現(xiàn)場總線系統(tǒng)的結構和技術特點

    1. 現(xiàn)場總線的歷史和發(fā)展

    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下降，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(chǎn)過程底層的測控自動化系統(tǒng)，采用一對一聯(lián)機，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“信息孤島”。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、造價低廉的通訊系統(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)字通訊，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設備之間以及生產(chǎn)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(qū)動下應運產(chǎn)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(chǎn)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。

    由于標準實質(zhì)上并未統(tǒng)一，所以對現(xiàn)場總線的定義也是各有各的定義。下面給出的是現(xiàn)場總線的兩種有代表性的定義。

    (l) ISA SP50中對現(xiàn)場總線的定義?，F(xiàn)場總線是一種串行的數(shù)字數(shù)據(jù)通訊鏈路，它溝通了過程控制領域的基本控制設備(即場地級設備)之間以及與更高層次自動控制領域的自動化控制設備(即車間級設備)之間的聯(lián)系。

    這里的現(xiàn)場設備指最底層的控制監(jiān)測、執(zhí)行和計算設備，包括傳感器、控制器、智能閥門、微處理器和內(nèi)存等各種類型的儀表產(chǎn)品。

    (2)根據(jù)國際電工委員會 IEC標準和現(xiàn)場總線基金會 FF的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通訊網(wǎng)路?，F(xiàn)場總線的本質(zhì)含義表現(xiàn)在以下6個方面：

    a)現(xiàn)場通訊網(wǎng)路：用于過程以及制造自動化的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表互連的通訊網(wǎng)路。

    b)現(xiàn)場設備互連：現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器和執(zhí)行器等，這些設備通過一對傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等，并可根據(jù)需要因地制宜地選擇不同類型的傳輸介質(zhì)。

    c)互操作性：現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表種類繁多，沒有任何一家制造商可以提供一個工廠所需的全部現(xiàn)場設備，所以，互相連接不同制造商的產(chǎn)品是不可避免的。用戶不希望為選用不同的產(chǎn)品而在硬件或軟件上花很大氣力，而希望選用各制造商性能價格比最優(yōu)的產(chǎn)品，并將其集成在一起，實現(xiàn)“即接即用；用戶希望對不同品牌的現(xiàn)場設備統(tǒng)一組態(tài)，構成他所需要的控制回路。這些就是現(xiàn)場總線設備互操作性的含義?，F(xiàn)場設備互連是基本的要求，只有實現(xiàn)互操作性，用戶才能自由地集成 FCS。

    d)分散功能塊： FCS廢棄了DCS的輸入／輸出單元和控制站,把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構成虛擬控制站。例如，流量變送器不僅具有流量信號變換、補償和累加輸入模塊，而且有PID控制和運算功能塊。調(diào)節(jié)閥的基本功能是信號驅(qū)動和執(zhí)行，還內(nèi)含輸出特性補償模塊，也可以有PlD控制和運算模塊，甚至有閥門特性自檢驗和自診斷功能。由于功能塊分散在多臺現(xiàn)場儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)，供用戶靈活選用各種功能塊，構成所需的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)徹底的分散控制。

    e)通訊線供電：通訊線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通訊線上攝取能量，對于要求本征安全的低功耗現(xiàn)場儀表，可采用這種供電方式。眾所周知，化工、煉油等企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場有可燃性物質(zhì)，所有現(xiàn)場設備都必須嚴格遵循安全防爆標準。現(xiàn)場總線設備也不例外。

    f)開放式互連網(wǎng)絡：現(xiàn)場總線為開放式互連網(wǎng)絡，它既可與同層網(wǎng)絡互連，也可與不同層網(wǎng)絡互連，還可以實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的共享。不同制造商的網(wǎng)絡互連十分簡便，用戶不必在硬件或軟件上花太多氣力。通過網(wǎng)絡對現(xiàn)場設備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，把不同廠商的網(wǎng)絡及設備融為一體，構成統(tǒng)一的FCS。

    2. 現(xiàn)場總線的結構特點 : 現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡結構現(xiàn)場總線網(wǎng)絡結構是按照國際標準化組織（ ISO）制定的開放系統(tǒng)互連（OSI：Open System Interconnection）參考模型建立的。OSI參考模型共分七層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳送層、會話層、表示層和應用層，該標準規(guī)定了每一層的功能以及對上一層所提供的服務。從OSI模式的角度來看，現(xiàn)場總線將上述七層簡化成三層，分別由OSI參考模式的第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層，第七層應用層組成。如圖1-2所示。

圖 1-2 現(xiàn)場總線的結構

    現(xiàn)場總線主要特點是使底層的控制部件、設備更加智能化，把在傳統(tǒng)DCS中的控制功能，下移到現(xiàn)場儀表。在此，現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡通訊起了重要作用。現(xiàn)場總線結構模型現(xiàn)統(tǒng)一為４層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層和用戶層。省略了一般網(wǎng)絡結構的3~6（表達層、會話層、傳遞層和網(wǎng)絡層）.

    現(xiàn)場總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結構形式。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對一的設備聯(lián)機，按控制回路分別進行連接。位于現(xiàn)場的測量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與位于現(xiàn)場的執(zhí)行器、開關、馬達之間均為一對一的物理連接。

    現(xiàn)場總線系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場設備，能夠把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現(xiàn)場設備，加上現(xiàn)場設備具有通訊能力，現(xiàn)場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機構直接傳送信號，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散控制。Devicenet正是目前幾十種現(xiàn)場總線中得到廣泛應用的一種。

    由于采用數(shù)字信號替代模擬信號，因而可實現(xiàn)一對電線上傳輸多個信號(包括多個運行參數(shù)值、多個設備狀態(tài)、故障信息)，同時又為多個設備提供電源；現(xiàn)場設備以外不再需要模擬／數(shù)字、數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換部件。這樣就為簡化系統(tǒng)結構、節(jié)約硬設備、節(jié)約連接電纜與各種安裝、維護費用創(chuàng)造了條件。