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    現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)

    1. 現(xiàn)場(chǎng)總線的歷史和發(fā)展

    現(xiàn)場(chǎng)總線是20世紀(jì)80年代中期在國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的。隨著微處理器與計(jì)算機(jī)功能的不斷增強(qiáng)和價(jià)格的急劇下降，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，而處于生產(chǎn)過(guò)程底層的測(cè)控自動(dòng)化系統(tǒng)，采用一對(duì)一聯(lián)機(jī)，用電壓、電流的模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量控制，或采用自封閉式的集散系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自動(dòng)化系統(tǒng)成為“信息孤島”。要實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的信息集成，要實(shí)施綜合自動(dòng)化，就必須設(shè)計(jì)出一種能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境運(yùn)行的、性能可靠、造價(jià)低廉的通訊系統(tǒng)，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通訊，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與外界的信息交換?，F(xiàn)場(chǎng)總線就是在這種實(shí)際需求的驅(qū)動(dòng)下應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生的。它作為過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇、交通等領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備之間的互連通信網(wǎng)絡(luò)，溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，為徹底打破自動(dòng)化系統(tǒng)的信息孤島創(chuàng)造了條件。

    由于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)質(zhì)上并未統(tǒng)一，所以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的定義也是各有各的定義。下面給出的是現(xiàn)場(chǎng)總線的兩種有代表性的定義。

    (l) ISA SP50中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的定義?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一種串行的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通訊鏈路，它溝通了過(guò)程控制領(lǐng)域的基本控制設(shè)備(即場(chǎng)地級(jí)設(shè)備)之間以及與更高層次自動(dòng)控制領(lǐng)域的自動(dòng)化控制設(shè)備(即車間級(jí)設(shè)備)之間的聯(lián)系。

    這里的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備指最底層的控制監(jiān)測(cè)、執(zhí)行和計(jì)算設(shè)備，包括傳感器、控制器、智能閥門、微處理器和內(nèi)存等各種類型的儀表產(chǎn)品。

    (2)根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì) IEC標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì) FF的定義：現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)路?，F(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)含義表現(xiàn)在以下6個(gè)方面：

    a)現(xiàn)場(chǎng)通訊網(wǎng)路：用于過(guò)程以及制造自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互連的通訊網(wǎng)路。

    b)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表是指?jìng)鞲衅鳌⒆兯推骱蛨?zhí)行器等，這些設(shè)備通過(guò)一對(duì)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(jù)需要因地制宜地選擇不同類型的傳輸介質(zhì)。

    c)互操作性：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表種類繁多，沒(méi)有任何一家制造商可以提供一個(gè)工廠所需的全部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，所以，互相連接不同制造商的產(chǎn)品是不可避免的。用戶不希望為選用不同的產(chǎn)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(jià)格比最優(yōu)的產(chǎn)品，并將其集成在一起，實(shí)現(xiàn)“即接即用；用戶希望對(duì)不同品牌的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成他所需要的控制回路。這些就是現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備互操作性的含義?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連是基本的要求，只有實(shí)現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。例如，流量變送器不僅具有流量信號(hào)變換、補(bǔ)償和累加輸入模塊，而且有PID控制和運(yùn)算功能塊。調(diào)節(jié)閥的基本功能是信號(hào)驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行，還內(nèi)含輸出特性補(bǔ)償模塊，也可以有PlD控制和運(yùn)算模塊，甚至有閥門特性自檢驗(yàn)和自診斷功能。由于功能塊分散在多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)，供用戶靈活選用各種功能塊，構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制。

    e)通訊線供電：通訊線供電方式允許現(xiàn)場(chǎng)儀表直接從通訊線上攝取能量，對(duì)于要求本征安全的低功耗現(xiàn)場(chǎng)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(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有可燃性物質(zhì)，所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都必須嚴(yán)格遵循安全防爆標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備也不例外。

    f)開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)場(chǎng)總線為開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)，它既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的共享。不同制造商的網(wǎng)絡(luò)互連十分簡(jiǎn)便，用戶不必在硬件或軟件上花太多氣力。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，把不同廠商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的FCS。

    2. 現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) : 現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ ISO）制定的開(kāi)放系統(tǒng)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(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳送層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了每一層的功能以及對(duì)上一層所提供的服務(wù)。從OSI模式的角度來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)總線將上述七層簡(jiǎn)化成三層，分別由OSI參考模式的第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層，第七層應(yīng)用層組成。如圖1-2所示。

圖 1-2 現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)

    現(xiàn)場(chǎng)總線主要特點(diǎn)是使底層的控制部件、設(shè)備更加智能化，把在傳統(tǒng)DCS中的控制功能，下移到現(xiàn)場(chǎng)儀表。在此，現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)通訊起了重要作用?，F(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)模型現(xiàn)統(tǒng)一為４層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層和用戶層。省略了一般網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的3~6（表達(dá)層、會(huì)話層、傳遞層和網(wǎng)絡(luò)層）.

    現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對(duì)一的設(shè)備聯(lián)機(jī)，按控制回路分別進(jìn)行連接。位于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與位于現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器、開(kāi)關(guān)、馬達(dá)之間均為一對(duì)一的物理連接。

    現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，能夠把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有通訊能力，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號(hào)，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。Devicenet正是目前幾十種現(xiàn)場(chǎng)總線中得到廣泛應(yīng)用的一種。

    由于采用數(shù)字信號(hào)替代模擬信號(hào)，因而可實(shí)現(xiàn)一對(duì)電線上傳輸多個(gè)信號(hào)(包括多個(gè)運(yùn)行參數(shù)值、多個(gè)設(shè)備狀態(tài)、故障信息)，同時(shí)又為多個(gè)設(shè)備提供電源；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以外不再需要模擬／數(shù)字、數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換部件。這樣就為簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬設(shè)備、節(jié)約連接電纜與各種安裝、維護(hù)費(fèi)用創(chuàng)造了條件。