現場總線系統的結構和技術特點

    1. 現場總線的歷史和發(fā)展

    現場總線是20世紀80年代中期在國際上發(fā)展起來的。隨著微處理器與計算機功能的不斷增強和價格的急劇下降，計算機與計算機網絡系統得到迅速發(fā)展，而處于生產過程底層的測控自動化系統，采用一對一聯機，用電壓、電流的模擬信號進行測量控制，或采用自封閉式的集散系統，難以實現設備之間以及系統與外界之間的信息交換，使自動化系統成為“信息孤島”。要實現整個企業(yè)的信息集成，要實施綜合自動化，就必須設計出一種能在工業(yè)現場環(huán)境運行的、性能可靠、造價低廉的通訊系統，形成工廠底層網絡，完成現場自動化設備之間的多點數字通訊，實現底層現場設備之間以及生產現場與外界的信息交換。現場總線就是在這種實際需求的驅動下應運產生的。它作為過程自動化、制造自動化、樓宇、交通等領域現場智能設備之間的互連通信網絡，溝通了生產過程現場控制設備之間及其與更高控制管理層網絡之間的聯系，為徹底打破自動化系統的信息孤島創(chuàng)造了條件。

    由于標準實質上并未統一，所以對現場總線的定義也是各有各的定義。下面給出的是現場總線的兩種有代表性的定義。

    (l) ISA SP50中對現場總線的定義?，F場總線是一種串行的數字數據通訊鏈路，它溝通了過程控制領域的基本控制設備(即場地級設備)之間以及與更高層次自動控制領域的自動化控制設備(即車間級設備)之間的聯系。

    這里的現場設備指最底層的控制監(jiān)測、執(zhí)行和計算設備，包括傳感器、控制器、智能閥門、微處理器和內存等各種類型的儀表產品。

    (2)根據國際電工委員會 IEC標準和現場總線基金會 FF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、多分支結構的通訊網路?，F場總線的本質含義表現在以下6個方面：

    a)現場通訊網路：用于過程以及制造自動化的現場設備或現場儀表互連的通訊網路。

    b)現場設備互連：現場設備或現場儀表是指傳感器、變送器和執(zhí)行器等，這些設備通過一對傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等，并可根據需要因地制宜地選擇不同類型的傳輸介質。

    c)互操作性：現場設備或現場儀表種類繁多，沒有任何一家制造商可以提供一個工廠所需的全部現場設備，所以，互相連接不同制造商的產品是不可避免的。用戶不希望為選用不同的產品而在硬件或軟件上花很大氣力，而希望選用各制造商性能價格比最優(yōu)的產品，并將其集成在一起，實現“即接即用；用戶希望對不同品牌的現場設備統一組態(tài)，構成他所需要的控制回路。這些就是現場總線設備互操作性的含義?，F場設備互連是基本的要求，只有實現互操作性，用戶才能自由地集成 FCS。

    d)分散功能塊： FCS廢棄了DCS的輸入／輸出單元和控制站,把DCS控制站的功能塊分散地分配給現場儀表，從而構成虛擬控制站。例如，流量變送器不僅具有流量信號變換、補償和累加輸入模塊，而且有PID控制和運算功能塊。調節(jié)閥的基本功能是信號驅動和執(zhí)行，還內含輸出特性補償模塊，也可以有PlD控制和運算模塊，甚至有閥門特性自檢驗和自診斷功能。由于功能塊分散在多臺現場儀表中，并可統一組態(tài)，供用戶靈活選用各種功能塊，構成所需的控制系統，實現徹底的分散控制。

    e)通訊線供電：通訊線供電方式允許現場儀表直接從通訊線上攝取能量，對于要求本征安全的低功耗現場儀表，可采用這種供電方式。眾所周知，化工、煉油等企業(yè)的生產現場有可燃性物質，所有現場設備都必須嚴格遵循安全防爆標準。現場總線設備也不例外。

    f)開放式互連網絡：現場總線為開放式互連網絡，它既可與同層網絡互連，也可與不同層網絡互連，還可以實現網絡數據庫的共享。不同制造商的網絡互連十分簡便，用戶不必在硬件或軟件上花太多氣力。通過網絡對現場設備和功能塊統一組態(tài)，把不同廠商的網絡及設備融為一體，構成統一的FCS。

    2. 現場總線的結構特點 : 現場總線的網絡結構現場總線網絡結構是按照國際標準化組織（ ISO）制定的開放系統互連（OSI：Open System Interconnection）參考模型建立的。OSI參考模型共分七層，即物理層、數據鏈路層、網絡層、傳送層、會話層、表示層和應用層，該標準規(guī)定了每一層的功能以及對上一層所提供的服務。從OSI模式的角度來看，現場總線將上述七層簡化成三層，分別由OSI參考模式的第一層物理層，第二層數據鏈路層，第七層應用層組成。如圖1-2所示。

圖 1-2 現場總線的結構

    現場總線主要特點是使底層的控制部件、設備更加智能化，把在傳統DCS中的控制功能，下移到現場儀表。在此，現場總線的網絡通訊起了重要作用。現場總線結構模型現統一為４層，即物理層、數據鏈路層、應用層和用戶層。省略了一般網絡結構的3~6（表達層、會話層、傳遞層和網絡層）.

    現場總線系統打破了傳統控制系統的結構形式。傳統模擬控制系統采用一對一的設備聯機，按控制回路分別進行連接。位于現場的測量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與位于現場的執(zhí)行器、開關、馬達之間均為一對一的物理連接。

    現場總線系統由于采用了智能現場設備，能夠把原先DCS系統中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現場設備，加上現場設備具有通訊能力，現場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機構直接傳送信號，因而控制系統功能能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現場完成，實現了徹底的分散控制。Devicenet正是目前幾十種現場總線中得到廣泛應用的一種。

    由于采用數字信號替代模擬信號，因而可實現一對電線上傳輸多個信號(包括多個運行參數值、多個設備狀態(tài)、故障信息)，同時又為多個設備提供電源；現場設備以外不再需要模擬／數字、數字／模擬轉換部件。這樣就為簡化系統結構、節(jié)約硬設備、節(jié)約連接電纜與各種安裝、維護費用創(chuàng)造了條件。