現場總線技術的發(fā)展歷程及基本概念

控制系統(tǒng)的發(fā)展以及現場總線的產生

隨著科學技術的快速發(fā)展，過程控制領域在過去的兩個世紀里發(fā)生了巨大的變革。150多年前出現的基于5－13psi的氣動信號標準（PCS，Pneumatic Control System氣動控制系統(tǒng)），標志著控制理論初步形成，但此時尚未有控制室的概念；20世紀50年代，隨著基于0－10mA或4－20mA的電流模擬信號的模擬過程控制體系被提出并得到廣泛的應用，標志了電氣自動控制時代的到來，三大控制論的確立奠定了現代控制的基礎，設立控制室、控制功能分離的模式也一直沿用至今；20世紀70年代，隨著數字計算機的介入，產生了“集中控制”的中央控制計算機系統(tǒng)，而信號傳輸系統(tǒng)大部分是依然沿用4－20mA的模擬信號，不久人們也發(fā)現了伴隨著“集中控制”，該系統(tǒng)存在著易失控、可靠性低的缺點，并很快將其發(fā)展為分布式控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System分布式控制系統(tǒng)）；微處理器的普遍應用和計算機可靠性的提高，使分布式控制系統(tǒng)得到了廣泛的應用，由多臺計算機和一些智能儀表以及智能部件實現的分布式控制是其最主要的特征，而數字傳輸信號也在逐步取代模擬傳輸信號。隨著微處理器的快速發(fā)展和廣泛的應用，數字通信網絡延伸到工業(yè)過程現場成為可能，產生了以微處理器為核心，使用集成電路代替常規(guī)電子線路，實施信息采集、顯示、處理、傳輸以及優(yōu)化控制等功能的智能設備。設備之間彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可維護性等都有更高的要求。由此，導致了現場總線的產生。

現場總線的實質和優(yōu)點

1984年，現場總線的概念得到正式提出。IEC（International Electrotechnical Commission,國際電工委員會）對現場總線（Fieldbus）的定義為：現場總線是一種應用于生產現場，在現場設備之間、現場設備和控制裝置之間實行雙向、串形、多結點的數字通信技術。

不同的機構和不同的人可能對現場總線有著不同的定義，不過通常情況下，大家公認現場總線的本質

　　體現在以下六個方面：

現場通信網絡

用于過程自動化和制造自動化的現場設備或現場儀表互連的現場通信網絡。

現場設備互聯

依據實際需要使用不同的傳輸介質把不同的現場設備或者現場儀表相互關聯。

互操作性

用戶可以根據自身的需求選擇不同廠家或不同型號的產品構成所需的控制回路，從而可以自由地集成FCS。

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場儀表, 從而構成虛擬控制站，徹底地實現了分散控制。

通信線供電

通信線供電方式允許現場儀表直接從通信線上攝取能量, 這種方式提供用于本質安全環(huán)境的低功耗現場儀表, 與其配套的還有安全柵。

開放式互聯網絡

現場總線為開放式互聯網絡，既可以與同層網絡互聯，也可與不同層網絡互聯，還可以實現網絡數據庫的共享。

從以上內容我們可以看到，現場總線體現了分布、開放、互聯、高可靠性的特點，而這些正是DCS系統(tǒng)的缺點。DCS通常是一對一單獨傳送信號，其所采用的模擬信號精度低，易受干擾，位于操作室的操作員對模擬儀表往往難以調整參數和預測故障，處于“失控”狀態(tài)，很多的儀表廠商自定標準，互換性差，儀表的功能也較單一，難以滿足現代的要求，而且?guī)缀跛械目刂乒δ芏嘉挥诳刂普局?。FCS則采取一對多雙向傳輸信號，采用的數字信號精度高、可靠性強，設備也始終處于操作員的遠程監(jiān)控和可控狀態(tài)，用戶可以自由按需選擇不同品牌種類的設備互聯，智能儀表具有通信、控制和運算等豐富的功能，而且控制功能分散到各個智能儀表中去。由此我們可以看到FCS相對于DCS的巨大進步。

也正是由于FCS的以上特點使得其在設計、安裝、投運到正常生產都具有很大的優(yōu)越性：首先由于分散在前端的智能設備能執(zhí)行較為復雜的任務，不再需要單獨的控制器、計算單元等，節(jié)省了硬件投資和使用面積；FCS的接線較為簡單，而且一條傳輸線可以掛接多了設備，大大節(jié)約了安裝費用；由于現場控制設備往往具有自診斷功能，并能將故障信息發(fā)送至控制室，減輕了維護工作；同時，由于用戶擁有高度的系統(tǒng)集成自主權，可以通過比較靈活選擇合適的廠家產品；整體系統(tǒng)的可靠性和準確性也大為提高。這一切都幫助用戶實現了減低安裝、使用、維護的成本，最終達到增加利潤的目的。

現場總線的現狀

由于各個國家各個公司的利益之爭，雖然早在1984年國際電工技術委員會/國際標準協(xié)會（IEC/ISA）就著手開始制定現場總線的標準，至今統(tǒng)一的標準仍未完成。很多公司也推出其各自的現場總線技術，但彼此的開放性和互操作性還難以統(tǒng)一。目前現場總線市場有著以下的特點：

多種現場總線并存

目前世界上存在著大約四十余種現場總線，如法國的FIP，英國的ERA，德國西門子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，國際標準組織-基金會現場總線FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美國的DeviceNet與ControlNet等等。這些現場總線大都用于過程自動化、醫(yī)藥領域、加工制造、交通運輸、國防、航天、農業(yè)和樓宇等領域，大概不到十種的總線占有８０％左右的市場。

各種總線都有其應用的領域

每種總線大都有其應用的領域，比如FF、PROFIBUS-PA適用于石油、化工、醫(yī)藥、冶金等行業(yè)的過程控制領域；LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet適用于樓宇、交通運輸、農業(yè)等領域；DeviceNet、PROFIBUS-DP適用于加工制造業(yè)，而這些劃分也不是絕對的，每種現場總線都力圖將其應用領域擴大，彼此滲透。

每種現場總線都有其國際組織和支持背景

大多數的現場總線都有一個或幾個大型跨國公司為背景并成立相應的國際組織，力圖擴大自己的影響、得到更多的市場份額。比如PROFIBUS以Siemens公司為主要支持，并成立了PROFIBUS國際用戶組織WorldFIP以Alstom公司為主要后臺，成立了WorldFIP國際用戶組織。

多種總線成為國家和地區(qū)標準

為了加強自己的競爭能力，很多總線都爭取成為國家或者地區(qū)的標準，比如PROFIBUS已成為德國標準，WorldFIP已成為法國標準等。

設備制造商參與多個總線組織

為了擴大自己產品的使用范圍，很多設備制造商往往參與不止一個甚至多個總線組織。

各個總線彼此協(xié)調共存

由于競爭激烈，而且還沒有哪一種或幾種總線能一統(tǒng)市場，很多重要企業(yè)都力圖開發(fā)接口技術，使自己的總線能和其他總線相連，在國際標準中也出現了協(xié)調共存的局面。

工業(yè)自動化技術應用于各行各業(yè)，要求也千變萬化，使用一種現場總線技術也很難滿足所有行業(yè)的技術要求；現場總線不同于計算機網絡，人們將會面對一個多種總線技術標準共存的現實世界。技術發(fā)展很大程度上受到市場規(guī)律、商業(yè)利益的制約；技術標準不僅是一個技術規(guī)范，也是一個商業(yè)利益的妥協(xié)產物。而現場總線的關鍵技術之一是彼此的互操作性，實現現場總線技術的統(tǒng)一是所有用戶的愿望。