现场总线技术及其控制系统纵横谈

摘要：本文简述了现场总线的定义、产生的背景、技术特点、标准及其与局域网的区别。当前国内流行的几种现场总线概述，以及选用现场总线的策略。 关键词：现场总线；ＰＬＣ；ＤＣＳ；ＰＲＯＦＩＢＵＳ；局域网 引言 现场总线在控制领域崭露头角不过是最近几年，然而其来势凶涌，且有愈演愈烈之趋势。那么，究竟什么是现场总线？什么是现场总线控制系统？现场总线控制系统较之目前在工控界仍占主导地位的集散控制系统（ＤＣＳ）有何特点和优点？面对目前４０多种现场总线，应选用哪一种？本文将围绕以上问题展开论述，从控制系统的发展历程角度探讨现场总线的成因；阐述现场总线的概念、体系结构和特点给出现场总线的发展现状；提出面对现场总线百家争鸣的现状应采取的对策。 １ 现场总线的产生 ７０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。７０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（ＩＮＴＲＡＮＥＴ）。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。 ２ 现场总线的定义及其标准 权威组织国际电工委员会ＩＥＣ对现场总线的定义是：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通讯的数据总线。而什么叫现场总线控制系统（ＦＣＳ－ｆｉｌｅｄｂｕｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ）ＩＥＣ并没有做出明确解释。所以，许多文章与资料中经常是把“现场总线”和 “现场总线控制系统”混为一谈。可能是现场总线的标准太多的缘故吧。现场总线控制系统的构成是以某一标准现场总线为基础的。一旦现场总线标准确定，其对应的控制系统的结构体系也就确定了。虽然，ＩＥＣ在２０００年１月４日宣布现场总线国际标准（ＩＥＣ－６１１８５）以８６％赞成，１２％反对获得通过。但ＩＥＣ－６１１８５仍然是一个“求大同存小异”的妥协方案。其把应用层的功能（算法）模块特长与行业应用潜能的自由竞争天地留给各ＦＣＳ制造厂商。ＩＥＣ－６１１８５包括了８个子集：ＦＦ－ＨＳＥ、ＦＦ－Ｈ１、ＰＲＯＦＩＢＵＳ、Ｐ－ＮＥＴ、ＣＯＮＴＲＯＬ－ＮＥＴ、ＳＷＩＦＴ－ＮＥＴ。 ３ 现场总线技术的特点 （ｌ）数字化通信取代４～２０ｍＡ模拟信号传统技术，现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个Ｉ／Ｏ点对设备的一个测控点）所谓Ｉ／Ｏ接线方式，信号传递４～２０ｍＡ（传送模拟量信息）或２４ＶＤＣ（传送开关量信息）信号。应用现场总线技术可用一条通信电缆将控制器与现场设备（智能化、带有通信接口）连接，使用数字化通信完成底层设备通信及控制要求。 （２）现场设备智能化应用现场总线技术，要求现场设备（传感器、驱动器、执行机构等设备）是带有串行通信接口的智能化（可编程或可参数化）设备。因此，现场总线技术以计算机大规模集成电路的发展为基础。 （３）集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体，现场总线采用计算机数字化通信技术连接智能化现场设备，因此，控制器可从现场设备获取大量丰富信息，可实现设备状态、故障、参数信息传送，可完成设备远程控制、参数化及故障诊断工作。 （４）现场总线是计算机网络通信向现场级的延伸，传统的现场层设备与控制器之间的通信采用一对一连线的方式，传输４～２０ｍＡ／２４ＶＤＣ信号。这种通信技术信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的“信息孤岛”，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。现场总线技术采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。 （５）现场总线技术是实现工厂底层信息集成的关键技术。要成功的实施ＣＩＭＳ，各层次的信息集成及支撑技术——计算机网络问题就必须得到解决。现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。 总之，现场总线是３Ｃ技术（计算机、通讯、控制）的融合。其技术的特点是：信号输出全数字、控制功能全分散、标准统一全开发。 ４ 现场总线与局域网的区别 （１）按功能比较，现场总线连接自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备，网线上传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传输速率低，但实时性高。简而言之，现场总线是一种实时控制网络。局域网用于连接局域区域的各台计算机，网线上传输的是大批量的数字信息，如文本、声音、图像等，传输速率高，但不要求实时性。从这个意义而言，局域网是一种高速信息网络。 （２）按实现方式比较，现场总线可采用各种通讯介质，如双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等，实现成本低。局域网需要专用电缆，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。 ５ 现场总线系统ＦＣＳ与集散控制系统ＤＣＳ的比较 ＦＣＳ是在ＤＣＳ的基础上发展起来的，ＦＣＳ顺应了自动控制系统的发展潮流，它必将替代ＤＣＳ。这已是业内人士的基本共识。然而，任何新事物的发生、发展都是在对旧事物的扬弃中进行的，ＦＣＳ与ＤＣＳ的关系必然也不例外。ＦＣＳ代表潮流与发展方向，而ＤＣＳ则代表传统与成熟，也是独具优势的事物。特别是现阶段， ＦＣＳ尚没有统一的国际标准而呈群雄逐鹿之势，ＤＣＳ则以其成熟的发展，完备的功能及广泛的应用而占据着一个尚不可完全替代的地位。笔者认为：现场总线控制系统ＦＣＳ应该与集散式控制系统ＤＣＳ相互兼容。首先以工程成本与效益看，现场总线的根本优势是良好的互操作性；结构简单，从而布线费用低；控制功能分散，灵活可靠，以及现场信息丰富。然而这些优势是建立在ＦＣＳ系统初装的前提下，倘若企业建立有完善的ＤＣＳ，现在要向ＦＣＳ过渡，则必须仔细考虑现有投资对已有投资的回报率。充分利用已有的ＤＣＳ设施，现有ＤＣＳ 的布线以及成熟的ＤＣＳ控制管理方式来实现ＦＣＳ是我们应选之途。虽然现场总线对已有的数字现场协议有优势可言，但向其过渡的代价与风险是必须分析清楚的。再者，从技术的继承及控制手段上，也要求ＦＣＳ与ＤＣＳ应相兼容。ＦＣＳ实现控制功能下移至现场层，使ＤＣＳ的多层网络被扁平化，各个现场设备节点的独立功能得以加强，因此，在ＦＣＳ中有必要增加和完善现场子层设备间的数据通讯功能。由于历史的原因，ＤＣＳ通常拥有大型控制柜用以协调各个设备，同时更强调层与层的数据传输。可见，两种控制在策略上各具优势。ＤＣＳ适用于较慢的数据传输速率；ＦＣＳ则更适用于较快的数据传输速率，以及更灵活的处理数据。然而，当数据量超过一定值过于偏大时，如果同层的设备过于独立，则很容易导致数据网络的堵塞。要解决这个问题，拟设立一个适当的监控层用以协调相互通讯的设备，必然是有益的，ＤＣＳ就能轻松地胜任这一工作。可见，为使ＦＣＳ的控制方式和手段完善化，是有必要借鉴ＤＣＳ的一些控制思想的。 要把握新世纪工业过程控制的发展趋势，无论在学术研究或是工程应用方面都有必要使ＦＣＳ综合与继承ＤＣＳ的成熟控制策略；与此同时，ＤＣＳ的发展也应追寻ＦＣＳ控制策略的新思想，使其具有新的生命力。ＤＣＳ应能动地将底层控制权交付给ＦＣＳ系统，将较高层的系统协调管理功能发扬光大，完成对新时代，新形势的工业控制系统的智能设备集成。 ６ 当前流行的几类现场总线 （1）基金会现场总线ＦＦ：基金会总线（ＦＦ，Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）是在过程自动化领域得到广泛支持和具有专有良好发展前景的技术。其前身是以美国Ｆｉｓｈｅｒ－Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ公司为首，联合Ｆｏｘｂｏｒｏ、横河、ＡＢＢ、西门子等８０家公司制订的ＩＳＰ协议和以Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司为首，联合欧洲等地的１５０家公司制订的Ｗｏｒｌｄ ＦＩＰ协议。屈于用户的压力，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。它以ＩＳＯ／ＯＳＩ开放系统层上增加了用户层。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