控制网

        目前，现场总线及FCS是自控领域中的热点，正受到国内外自动化设备制造商与用户越来越强烈的关注，并以迅猛的势头快速发展，是当今世界最新最先进的控制系统。FCS脱胎于DCS，它不但继承DCS一系列优点，并且有所发展和创新。凭借着现场总线技术的本质：信息处理现场化，FCS将一直以来束缚DCS底层设备之间无法进行通信的瓶颈彻底解决。所以，FCS很好地解决了DCS自动化孤岛这一技术难题。可以说数字通信网络走向工厂底层，现场仪表的智能化等技术发展趋势必然导致了现场总线和FCS的诞生^[1]。它们的出现应该是过程控制领域的新一轮革命，其深度和广度将超过历史的任何一次。

        现场总线是用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它不仅是一个基层通信网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。现场总线技术是一种集计算机技术、网络通信技术、集成电路技术于一身的新兴控制技术，诞生于上世纪80年代中期。随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展。现场总线可实现整个企业的信息集成，实施综合自动化，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义，现场总线是一种应用于现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点通信的通信网络。多节点指的是现场设备或仪表装置，如传感器、变送器、执行器和现场智能I/O等等，它们不是传统的接收或传送信号的现场仪表，而是具有综合功能的智能仪表。一般说来，变送器除具有传统的测量功能外，还具有温度补偿、函数变换和PID等控制运算功能；调节阀除具有信号驱动和输出执行功能外，还具有输出补偿、自校验和自诊断功能。

        与开放式互连（OSI）参考模型比较现场总线物理结构没有网络层到表示层（即第3~6层），只有物理层、数据链路层和应用层(图1)，除此之外，考虑到现场装置的测试功能与互操作性，现场总线基金会(FF)还增加了用户层。每个协议层完成各自一套功能，报文在这些层之间被解析。

        物理层提供机械的、电器的、功能性和规范性，用以在数据链路实体间建立、维护和拆除物理连接。物理层包含报文传输的物理介质，一般是导线，物理层定义了数据通讯信号的大小、波形、最大节点数量、所用导线的类型和数据传输速率^[2]。如FF对低速现场总线H1规定：通讯速度31.25Kpbs，总线不供电可带32个装置，总线供电可带12个装置，总线供电本安时只能带6个现场装置；采用#18、#2和#26AWG导线时总长度分别可达1900m、1200m和400m；总线的典型响应时间为1mS。

        数据链路层的功能是保证数据的完整性并决定何时与谁对话，数据链路并不解释传输的数据，它仅仅在物理层和它的上一层之间传递数据，其帧格式通常为：

 

         图1  现场总线通信协议物理结构

        数据链路层分为两个子层：媒体存取控制子层、逻辑链路控制子层，前者用来实现对总线媒体的通信管理，并检测传输路线的异常情况；后者是在节点间用来对数据帧的发送、接受进行控制，并实现传输校验与差错控制。一般发送设备中的每个层都在原始的报文上增加一段信息，这些信息在接收设备的对应层中被剥离。例如，数据链路层增加的目的地地址在接收设备的数据链路层中被移去。

        应用层的主要任务是实现现场总线的命令、响应、数据或事件信息的控制。它分为两个子层，一个为用户层提供服务，由现场总线信息规范所定义；一个与数据链路层连接，称为现场总线访问子层（FAS），它弥补了被省略的网络层到表示层中的某些通信服务。

用户层位于应用层之上，是一些数据或信息查询的应用软件，它将通信命令传送到应用层。在用户层，规定了标准的“功能模块”，并使用设备描述语言为用户组态提供接口。设备描述实际上是装置的一个驱动器，它包含所有必要的参数描述和连接所需的操作步骤。这样，尽管不同厂家定义的功能模块在算法、编程及运行特性上可能完全不同，但对其功能模块的特性描述、参数设定及相互联系的方法是公开统一的，即对用户是透明的，从而保证了现场装置可实现真正互操作。

2 FCS与DCS的对比分析  

        DCS的每个现场装置到控制室都需要使用一对一专用的双绞线，以传递4-20mA模拟量信号。现场的各个装置(传感器、变送器、执行器)等之间无法进行信息通讯，是彼此独立的“信息孤岛”。当前，随着工业生产规模不断扩大、生产过程日益复杂，传统的DCS阻碍了企业全方位多角度的信息化管理与控制。处于企业生产过程最底层的“信息孤岛”制约了企业生产各模块之间以及与外界的信息交互，是企业信息集成发展道路上的巨大障碍。

基于现场总线的控制系统就是FCS，它是现场总线技术的应用与拓展。FCS的每个现场装置到接线盒的双绞线仍然使用，但是从现场接线盒到中央控制室仅用一对双绞线完成数字通信。它很好的解决了传统过程控制系统中的“信息孤岛”这一技术难题，推动了企业信息化、集成化的发展。FCS较DCS的结构对比如图2所示。

                     图2 DCS与FCS的结构

        FCS是在DCS的基础上发展起来的，它不但继承了DCS的集中管理、集中操作与功能分散、危险分散的优点，并且有所发展和创新，适应了自动化发展的要求。与DCS相比FCS有以下几个优势：                                                                                                                                                                                                                                                                                                

（1）现场通信网络；现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场仪表或现场设备互连的现场通信网络，是CIPS/CIMS的最底层，而DCS的通信网络截至于控制站或输入输出单元。在FCS中，各现场设备之间通过现场总线相连，彼此可以相互通信联络，从而解决了DCS的信息孤岛这一技术难题。

（2）一对N的结构；一对传输线(现场总线)可以挂接N台现场设备，双向传输多个数字信号，N取决于现场控制回路的性质。这种结构比DCS一对一的单向模拟信号传送结构布线简单，安装费用低、维护更方便^[3]。

（3）彻底的分散控制功能模块；由于采用了具有综合功能的智能仪表，现场总线将控制功能由传统的控制站下放到现场仪表设备中，做到了彻底的分散控制功能，提高了系统的灵活性和自治性。

（4）完全开放式系统；现场总线的技术和标准是公开的，因此现场总线为开放式互联网络系统，既可以与同层网络互连，也可以与不同层网络互连。不同厂家的网络产品可以集成在同一现场总线控制系统中，只要他们遵守相同的通信协议，就可以实现各层网络之间的信息交流。

（5）更好的兼容性与互操作性；用户可以自由地选择符合自己要求的不同生产厂家按同一标准生产的不同性能价格比的产品，将不同产品集成到自己的控制系统中，由于不同厂家的仪表在组态方式、功能结构上相同，因此具有完全的兼容性、可替代性和互操作性，即使某个仪表发生故障，也能随时选择其他厂家的产品予以更换，真正实现“即插即用”。

（6）更高的可靠性；现场总线采用全数字化处理和数字通讯技术，大大提高了现场装置的信号测控精度，以及信号传输的抗干扰能力，从而可提高系统测控的可靠性和稳定性。

        现场总线技术的研究启始于20世纪80年代，90年代逐步走向实用化。到目前为止国际上已经出现了多种现场总线通信协议，包括CAN, Lon Works, Profibus, HART, FF等。由于各大公司努力维护既得利益，希望在竞争中保持并扩大自身的市场份额，目前统一的现场总线技术标准尚难以确立，多种现场总线协议共存估计还要继续很长一段时间,这给现场总线技术的应用和发展带来了很多困难。下面对几种典型现场总线作简要的介绍。

        CAN (Control Area Network)控制局域网，是由德国Bosch汽车公司在1983～1985年推出的。其最初设计目的是为汽车和控制的车间级设备提供数据通路，而后由于Intel公司的加入，使得CAN在技术上更加成熟。CAN具有可靠性强、支持多处理器，链路简单、支持优先级处理等优点。CAN的通信速率为1Mbps (40m)和5kbps(10km)，节点数达到110个，传输介质为双绞线和光纤。此外，CAN还具有以下特点 ：(1)其物理层类似于RS-485；(2)有效字长不超过8位，传输快；(3)有很强的容错能力，抗干扰性强，传输安全性高；(4)提供多种接口标准，适用广泛。由于以上优点，CAN已在火力发电、石油化工、冶金等领域有了广泛的应用。CAN也是最早在我国得到应用的现场总线。现在基于CAN协议，又开发出了新一代的现场总线，如Rockwell公司(实际上是Allen-Brandley公司)开发的DeviceNet, Honeywell公司推出的SDS总线等，都具有良好的性能。

        由西门子支持的Profibus，作为德国国家DIN19245现场总线标准，也是欧洲EN50170标准之一，已成为大多欧洲过程控制厂商所普遍接受的标准。其系列有用于自动化系统和分散外设间高速数据传输的Profibus-DP,适用于一般自动化的Profibus-FMS和用于过程自动化的Profibus-PA。Profibus-PA用于自动化系统和分散的现场设备的互连，其数据传输遵从IEC 1158-2标准。Profibus己渗透进石油、化工和酿造行业。

        FF现场总线基金会是国际公认的不附属于某企业的公正的非商业化的国际标准化组织，其宗旨是制订统一的国际现场总线标准，无专利许可要求，供任何人使用。FF承诺全部遵从IEC61158标准。网络拓朴结构可采用总线型和树型，信息编码方式是曼彻斯特编码。为了确保互用性，用户应用层定义了资源块、功能块和探头块等标准块，和相关设备说明描述。FF现场总线分为两种：FF Hl(低速现场总线)和FF H2(高速现场总线)。FF Hl主要用于如温度、料位和流量等控制场合，FF H2通常应用于先进的过程控制、远程I/0和要求高速工厂自动化的场合。但是，在1998年4月FF现场总线基金会宣布FF H2现场总线技术作废，FF H2将来的发展将基于高速以太网技术。FF现场总线已获得120多个控制厂商(如Honeywell. Fisher-Rosemount等)的支持，已经在北美、南美和亚洲取得了显著的进步。

        HART是可寻址远程传感器数据通路(Highway Addressable Remote Transducer)的缩写。最早由Rosemount公司开发，得到80多家仪表公司的支持，并于1993年成立了HART通信基金会。HART协议参考了OSI参考模型的物理层、数据链路层和应用层。HART工作方式有点―点式或全数字式。点―点式是在4-20mA的模拟信号上叠加FSK数字信号，不影响4-20mA的信号；全数字式的优点是可连15台仪表，减少了投入^[4]。

        为了在中国仪器仪表行业发展现场总线技术，国家计委将“现场总线智能仪表开发研究”列为九五国家重点科技攻关项日，国家机械工业局、教育部和中科院组织力量对HART、FF等现场总线展开研究和开发。目前已经取得了阶段性成果，HART仪表已经开始投入使用，FF仪表也即将投入试用。我国已成为世界上少数几个掌握现场总线协议技术的国家^[5]。

        现场总线及FCS在我国运用发展10多年来，在电力、化工、冶金、供水、石油等行业，都有很多应用实例。吉林甲醇厂化工/甲醇生产过程控制、滨州化工厂自备电厂锅炉控制、扬子石化硫磺回收控制、安庆炼油厂硫磺回收/富液再生控制等。但就应用的整体情况而言，系统的规模都比较小(控制回路小于100路、监测点数小于400点)、控制回路的结构也比较简单；就发展的速度来说，FCS的应用推广速度比预料的要慢。毕竟，DCS发展应用多年，且技术成熟、产品门类齐全、功能强大、价格适中；而FCS虽然技术上先进，但起步晚，产品类型少且价格较高，现场总线标准不统一，使用者一次性投入的费用较高，此外FCS的传输速率及适时性不高都是制约其发展的因素。彻底摈弃DCS而发展FCS也是不符合实际情况的，所以，今后很长一段时间内两者的关系是彼此相互结合，从而取彼之长补己之短。

关于DCS与FCS技术及应用，笔者认为应注意以下几个方面:

(1)今后工业自动控制系统向开放型体系结构发展是大势所趋，由现场总线I/O器件为主构成的彻底分散控制系统的发展很可能成为自动化控制系统的主流，即FCS取代DCS是必然趋势。过程控制的三级递阶分层结构 (管理级、监控级、现场级) 将演变成二级 (管理级、现场控制级)。FCS代表目前自动化控制技术的发展方向，不宜过多的研究开发DCS，要转移研究的重点至FCS。

(2)考虑到国内已投人运行的大机组大部分已采用DCS的实际情况，可以在新建小型机组及老机组改造项日中做试点，有计划地应用FCS，以积累经验。在那些大型的自动化系统要求较高的新建项目中要充分考虑FCS的使用。

(3)国家应加大开发与企业自动化有关的软硬件的力度，做好FCS应用的配套工作，充分发挥其效能。

(4)现场总线的标准必然趋于统一，局部集中的体系机构+以太网+TCP/IP+OPC Server 是符合现场总线统一国际标准的唯一途径，应该加强这方面研究开发的力度，尽快实现总线协议标准的统一。

(5)现场总线的通信速度及适时性问题是目前和今后要重点解决的问题，也是研究开发的热点。

(6)目前现场总线的组态比较复杂，需要组态的参数多，各参数之间的关系复杂，因而很难将系统设置到最佳状态。系统组态傻瓜化将是各制造商必须解决的技术问题。

        现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。现场总线及FCS的应用和发展，在自控领域掀起了新一轮革命。目前，虽说FCS还不太完善，还存在着许多问题，这仅是暂时的，结合以太网、通讯技术，现场总线及FCS将会取得越来越广阔的发展前景。

 

参考文献

 [1] 阳宪惠，现场总线技术及应用[M]。清华大学出版社，1999.6

 [2] Jonas Berge，Fieldbuses for Process Control：Engineering,Operation,and Maintenance[M]，2003

 [3] 程晓琳，徐用懋，FCS选型及与DCS的集成[J]，工业控制计算机，2000年13卷第2期

[4] 翟永盛，现场总线―DSC发展趋势[C]，电力系统自动化网

[5] 杨宁，赵玉刚，集散控制系统及现场总线[M]，北京航空航天大学出版社，2003.9