分布控制系統(DCS)的更新換代產品現場總線控制系統01系統定義國際標準化技術特征FF總線目錄030204基本信息現場總線控制系統（FieldbusControlSystem,FCS）是分布控制系統(DCS)的更新換代產品，并且已經成為工業生產過程自動化領域中一個新的熱點。現場總線技術是20世紀90年代興起的一種先進的工業控制技術，它將現今絡通信與管理的觀念引入工業控制領域。從本質上說，它是一種數字通信協議，是連按智能現場設備和自動化系統的數字式、全分散、雙向傳輸、多分支結構的通信絡。它是控制技術、儀表工業技術和計算機絡技術三者的結合，具有現場通信絡、現場設備互連、互操作性、分散的功能塊、通信線供電和開放式互連絡等技術特點。這些特點不僅保證了它完全可以適應工業界對數字通信和自動控制的需求，而且使它與Internet互連構成不同層次的復雜絡成為可能，代表了今后工業控制體系結構發展的一種方向。系統定義系統定義現場總線和現場總線控制系統的定義現場總線是順應智能現場儀表而發展起來的一種開放型的數字通信技術，其發展的初衷是用數字通信代替一對一的I/O連接方式，把數字通信絡延伸到工業過程現場。根據IEC和美國儀表協會ISA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、多分支結構的通信絡，它的關鍵標志是能支持雙向、多節點、總線式的全數字通信。隨著現場總線技術與智能儀表管控一體化(儀表調校、控制組態、診斷、報警、記錄)的發展，這種開放型的工廠底層控制絡構造了新一代的絡集成式全分布計算機控制系統，即現場總線控制系統(簡稱FCS)。FCS作為新一代控制系統，采用了基于開放式、標準化的通信技術，突破了DCS采用專用通信絡的局限；同時還進一步變革了DCS中“集散”系統結構，形成了全分布式系統架構，把控制功能徹底下放到現場。簡而言之，現場總線是把控制系統最基礎的現場設備變成絡節點連接起來，實現自下而上的全數字化通信，可以認為是通信總線在現場設備中的延伸，把企業信息溝通的覆蓋范圍延伸到了工業現場。技術特征技術特征傳統計算機控制系統中，現場儀表和控制器之間均采用一對一的物理連接。這種傳輸方式一方面要給現場安裝、調試及維護帶來困難，另一方面難以實現現場儀表的在線參數整定和故障診斷，無法實時掌握現場儀表的實際情況，使得處于最底層的模擬變送器和執行機構成了計算機控制系統中最薄弱的環節。如圖4.1，現場總線采用數字信號傳輸，允許在一條通信線纜上掛接多個現場設備，而不再需要A/D、D/A等I/O組件。當需要增加現場控制設備時，現場儀表可就近連接在原有的通信線上，無需增設其它任何組件。從結構上看，DCS實際上是“半分散”、“半數字”的系統，而FCS采用的是一個“全分散”、“全數字”的系統架構。FCS的技術特征可以歸納為以下幾個方面：①全數字化通信――現場信號都保持著數字特性，現場控制設備采用全數字化通信。②開放型的互聯絡――可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。③互可操作性與互用性――互操作性的含義是指來自不同制造廠的現場設備可以互相通信、統一組態；而互用性則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換而實現互用。④現場設備的智能化――總線儀表除了能實現基本功能之外，往往還具有很強的數據處理、狀態分析及故障自診斷功能，系統可以隨時診斷設備的運行狀態。⑤系統架構的高度分散性――它可以把傳統控制站的功能塊分散地分配給現場儀表，構成一種全分布式控制系統的體系結構。國際標準化國際標準化現場總線標準經歷了十多年的紛爭，1999年8月形成了一個由8個類型組成的IEC現場總線國際標準，分別是：TS、ControlNet、PROFIBUS、P－Net、FF－HSE、SwiftNet、WorldFIP和Interbus。IEC國際標準只是一種模式，它不改變各組織專有的行規，各種類型都是平等的，其中Type2～Type8需要對Type1提供接口，而標準本身不要求Type2～Type8之間提供接口，目的就是為了保護各自的利益。2001年8月制定出由10種類型現場總線組成的第三版現場總線標準，在原來8種現場總線基礎上增加FFH1和PROFInet。歸納起來，P－Net和SwiftNe是用于有限領域的專用現場總線，ControlNet、PROFIBUS、WorldFIP和Interbus是由PLC為基礎的控制系統發展起來的現場總線，FFH1和HSE是由傳統DCS發展起來的現場總線，總線功能較為復雜和全面，它們是IEC推薦的國際現場總線標準。在樓宇自控領域，Lonworks和CAN總線具有一定的優勢；在過程自動化領域，過渡型的HART協議也將是近期內智能化儀表主要的過渡通信協議。相比較而言，FF和PROFIBUS是過程自動化領域中最具競爭力的現場總線，它們得到了眾多著名自動化儀表設備廠商的支持，也具有相當廣泛的應用基礎。FF總線FF總線基金會現場總線按照基金會總線組織的定義，FF總線是一種全數字、串行、雙向傳輸的通信系統，是一種能連接現場各種現場儀表的信號傳輸系統，其最根本的特點是專門針對工業過程自動化而開發的，在滿足要求苛刻的使用環境、本質安全、總線供電等方面都有完善的措施。為此，有人稱FF總線為專門為過程控制設計的現場總線。在FF協議標準中，FF分為低速H1總線和高速H2總線。H1主要針對過程自動化，傳輸速率31.25Kbps，傳輸距離可達1900m（可采用中繼器延長），支持總線供電和本質安全防爆。高速總線協議H2主要用于制造自動化，傳輸速率分為1Mbps和2.5Mbps兩種。但原來規劃的H2高速總線標準已經被現場總線基金會所放棄，取而代之的是基于以太的高速總線HSE。FF總線的通信模型為了實現通信系統的開放性，FF通信模型參考了OSI模型，如圖4.2。H1總線的通信模型包括物理層、數據鏈路層、應用層，并在其上增加了用戶層。物理層采用了IEC-2的協議規范；數據鏈路層DLL規定如何在設備間共享絡和調度通信