品開發(fā)的序幕。 1992 年，由 Siemens， Rocemount， ABB， Foxboro， 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)場總線標(biāo)準(zhǔn)。 1993 年，以 Honeywell， Bailey 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(biāo)準(zhǔn) FIP 為基礎(chǔ)制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。1994 年， ISP 和 World FIP 的北美分部合并成立了現(xiàn)場總線基金會（ Fieldbus Foundation 簡稱 FF），推動了現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制定和產(chǎn)品開發(fā)，并于 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)范的設(shè)備互連構(gòu)成控制系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)，使 H1 低速總線開始步入實(shí)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(biāo)準(zhǔn)。它們大都在某些公司標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上逐漸形成，并得到其他公司、廠商、用戶及國際組織的支持。如德國 Bosch 公司推出的 CAN（ Control Area Network），美國 Echelon 公司推出的 LonWorks 等。預(yù)計(jì)在今后的一段時期內(nèi)，會出現(xiàn)幾種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連通訊的局面。但是發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，真正形成開放的互連系統(tǒng)，將是現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展趨勢。 現(xiàn)場總線技術(shù)是工業(yè)控制領(lǐng)域出一種新興的控制技術(shù)，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信 技術(shù)，集成電路技術(shù)及智能傳感技術(shù)幾種技術(shù)的結(jié)合，是當(dāng)今自動控制技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，代表了工業(yè)控制 領(lǐng)域今后的一種發(fā)展方向。它的出現(xiàn)，將使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)無論在結(jié)構(gòu)上還是在性能上出現(xiàn)巨大的飛躍，可以說現(xiàn)場總線是控制領(lǐng)域的一場革命，它代表了一種有突破意義的新的控制思想，它將開辟一個新的時代?，F(xiàn)場總線出現(xiàn)于 80 年代中后期，從本質(zhì)上來說，它是一種數(shù)字通信協(xié)議，是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在智能化控制設(shè)備之間實(shí)行雙向串行通信、多節(jié)點(diǎn)的數(shù)字通信的系統(tǒng)，是一種開放的、數(shù)字化的、多點(diǎn)通信的低層控制網(wǎng)絡(luò)。它使得自控系統(tǒng)和設(shè)備有了通信能力 。 成都紡專電氣 083 方堯畢業(yè)論文 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用研究 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS（ Fieldbus Control System）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)，集中實(shí)式數(shù)字控制系統(tǒng)集散式控制系統(tǒng) DCS 后的新一代控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代工業(yè)控制思想的核心是 “分散控制，集中監(jiān)控 ”使得 “危險(xiǎn)分散，控制分散 ”，但即使是現(xiàn)在流行的 DCS 控制，其與工業(yè)過程打交道的過程控制站仍然還是集中的，現(xiàn)場信號的檢測、傳輸和控制還是采用的 4~20mA 的模擬信號，這正是對分散控制，集中監(jiān)控思想的違背。 而 FCS 控制系統(tǒng)真正做到了這一點(diǎn)，把控制徹底地下放到現(xiàn)場，現(xiàn)場 的智能儀表就能完成諸如數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，控制運(yùn)算和數(shù)據(jù)輸出大部分現(xiàn)場功能，只有一些現(xiàn)場儀表無法完成的高級控制功能才由上位機(jī)來完成。而且現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)之間可以相互通信實(shí)現(xiàn)互操作，現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)也可以把自己的診斷數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，有益于設(shè)備管理。 現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用展望 現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生促進(jìn)了現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，使現(xiàn)場控制的功能更加強(qiáng)大。由于采用了現(xiàn)場總線技術(shù)而帶來了過程控制系統(tǒng)的開放性，使得系統(tǒng)成為具有測量、控制、執(zhí)行和過程診斷等綜合能力的控制網(wǎng)絡(luò)。為更好適應(yīng)工業(yè)過程控制的需要，今后現(xiàn)場總 線技術(shù)會從以下幾個方面發(fā)展： (1)基于現(xiàn)場總線的一次儀表和二次儀表的研制 現(xiàn)在，生產(chǎn)自動化儀表的廠家必須向現(xiàn)場總線靠攏，開發(fā)出具有現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)的一次及二次儀表。檢測、變換、補(bǔ)償、控制、告警、趨勢分析等功能可以分散在現(xiàn)場解決，簡化上層系統(tǒng)，徹底實(shí)現(xiàn)分散控制、集中管理以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。 (2)基于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的軟、硬件開發(fā) 系統(tǒng)的開放性和通信問題是分散控制系統(tǒng)的突出問題，它需要解決不同廠家軟、硬件產(chǎn)品能否集中到一個系統(tǒng)的問題。如 Lon Works 總線技術(shù)的產(chǎn)品，只要遵循 Lon Talk 標(biāo)準(zhǔn)，幾百家不同產(chǎn)品均可連接在一個系統(tǒng)中，所以要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的研制必須遵循現(xiàn)場總線的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。 (3)開放的組態(tài)技術(shù)研究 目前現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組態(tài)是比較復(fù)雜的，需要組態(tài)的參數(shù)多，各參數(shù)之間的關(guān)系比較復(fù)雜，所以研究開放的組態(tài)技術(shù)也是現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢。開放的組態(tài)技術(shù)的研究主要還包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)段互聯(lián)等。在異構(gòu)網(wǎng)連接的網(wǎng)關(guān)路由的開發(fā)方面， Lon Works具有獨(dú)特的優(yōu)勢。 (4)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的增強(qiáng) 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是從物理形態(tài)上考慮通信網(wǎng)絡(luò)和輸入、輸出線纜網(wǎng)絡(luò)的布置，減 少信息的往返傳遞是現(xiàn)場總線系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)組態(tài)的一條重要原則。因此，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時應(yīng)優(yōu)先將相互間信息交換量大的節(jié)點(diǎn)放在同一條支路里。網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)主要還包括網(wǎng)絡(luò)管理軟件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)操作與傳輸?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)形成了低層網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)同時提供與企業(yè)網(wǎng)、國際互聯(lián)網(wǎng)相連接的可能性。 (5)基于現(xiàn)場總線技術(shù)的全開放控制系統(tǒng)集成技術(shù)的開發(fā) 自動化系統(tǒng)與設(shè)備將朝著現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展，并且涉及的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，幾乎覆蓋了所有的過程控制領(lǐng)域。 (6)控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合 實(shí)現(xiàn) InterIntraInfra 體系結(jié)構(gòu)，對于人們的生產(chǎn)和生活有著重要的意義。如遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)就是該體系在生產(chǎn)控制領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用之一?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)接入 Inter，在一定的條件下便可通過 Inter監(jiān)視，并控制這些生產(chǎn)系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀況和各種參數(shù) [3]。 成都紡專電氣 083 方堯畢業(yè)論文 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用研究 2 現(xiàn)場總線的種類 從 20 世紀(jì) 90年代以后，現(xiàn)場總線技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了群雄并起、百家爭鳴的局面。目前已開發(fā)出有 40 多種現(xiàn)場總線，如 Interbus、 Bitbus、 DeviceNet、 MODbus、 Aret、PNet、 FIP、 ISP 等，其中最具有 影響力的有 5 種，分別是 FF、 Lon Works、 Profibus、 CAN和 HART。 基金會現(xiàn)場總線 基金會現(xiàn)場總線，即 FoudationFieldbus,簡稱 FF，這是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以美國 FisherRousemount 公司為首，聯(lián)合 Foxboro、橫河、 ABB、西門子等 80 家公司制訂的 ISP 協(xié)議和以 Honeywell 公司為首，聯(lián)合歐洲等地的 150 家公司制訂的 WordFIP 協(xié)議。屈于用戶的壓力，這兩大集團(tuán)于 1994 年 9 月合并，成立了現(xiàn)場總線基金 會，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。它以 ISO/OSI 開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為 FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。 基金會現(xiàn)場總線分低速 H1 和高速 H2兩種通信速率。 H1 的傳輸速率為 3125Kbps,通信距離可達(dá) 1900m(可加中繼器延長 ),可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。 H2 的傳輸速率為 1Mbps 和 兩種，其通信距離為 750m 和 500m。物理傳輸介質(zhì)可支持比絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合 IEC11582標(biāo)準(zhǔn)。其物理媒介的傳輸信號采用 曼徹斯特編碼，每位發(fā)送數(shù)據(jù)的中心位置或是正跳變，或是負(fù)跳變。正跳變代表 0，負(fù)跳變代表 1，從而使串行數(shù)據(jù)位流中具有足夠的定位信息，以保持發(fā)送雙方的時間同步。接收方既可根據(jù)跳變的極性來判斷數(shù)據(jù)的 “1”、 “0”狀態(tài)，也可根據(jù)數(shù)據(jù)的中心位置精確定位。 為滿足用戶需要， Honeywell、 Ronan 等公司已開發(fā)出可完成物理層和部分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的專用芯片，許多儀表公司已開發(fā)出符合 FF 協(xié)議的產(chǎn)品， 1 總線已通過ａ測試和 β 測試，完成了由 13 個不同廠商提供設(shè)備而組成的 FF 現(xiàn)場總線工廠試驗(yàn)系統(tǒng)。 2總線標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)形成。 1996 年 10 月，在芝加哥舉行的 ISA96 展覽會上，由現(xiàn)場總線基金會組織實(shí)施，向世界展示了來自 40 多家廠商的 70多種符合 FF 協(xié)議的產(chǎn)品，并將這些分布在不同樓層展覽大廳不同展臺上的 FF展品，用醒目的橙紅色電纜，互連為七段現(xiàn)場總線演示系統(tǒng)，各展臺現(xiàn)場設(shè)備之間可實(shí)地進(jìn)行現(xiàn)場互操作，展現(xiàn)了基金會現(xiàn)場總線的成就與技術(shù)實(shí)力。 LonWorks LonWorks 是又一具有強(qiáng)勁實(shí)力的現(xiàn)場總線技術(shù)，它是由美國 Ecelon 公司推出并由它們與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于 1990 年正式公布而形成的。它采用了 ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡化為參成都紡專電氣 083 方堯畢業(yè)論文 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用研究 數(shù)設(shè)置，其通訊速率從 300bps 至 15Mbps 不等，直接通信距離可達(dá)到 2700m(78kbps，雙絞線 ),支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)相應(yīng)的本安防爆產(chǎn)品，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。 LonWorks 技術(shù)所采用的 LonTalk 協(xié)議被封裝在稱之為 Neuron 的芯片中并得以實(shí)現(xiàn)。集成芯片中有 3 個 8 位 CPU。一個用于完成開放互連模型中第 1～ 2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問的 控制與處理 。第二個用于完成第 3～ 6 層的功能，稱為網(wǎng)絡(luò)處理器，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量處理的尋址、處理、背景診斷、函數(shù)路徑選擇、軟件計(jì)量時、網(wǎng)絡(luò)管理，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信控制、收發(fā)數(shù)據(jù)包等 。第三個是應(yīng)用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區(qū)，以實(shí)現(xiàn) CPU 之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。如 Motorola 公司生產(chǎn)的神經(jīng)元集成芯片 MC143120E2 就包含了 2KRAM 和2KEEPROM。 LonWorks 技術(shù)的不斷推廣促成了神經(jīng)元芯片的低成本 (每片價格約 5～ 9 美元 )，而芯片的低成本又返過來 促進(jìn)了 LonWorks 技術(shù)的推廣應(yīng)用，形成了良好循環(huán)，據(jù) Ecelon 公司的有關(guān)資料，到 1996 年 7 月，已生產(chǎn)出 500 萬片神經(jīng)元芯片。 LonWorks 公司的技術(shù)策略是鼓勵各 OEM 開發(fā)商運(yùn)用 LonWorks 技術(shù)和神經(jīng)元芯片，開發(fā)自己的應(yīng)用產(chǎn)品，據(jù)稱目前已有 2600多家公司在不同程度上卷入了 LonWorks 技術(shù) :1000多家公司已經(jīng)推出了 LonWorks 產(chǎn)品，并進(jìn)一步組織起 LonWark 互操作協(xié)會，開發(fā)推廣LonWorks 技術(shù)與產(chǎn)品。它被廣泛應(yīng)用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、工業(yè)過 程控制等行業(yè)。為了支持 LonWorks 與其它協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)之間的互連與互操作，該公司正在開發(fā)各種網(wǎng)關(guān)，以便將 LonWorks 與以太網(wǎng)、 FF、 Modbus、 DeviceNet、 Profibus、Serplex等互連為系統(tǒng)。 另外，在開發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面， LonWorks 神經(jīng)元芯片也具有獨(dú)特的優(yōu)勢。 LonWorks 技術(shù)已經(jīng)被美國暖通工程師協(xié)會 ASRE 定為建筑自動化協(xié)議 BAC 的一個標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)剛剛收到的消息，美國消費(fèi)電子制造商協(xié)會已經(jīng)通過決議，以 LonWorks 技術(shù)為基礎(chǔ)制定了 EIA709 標(biāo)準(zhǔn)。 這樣， LonWorks 已經(jīng)建立了一套從協(xié)議開發(fā)、芯片設(shè)計(jì)、芯片制造、控制模塊開發(fā)制造、 OEM 控制產(chǎn)品、最終控制產(chǎn)品、分銷、系統(tǒng)集成等一系列完整的開發(fā)、制造、推廣、應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，吸引了數(shù)萬家企業(yè)參與到這項(xiàng)工作中來，這對于一種技術(shù)的推廣、應(yīng)用有很大的促進(jìn)作用。 Profibus Profibus 是作為德國國家標(biāo)準(zhǔn) DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn) prEN50170 的現(xiàn)場總線。 ISO/OSI模型也是它的參考模型。由 ProfibusDp、 ProfibusFMS、 ProfibusPA 組成了 Profibus 系列。DP 型用于分散外設(shè)間的高速傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。 FMS 意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等一般自動化，而 PA 型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從 IEC11582標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用了 OSI 模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，由這兩部分形成了其成都紡專電氣 083 方堯畢業(yè)論文 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用研究 標(biāo)準(zhǔn)第一部分的子集， DP 型隱去了 3～ 7 層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接