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本文介紹了現場總線的概念，說明了現場控制系統FCS作為新一代網絡集成式全分布控制系統的特點及其較集散控制系統DCS的優(yōu)勢，并介紹了如何實現DCS與 FCS的網絡集成問題。
關鍵字：現場總線 現場控制系統 網絡集成

　　前言 

　　隨著控制、計算機、通信、網絡等技術的發(fā)展信息交換溝通的領域正在迅速覆蓋從工廠的現場設備到控制、管理的各個層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)，乃至世界各地的市場。信息技術的飛速發(fā)展，引起了自動化系統結構的變革，逐步形成了以網絡集成自動化系統為基礎的企業(yè)信息系統?，F場總線的出現標志著工業(yè)控制技術領域又一個新時代的開始。

　　1 現場總線簡介

　　根據IEC標準和現場總線基金會的定義：現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。這個網絡使用一對簡單的雙絞線傳輸現場總線儀表與控制室之間的通信信號，而且還可以對現場總線儀表[如：現場總線使用的智能傳感器變迭器、智能執(zhí)行器(如智能調節(jié)閥、電子馬達)、可編程控制器、可編程調節(jié)器等裝置均稱為現場總線儀表]供電。
　　由于現場總線用全數字的雙向通信代替了傳統的4-20mA模擬信號，原來的點對點接線方式改用一根通信電纜同時連接多臺設備，并且還能通過總線對設備供電。因此現場總線能夠極大地簡化布線和降低初裝成本。現場總線使現場級的控制得到加強，實現控制功能的分散。它通過一套標準的通信協議，將現場設備和控制系統完善地結合在一起，就像是為現場設備和控制系統定義了一種公共的數字化的語言，只要使現場設備和控制系統都能理解和運用這種語言。它們之間就能夠進行良好的信息溝通，進而實現設備之間的相互操作。

　　2 現場總線構造了網絡集成式全分布控制系統

　　現場總線導致了傳統控制系統結構的變革，形成了新型網絡集成式全分布控制系統即現場總線控制系統FCS。所謂的現場控制系統是指分散在各個工業(yè)現場的智能儀表通過數字現場的總線連為一體，并與控制室的控制器和監(jiān)視器共同構成的控制系統。
　　這是繼基地式控制系統、電動單元組合式模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統、集散式控制系統DCS后的新一代控制系統，它順應了控制系統的分散化、網絡化、智能化的發(fā)展方向。 FCS的體系結構如圖1所示。
　　它由3層網絡組成，層為低速現場總線Fiel—dbusH1連成的控制網絡CNET中間的一層為高速現場總線FieldbusH2連成的系統網絡SNET最上一層為普通商用管理網絡MNET。層的H1現場總線連接著各類現場智能儀表，包括壓力變法器、溫度變法器、流量測量儀表及調節(jié)閥等。低速現場總線 Fieldbus H1通過耦臺器連到高速現場總線FieldbusH2作為H2總線的一個節(jié)點。對FCS進行管理和運行控制的工程師站和操作站作為H2總線的節(jié)點，連接到FCS的H2總線上。如圖1所示的FCS中， PLC和DCS通過接口單元作為高速現場總線的節(jié)點掛接到H2總線上。此外，FCS還通過網關接到上層管理網上，把工業(yè)現場的各種參數，數據傳送到上級管理網絡，為管理層決策提供手資料，從而實現管控的一體化。
 

如果希望連接更多的智能儀表或連接距離更遠的現場儀表，可在總線上加中繼器。一條H1現場總線最多可加4個中繼器。加上4個中繼器后，H1總線全長可達7．2km。一條 H1總線上連接的現場智能儀表最多可達126臺。圖1中的耦臺器就是用來連接低速側總線 H1和高速側總線H2的。由于現場儀表有需要總線供電的，也有不需要總線供電的，有工作于本安區(qū)域的，也有工作于非本安區(qū)域的，所以鍋臺器的 H1連接側具有3種接口電路，第1種是連接由總線供電工作于本安區(qū)域的現場儀表(可接2-6臺)，第2種是總線供電工作于非本安區(qū)域的現場儀表(可接2-12臺)，第3種是連接不需要總線供電工作于非本安區(qū)域的現場儀表(可接2-32臺)。但當僅有少數幾臺現場儀表需要總線供電或具有本安要求時，可在進入現場一側的安全區(qū)域加設供電電源或隔離式安全柵，這樣還可以增加總線上掛接智能儀表的數量。
　　H2總線遵循profitbus-DP協議，數據傳輸出采用RS-485方式。每個H2總線上可以連接多個的H2/H1耦臺器，H1總線通過耦合器把現場智能儀表的數據上傳到H2總線上，由H2總線上的操作站對現場數據進行讀取和保存。
　　通過工程師站可以在線對 FCS的各項配置進行組態(tài)和修改，通過在線下裝可以把修改后的數據庫傳到各現場智能儀表。另外，通過上裝功能可以把現場智能儀表的有關參數設置回讀到工程師站上。操作員站主要完成對FCS各個部分的監(jiān)視控制和管理，各操作員站的功能相同。

　　3 PCS的特點
　　3．1全數字化通信
　　在傳統的DCS系統中，壓力和溫度變法器須將它們測量到的原始數字信號在送入DCS前要轉換成4-20mA的模擬信號。而在現場總線控制系統中，從變法器的傳感器到調節(jié)閥其信號一直保持數字性。在模擬系統中，工業(yè)現場環(huán)境十分惡劣，噪聲及其它干擾信號的存在不易把信號檢測出來，而這些噪音很難扭曲現場總線控制系統里的數字信號，也就是說數字信號有很強的抗干擾能力，數字信號的完整性使得過程控制的準確性和可靠性更高。
　　3．2通信線供電
　　通信線供電方式九許現場儀表直接從通信線上攝取能量，這種方式用于本質安全環(huán)境的低功耗現場儀表，與其配套的還有安全柵。
　　3．3開放式互聯網絡
　　現場總線為開放式互聯網絡，它既可以與同層網絡相連，也可與不同層網絡相連。當然，掛接在現場總線上的現場總線儀表、設備都必須是統一的標準數字化總線接口，遵循統一的通信協議。這樣，不同制造廠家的產品可以十分方便地掛接在現場總線上而具有可互操作，避免因選擇了某一品牌的產品而被框死了使用設備的選擇范圍。這樣用戶可以根據性能價格比選用的，不必在硬件和軟件上保持任何修改，就可以構成所需的控制回路，自由地集成開放式控制系統。
　　3．4對現場環(huán)境的適應性
　　工作在生產現場前端，作為工廠網絡底層的現場總線，是專門為現場環(huán)境而設計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻線、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現供電和通信，并可滿足本質安全防爆的要求等。

　　4 現場總線控制系統的性
　　一般人們在論述FCS的優(yōu)點時總是對DCS來說的。與DCS相比， FCS具有以下幾個方面的優(yōu)點：
　　4．1 FCS的可靠性比DCS高
　　這包括兩方面的內容：
　　(1) FCS的系統的可靠性比DCS高。
　　(2)FCS傳輸出數字信號，抗干擾能力強、可靠性高。
由于現場總線設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量和控制的精確度，減少了傳送誤差。同時由于系統的結構簡化，設備與連線減少，現場儀表內部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統工作的可靠性，
　　4．2結構性好： FCS可以把智能技術分散現場各點。
　　把控制功能下放到現場，依靠現場智能設備實現基本控制功能。
　　4．3可控性強： FCS有較強的自診斷功能
　　數字通信使用戶從控制室中查索所有設備的數據、組態(tài)、運行和診斷信息已成為現實。自診斷功能可以及時幫助用戶分析問題是否發(fā)生在變法器。無需親臨現場觀察后才得出結論。這樣，即使設備發(fā)生故障，也可以很快地恢復生產。
　　4．4互操作性和互換性：標準化的智能儀表可方便互連、互組態(tài)和互換。
互操作性是實現互連設備間、系統問的信息傳送與溝通?；Q性是指不同生產廠家功能類似的設備之間可以進行相互替換?；ゲ僮骱突Q性是將系統升級為現場總線的關鍵動力之一。
　　4．5統一組態(tài)：現場總線采用功能塊方式組態(tài)
　　現場總線已有大量可滿足各種過程控制的功能模塊。如輸入、輸出、PID調節(jié)等，一些模塊還具有報警功能。
　　4．6開放性好：標準化的網絡互連
在FCS中，用戶可以把遵循相同協議不同品牌的產品集成到一個規(guī)模隨意的系統里，使用戶真正具有系統集成的主動權?？梢哉f現場總線控制系統就是自動化領域的開設互聯系統，它從根本上打破了DCS系統的封閉性，使企業(yè)與外界信息的溝通范圍不斷擴大，為企業(yè)實現信息化控制與管理創(chuàng)造了條件。
　　4．7數據庫的一致性
　　現場總線采用分散的數據庫概念，任何同現場總線接口的人機界面都可顯示有關儀表與控制回路的信息。這樣，便不會產生重復的、不一致的數據。在DCS系統中，操作站與儀表數據庫之間的同步化無法保證。現場總線只使用一個數據庫，也就是分散于現場儀表中的數據庫，人機界面就是從該數據庫中獲取定標數據的，手持終端所查索的也是同一個數據庫。
　　4．8節(jié)省開支：節(jié)省電纜和控制室面積，降低安裝及維護的費用
與傳統設備間點對點的接線方式相比，讓多臺設備共享一條總線的現場總線系統自然能夠節(jié)省大量的電纜、端子、槽盒、橋架。連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場控制設備時，無需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上。這樣既節(jié)省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。

　　5 實現DCS與PCS的網絡集成

　現場總線系統要求作為網絡節(jié)點的儀表具備數字通信能力，因而將導致傳統模擬儀表的全面更新換代，給自動化儀表的行業(yè)發(fā)展帶來新的生機和活力。但現場總線系統像任何新事物的發(fā)展那樣，都要經歷一個發(fā)展的過程。雖然FCS與DCS相比具有更多的優(yōu)點，由FCS取代DCS是必然的趨勢，但這需要一段時期的過渡。由于DCS目前在應用廣泛，能滿足當前控制的基本要求。從經濟上考慮。拋棄掉原來的DCS而換成全新的FCS并不合算，不能充分揮已有投資的效益。從技術上考慮，雖然 FCS采用的技術比較新，也比較，但近年來DCS在可靠性、開放性、標準化方面也大大進了一步。同時各廠家的DCS價格近年來也大幅度下降，是用戶常用的控制平臺。DCS如能順應現場總線技術的發(fā)展方向與FCS技術相融合來改造自身，也會帶來新的生機。也就是說DCS要受FCS的沖擊是必然的。而新技術的發(fā)展又會迫使DCS進行技術改造，如能吸收現場總線的技術精華，使DCS向FCS的方向演化，順應技術發(fā)展潮流，DCS仍然具有一定的生命力。會繼續(xù)在控制領域中發(fā)揮自己的作用。根據目前的情況。在當前和今后一段時間內。工廠車間級網絡將出現現場總線與DCS網絡共存的局面。當DCS與現場總線網絡共存時，容許采用不同的網絡集成方案，可采用網關將DCS專用網絡掛接在工廠高速網絡上，其結構如圖2所示。
　　如果某些工廠只有單獨的DCS網絡或現場控制層與監(jiān)控層以DCS網絡為主，而某些新擴建部分采用了現場總線時，則可使用特殊網關或通信控制器，將現場總 線系統掛接在DCS網絡上，甚至還可以將現場總線網段掛接在DCS網絡的I/O總線上。
　　在DCS網絡中，各控制儀表或其它網絡節(jié)點之間的信息交換一般需通過DCS主機進行。而在新型的FCS和企業(yè)網絡系統中，DCS的角色發(fā)生了很大的變化，它從原來的控制系統中心的地位轉變成為企業(yè)信息網絡中的一個節(jié)點。在把一些底層的控制功能交由現場總線完成之后，更多地承擔起系統維護和網絡管理，并負責報告和組織現場設備的維護需要和請求，以及完成對現場設備的集中組態(tài)等。
　　在DCS向FCS的過渡階段，國內外許多公司都在致力于開發(fā)融合現場總線技術的新型DCS。如Fish-Rose-mount公司DeltaV，以及中國和利時公司根據中國國情開發(fā)的新一代 DCS-FOCS(Field Open Control System)就是一例。這些產品可以連接普通模擬量及開關量的輸入輸出信號，并支持Hart協議。在DCS向FCS的過渡階段顯示出的技術優(yōu)勢與較強的生命力。  電磁流量計 壓力變送器 測溫槍