智能傳感器、現(xiàn)場(chǎng)總線與FCS解析

一、引言

以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制系統(tǒng)將現(xiàn)有的模擬信號(hào)電纜用高容量的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)代替，從而大大減輕現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)電纜連接的費(fèi)用和工作量，提高信號(hào)的傳輸效率。實(shí)際上現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)就是以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為核心，以基于現(xiàn)場(chǎng)總線的智能I/O或智能傳感器、智能儀表為控制主體、以計(jì)算機(jī)為監(jiān)控指揮中心的系統(tǒng)編程、組態(tài)、維護(hù)、監(jiān)控等功能為一體的工作平臺(tái)。

二、智能傳感器的性能特點(diǎn)

一般的傳感器只能作為敏感元件，須配上變換儀表來(lái)檢測(cè)物理量、化學(xué)量等的變化。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了智能儀表。智能儀表采用超大規(guī)模集成電路，利用嵌入軟件協(xié)調(diào)內(nèi)部操作，在完成輸入信號(hào)的非線性補(bǔ)償、零點(diǎn)錯(cuò)誤、溫度補(bǔ)償、故障診斷等基礎(chǔ)上，還可完成對(duì)工業(yè)過(guò)程的控制，使控制系統(tǒng)的功能進(jìn)一步分散。智能傳感器集成了傳感器、智能儀表全部功能及部分控制功能，具有很高的線性度和低的溫度漂移，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性、簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)如下：

1、一定程度的人工智能是硬件與軟件的結(jié)合體，可實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)功能，更能體現(xiàn)儀表在控制系統(tǒng)中的作用?？梢愿鶕?jù)不同的測(cè)量要求，選擇合適的方案，并能對(duì)信息進(jìn)行綜合處理，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2、多敏感功能將原來(lái)分散的、各自獨(dú)立的單敏傳感器集成為具有多敏感功能的傳感器，能同時(shí)測(cè)量多種物理量和化學(xué)量，全面反映被測(cè)量的綜合信息。

3、精度高、測(cè)量范圍寬隨時(shí)檢測(cè)出被測(cè)量的變化對(duì)檢測(cè)元件特性的影響，并完成各種運(yùn)算，其輸出信號(hào)更為精確，同時(shí)其量程比可達(dá)100：1，最高達(dá) 400：1，可用一個(gè)智能傳感器應(yīng)付很寬的測(cè)量范圍，特別適用于要求量程比大的控制場(chǎng)合。

4、通信功能可采用標(biāo)準(zhǔn)化總線接口，進(jìn)行信息交換，這是智能傳感器的關(guān)鍵標(biāo)志之一。

智能傳感器的出現(xiàn)將復(fù)雜信號(hào)由集中型處理變成分散型處理，即可以保證數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量，提高抗干擾性能。同時(shí)又降低系統(tǒng)的成本。它使傳感器由單一功能、單一檢測(cè)向多功能和多變量檢測(cè)發(fā)展，使傳感器由被動(dòng)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換向主動(dòng)控制和主動(dòng)進(jìn)行信息處理方向發(fā)展，并使傳感器由孤立的元件向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。

三、現(xiàn)場(chǎng)總線的體系結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

根據(jù)IEC/ISA定義，現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支的通信網(wǎng)絡(luò)。它是用于過(guò)程自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以及現(xiàn)場(chǎng)儀表的互連網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)的集成?，F(xiàn)場(chǎng)總線將當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)通信與管理的概念帶入控制領(lǐng)域，代表了今后自動(dòng)化控制體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的一種方向。

現(xiàn)場(chǎng)總線是以ISO的OSI模型為基本框架的，并根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行簡(jiǎn)化了的體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它一般主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層、用戶層。

物理層向上連接數(shù)據(jù)鏈路層，向下連接介質(zhì)。物理層規(guī)定了傳輸介質(zhì)（雙絞線、無(wú)線和光纖）、傳輸速率、傳輸距離、信號(hào)類型等。在發(fā)送期間，物理層編碼并調(diào)制來(lái)自數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)流。在接收期間，它用來(lái)自媒介的合適的控制信息將收到的數(shù)據(jù)信息解調(diào)和解碼并送給鏈路層；數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)執(zhí)行總線通信規(guī)則，處理差錯(cuò)檢測(cè)、仲裁、調(diào)度等。應(yīng)用層為最終用戶的應(yīng)用提供一個(gè)簡(jiǎn)單接口，它定義了如何讀、寫、解釋和執(zhí)行一條信息或命令。用戶層實(shí)際上是一些數(shù)據(jù)或信息查詢的應(yīng)用軟件，它規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的功能塊、對(duì)象字典和設(shè)備描述等一些應(yīng)用程序，給用戶一個(gè)直觀簡(jiǎn)單的使用界面。

現(xiàn)場(chǎng)總線除具有一對(duì)N結(jié)構(gòu)、互換性、互操作性、控制功能分散、互連網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)外，還具有如下特點(diǎn)：

1、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單其結(jié)構(gòu)模型一般僅有4層，這種簡(jiǎn)化的體系結(jié)構(gòu)具有設(shè)計(jì)靈活，執(zhí)行直觀，價(jià)格低廉，性能良好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還保證了通信的速度。

2、綜合自動(dòng)化功能把現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備分別作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與管理層之間的信息傳遞與溝通，易于實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的綜合自動(dòng)化功能。

3、容錯(cuò)能力強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)總線通過(guò)使用檢錯(cuò)、自校驗(yàn)、監(jiān)督定時(shí)、屏蔽邏輯等故障檢測(cè)方法，大大提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。

4、提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和測(cè)控精度現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備可以就近處理信號(hào)并采用數(shù)字通信方式與主控系統(tǒng)交換信息，不僅具有較強(qiáng)的抗干擾能力，而且其精度和可靠性也得到了很大的提高。


現(xiàn)場(chǎng)總線的這些特點(diǎn)，不僅保證了它完全可以適應(yīng)目前工業(yè)界對(duì)數(shù)字通信和傳統(tǒng)控制的要求，而且使它具有不同層次的復(fù)雜控制與先進(jìn)控制、優(yōu)化控制功能成為可能。

四、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）

隨著復(fù)雜過(guò)程工業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)過(guò)程控制對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集、傳遞和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及對(duì)精度、可靠性、管控一體化都提出了更新、更高的要求?，F(xiàn)有的 DCS 已不能滿足這些要求；況且現(xiàn)有的DCS具有諸如控制不能徹底分散、故障相對(duì)集中、系統(tǒng)不徹底開(kāi)放、成本較高等缺點(diǎn)。于是通過(guò)數(shù)字通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和微處理器技術(shù)的融合，把傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的混合系統(tǒng)變成全數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)，從而產(chǎn)生了新一代的控制系統(tǒng)FCS。

1、智能傳感器和現(xiàn)場(chǎng)總線是組成FCS的兩個(gè)重要部分

FCS用現(xiàn)場(chǎng)總線在控制現(xiàn)場(chǎng)建立一條高可靠性的數(shù)據(jù)通信線路，實(shí)現(xiàn)各智能傳感器之間及智能傳感器與主控機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，把單個(gè)分散的智能傳感器變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。智能傳感器中的數(shù)據(jù)處理有助于減輕主控站的工作負(fù)擔(dān)，使大量信息處理就地化，減少了現(xiàn)場(chǎng)儀表與主控站之間的信息往返，降低了對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信容量的要求。經(jīng)過(guò)智能傳感器預(yù)處理的數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線匯集到主機(jī)上，進(jìn)行更高級(jí)的處理（主要是系統(tǒng)組態(tài)、優(yōu)化、管理、診斷、容錯(cuò)等），使系統(tǒng)由面到點(diǎn)，再由點(diǎn)到面，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行分析判斷，提高了系統(tǒng)的可靠性和容偌能力。這樣FCS把各個(gè)智能傳感器連接成了可以互相溝通信息，共同完成控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，能更好地體現(xiàn)DCS中的"信息集中，控制分散"的功能，提高了信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和快速性。

以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為基礎(chǔ)，以微處理器為核心，以數(shù)字化通信為傳輸方式的現(xiàn)場(chǎng)總線智能傳感器與一般智能傳感器相比，需有以下功能：

共用一條總線傳遞信息，具有多種計(jì)算、數(shù)據(jù)處理及控制功能，從而減少主機(jī)的負(fù)擔(dān)。取代4-20mA模擬信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)的數(shù)字化，增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力。采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)議，成為FCS的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傳感器與執(zhí)行器之間信息交換。系統(tǒng)可對(duì)之進(jìn)行校驗(yàn)、組態(tài)、測(cè)試，從而改善系統(tǒng)的可靠性。接口標(biāo)準(zhǔn)化，具有"即插即用"特性。

現(xiàn)場(chǎng)總線智能傳感器是未來(lái)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的主流儀表，它與現(xiàn)場(chǎng)總線組成FCS的兩個(gè)重要部分，將對(duì)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和方法帶來(lái)革命性的變化。但現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定卻進(jìn)展緩慢，現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一影響了現(xiàn)場(chǎng)總線智能傳感器的應(yīng)用。

從世界范圍看，已流行的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線都有各自的優(yōu)點(diǎn)、各具特色，難以統(tǒng)一到某一種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)上，其原因是多方面的。首先是技術(shù)的原因，現(xiàn)有各種現(xiàn)場(chǎng)總線都具有各自的協(xié)議規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，要統(tǒng)一存在許多技術(shù)難題。其次是商業(yè)利益，各現(xiàn)場(chǎng)總線與其背后的開(kāi)發(fā)公司息息相關(guān)，各企業(yè)為今后占有更多的市場(chǎng)份額，都希望在現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中采用自己的技術(shù)。再次是組織上的原因，現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)化必須有一個(gè)統(tǒng)一的國(guó)際性組織來(lái)完成。然而，多年來(lái)，用戶迫切需要現(xiàn)場(chǎng)總線有一個(gè)統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的互操作性和互換性。在這種情況下，產(chǎn)生了FF（Foundation Fieldbus——基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線），F(xiàn)F的宗旨就是開(kāi)發(fā)一種統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，并推動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用。目前，F(xiàn)F包括了世界上95%的儀表及控制系統(tǒng)制造商，已制定了低速H1標(biāo)準(zhǔn)（31．25kb/s），高速H2標(biāo)準(zhǔn)正在制定中?，F(xiàn)場(chǎng)總線統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)曲最終制定必將全面推進(jìn)FCS的應(yīng)用，使用戶在實(shí)現(xiàn)控制策賂和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面發(fā)生巨大的變化。

2、FCS對(duì)DCS的影響

傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)由各種工作站通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)連接而成，操作站和信息管理站完成系統(tǒng)的組態(tài)、監(jiān)控和運(yùn)行管理，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控站則完成生產(chǎn)過(guò)程信息的采集和控制。 DCS的主要問(wèn)題是開(kāi)放性差，分散不夠，需要用大量的電纜傳遞信號(hào)。FCS則突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于開(kāi)放、通用標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，把集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把DCS控制站中基本且可獨(dú)立的功能塊徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)智能儀表中去，從而構(gòu)成虛擬控制站，更好地體現(xiàn)了DCS思想的精華。

實(shí)際上，工業(yè)過(guò)程控制的發(fā)展大體分氣動(dòng)儀表控制-電動(dòng)儀表控制-計(jì)算機(jī)集中控制-DCS幾個(gè)階段，電動(dòng)儀表控制以電2型表為主，基本上是簡(jiǎn)單閉環(huán)控制，其最大特點(diǎn)是危險(xiǎn)性完全分散在各單回路上，最大弱點(diǎn)是難于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制、先進(jìn)控制及優(yōu)化控制。為此，60年代出現(xiàn)計(jì)算機(jī)集中控制，結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制、先進(jìn)控制及優(yōu)化控制，然而危險(xiǎn)性集中未能繼承電Ⅲ型系統(tǒng)的危險(xiǎn)性完全分散的特點(diǎn)；從而70年代出現(xiàn)DCS系統(tǒng)，綜合前兩種優(yōu)點(diǎn)，即實(shí)現(xiàn)復(fù)雜等控制，又把危險(xiǎn)性分散在各控制器上，但還不能徹底分散，且不能完全開(kāi)放。80年代韌提出即能繼承DCS全部功能，并使系統(tǒng)完全開(kāi)放，又能實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)性徹底分散在各回路中去（與電皿型系統(tǒng)一樣）的系統(tǒng)——FCS．由于FCS具有明顯優(yōu)于DCS的特點(diǎn)，F(xiàn)CS必將代替DCS。

然而在目前，在我國(guó)絕大部分過(guò)程工業(yè)都以DCS作為主流控制系統(tǒng)，電皿型儀表作為主導(dǎo)儀表；加上因認(rèn)識(shí)上的原因和現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表尚為非主導(dǎo)產(chǎn)品，暫不能大量普及FCS。單從利用現(xiàn)有資源角度，DCS系統(tǒng)的消失或完全被取代，短期內(nèi)也是不合理的，應(yīng)立足于現(xiàn)有DCS，充分挖掘現(xiàn)有設(shè)備的潛力（如可以在 DCS與FCS之間安裝網(wǎng)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)信息的傳遞），使即有投資又不至于浪費(fèi)。另外，DCS是一個(gè)不斷發(fā)展的控制系統(tǒng)，它必然采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)自身進(jìn)行改造，使DCS能與現(xiàn)場(chǎng)總線智能傳感器（智能儀表）和局部FCS連接起來(lái)。目前一段時(shí)期所有這些情況造成FCS與DCS共存的局面。據(jù)估計(jì)，用10年左右的時(shí)間才能真正過(guò)渡到FCS的主導(dǎo)地位。