現(xiàn)場總線縱橫談

沈德耀 金敏

　　摘  要：分析了現(xiàn)場總線產(chǎn)生的原因，闡述了現(xiàn)場總線的概念、體系結(jié)構(gòu)和 te點，給出了現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了為迎接現(xiàn)場總線這場自控領(lǐng)域內(nèi)的技shu變革應采取的對策，并結(jié)合實例說明了現(xiàn)場總線具體開發(fā)應用方法。
　　關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線；分布式體系結(jié)構(gòu)；通訊協(xié)議；開放性；可互操作性；LonWorks

一、引言

　　現(xiàn)場總線在控制領(lǐng)域嶄露頭角不過是zui近幾年，然而其來勢兇涌，且有愈演愈烈之趨勢。那么，究竟什么是現(xiàn)場總線？什 么是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)？現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)較之目前在工控界仍占主導地位的集散控制系統(tǒng)（DCS）有何 te點和優(yōu)點？在現(xiàn)場總 線標準尚未統(tǒng)一之前，能采用嗎？若欲采用，40多種現(xiàn)場總線，應選用哪一種？

　　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)場總線的成因；闡述現(xiàn)場總線的概念、體系結(jié)構(gòu)和 te點給出現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)狀；提出面對現(xiàn)場總線百家爭鳴的現(xiàn)狀應采取的對策；結(jié)合具體實例說明現(xiàn)場總線開發(fā)應用方法。

二、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生

　　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)推出都是針對老一代控制系統(tǒng)存在的缺陷而給出的解決方案，zui終在用戶需求和市場競爭兩大外因的推動下占領(lǐng)市場的主導地位，現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的產(chǎn)生也不例外
1、模擬儀表控制系統(tǒng)
　　模擬儀表控制系統(tǒng)于六七十年代占主導地位。其顯著缺點是：模擬信號精度低，易受干擾。
2、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)
　　集中式數(shù)字控制系統(tǒng)于七八十年代占主導地位。采用單片機、PLC、SLC或微機作為控制器，控制器內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信 號，因此克服了模擬儀表控制系統(tǒng)中模擬信號精度低的缺陷，ti gao了系統(tǒng)的抗干擾能力。集中式數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)點是易于根據(jù)全局情況進行控制計算和判斷，在控制方式、控制機時的選擇上可以統(tǒng)一調(diào)度和安排；不足的是，對控制器本身要求很高，bixu具有足夠的處理能力和ji高的可kao性，當系統(tǒng)任務(wù)增加時，控制器的效率和可kao性將急劇下降。3、集散控制系統(tǒng)（DCS）
　　集散控制系統(tǒng)（DCS）于八、九十年代占主導地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機用于集中監(jiān)視管理功能，若干臺下位機下放分散到現(xiàn)場實現(xiàn)分布式控制，各上下位機之間用控制網(wǎng)絡(luò)互連以實現(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)中對控制器處理能力和可kao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現(xiàn)正是得益于網(wǎng)絡(luò)技shu的發(fā)展和應用，遺憾的是，不同的DCS廠家為達到壟斷經(jīng)營 的目的而對其控制通訊網(wǎng)絡(luò)采用各自zhuan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)從該角度而言實質(zhì)是一種封閉zhuan用的、不具可互操作性的分布式控制系統(tǒng)且DCS造價昂貴。在這種情況下，用戶對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提出了開放化和降低成本的迫切要求。
4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）
　　FCS正是順應以上潮流而誕生，它用現(xiàn)場總線這一開放的，具有可互操作的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場各控制器及儀表設(shè)備互連，構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，同時控制功能徹底下放到現(xiàn)場，降低了安裝成本和維護費用。因此，F(xiàn)CS實質(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世紀控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。

三、現(xiàn)場總線及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
1、現(xiàn)場總線的概念
　　現(xiàn)場總線是將自動化zui底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場儀表設(shè)備互連的實時控制通訊網(wǎng)絡(luò)，遵循ISO的OSI開放系統(tǒng)互連參考模型的全bu或部分通訊協(xié)議。FCS則是用開放的現(xiàn)場總線控制通訊網(wǎng)絡(luò)將自動化zui底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場儀表設(shè)備互連的實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)
2、現(xiàn)場總線與局域網(wǎng)的區(qū)別
　�。�1）按功能比較，現(xiàn)場總線連接自動化zui底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場儀表設(shè)備，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖切∨�量�?shù)據(jù)信息，如檢測信息、狀態(tài)信息、控制信息等，傳輸速率低，但實時性高。簡而言之，現(xiàn)場總線是一種實時控制網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)用于連接局域區(qū)域的各臺計算機，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖谴笈�量的�?shù)字信息，如文本、聲音、圖像等，傳輸速率高，但不 要求實時性。從這個意義而言，局域網(wǎng)是一種高速信息網(wǎng)絡(luò)。
　�。�2）按實現(xiàn)方式比較現(xiàn)場總線可采用ge種通訊介質(zhì)，如雙絞線、電力線、光纖、無線、紅wai線等，實現(xiàn)成本低。局域網(wǎng)需 要zhuan用電纜，如同軸電纜、光纖等，實現(xiàn)成本高。
3、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示，zui底層的Infranet控制網(wǎng)即FCS，各控制器節(jié)點下放分散到現(xiàn)場，構(gòu)成一種徹底 的分布式控制體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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wai線等ge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)成一個完整的企業(yè) 網(wǎng)絡(luò)三ji體系結(jié)構(gòu)。

4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的 te點

　�。�1）開放性和可互操作性
　　開放性意味FCS將打破DCS大型廠家的壟斷，給中小企業(yè)發(fā)展帶來了平等競爭的機遇�？苫ゲ僮餍詫崿F(xiàn)控制產(chǎn)品的“即插即用”功能，從而使用戶對不同廠家工控產(chǎn)品有更多的選擇余地。
　�。�2）徹底的分散性
　　徹底的分散性意味著系統(tǒng)具有較高的可kao性和靈活性，系統(tǒng)很容易進行重組和擴建，且易于維護。
　�。�3）低成本
　　衡量一套控制系統(tǒng)的總體成本，不jin考慮其造價，而且應該考察系統(tǒng)從安裝調(diào)試到運行維護整個生命周期內(nèi)總投入。相對DCS而言，F(xiàn)CS開放的體系結(jié)構(gòu)和OEM技shu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1模擬信號傳輸方 式變?yōu)?對N的數(shù)字信號傳輸方式，節(jié)省了模擬信號傳輸過程中大量的A/D、D/A轉(zhuǎn)換裝置、布線安裝成本和維護費用。因此從總體上來看，F(xiàn)CS的成本大大低于DCS的成本。
　　可以說，開放性、分散化和低成本是現(xiàn)場總線zui顯著的三大 te征，它的出現(xiàn)將使傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)產(chǎn)生劃時代的變革，這場變革的深du和廣度將超過歷史上任he一次變革，bi將開創(chuàng)自動控制的新紀元。

四、現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)狀

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

　　1、FF（Foundation Fieldbus現(xiàn)場基金會總線）由美國儀器協(xié)會（ISA）1994推出，代表公司有Honeywell和Fisher-Rosemount，主要應用于石油化工、連續(xù)工業(yè)過程控制中的儀表。FF的 te色是其通訊協(xié)議在ISO的OSI物理層、數(shù)據(jù)鏈路 層和應用層3層之上附加了用戶層，通過對象字典OD（Object Dictionary）和設(shè)備描述語言DDL（Device Description Language）實現(xiàn)可互操作性。目前基于FF的現(xiàn)場總線產(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)，F(xiàn)isher-Rosemount推出的PlantWeb。

　　2、Profibus（Process Fieldbus）德國西門子公司1987年推出，主要應用于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)場總線產(chǎn)品開發(fā)時間早至 十年前，限于當時計算機網(wǎng)絡(luò)水平，大多建立在IT網(wǎng)絡(luò)標準基礎(chǔ)上，隨著應用領(lǐng)域不斷擴大和用戶要求越來越高，現(xiàn)場總線的 產(chǎn)品只能在原有IT協(xié)議框架上進行局部的修改和補充，以致在控制系統(tǒng)內(nèi)增加了很多的轉(zhuǎn)換單元（如ge種耦合器），這為該產(chǎn) 品今后的進一步發(fā)展帶來了一ding的局限性。

　　3、HART（Highway Addressable Remote Tranducer可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路）美國Rosemount公司1989年推出，主要應 用于變送器。HART為一過渡性標準，它通過在4-20mA電源信號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，從而bao證了數(shù)字系統(tǒng)和傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)的兼容性，預計其生命周期為zui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，適用于實時性要求很高的小型網(wǎng)絡(luò)，且開發(fā)工具廉價。Motorala、Intel、Philips 均生產(chǎn)du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，主要應用于樓宇自動化、工業(yè) 自動化和電力行業(yè)等。LonTalk的全bu7層協(xié)議，介質(zhì)訪問方式為P-P CSMA（預測P-堅持載波監(jiān)聽多路復用），采用網(wǎng)絡(luò)邏輯地 址尋址方式，優(yōu)先權(quán)機制bao證了通訊的實時性，an全機制采用證實方式，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)元芯片實質(zhì)為網(wǎng)絡(luò)型微控制器，該芯片強大的網(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)造應用網(wǎng)絡(luò)通訊方面所需花費的時間和費用，而可將精力集中在所擅長的應用層進行控制策略的編制，因此業(yè)內(nèi)許多專家認為LonWorks總線是一種很有希望的現(xiàn)場總線�；�于LonWorks的總線產(chǎn)品有美國Action公司的Flexnet&Flexlink等。

五、我們的對策

　　1、要不要搞FCS在國外正蓬勃發(fā)展，我國工控界應如何迎接自控領(lǐng)域這場變革的到來呢？這個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長期落后于國外，根本原因是國外少數(shù)幾家大公司為bao證其壟斷經(jīng)營的地位對其工控產(chǎn)品采用封閉式結(jié)構(gòu)，我國對其關(guān)鍵核心技shu只有通過引進消化后方可掌握，因此貽誤了市場時機而總是落后于人家，受制于人�，F(xiàn)場總線技shu的開放性策略無疑為我國工控界在guoji市場上的發(fā)展帶來了一個千載難逢的平等競爭機遇，當游戲規(guī)則的變更使大家站在同一起跑線上時，就看誰捷足先登，搶先占領(lǐng)市場，把握主動權(quán)，zui終領(lǐng)導市場。因此，我們應當緊緊抓住這一契機，率先推出有中國 te色的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，開創(chuàng)中國自己的guoji工控產(chǎn)品的 名pai，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，面對種類繁多的現(xiàn)場總線，應該搞哪種呢？分析現(xiàn)場總線多樣性產(chǎn)生的原因，有助于理清這一思想。造成現(xiàn)場總線多樣性的局面，一是因為行業(yè)習慣，如Profibus一直應用于PLC行業(yè)，F(xiàn)F應用于儀表行業(yè)；二是由于利益沖突，各工控廠商都不愿意放棄自己的標準而喪失已占用的市場份額。顯而易見，現(xiàn)場總線標準完全統(tǒng)一尚為時過早。鑒于此，對于我國工控界的發(fā)展，建議采取以下策略：

　　（1）短期目標根據(jù)具體針對的行業(yè) te征，如樓宇自動化、過程自動化等，選擇這一領(lǐng)域有較好業(yè)績的一種（或兩種）現(xiàn)場總線，加以研究開發(fā)，一方面搶先推出自己有 te色的產(chǎn)品，占領(lǐng)市場，產(chǎn)生應用價值和社會效益；另一方面在于重點掌握現(xiàn)場總線的本質(zhì)和精髓，以不變應萬變，萬一選用的總線沒能成為zui終標準總線，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zui終的標準總線。

　　（2）長期目標掌握各總線的精髓后，揚長避短，制定中國自己的現(xiàn)場總線標準，振興中國民族工控業(yè)。

六、開發(fā)實例

　　針對樓宇自動化行業(yè)，鑒于LonWorks現(xiàn)場總線在該領(lǐng)域中突出的業(yè)績，我們開發(fā)研制出一種基于LonWorks通用網(wǎng)絡(luò)型控制器節(jié)點產(chǎn)品和可視圖形化控制組態(tài)平臺——Visual Control Configuration 。該套產(chǎn)品 te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gao效的控制應用程序，不jin需要熟悉這種高ji指令語言本身，而且bixu對Neuron1芯片的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)、存儲器的地址空間分配等各個技shu環(huán)節(jié)有深入的了解和掌握，這對zui終用戶和現(xiàn)場技shu人員來說顯然是不現(xiàn)實的要求，可視圖形化控制組態(tài)平臺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guoji電工委員會IEC1131-3標準，將控制程序變?yōu)楣こ碳約hu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)驗的現(xiàn)場 控制技shu人員無須專門培訓即可在短期內(nèi)完成控制策略的編制，方便gao效。目前，我們已在工程項目中應用該控制組態(tài)軟件平臺Visual Control Configuration 和LonWorks 通用網(wǎng)絡(luò)控制器的節(jié)點，成功開發(fā)了南寧交通銀行的出入控制系統(tǒng)。

七、結(jié)束語

　　現(xiàn)場總線的時代即將來臨，讓我們以熱情和主動的姿態(tài)迎接這場世紀之交的機遇和挑戰(zhàn)。