现场总线技术及控制系统


摘要：文章介绍了现场总线的概念,回顾了其产生及发展历程，分析了现场总线控制系统相对于集散控制系统的特点和优点。针对当前流行的几种现场总线，简要介绍了各自的技术特色，指出控制系统的开放互连是发展的必然。
关键词：现场总线，集散控制系统，分布式控制，FCS，DCS，开放式互连系统
一、前言
七十年代以前，控制系统中采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递，其精度差、受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都很差。七十年代末，随着大规模集成电路的出现，微处理器技术得到很大发展。微处理器功能强、体积小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系统，控制效果得到提高；但是尽管如此，还是属于集中式控制系统。随着过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展，控制领域又发生了一次技术变革。这次变革使传统的控制系统（如集散控制系统）无论在结构上还是在性能上都发生了巨大的飞跃，这次变革的基础就是现场总线技术的产生。
现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络，它也被称为现场底层设备控制网络（INFRANET）。80年代以来，各种现场总线技术开始出现，人们要求对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。美国仪表协会(ISA)于1984年开始制订现场总线标准，在欧洲有德国的PROFIBUS和法国的FIP等，各种现场总线标准陆续形成。其中主要的有：基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）、控制局域网络CAN（Controller Area Network）、局部操作网络LonWorks（Local Operating Network）、过程现场总线PROFIBUS（Process Field Bus）和HART协议(Highway Addressable Remote Transducer)等。但是，总线标准的制定工作并非一帆风顺，由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，致使现场总线的国际化标准工作进展缓慢。但是不论如何，制定单一的开放国际现场总线标准是发展的必然。
二、当前流行的几类现场总线
1、基金会现场总线FF
基金会现场总线FF是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的一种技术。其前身是以美国Fisher－Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地150家公司制定的World
FIP协议。这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。
基金会现场总线分为H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25Kbps，通信距离可达1.9km，可支持总线供电和本质安全防暴环境。H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，通信距离为750m和500m。物理传输介质可为双绞线、光缆和无线，其传输信号采用曼切斯特编码。基金会现场总线以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。FF总线包括FF通信协议、ISO模型中的2～7层通信协议的通栈、用于描述设备特性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换的应用功能块，实现系统组态管理功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。
2、CAN总线
CAN总线最早是由德国Bosch公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，并且广泛应用于离散控制领域。它也是基于OSI模型，但进行了优化，采用了其中的物理层、数据链路层、应用层，提高了实时性。其节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广播模式通信。各节点可随时发送消息。传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关。CAN总线采用短消息报文，每一帧有效字节数为8个；当节点出错时，可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高。
3、LonWorks总线
LonWorks技术是美国ECHELON公司开发，并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场总线技术。它采用了OSI参考模型全部的七层协议结构。LonWorks技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片实现完整的
LonWorks的LonTalk通信协议。其上集成有三个8位CPU。一个CPU完成OSI模型第一和第二层的功能，称为介质访问处理器。一个CPU是应用处理器，运行操作系统与用户代码。还有一个CPU为网络处理器，作为前两者的中介，它进行网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理等。由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。LonWorks支持多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活，其IS－78本安物理通道使得它可以应用于危险区域。LonWorks应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。
4、PROFIBUS总线
PROFIBUS是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50179的现场总线，包括PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA三部分。它也只采用了OSI模型的物理层、数据链路层、应用层。PROFIBUS支持主从方式、纯主方式、多主多从通信方式。主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权的主站，可向从站发送、获取信息。PROFIBUS－DP用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域。FMS型适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而PA型则是用于过程自动化的总线类型。
5、HART总线
HART协议是由Rosemount公司于1986年提出的通信协议。它是用于现场智能仪表和控制室设备间通信的一种协议。它包括ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。HART通信可以有点对点或多点连接模式。这种协议是可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强市场竞争力，在智能仪表市场上占有很大的份额。
三、现场总线控制系统（FCS）的结构与特点
1、结构
随着现场总线技术的出现和成熟，促使了控制系统由集散控制系统（DCS）向现场总线控制系统（FCS）的过渡。在一般的FCS系统中，遵循一定现场总线协议的现场仪表可以组成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各个现场仪表中。从而减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于执行复杂的高层次的控制算法。对于简单的控制应用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器，操作站直接与现场仪表相连，构成分布式控制系统。
2、特点
分布式的FCS系统比DCS系统更好地体现了“信息集中，控制分散"的思想。与传统的DCS相比，FCS有其自身的特点。FCS系统具有高度的分散性，它可以由现场设备组成自治的控制回路。现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性，可完成控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行情况。另外，FCS的结构比DCS简化。有的FCS系统省略了DCS中控制站这一层，操作站直接与现场仪表相连。这些使FCS的可靠性得到提高。
现场总线系统具有开放性。系统对相关标准具有一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换，通过现场总线可构筑自动化领域的开放互连系统。系统的开放性决定了它具有互操作性和互用性。互操作性指互连设备间、系统间信息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。作为工厂网络底层的现场总线还对现场环境有较强地适应性。它支持双绞线、同轴电缆、光缆、无线和电力线等，具有较强的抗干扰能力。
由于结构上的改变，FCS比DCS更节约硬件设备。使用FCS可以减少大量的隔离器、端子柜、I/O卡及I/O端口，这样就节省了I/O装置及装置室的空间；同时减少了大量电缆，可以极大地节省安装费用。与此同时，FCS比DCS性能有所提高。由于免去了D/A与A/D变换，使仪表精度得到极大的提高；通过将PID功能植入到相应的智能传感器中去，使控制周期大为缩短。目前FCS可以从DCS的每秒调节2～5次增加到每秒调节10～20次，改善了调节性能。FCS控制系统与DCS控制系统结构比较见图1。
3、现场总线的优点
由于现场总线的以上特点，特别是其系统结构的简化，使其从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。它不仅节省了硬件数量与投资，节省了安装费用，而且系统的维护开销也大大地降低。现场总线控制系统不仅精确度与可靠性高，在方便使用和维护性方面，FCS也比DCS有优势。FCS使用统一的组态方式，安装、运行、维修简便；利用智能化现场仪表，使维修预报（Predicted maintenance）成为可能；由于系统具有互操作性和互用性，用户可以自由选择不同品牌的设备达到最佳的系统集成，在设备出现故障时，可以自由选择替换的设备，保障用户的高度系统集成主动权。此外，它还具有设计简单，易于重构等特点。
四、发展趋向
传统的集散控制系统（DCS系统）具有集中监控、分散控制、操作方便的特点。但是，在实际应用中也发现DCS的结构存在一些不足之处，如控制不能做到彻底分散，危险仍然相对集中；由于系统的不开放性，不同厂家的产品不能互换、互联，限制了用户的选择范围。利用现场总线技术，开发FCS系统的目标是针对现存的DCS的某些不足，改进控制系统的结构，提高其性能和通用性。
FCS想要在实际中取代DCS，既要具备DCS所具有的功能，又要能克服DCS的缺点。FCS由于采用了现场总线技术，在开放性、控制分散等方面优于传统DCS。但是由于它是一种新技术，目前连标准本身都还没有制定统一，因此FCS与成熟的DCS相比，还存在下列的一些欠缺。
（1）由于现场总线标准本身尚在发展中，从而给产品的开发和测试带来难度。这在一定程度上造成产品开发商、生产商少，产品品种单一而且价格昂贵。
（2）在某些场合中，FCS还无法提供DCS已有的控制功能。由于软硬件水平的限制，其功能块的功能还不是很强，品种也不够齐全；用现场仪表还只能组成一般的控制回路如单回路、串级、比例控制等，对于复杂的、先进的控制算法还无法在仪表中实现，对于单回路内有多输入、多输出的情况缺乏好的解决方案。
（3）目前FCS成功的应用实例不多，难以评估实际应用效果。由于以上这些原因，FCS取代DCS将是一个逐渐的过程。在这一过程中，会出现一些过渡型的系统结构，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系统。用户将现场总线设备连接到独立的现场总线网络服务器，服务器配有DCS中连接操作站的上层网络接口，与操作站直接通信。在DCS的软件系统中可增添相应的通信与管理软件。这样不需要对原有控制系统作结构上的重大变动。
五、结束语
当前，各种形式的现场总线协议并存于控制领域。在楼宇自控领域，Lonworks和CAN网络具有一定的优势；在过程自动化领域，主要有过渡型的HART协议、得到广泛支持的FF现场总线协议以及同样较有竞争力的PROFIBUS协议。HART协议将是目前几年内智能化仪表的主要通信协议；基金会现场总线是过程自动化领域中较有前途的一种现场总线，得到许多自动化仪表设备厂商的支持；由于Lonworks技术的开放性，国内出现了利用它开发控制系统的许多开发商。考虑到统一的开放式现场总线协议标准制定的长期性和艰巨性，传统DCS的退出将是一个渐进过程。在一段时期内，会出现几种现场总线共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。但是，发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放式互连系统，是大势所趋。