摘要：文章介紹了現場總線的概念,回顧了其產生及發展歷程，分析了現場總線控制系統相對于集散控制系統的特點和優點。針對當前流行的幾種現場總線，簡要介紹了各自的技術特色，指出控制系統的開放互連是發展的必然。 關鍵詞：現場總線，集散控制系統，分布式控制，FCS，DCS，開放式互連系統 一、前言 七十年代以前，控制系統中采用模擬量對傳輸及控制信號進行轉換、傳遞，其精度差、受干擾信號影響大，因而整個控制系統的控制效果及系統穩定性都很差。七十年代末，隨著大規模集成電路的出現，微處理器技術得到很大發展。微處理器功能強、體積小、可靠性高、通過適當的接口電路用于控制系統，控制效果得到提高；但是盡管如此，還是屬于集中式控制系統。隨著過程控制技術、自動化儀表技術和計算機網絡技術的成熟和發展，控制領域又發生了一次技術變革。這次變革使傳統的控制系統（如集散控制系統）無論在結構上還是在性能上都發生了巨大的飛躍，這次變革的基礎就是現場總線技術的產生。 現場總線是連接現場智能設備和自動化控制設備的雙向串行、數字式、多節點通信網絡，它也被稱為現場底層設備控制網絡（INFRANET）。80年代以來，各種現場總線技術開始出現，人們要求對傳統的模擬儀表和控制系統變革的呼聲也越來越高，從而使現場總線成為一次世界性的技術變革浪潮。美國儀表協會（ISA）于1984年開始制訂現場總線標準，在歐洲有德國的PROFIBUS和法國的FIP等，各種現場總線標準陸續形成。其中主要的有：基金會現場總線FF（Foundation Fieldbus）、控制局域網絡CAN（Controller Area Network）、局部操作網絡LonWorks（Local Operating Network）、過程現場總線PROFIBUS（Process Field Bus）和HART協議（Highway Addressable Remote Transducer）等。但是，總線標準的制定工作并非一帆風順，由于行業與地域發展等歷史原因，加上各公司和企業集團受自身利益的驅使，致使現場總線的國際化標準工作進展緩慢。但是不論如何，制定單一的開放國際現場總線標準是發展的必然。 二、當前流行的幾類現場總線 1、基金會現場總線FF 基金會現場總線FF是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發展前景的一種技術。其前身是以美國Fisher－Rosemount公司為首，聯合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制定的ISP協議和以Honeywell公司為首，聯合歐洲等地150家公司制定的World FIP協議。這兩大集團于1994年9月合并，成立了現場總線基金會，致力于開發出國際上統一的現場總線協議。 基金會現場總線分為H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25Kbps，通信距離可達1.9km，可支持總線供電和本質安全防暴環境。H2的傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps兩種，通信距離為750m和500m。物理傳輸介質可為雙絞線、光纜和無線，其傳輸信號采用曼切斯特編碼。基金會現場總線以ISO/OSI開放系統互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。用戶層主要針對自動化測控應用的需要，定義了信息存取的統一規則，采用設備描述語言規定了通用的功能塊集。FF總線包括FF通信協議、ISO模型中的2～7層通信協議的通棧、用于描述設備特性及操作接口的DDL設備描述語言、設備描述字典，用于實現測量、控制、工程量轉換的應用功能塊，實現系統組態管理功能的系統軟件技術以及構筑集成自動化系統、網絡系統的系統集成技術。 2、CAN總線 CAN總線最早是由德國Bosch公司推出，用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信協議。其總線規范已被ISO國際標準組織制定為國際標準，并且廣泛應用于離散控制領域。它也是基于OSI模型，但進行了優化，采用了其中的物理層、數據鏈路層、應用層，提高了實時性。其節點有優先級設定，支持點對點、一點對多點、廣播模式通信。各節點可隨時發送消息。傳輸介質為雙絞線，通信速率與總線長度有關。CAN總線采用短消息報文，每一幀有效字節數為8個；當節點出錯時，可自動關閉，抗干擾能力強，可靠性高。 3、LonWorks總線 LonWorks技術是美國ECHELON公司開發，并與Motorola和東芝公司共同倡導的現場總線技術。它采用了OSI參考模型全部的七層協議結構。LonWorks技術的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片實現完整的 LonWorks的LonTalk通信協議。其上集成有三個8位CPU。一個CPU完成OSI模型第一和第二層的功能，稱為介質訪問處理器。一個CPU是應用處理器，運行操作系統與用戶代碼。還有一個CPU為網絡處理器，作為前兩者的中介，它進行網絡變量尋址、更新、路徑選擇、網絡通信管理等。由神經芯片構成的節點之間可以進行對等通信。LonWorks支持多種物理介質并支持多種拓撲結構，組網方式靈活，其IS－78本安物理通道使得它可以應用于危險區域。LonWorks應用范圍主要包括樓宇自動化、工業控制等，在組建分布式監控網絡方面有較優越的性能。 4、PROFIBUS總線 PROFIBUS是符合德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50179的現場總線，包括PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA三部分。它也只采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層、應用層。PROFIBUS支持主從方式、純主方式、多主多從通信方式。主站對總線具有控制權，主站間通過傳遞令牌來傳遞對總線的控制權。取得控制權的主站，可向從站發送、獲取信息。PROFIBUS－DP用于分散外設間的高速數據傳輸，適合于加工自動化領域。FMS型適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。而PA型則是用于過程自動化的總線類型。 5、HART總線 HART協議是由Rosemount公司于1986年提出的通信協議。它是用于現場智能儀表和控制室設備間通信的一種協議。它包括ISO/OSI模型的物理層、數據鏈路層和應用層。HART通信可以有點對點或多點連接模式。這種協議是可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議，其特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信，屬于模擬系統向數字系統轉變過程中的過渡產品，因而在當前的過渡時期具有較強市場競爭力，在智能儀表市場上占有很大的份額。 三、現場總線控制系統（FCS）的結構與特點 1、結構 隨著現場總線技術的出現和成熟，促使了控制系統由集散控制系統（DCS）向現場總線控制系統（FCS）的過渡。在一般的FCS系統中，遵循一定現場總線協議的現場儀表可以組成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各個現場儀表中。從而減輕了控制站負擔，使得控制站可以專職于執行復雜的高層次的控制算法。對于簡單的控制應用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起連接現場總線作用的網橋和集線器，操作站直接與現場儀表相連，構成分布式控制系統。 2、特點 分布式的FCS系統比DCS系統更好地體現了“信息集中，控制分散"的思想。與傳統的DCS相比，FCS有其自身的特點。FCS系統具有高度的分散性，它可以由現場設備組成自治的控制回路。現場儀表或設備具有高度的智能化與功能自主性，可完成控制的基本功能，并可以隨時診斷設備的運行情況。另外，FCS的結構比DCS簡化。有的FCS系統省略了DCS中控制站這一層，操作站直接與現場儀表相連。這些使FCS的可靠性得到提高。 現場總線系統具有開放性。系統對相關標準具有一致性、公開性，強調對標準的共識與遵從。通信協議一致公開，各不同廠家的設備之間可實現信息交換，通過現場總線可構筑自動化領域的開放互連系統。系統的開放性決定了它具有互操作性和互用性。互操作性指互連設備間、系統間信息傳送與溝通；而互用則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可實現相互替換。作為工廠網絡底層的現場總線還對現場環境有較強地適應性。它支持雙絞線、同軸電纜、光纜、無線和電力線等，具有較強的抗干擾能力。 由于結構上的改變，FCS比DCS更節約硬件設備。使用FCS可以減少大量的隔離器、端子柜、I/O卡及I/O端口，這樣就節省了I/O裝置及裝置室的空間；同時減少了大量電纜，可以極大地節省安裝費用。與此同時，FCS比DCS性能有所提高。由于免去了D/A與A/D變換，使儀表精度得到極大的提高；通過將PID功能植入到相應的智能傳感器中去，使控制周期大為縮短。目前FCS可以從DCS的每秒調節2～5次增加到每秒調節10～20次，改善了調節性能。FCS控制系統與DCS控制系統結構比較見圖1。 3、現場總線的優點 由于現場總線的以上特點，特別是其系統結構的簡化，使其從設計、安裝、投運到正常生產運行及檢修維護，都體現出優越性。它不僅節省了硬件數量與投資，節省了安裝費用，而且系統的維護開銷也大大地降低。現場總線控制系統不僅精確度與可靠性高，在方便使用和維護性方面，FCS也比DCS有優勢。FCS使用統一的組態方式，安裝、運行、維修簡便；利用智能化現場儀表，使維修預報（Predicted maintenance）成為可能；由于系統具有互操作性和互用性，用戶可以自由選擇不同品牌的設備達到最佳的系統集成，在設備出現故障時，可以自由選擇替換的設備，保障用戶的高度系統集成主動權。此外，它還具有設計簡單，易于重構等特點。 四、發展趨向 傳統的集散控制系統（DCS系統）具有集中監控、分散控制、操作方便的特點。但是，在實際應用中也發現DCS的結構存在一些不足之處，如控制不能做到徹底分散，危險仍然相對集中；由于系統的不開放性，不同廠家的產品不能互換、互聯，限制了用戶的選擇范圍。利用現場總線技術，開發FCS系統的目標是針對現存的DCS的某些不足，改進控制系統的結構，提高其性能和通用性。 FCS想要在實際中取代DCS，既要具備DCS所具有的功能，又要能克服DCS的缺點。FCS由于采用了現場總線技術，在開放性、控制分散等方面優于傳統DCS。但是由于它是一種新技術，目前連標準本身都還沒有制定統一，因此FCS與成熟的DCS相比，還存在下列的一些欠缺。 （1）由于現場總線標準本身尚在發展中，從而給產品的開發和測試帶來難度。這在一定程度上造成產品開發商、生產商少，產品品種單一而且價格昂貴。 （2）在某些場合中，FCS還無法提供DCS已有的控制功能。由于軟硬件水平的限制，其功能塊的功能還不是很強，品種也不夠齊全；用現場儀表還只能組成一般的控制回路如單回路、串級、比例控制等，對于復雜的、先進的控制算法還無法在儀表中實現，對于單回路內有多輸入、多輸出的情況缺乏好的解決方案。 （3）目前FCS成功的應用實例不多，難以評估實際應用效果。由于以上這些原因，FCS取代DCS將是一個逐漸的過程。在這一過程中，會出現一些過渡型的系統結構，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系統。用戶將現場總線設備連接到獨立的現場總線網絡服務器，服務器配有DCS中連接操作站的上層網絡接口，與操作站直接通信。在DCS的軟件系統中可增添相應的通信與管理軟件。這樣不需要對原有控制系統作結構上的重大變動。 五、結束語 當前，各種形式的現場總線協議并存于控制領域。在樓宇自控領域，Lonworks和CAN網絡具有一定的優勢；在過程自動化領域，主要有過渡型的HART協議、得到廣泛支持的FF現場總線協議以及同樣較有競爭力的PROFIBUS協議。HART協議將是目前幾年內智能化儀表的主要通信協議；基金會現場總線是過程自動化領域中較有前途的一種現場總線，得到許多自動化儀表設備廠商的支持；由于Lonworks技術的開放性，國內出現了利用它開發控制系統的許多開發商。考慮到統一的開放式現場總線協議標準制定的長期性和艱巨性，傳統DCS的退出將是一個漸進過程。在一段時期內，會出現幾種現場總線共存、同一生產現場有幾種異構網絡互連通訊的局面。但是，發展共同遵從的統一的標準規范，真正形成開放式互連系統，是大勢所趨。