现场总线技术及其特点

现场总线技术及其特点
现场总线的概念是随着微电子技术的发展，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能后，于1984年左右提出的。现场总线一般定义为：一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式，数字化，双向串行，多节点的通信总线。其主要特征：
1．数字式通信方式取代设备级的模拟量（如4-20mA,0-5V等信号）和开关量信号；
2．在车间级与设备级通信的数字化网络；
3．现场总线是工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化革命；
4．现场总线使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层。使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场；
5．在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。
现场总线是工业控制系统的新型通讯标准，是基于现场总线的低成本自动化系统技术。现场总线技术的采用将带来工业控制系统技术的革命。采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。
作为连接生产现场的仪表、控制器等自动化装置的通讯网络，现场总线是九十年代在国际兴起的新一代全分布式控制系统的核心技术。伴随着数字化时代的来临，现场总线控制系统(Fieldbus Control System, FCS)必将成为工业自动化的主流。
现场总线控制系统有如下优点：
全数字化
将企业管理与生产自动化有机结合一直是工业界梦寐以求的理想，但只有在FCS出现以后这种理想才有可能高效、低成本地实现。在采用FCS的企业中，用于生产管理的局域网能够与用于自动控制的现场总线网络紧密衔接。此外，数字化信号固有的高精度、抗干扰特性也能提高控制系统的可靠性。
全分布
在FCS中各现场设备有足够的自主性，它们彼此之间相互通信，完全可以把各种控制功能分散到各种设备中，而不再需要一个中央控制计算机，实现真正的分布式控制。
双向传输
传统的4~20mA电流信号，一条线只能传递一路信号。现场总线设备则在一条线上即可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制信息。
自诊断
现场总线仪表本身具有自诊断功能，而且这种诊断信息可以送到中央控制室，以便于维护，而这在只能传递一路信号的传统仪表中是做不到的。
节省布线及控制室空间
传统的控制系统每个仪表都需要一条线连到中央控制室，在中央控制室装备一个大配线架。而在FCS系统中多台现场设备可串行连接在一条总线上，这样只需极少的线进入中央控制室，大量节省了布线费用，同时也降低了中央控制室的造价。
多功能仪表
数字、双向传输方式使得现场总线仪表可以摆脱传统仪表功能单一的制约，可以在一个仪表中集成多种功能，做成多变量变送器，甚至集检测、运算、控制与一体的变送控制器。
开放性
1999年底现场总线协议已被IEC 批准正式成为国际标准，从而使现场总线成为一种开放的技术。
互操作性
现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操作，这样就可以在一个企业中由用户根据产品的性能、价格选用不同厂商的产品，集成在一起，避免了传统控制系统中必须选用同一厂家的产品限制，促进了有效的竞争，降低了控制系统的成本。
智能化与自治性
现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至网络故障的情况下独立工作，大大提高了整个控制系统的可靠性和容错能力。
现场总线控制系统通常由以下部分组成：
现场总线仪表、控制器
现场总线线路
监控、组态计算机
这里的仪表、控制器、计算机都需要通过现场总线网卡、通信协议软件连接到网上。因此，现场总线网卡、通信协议软件是现场总线控制系统的基础和神经中枢。
现场总线控制系统是国家九五科技攻关的重点项目。
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现场总线系统的功能安全评价大体分以下几点：
(一)现场总线系统完成的功能
现场总线系统所起的作用是通信，它包括一组硬件和软件，允许两个或多个装置之间信息交换。在受控过程中，它不应该传播或建立会产生危险情形的错误:它应能找出数据的讹误，保证实时数据的传送，传递应有序，避免混乱。同时应能随时了解可能出现的故障状态，避免出现因通信错误触发不合理的安全动作，例如使过程在不该停止时停了下来，或使过程在出现故障时还继续工作等。
(二)现场总线系统安全功能评价的方法
要证明一个系统或子系统是否可以用在安全领域，是否符合IEC61508标准，有两个途径:一是按照IEC61508的原则设计一个新系统;二是沿用以前已经使用并证明是安全的系统，用"proven in use"方法来验证。现场总线系统的功能安全评价一般都采取第二种方法。这是一个在"使用中证实"的概念。如果一种产品或系统已经在使用中，只要供应商有足够的证据证明它是安全的，那么以后相同的产品或系统就允许应用在同等安全的领域。
IEC61508中提出的这种"proven in use"的概念对于供应商和用户都有极大的激励作用。目前世界上此重要的设备供应商都开始对自己的产品进行这方面认证工作。但"Proven in use"实际上有很严格的限制条件：
(l)Proven in use方法只能用于那些满足相关要求的功能和接口子系统;
(2)子系统的工作条件与原子系统的工作条件完全相同或十分相近;
(3)如果子系统的工作条件不同，则需要用分析和测试的方法来论证该系统的功能安全完整性可能达到的水平，以保证该系统可用于安全领域;
(4)声明的失效率有足够的统计学数据基础;
(5)收集有足够的失效数据;
(6)考虑了子系统的复杂性，子系统对风险降低的贡献，子系统失效对整个系统可能造成的后果，新设计等