一文讀懂現(xiàn)場總線技術(shù)特點及優(yōu)點

在過程控制領(lǐng)域中，從20世紀50年代至今一直都在使用著一種信號標(biāo)準，那就是4~20mA的模擬信號標(biāo)準。20世紀70年代，數(shù)字式計算機引入到測控系統(tǒng)中，而此時的計算機提供的是集中式控制處理。20世紀80年代微處理器在控制領(lǐng)域得到應(yīng)用，微處理器被嵌入到各種儀器設(shè)備中，形成了分布式控制系統(tǒng)。在分布式控制系統(tǒng)中，各微處理器被指定一組特定任務(wù)，通信則由一個帶有附屬“網(wǎng)關(guān)”的專有網(wǎng)絡(luò)提供，網(wǎng)關(guān)的程序大部分是由用戶編寫的。

隨著微處理器的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了以IC代替常規(guī)電子線路，以微處理器為核心，實施信息采集、顯示、處理、傳輸及優(yōu)化控制等功能的智能設(shè)備。一些具有專家輔助推斷分析與決策能力的數(shù)字式智能化儀表產(chǎn)品，其本身具備了諸如自動量程轉(zhuǎn)換、自動調(diào)零、自校正、自診斷等功能，還能提供故障診斷、歷史信息報告、狀態(tài)報告、趨勢圖等功能。通信技術(shù)的發(fā)展，促使傳送數(shù)字化信息的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始廣泛應(yīng)用。與此同時，基于質(zhì)量分析的維護管理、與安全相關(guān)系統(tǒng)的測試的記錄、環(huán)境監(jiān)視需求的增加，都要求儀表能在當(dāng)?shù)靥幚硇畔?，并在必要時允許被管理和訪問，這些也使現(xiàn)場儀表與上級控制系統(tǒng)的通信量大增。另外，從實際應(yīng)用的角度，控制界也不斷在控制精度、可操作性、可維護性、可移植性等方面提出新需求。由此，導(dǎo)致了現(xiàn)場總線的產(chǎn)生。

現(xiàn)場總線就是用于現(xiàn)場智能化裝置與控制室自動化系統(tǒng)之間的一個標(biāo)準化的數(shù)字式通信鏈路，可進行全數(shù)字化、雙向、多站總線式的信息數(shù)字通信，實現(xiàn)相互操作以及數(shù)據(jù)共享。現(xiàn)場總線的主要目的是用于控制、報警和事件報告等工作?，F(xiàn)場總線通信協(xié)議的基本要求是響應(yīng)速度和操作的可預(yù)測性的最優(yōu)化。現(xiàn)場總線是一個低層次的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在其之上還允許有上級的監(jiān)控和管理網(wǎng)絡(luò)，負責(zé)文件傳送等工作?，F(xiàn)場總線為引入智能現(xiàn)場儀表提供了一個開放平臺，基于現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)（FCS），將是繼DCS后的又一代控制系統(tǒng)。

01現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)特點

現(xiàn)場總線打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。

傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對一的設(shè)備連線，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(guān)、馬達之間均為一對一的物理連接。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場設(shè)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(shè)備，加上現(xiàn)場設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機構(gòu)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?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)（如DCS）結(jié)構(gòu)對比如下圖所示。

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，如運行參數(shù)值、多個設(shè)備狀態(tài)、故障信息等，同時又為多個設(shè)備提供電源，現(xiàn)場設(shè)備以外不再需要模擬/數(shù)字、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器件。這樣就為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬件設(shè)備、節(jié)約連接電纜與各種安裝、維護費用創(chuàng)造了條件。下表為FCS與DCS的詳細對比。

02現(xiàn)場總線的技術(shù)特點

（1）系統(tǒng)的開放性

開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換，現(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對相關(guān)標(biāo)準的一致性、公開性，強調(diào)對標(biāo)準的共識與遵從。一個開放系統(tǒng)，它可以與任何遵守相同標(biāo)準的其他設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開放的，開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶，用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。

（2）互可操作性與互用性

這里的互可操作性，是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進行互換而實現(xiàn)互用。

（3）現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性

它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。

（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性

由于現(xiàn)場設(shè)備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

（5）對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性

工作在現(xiàn)場設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。

03、現(xiàn)場總線的優(yōu)點

由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。

（1）節(jié)省硬件數(shù)量與投資

由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設(shè)備的減少，還可減少控制室的占地面積。

（2）節(jié)省安裝費用

現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計與接頭校對的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時，無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗工程的測算資料，可節(jié)約安裝費用60%以上。

（3）節(jié)約維護開銷

由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通信將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護停工時間，同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、連線簡單而減少了維護工作量。

（4）用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)

用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品被“框死”了設(shè)備的選擇范圍，不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過程中的主動權(quán)完全掌握在用戶手中。

（5）提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性

由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強；減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

此外，由于它的設(shè)備標(biāo)準化和功能模塊化，因而還具有設(shè)計簡單，易于重構(gòu)等優(yōu)點。

▊《現(xiàn)場總線及其應(yīng)用技術(shù) 第3版》

李正軍 李瀟然 編著

本書從科研、教學(xué)和工程應(yīng)用出發(fā)，理論聯(lián)系實際，全面、系統(tǒng)地介紹了現(xiàn)場總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計，力求所講內(nèi)容具有較強的可移植性、先進性、系統(tǒng)性、應(yīng)用性、資料開放性，起到舉一反三的作用。全書共分9章，主要內(nèi)容包括：現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)概述、CAN現(xiàn)場總線與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、CAN FD現(xiàn)場總線與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線、基金會現(xiàn)場總線、CC-Link現(xiàn)場總線與開發(fā)應(yīng)用、DeviceNet現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)，以及基于現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)的新型DCS的設(shè)計。全書內(nèi)容豐富，體系先進，結(jié)構(gòu)合理，理論與實踐相結(jié)合，尤其注重工程應(yīng)用技術(shù)。本書是在作者教學(xué)與科研實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)30多年的發(fā)展歷程編寫而成的，書中詳細地介紹了作者在現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的最新科研成果，給出了大量的應(yīng)用設(shè)計實例。適合從事現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計的工程技術(shù)人員作為參考書，同時也可作為高等院校各類自動化、機器人、自動檢測、機電一體化、人工智能、電子與電氣工程、計算機應(yīng)用、信息工程等專業(yè)的本科及研究生教材。

撰稿人：張璐? ?責(zé)任編輯：李馨馨? ? 審核人：時靜