一文讀懂現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

在過程控制領(lǐng)域中，從20世紀(jì)50年代至今一直都在使用著一種信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，那就是4~20mA的模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)70年代，數(shù)字式計(jì)算機(jī)引入到測(cè)控系統(tǒng)中，而此時(shí)的計(jì)算機(jī)提供的是集中式控制處理。20世紀(jì)80年代微處理器在控制領(lǐng)域得到應(yīng)用，微處理器被嵌入到各種儀器設(shè)備中，形成了分布式控制系統(tǒng)。在分布式控制系統(tǒng)中，各微處理器被指定一組特定任務(wù)，通信則由一個(gè)帶有附屬“網(wǎng)關(guān)”的專有網(wǎng)絡(luò)提供，網(wǎng)關(guān)的程序大部分是由用戶編寫的。

隨著微處理器的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了以IC代替常規(guī)電子線路，以微處理器為核心，實(shí)施信息采集、顯示、處理、傳輸及優(yōu)化控制等功能的智能設(shè)備。一些具有專家輔助推斷分析與決策能力的數(shù)字式智能化儀表產(chǎn)品，其本身具備了諸如自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、自動(dòng)調(diào)零、自校正、自診斷等功能，還能提供故障診斷、歷史信息報(bào)告、狀態(tài)報(bào)告、趨勢(shì)圖等功能。通信技術(shù)的發(fā)展，促使傳送數(shù)字化信息的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，基于質(zhì)量分析的維護(hù)管理、與安全相關(guān)系統(tǒng)的測(cè)試的記錄、環(huán)境監(jiān)視需求的增加，都要求儀表能在當(dāng)?shù)靥幚硇畔?，并在必要時(shí)允許被管理和訪問，這些也使現(xiàn)場(chǎng)儀表與上級(jí)控制系統(tǒng)的通信量大增。另外，從實(shí)際應(yīng)用的角度，控制界也不斷在控制精度、可操作性、可維護(hù)性、可移植性等方面提出新需求。由此，導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生。

現(xiàn)場(chǎng)總線就是用于現(xiàn)場(chǎng)智能化裝置與控制室自動(dòng)化系統(tǒng)之間的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字式通信鏈路，可進(jìn)行全數(shù)字化、雙向、多站總線式的信息數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)相互操作以及數(shù)據(jù)共享?，F(xiàn)場(chǎng)總線的主要目的是用于控制、報(bào)警和事件報(bào)告等工作?，F(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議的基本要求是響應(yīng)速度和操作的可預(yù)測(cè)性的最優(yōu)化?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一個(gè)低層次的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在其之上還允許有上級(jí)的監(jiān)控和管理網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)文件傳送等工作。現(xiàn)場(chǎng)總線為引入智能現(xiàn)場(chǎng)儀表提供了一個(gè)開放平臺(tái)，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制系統(tǒng)（FCS），將是繼DCS后的又一代控制系統(tǒng)。

01現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線打破了傳統(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)備連線，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、開關(guān)、馬達(dá)之間均為一對(duì)一的物理連接。

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(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)備具有通信能力，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?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)（如DCS）結(jié)構(gòu)對(duì)比如下圖所示。

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)，如運(yùn)行參數(shù)值、多個(gè)設(shè)備狀態(tài)、故障信息等，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)換器件。這樣就為簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬件設(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。下表為FCS與DCS的詳細(xì)對(duì)比。

02現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)

（1）系統(tǒng)的開放性

開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現(xiàn)信息交換，現(xiàn)場(chǎng)總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。一個(gè)開放系統(tǒng)，它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個(gè)具有總線功能的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開放的，開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶，用戶可按自己的需要和對(duì)象把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。

（2）互可操作性與互用性

這里的互可操作性，是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實(shí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互用。

（3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性

它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性

由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能，使得現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

（5）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性

工作在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專為在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工作而設(shè)計(jì)的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。

03、現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)

由于現(xiàn)場(chǎng)總線的以上特點(diǎn)，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。

（1）節(jié)省硬件數(shù)量與投資

由于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報(bào)警和計(jì)算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的控制器、計(jì)算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控PC機(jī)作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設(shè)備的減少，還可減少控制室的占地面積。

（2）節(jié)省安裝費(fèi)用

現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的接線十分簡(jiǎn)單，由于一對(duì)雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個(gè)設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備時(shí)，無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計(jì)、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測(cè)算資料，可節(jié)約安裝費(fèi)用60%以上。

（3）節(jié)約維護(hù)開銷

由于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過數(shù)字通信將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護(hù)停工時(shí)間，同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、連線簡(jiǎn)單而減少了維護(hù)工作量。

（4）用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)

用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品被“框死”了設(shè)備的選擇范圍，不會(huì)為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過程中的主動(dòng)權(quán)完全掌握在用戶手中。

（5）提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性

由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號(hào)相比，它從根本上提高了測(cè)量與控制的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)；減少了信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

此外，由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和功能模塊化，因而還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。

▊《現(xiàn)場(chǎng)總線及其應(yīng)用技術(shù) 第3版》

李正軍 李瀟然 編著

本書從科研、教學(xué)和工程應(yīng)用出發(fā)，理論聯(lián)系實(shí)際，全面、系統(tǒng)地介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，力求所講內(nèi)容具有較強(qiáng)的可移植性、先進(jìn)性、系統(tǒng)性、應(yīng)用性、資料開放性，起到舉一反三的作用。全書共分9章，主要內(nèi)容包括：現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)概述、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、CAN FD現(xiàn)場(chǎng)總線與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線、CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線與開發(fā)應(yīng)用、DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)，以及基于現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)的新型DCS的設(shè)計(jì)。全書內(nèi)容豐富，體系先進(jìn)，結(jié)構(gòu)合理，理論與實(shí)踐相結(jié)合，尤其注重工程應(yīng)用技術(shù)。本書是在作者教學(xué)與科研實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)30多年的發(fā)展歷程編寫而成的，書中詳細(xì)地介紹了作者在現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的最新科研成果，給出了大量的應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例。適合從事現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員作為參考書，同時(shí)也可作為高等院校各類自動(dòng)化、機(jī)器人、自動(dòng)檢測(cè)、機(jī)電一體化、人工智能、電子與電氣工程、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、信息工程等專業(yè)的本科及研究生教材。

撰稿人：張璐? ?責(zé)任編輯：李馨馨? ? 審核人：時(shí)靜