【中國(guó)智能制造網(wǎng)  學(xué)術(shù)論文】現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制設(shè)備數(shù)字化通信一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù);是一次工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備通信數(shù)字化革命。計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)發(fā)展,使這種全數(shù)字化、全分散式、全開放可互操作和開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)新一代現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)到長(zhǎng)足發(fā)展。

       1引言 

       現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制設(shè)備數(shù)字化通信一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù);是一次工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備通信數(shù)字化革命。計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)發(fā)展,使這種全數(shù)字化、全分散式、全開放可互操作和開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)新一代現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)到長(zhǎng)足發(fā)展。它與智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相結(jié)合充分體現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)優(yōu)越性。現(xiàn)場(chǎng)總線優(yōu)越性是無(wú)庸置疑,它各個(gè)行業(yè)應(yīng)用也是來(lái)勢(shì)洶涌。我們關(guān)注它發(fā)展動(dòng)態(tài),是很有意義。
　　
　　2現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概念
　　
　　目前,公認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概念描述如下:現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝生產(chǎn)過程區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)自動(dòng)控制裝置/系統(tǒng)之間一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信數(shù)據(jù)總線。其中,“生產(chǎn)過程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類。,現(xiàn)場(chǎng)總線是以單個(gè)分散、數(shù)字化、智能化測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),用總線相連接,實(shí)現(xiàn)相互交換信息,共同完成自動(dòng)控制功能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。
　　
　　3基于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)
　　
　　與傳統(tǒng)模擬儀表控制系統(tǒng)及其它現(xiàn)場(chǎng)總線儀表相比,現(xiàn)場(chǎng)總線及現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)以下幾方面具有極大優(yōu)勢(shì)。
　　
　　3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化,降低系統(tǒng)及工程成本
　　
　　傳統(tǒng)控制系統(tǒng)(如DCS)與模擬儀表間保持著一對(duì)一連接方式,每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表到控制系統(tǒng)都需要使用一對(duì)傳輸線,單向傳輸一個(gè)模擬信號(hào)。
　　
　　這種結(jié)構(gòu),現(xiàn)場(chǎng)需要使用I/O模塊、接線盒、電纜;控制室又要使用大量電纜、端子排。儀表到系統(tǒng)連接環(huán)節(jié)多,導(dǎo)致設(shè)備費(fèi)用高,占用空間大,接線龐雜,安裝費(fèi)用高,工程周期長(zhǎng),維護(hù)困難。
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線儀表與控制系統(tǒng)之間采用是一對(duì)N連接方式,一對(duì)傳輸線可接N臺(tái)設(shè)備,雙向傳輸多個(gè)信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)節(jié)省大量電纜,無(wú)需使用I/O模塊、接線盒和大量端子排,使接線大大簡(jiǎn)化,減少由接線點(diǎn)造成不可靠因素。設(shè)備占用空間小,安裝費(fèi)用低,工程周期短,維護(hù)方便,系統(tǒng)擴(kuò)展容易。
　　
　　3.2真正分散控制
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)將傳統(tǒng)控制系統(tǒng)控制功能分散到現(xiàn)場(chǎng)儀表模塊中,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表就構(gòu)成控制回路,不再如今日過程自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)以DCS為中心,不再依賴于控制室,取消了I/O單元與控制站,實(shí)現(xiàn)徹底分散。現(xiàn)場(chǎng)控制回路中,變送器具有信號(hào)變送、補(bǔ)償?shù)裙δ?還有I/O、PID調(diào)節(jié)和運(yùn)算功能;執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有信號(hào)轉(zhuǎn)換和執(zhí)行功能,還可內(nèi)含輸出特性校驗(yàn)和補(bǔ)償功能,也可以有PID控制和運(yùn)算功能。各種功能都被模塊化做成功能塊,用戶可需要選用功能塊安裝現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表中,控制功能塊可放變送器模塊中,也可以放執(zhí)行器模塊中,或二者均設(shè)置,實(shí)現(xiàn)冗余控制。控制系統(tǒng)仍可對(duì)過程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表和設(shè)備進(jìn)行線組態(tài)、調(diào)校等,同時(shí)還可用控制系統(tǒng)完成一些復(fù)雜控制和管理功能。這樣提高系統(tǒng)可靠性、自治性和靈活性。
　　
　　3.3開放式、互操作性、可維護(hù)性、可集成性
　　
　　不同廠家產(chǎn)品使用同一總線標(biāo)準(zhǔn),就具有互操作性、互換性,設(shè)備具有很好可集成性。系統(tǒng)為開放式,允許其它廠商將自己專長(zhǎng)控制技術(shù),如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去,,市場(chǎng)上將有許多面向行業(yè)特點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。同樣也增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)信息集成能力,現(xiàn)場(chǎng)總線可從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備獲取大量豐富信息,能夠更好滿足工廠自動(dòng)化及CIMS系統(tǒng)信息集成要求。現(xiàn)場(chǎng)總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò),它不單純?nèi)〈?～20mA信號(hào),還可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備線故障診斷、報(bào)警、記錄功能,可完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作,也增強(qiáng)了系統(tǒng)可維護(hù)性。基于現(xiàn)場(chǎng)總線自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù),使自控系統(tǒng)與設(shè)備加入工廠信息網(wǎng)絡(luò),構(gòu)成企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)底層,使企業(yè)信息溝通覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。
　　
　　CIMS系統(tǒng)中,現(xiàn)場(chǎng)總線是工廠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備延伸,是支撐現(xiàn)場(chǎng)級(jí)信息集成技術(shù)基礎(chǔ)。
　　
　　3.4對(duì)環(huán)境高度適應(yīng)性
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線是專為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì),它可以使用雙絞線、同軸電纜、光纜、電力線和無(wú)線方式來(lái)傳送數(shù)據(jù),具有很強(qiáng)抗干擾能力。常用數(shù)據(jù)傳輸線是廉價(jià)雙絞線,并允許現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備利用數(shù)據(jù)通信線進(jìn)行供電,還能滿足本質(zhì)安全防爆要求。
　　
　　3.5規(guī)模可變控制系統(tǒng)和靈活網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　　
　　傳統(tǒng)DCS或PLC分大、中、小規(guī)模和型號(hào),增加設(shè)備時(shí)要增加電纜、I/O接口及接線牌,增加控制器,對(duì)不同系統(tǒng)還要采用不同計(jì)算機(jī)語(yǔ)言等進(jìn)行組態(tài),系統(tǒng)擴(kuò)展給設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)許多不便。
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)采用完全分散式結(jié)構(gòu),系統(tǒng)功能單元模塊化,功能塊內(nèi)嵌于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備和儀表或控制器中,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表作為節(jié)點(diǎn)平等掛接現(xiàn)場(chǎng)總線上,是相對(duì)理想狀態(tài),從幾個(gè)回路到幾百個(gè)回路均可。增加控制回路或單元,只需將設(shè)備掛接到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上,功能強(qiáng)大軟件可幫我們迅速組態(tài)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,并投入運(yùn)行,系統(tǒng)擴(kuò)展十分簡(jiǎn)單,故被稱為規(guī)模可變控制系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)可以復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)情況組成不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如樹型、星型、總線型和層次化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。
　　
　　可以說,開發(fā)性、分散性和低成本是現(xiàn)場(chǎng)總線顯著三大特征。一些特殊行業(yè)、特殊要求下,現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)環(huán)境適應(yīng)性以及采用靈活網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是很有必要。比如危險(xiǎn)區(qū)域,要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備防爆;常規(guī)防爆方法會(huì)限制能量來(lái)避免電磁感應(yīng)產(chǎn)生火花能量。這樣與現(xiàn)場(chǎng)總線主要優(yōu)點(diǎn)就有了抵觸,限制能量(運(yùn)用本安方法),那么,每個(gè)總線分支上允許連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備就會(huì)大大減少。又比如總線采用線狀結(jié)構(gòu),一條總線支路電纜斷了,這個(gè)支路就癱瘓了;采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),斷了一兩條支路,信息還可以其他途徑傳遞,系統(tǒng)功能會(huì)下降,但不會(huì)癱瘓。