【中國智能制造網(wǎng)  學術論文】現(xiàn)場總線(Fieldbus)技術是實現(xiàn)現(xiàn)場級控制設備數(shù)字化通信一種工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡通信技術;是一次工業(yè)現(xiàn)場級設備通信數(shù)字化革命。計算機技術、通信技術、控制技術發(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)絡新一代現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)到長足發(fā)展。

       1引言 

       現(xiàn)場總線(Fieldbus)技術是實現(xiàn)現(xiàn)場級控制設備數(shù)字化通信一種工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡通信技術;是一次工業(yè)現(xiàn)場級設備通信數(shù)字化革命。計算機技術、通信技術、控制技術發(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)絡新一代現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)到長足發(fā)展。它與智能化現(xiàn)場設備相結(jié)合充分體現(xiàn)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)優(yōu)越性。現(xiàn)場總線優(yōu)越性是無庸置疑,它各個行業(yè)應用也是來勢洶涌。我們關注它發(fā)展動態(tài),是很有意義。
　　
　　2現(xiàn)場總線技術概念
　　
　　目前,公認現(xiàn)場總線技術概念描述如下:現(xiàn)場總線是安裝生產(chǎn)過程區(qū)域現(xiàn)場設備/儀表與控制室內(nèi)自動控制裝置/系統(tǒng)之間一種串行、數(shù)字式、多點通信數(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)場總線是以單個分散、數(shù)字化、智能化測量和控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點,用總線相連接,實現(xiàn)相互交換信息,共同完成自動控制功能網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。
　　
　　3基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)主要特點
　　
　　與傳統(tǒng)模擬儀表控制系統(tǒng)及其它現(xiàn)場總線儀表相比,現(xiàn)場總線及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)以下幾方面具有極大優(yōu)勢。
　　
　　3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡化,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一連接方式,每個現(xiàn)場儀表到控制系統(tǒng)都需要使用一對傳輸線,單向傳輸一個模擬信號。
　　
　　這種結(jié)構(gòu),現(xiàn)場需要使用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,導致設備費用高,占用空間大,接線龐雜,安裝費用高,工程周期長,維護困難。
　　
　　現(xiàn)場總線儀表與控制系統(tǒng)之間采用是一對N連接方式,一對傳輸線可接N臺設備,雙向傳輸多個信號。這種結(jié)構(gòu)節(jié)省大量電纜,無需使用I/O模塊、接線盒和大量端子排,使接線大大簡化,減少由接線點造成不可靠因素。設備占用空間小,安裝費用低,工程周期短,維護方便,系統(tǒng)擴展容易。
　　
　　3.2真正分散控制
　　
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將傳統(tǒng)控制系統(tǒng)控制功能分散到現(xiàn)場儀表模塊中,現(xiàn)場設備和儀表就構(gòu)成控制回路,不再如今日過程自動控制結(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,實現(xiàn)徹底分散?，F(xiàn)場控制回路中,變送器具有信號變送、補償?shù)裙δ?還有I/O、PID調(diào)節(jié)和運算功能;執(zhí)行機構(gòu)具有信號轉(zhuǎn)換和執(zhí)行功能,還可內(nèi)含輸出特性校驗和補償功能,也可以有PID控制和運算功能。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)場設備和儀表中,控制功能塊可放變送器模塊中,也可以放執(zhí)行器模塊中,或二者均設置,實現(xiàn)冗余控制。控制系統(tǒng)仍可對過程進行遠程監(jiān)控,對現(xiàn)場儀表和設備進行線組態(tài)、調(diào)校等,同時還可用控制系統(tǒng)完成一些復雜控制和管理功能。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、可維護性、可集成性
　　
　　不同廠家產(chǎn)品使用同一總線標準,就具有互操作性、互換性,設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控制技術,如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去,,市場上將有許多面向行業(yè)特點監(jiān)控系統(tǒng)。同樣也增強了現(xiàn)場級信息集成能力,現(xiàn)場總線可從現(xiàn)場設備獲取大量豐富信息,能夠更好滿足工廠自動化及CIMS系統(tǒng)信息集成要求?，F(xiàn)場總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡,它不單純?nèi)〈?～20mA信號,還可實現(xiàn)現(xiàn)場級設備線故障診斷、報警、記錄功能,可完成現(xiàn)場設備遠程參數(shù)設定、修改等參數(shù)化工作,也增強了系統(tǒng)可維護性?；诂F(xiàn)場總線自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用計算機數(shù)字化通信技術,使自控系統(tǒng)與設備加入工廠信息網(wǎng)絡,構(gòu)成企業(yè)信息網(wǎng)絡底層,使企業(yè)信息溝通覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。
　　
　　CIMS系統(tǒng)中,現(xiàn)場總線是工廠計算機網(wǎng)絡到現(xiàn)場級設備延伸,是支撐現(xiàn)場級信息集成技術基礎。
　　
　　3.4對環(huán)境高度適應性
　　
　　現(xiàn)場總線是專為工業(yè)現(xiàn)場設計,它可以使用雙絞線、同軸電纜、光纜、電力線和無線方式來傳送數(shù)據(jù),具有很強抗干擾能力。常用數(shù)據(jù)傳輸線是廉價雙絞線,并允許現(xiàn)場設備利用數(shù)據(jù)通信線進行供電,還能滿足本質(zhì)安全防爆要求。
　　
　　3.5規(guī)?？勺兛刂葡到y(tǒng)和靈活網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)
　　
　　傳統(tǒng)DCS或PLC分大、中、小規(guī)模和型號,增加設備時要增加電纜、I/O接口及接線牌,增加控制器,對不同系統(tǒng)還要采用不同計算機語言等進行組態(tài),系統(tǒng)擴展給設計和施工帶來許多不便。
　　
　　現(xiàn)場總線控制系統(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)場總線設備和儀表或控制器中,現(xiàn)場設備和儀表作為節(jié)點平等掛接現(xiàn)場總線上,是相對理想狀態(tài),從幾個回路到幾百個回路均可。增加控制回路或單元,只需將設備掛接到網(wǎng)絡節(jié)點上,功能強大軟件可幫我們迅速組態(tài)現(xiàn)場設備,并投入運行,系統(tǒng)擴展十分簡單,故被稱為規(guī)模可變控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)可以復雜現(xiàn)場情況組成不同網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu),如樹型、星型、總線型和層次化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)等。
　　
　　可以說,開發(fā)性、分散性和低成本是現(xiàn)場總線顯著三大特征。一些特殊行業(yè)、特殊要求下,現(xiàn)場總線對環(huán)境適應性以及采用靈活網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是很有必要。比如危險區(qū)域,要求現(xiàn)場設備防爆;常規(guī)防爆方法會限制能量來避免電磁感應產(chǎn)生火花能量。這樣與現(xiàn)場總線主要優(yōu)點就有了抵觸,限制能量(運用本安方法),那么,每個總線分支上允許連接現(xiàn)場設備就會大大減少。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)功能會下降,但不會癱瘓。