现场总线技术及其应用

1 引言

随着计算机、控制、通信、网络等技术的发展，作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线（FieldBus）技术也得到了发展迅速、影响巨大，引起了工程技术界的普遍兴趣与重视，使计算机控制系统逐步从集散控制系统（Distributed Control System DCS）走向以现场总线位基础的分布式现场总线控制系统（Fieldbus Control System,FCS），被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。

2 被誉为自动化领域的计算机局域网

2．1 现场总线及其特点

（1）什么是现场总线？

根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会(ISA)的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向多节点、总线式的全数字通讯，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、造价低廉、维护成本低等特点。

国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求：

（1）同一数据链上过程控制单元（PCU）、PLC等与数字1/0设备互连；
（2）现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取；
（3）通信媒体安装费用较低。

SP50委员会提出的两种现场总线结构模型是：

●星型总线用短距离、廉价、低速率电缆取代模拟信号传输线
●总线型总线数据传输距离长、速率高，采用点对点、点对多点和广播式通信方式

2．2 现场总线技术特征

现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有以下几项技术特征。

（1）现场设备已成为以微处理器为核心的数字化设备，彼此通过传输媒体（双绘线、同轴电缆或光纤）以总线拓扑相连；
（2）网络数据通信采用基带传输（即数字数据数字传输），数据传输速率高（为Mbit/s或10Mbit/s级），实时性好，抗干扰能力强；
（3）废气了集散控制系统（DCS）中的I/O控制站，将这一级功能分配给通信网络完成；
（4）分散的功能模块，便于系统维护、管理与扩展，提高可靠性；
（5）开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互连设备与控制级网络或管理信息级网络相连；
（6）互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需要的网络。

3 现场总线控制技术

3．1 现场总线控制系统

现场总线控制系统FCS是集当今计算机技术、网络技术和控制技术为一体的当代最先进的计算机控制技术，是一种全分散、全数字、全开放的控制系统。它适用于工业过程控制、制造业及楼宇自动化等领域，将成为现代计算机控制系统的主流。

3．2 FCS对计算机控制系统的影响

传统的计算机控制系统一般采用DCS结构。在DCS中，对现场信号需要进行点对点的连接，并且I/0端子与PLC或自动化仪表一起被放在控制柜中，而不是放在现场。这就需要铺设大量的信号传输电缆，布线复杂，既费料又费时，信号容易衰减并容易被干扰，而且又不便维护。DCS一般由操作员站、控制站等组成，结构复杂，成本高。而且DCS不是开放系统，互操作性差，难以实现数据共享。而基于FCS的控制系统则完全克服了这些缺点。

（1）FCS借助于现场总线技术，所有的I/O模块均放在工业现场，而且所有的信号通过分布式智能I/O模块在现场被转换成标准数字信号，只需一根电缆（两线或四线）就可把所有的现场子站连接起来，进而把现场信号非常简捷地传送到控制室监控设备上，减低了成本，又便于安装和维护，同时数字化的数据传输使系统具有很高的传输速度和很强的抗干扰能力。
（2）FCS具有开放性。在FCS中，软件和硬件都遵从同样的标准，互换性好，更新换代容易。程序设计采用IEC11314五种国际标准编程语言，编程和开发工具是完全开放的，同时还可以利用PC丰富的软硬件资源。
（3）系统的效率高。在FCS中，一台PC可同时完成原来要用两台设备才能完成的PLC和NC/CNC任务。在多任务的Windows NT操作系统下，PC中的软PLC可以同时执行多达十几个PLC任务，既提高了效率，又降低了成本。且PC上的PLC具有在线调试和仿真功能，极大地改善了编程环境。
（4）在FCS中，系统的基本结构为：工控机或商用PC、现场总线主站接口卡、现场总线输入/输出模块、PLC或NC/CNC实时多任务控制软件包、组态软件和应用软件。上位机的主要功能包括系统组态、数据报表组态、历史库组态、图形组态、控制算法组态、数据报表组态、实时数据显示、历史数据显示、图形显示、参数列表、数据打印输出、数据输入及参数修改、控制运算调节、报警处理、故障处理、通信控制和人机接口等各个方面，并真正实现控制集中、危险分散、数据共享、完全开放的控制要求。