分布控制系統(tǒng)(DCS)的更新?lián)Q代產(chǎn)品現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)01系統(tǒng)定義國際標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)特征FF總線目錄030204基本信息現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem,FCS）是分布控制系統(tǒng)(DCS)的更新?lián)Q代產(chǎn)品，并且已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)過程自動化領(lǐng)域中一個新的熱點(diǎn)?，F(xiàn)場總線技術(shù)是20世紀(jì)90年代興起的一種先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)，它將現(xiàn)今絡(luò)通信與管理的觀念引入工業(yè)控制領(lǐng)域。從本質(zhì)上說，它是一種數(shù)字通信協(xié)議，是連按智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、全分散、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信絡(luò)。它是控制技術(shù)、儀表工業(yè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)絡(luò)技術(shù)三者的結(jié)合，具有現(xiàn)場通信絡(luò)、現(xiàn)場設(shè)備互連、互操作性、分散的功能塊、通信線供電和開放式互連絡(luò)等技術(shù)特點(diǎn)。這些特點(diǎn)不僅保證了它完全可以適應(yīng)工業(yè)界對數(shù)字通信和自動控制的需求，而且使它與Internet互連構(gòu)成不同層次的復(fù)雜絡(luò)成為可能，代表了今后工業(yè)控制體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的一種方向。系統(tǒng)定義系統(tǒng)定義現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的定義現(xiàn)場總線是順應(yīng)智能現(xiàn)場儀表而發(fā)展起來的一種開放型的數(shù)字通信技術(shù)，其發(fā)展的初衷是用數(shù)字通信代替一對一的I/O連接方式，把數(shù)字通信絡(luò)延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場。根據(jù)IEC和美國儀表協(xié)會ISA的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信絡(luò)，它的關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通信。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)與智能儀表管控一體化(儀表調(diào)校、控制組態(tài)、診斷、報(bào)警、記錄)的發(fā)展，這種開放型的工廠底層控制絡(luò)構(gòu)造了新一代的絡(luò)集成式全分布計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(簡稱FCS)。FCS作為新一代控制系統(tǒng)，采用了基于開放式、標(biāo)準(zhǔn)化的通信技術(shù)，突破了DCS采用專用通信絡(luò)的局限；同時還進(jìn)一步變革了DCS中“集散”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，形成了全分布式系統(tǒng)架構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。簡而言之，現(xiàn)場總線是把控制系統(tǒng)最基礎(chǔ)的現(xiàn)場設(shè)備變成絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接起來，實(shí)現(xiàn)自下而上的全數(shù)字化通信，可以認(rèn)為是通信總線在現(xiàn)場設(shè)備中的延伸，把企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍延伸到了工業(yè)現(xiàn)場。技術(shù)特征技術(shù)特征傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場儀表和控制器之間均采用一對一的物理連接。這種傳輸方式一方面要給現(xiàn)場安裝、調(diào)試及維護(hù)帶來困難，另一方面難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場儀表的在線參數(shù)整定和故障診斷，無法實(shí)時掌握現(xiàn)場儀表的實(shí)際情況，使得處于最底層的模擬變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。如圖4.1，現(xiàn)場總線采用數(shù)字信號傳輸，允許在一條通信線纜上掛接多個現(xiàn)場設(shè)備，而不再需要A/D、D/A等I/O組件。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時，現(xiàn)場儀表可就近連接在原有的通信線上，無需增設(shè)其它任何組件。從結(jié)構(gòu)上看，DCS實(shí)際上是“半分散”、“半數(shù)字”的系統(tǒng)，而FCS采用的是一個“全分散”、“全數(shù)字”的系統(tǒng)架構(gòu)。FCS的技術(shù)特征可以歸納為以下幾個方面：①全數(shù)字化通信――現(xiàn)場信號都保持著數(shù)字特性，現(xiàn)場控制設(shè)備采用全數(shù)字化通信。②開放型的互聯(lián)絡(luò)――可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。③互可操作性與互用性――互操作性的含義是指來自不同制造廠的現(xiàn)場設(shè)備可以互相通信、統(tǒng)一組態(tài)；而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互用。④現(xiàn)場設(shè)備的智能化――總線儀表除了能實(shí)現(xiàn)基本功能之外，往往還具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)分析及故障自診斷功能，系統(tǒng)可以隨時診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。⑤系統(tǒng)架構(gòu)的高度分散性――它可以把傳統(tǒng)控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，構(gòu)成一種全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。國際標(biāo)準(zhǔn)化國際標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了十多年的紛爭，1999年8月形成了一個由8個類型組成的IEC現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，分別是：TS、ControlNet、PROFIBUS、P－Net、FF－HSE、SwiftNet、WorldFIP和Interbus。IEC國際標(biāo)準(zhǔn)只是一種模式，它不改變各組織專有的行規(guī)，各種類型都是平等的，其中Type2～Type8需要對Type1提供接口，而標(biāo)準(zhǔn)本身不要求Type2～Type8之間提供接口，目的就是為了保護(hù)各自的利益。2001年8月制定出由10種類型現(xiàn)場總線組成的第三版現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，在原來8種現(xiàn)場總線基礎(chǔ)上增加FFH1和PROFInet。歸納起來，P－Net和SwiftNe是用于有限領(lǐng)域的專用現(xiàn)場總線，ControlNet、PROFIBUS、WorldFIP和Interbus是由PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)發(fā)展起來的現(xiàn)場總線，F(xiàn)FH1和HSE是由傳統(tǒng)DCS發(fā)展起來的現(xiàn)場總線，總線功能較為復(fù)雜和全面，它們是IEC推薦的國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。在樓宇自控領(lǐng)域，Lonworks和CAN總線具有一定的優(yōu)勢；在過程自動化領(lǐng)域，過渡型的HART協(xié)議也將是近期內(nèi)智能化儀表主要的過渡通信協(xié)議。相比較而言，F(xiàn)F和PROFIBUS是過程自動化領(lǐng)域中最具競爭力的現(xiàn)場總線，它們得到了眾多著名自動化儀表設(shè)備廠商的支持，也具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。FF總線FF總線基金會現(xiàn)場總線按照基金會總線組織的定義，F(xiàn)F總線是一種全數(shù)字、串行、雙向傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，是一種能連接現(xiàn)場各種現(xiàn)場儀表的信號傳輸系統(tǒng)，其最根本的特點(diǎn)是專門針對工業(yè)過程自動化而開發(fā)的，在滿足要求苛刻的使用環(huán)境、本質(zhì)安全、總線供電等方面都有完善的措施。為此，有人稱FF總線為專門為過程控制設(shè)計(jì)的現(xiàn)場總線。在FF協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中，F(xiàn)F分為低速H1總線和高速H2總線。H1主要針對過程自動化，傳輸速率31.25Kbps，傳輸距離可達(dá)1900m（可采用中繼器延長），支持總線供電和本質(zhì)安全防爆。高速總線協(xié)議H2主要用于制造自動化，傳輸速率分為1Mbps和2.5Mbps兩種。但原來規(guī)劃的H2高速總線標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被現(xiàn)場總線基金會所放棄，取而代之的是基于以太的高速總線HSE。FF總線的通信模型為了實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的開放性，F(xiàn)F通信模型參考了OSI模型，如圖4.2。H1總線的通信模型包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，并在其上增加了用戶層。物理層采用了IEC-2的協(xié)議規(guī)范；數(shù)據(jù)鏈路層DLL規(guī)定如何在設(shè)備間共享絡(luò)和調(diào)度通信