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　　現(xiàn)場(chǎng)總線在控制領(lǐng)域嶄露頭角不過是最近幾年，然而其來勢(shì)兇涌，且有愈演愈烈之趨勢(shì)。那么，究竟什么是現(xiàn)場(chǎng)總線？什么是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)？現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)較之目前在工控界仍占主導(dǎo)地位的集散控制系統(tǒng)（DCS）有何特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)？在現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一之前，能采用嗎？若欲采用，40多種現(xiàn)場(chǎng)總線，應(yīng)選用哪一種？

　　本文將圍繞以上問題展開論述，從控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程角度探討現(xiàn)場(chǎng)總線的成因；闡述現(xiàn)場(chǎng)總線的概念、體系結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)給出現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展現(xiàn)狀；提出面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線百家爭(zhēng)鳴的現(xiàn)狀應(yīng)采取的對(duì)策；結(jié)合具體實(shí)例說明現(xiàn)場(chǎng)總線開發(fā)應(yīng)用方法。

　　縱觀控制系統(tǒng)的發(fā)展史，不難發(fā)現(xiàn)，每一代新的控制系統(tǒng)推出都是針對(duì)老一代控制系統(tǒng)存在的缺陷而給出的解決方案，最終在用戶需求和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)兩大外因的推動(dòng)下占領(lǐng)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，現(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的產(chǎn)生也不例外

　　集中式數(shù)字控制系統(tǒng)于七八十年代占主導(dǎo)地位。采用單片機(jī)、PLC、SLC或微機(jī)作為控制器，控制器內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，因此克服了模擬儀表控制系統(tǒng)中模擬信號(hào)精度低的缺陷，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。集中式數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是易于根據(jù)全局情況進(jìn)行控制計(jì)算和判斷，在控制方式、控制機(jī)時(shí)的選擇上可以統(tǒng)一調(diào)度和安排；不足的是，對(duì)控制器本身要求很高，必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性，當(dāng)系統(tǒng)任務(wù)增加時(shí)，控制器的效率和可靠性將急劇下降。

　　集散控制系統(tǒng)（DCS）于八、九十年代占主導(dǎo)地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機(jī)用于集中監(jiān)視管理功能，若干臺(tái)下位機(jī)下放分散到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)分布式控制，各上下位機(jī)之間用控制網(wǎng)絡(luò)互連以實(shí)現(xiàn)相互之間的信息傳遞。因此，這種分布式的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)有力地克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)中對(duì)控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷。在集散控制系統(tǒng)中，分布式控制思想的實(shí)現(xiàn)正是得益于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，遺憾的是，不同的DCS廠家為達(dá)到壟斷經(jīng)營的目的而對(duì)其控制通訊網(wǎng)絡(luò)采用各自專用的封閉形式，不同廠家的DCS系統(tǒng)之間以及DCS與上層Intranet、Internet信息網(wǎng)絡(luò)之間難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連和信息共享，因此集散控制系統(tǒng)從該角度而言實(shí)質(zhì)是一種封閉專用的、不具可互操作性的分布式控制系統(tǒng)且DCS造價(jià)昂貴。在這種情況下，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提出了開放化和降低成本的迫切要求。

　　FCS正是順應(yīng)以上潮流而誕生，它用現(xiàn)場(chǎng)總線這一開放的，具有可互操作的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)各控制器及儀表設(shè)備互連，構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，同時(shí)控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，降低了安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。因此，FCS實(shí)質(zhì)是一種開放的、具可互操作性的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)，有望成為21世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線是將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)控制通訊網(wǎng)絡(luò)，遵循ISO的OSI開放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通訊協(xié)議。FCS則是用開放的現(xiàn)場(chǎng)總線控制通訊網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

　　（1）按功能比較，現(xiàn)場(chǎng)總線連接自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖切∨繑?shù)據(jù)信息，如檢測(cè)信息、狀態(tài)信息、控制信息等，傳輸速率低，但實(shí)時(shí)性高。簡(jiǎn)而言之，現(xiàn)場(chǎng)總線是一種實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)用于連接局域區(qū)域的各臺(tái)計(jì)算機(jī)，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖谴笈康臄?shù)字信息，如文本、聲音、圖像等，傳輸速率高，但不要求實(shí)時(shí)性。從這個(gè)意義而言，局域網(wǎng)是一種高速信息網(wǎng)絡(luò)。

　　如圖1所示，最底層的Infranet控制網(wǎng)即FCS，各控制器節(jié)點(diǎn)下放分散到現(xiàn)場(chǎng)，構(gòu)成一種徹底的分布式控制體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)任意，可為總線形、星形、環(huán)形等，通訊介質(zhì)不受限制，可用雙絞線、電力線、無線、紅外線等各種形式。FCS形成的Infranet控制網(wǎng)很容易與Intranet企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)和Internet全球信息網(wǎng)互連，構(gòu)成一個(gè)完整的企業(yè) 網(wǎng)絡(luò)三級(jí)體系結(jié)構(gòu)。

　　衡量一套控制系統(tǒng)的總體成本，不僅考慮其造價(jià)，而且應(yīng)該考察系統(tǒng)從安裝調(diào)試到運(yùn)行維護(hù)整個(gè)生命周期內(nèi)總投入。相對(duì)DCS而言，FCS開放的體系結(jié)構(gòu)和OEM技術(shù)將大大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，且徹底分散的分布式結(jié)構(gòu)將1對(duì)1模擬信號(hào)傳輸方式變?yōu)?FONT face="宋體, MS Song">1對(duì)N的數(shù)字信號(hào)傳輸方式，節(jié)省了模擬信號(hào)傳輸過程中大量的A/D、D/A轉(zhuǎn)換裝置、布線安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。因此從總體上來看，FCS的成本大大低于DCS的成本。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展迅速，現(xiàn)處于群雄并起、百家爭(zhēng)鳴的階段。目前已開發(fā)出有40多種現(xiàn)場(chǎng)總線，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具影響力的有5種，分別是FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks（性能對(duì)照見表1）

　　1、FF（Foundation Fieldbus現(xiàn)場(chǎng)基金會(huì)總線）由美國儀器協(xié)會(huì)（ISA）1994推出，代表公司有Honeywell和Fisher-Rosemount，主要應(yīng)用于石油化工、連續(xù)工業(yè)過程控制中的儀表。FF的特色是其通訊協(xié)議在ISO的OSI物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層3層之上附加了用戶層，通過對(duì)象字典OD（Object Dictionary）和設(shè)備描述語言DDL（Device Description Language）實(shí)現(xiàn)可互操作性。目前基于FF的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品有，美國Smar公司生產(chǎn)的壓力溫度變送器，Honeyweill&Rockweill 推出的ProcessLogix系統(tǒng)，Fisher-Rosemount推出的PlantWeb。

　　2、Profibus（Process Fieldbus）德國西門子公司1987年推出，主要應(yīng)用于PLC。產(chǎn)品有三類：FMS用于主站之間的通訊；DP用于制造行業(yè)從站之間的通訊；PA用于過程行業(yè)從站之間的通訊。由于Profibus開發(fā)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間早至十年前，限于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)水平，大多建立在IT網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，隨著應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大和用戶要求越來越高，現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)品只能在原有IT協(xié)議框架上進(jìn)行局部的修改和補(bǔ)充，以致在控制系統(tǒng)內(nèi)增加了很多的轉(zhuǎn)換單元（如各種耦合器），這為該產(chǎn) 品今后的進(jìn)一步發(fā)展帶來了一定的局限性。

　　3、HART（Highway Addressable Remote Tranducer可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路）美國Rosemount公司1989年推出，主要應(yīng) 用于智能變送器。HART為一過渡性標(biāo)準(zhǔn)，它通過在4-20mA電源信號(hào)線上疊加不同頻率的正弦波（2200HZ表“0"，1200HZ表“1"）來傳送數(shù)字信號(hào)，從而保證了數(shù)字系統(tǒng)和傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)的兼容性，預(yù)計(jì)其生命周期為最近20年。

　　4、CAN（Controller Area Network控制局域網(wǎng)絡(luò)）德國Bosch 6公司1993年推出，應(yīng)用于汽車監(jiān)控、開關(guān)量控制、制造業(yè) 等。介質(zhì)訪問方式為非破壞性位仲裁方式，適用于實(shí)時(shí)性要求很高的小型網(wǎng)絡(luò)，且開發(fā)工具廉價(jià)。Motorala、Intel、Philips 均生產(chǎn)獨(dú)立的CAN芯片和帶有CAN接口的80C51芯片。CAN型總線產(chǎn)品有AB公司的DeviceNet、臺(tái)灣研華的ADAM數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品等。

　　5、LonWorks（LON Local Operating System局部操作系統(tǒng)）美國Echelon公司1991年推出，主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化、工業(yè) 自動(dòng)化和電力行業(yè)等。LonTalk的全部7層協(xié)議，介質(zhì)訪問方式為P-P CSMA（預(yù)測(cè)P-堅(jiān)持載波監(jiān)聽多路復(fù)用），采用網(wǎng)絡(luò)邏輯地址尋址方式，優(yōu)先權(quán)機(jī)制保證了通訊的實(shí)時(shí)性，安全機(jī)制采用證實(shí)方式，因此能構(gòu)建大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。Echelon公司推出的Neuron神經(jīng)元芯片實(shí)質(zhì)為網(wǎng)絡(luò)型微控制器，該芯片強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊處理功能配以面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)通訊方式，大大降低了開發(fā)人員在構(gòu)造應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通訊方面所需花費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用，而可將精力集中在所擅長(zhǎng)的應(yīng)用層進(jìn)行控制策略的編制，因此業(yè)內(nèi)許多專家認(rèn)為LonWorks總線是一種很有希望的現(xiàn)場(chǎng)總線�；�LonWorks的總線產(chǎn)品有美國Action公司的Flexnet&Flexlink等。

　　1、要不要搞FCS在國外正蓬勃發(fā)展，我國工控界應(yīng)如何迎接自控領(lǐng)域這場(chǎng)變革的到來呢？這個(gè)問題可從分析我國工控業(yè)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀中找到答案。我國民族工控產(chǎn)品如PLC、DCS長(zhǎng)期落后于國外，根本原因是國外少數(shù)幾家大公司為保證其壟斷經(jīng)營的地位對(duì)其工控產(chǎn)品采用封閉式結(jié)構(gòu)，我國對(duì)其關(guān)鍵核心技術(shù)只有通過引進(jìn)消化后方可掌握，因此貽誤了市場(chǎng)時(shí)機(jī)而總是落后于人家，受制于人。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的開放性策略無疑為我國工控界在國際市場(chǎng)上的發(fā)展帶來了一個(gè)千載難逢的平等競(jìng)爭(zhēng)機(jī)遇，當(dāng)游戲規(guī)則的變更使大家站在同一起跑線上時(shí)，就看誰捷足先登，搶先占領(lǐng)市場(chǎng)，把握主動(dòng)權(quán)，最終領(lǐng)導(dǎo)市場(chǎng)。因此，我們應(yīng)當(dāng)緊緊抓住這一契機(jī)，率先推出有中國特色的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，開創(chuàng)中國自己的國際工控產(chǎn)品的名牌，從而翻開中國工控界發(fā)展的新篇章。

　　2、搞哪種FCS ?既然確定搞FCS，面對(duì)種類繁多的現(xiàn)場(chǎng)總線，應(yīng)該搞哪種呢？分析現(xiàn)場(chǎng)總線多樣性產(chǎn)生的原因，有助于理清這一思想。造成現(xiàn)場(chǎng)總線多樣性的局面，一是因?yàn)樾袠I(yè)習(xí)慣，如Profibus一直應(yīng)用于PLC行業(yè)，FF應(yīng)用于儀表行業(yè)；二是由于利益沖突，各工控廠商都不愿意放棄自己的標(biāo)準(zhǔn)而喪失已占用的市場(chǎng)份額。顯而易見，現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)完全統(tǒng)一尚為時(shí)過早。鑒于此，對(duì)于我國工控界的發(fā)展，建議采取以下策略：

　�。�1）短期目標(biāo)根據(jù)具體針對(duì)的行業(yè)特征，如樓宇自動(dòng)化、過程自動(dòng)化等，選擇這一領(lǐng)域有較好業(yè)績(jī)的一種（或兩種）現(xiàn)場(chǎng)總線，加以研究開發(fā)，一方面搶先推出自己有特色的產(chǎn)品，占領(lǐng)市場(chǎng)，產(chǎn)生應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)效益；另一方面在于重點(diǎn)掌握現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)和精髓，以不變應(yīng)萬變，萬一選用的總線沒能成為最終標(biāo)準(zhǔn)總線，由于各總線之間本質(zhì)的相通性，因此也能很快轉(zhuǎn)產(chǎn)到最終的標(biāo)準(zhǔn)總線。

　　針對(duì)樓宇自動(dòng)化行業(yè)，鑒于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線在該領(lǐng)域中突出的業(yè)績(jī)，我們開發(fā)研制出一種基于LonWorks通用網(wǎng)絡(luò)型智能控制器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品和可視圖形化控制組態(tài)平臺(tái)——Visual Control Configuration 。該套產(chǎn)品特色在于目前國外大多數(shù)LonWorks產(chǎn)品開發(fā)商仍停留在集成Echelon公司提供的Neuron C 編程環(huán)境階段，欲使用Neuron C 編制高效的控制應(yīng)用程序，不僅需要熟悉這種高級(jí)指令語言本身，而且必須對(duì)Neuron1芯片的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)器的地址空間分配等各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)有深入的了解和掌握，這對(duì)最終用戶和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員來說顯然是不現(xiàn)實(shí)的要求，可視圖形化控制組態(tài)平臺(tái)Visual Control Configuration很好地解決了這一問題，類似流程圖的圖形化表示方法，控制組態(tài)語言按照國際電工委員會(huì)IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)，將控制程序變?yōu)楣こ碳夹g(shù)人員所構(gòu)思的控制策略的圖形化映象，而圖元間的連接關(guān)系則表示控制算法的數(shù)據(jù)流程，有經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng) 控制技術(shù)人員無須專門培訓(xùn)即可在短期內(nèi)完成控制策略的編制，方便高效。目前，我們已在工程項(xiàng)目中應(yīng)用該控制組態(tài)軟件平臺(tái)Visual Control Configuration 和LonWorks 通用網(wǎng)絡(luò)智能控制器的節(jié)點(diǎn)，成功開發(fā)了南寧交通銀行的出入控制系統(tǒng)。