现场总线控制系统的现状与发展

作者：刘向杰 彭一民 邱忠昌 周孝信

欢迎访问e展厅 展厅 5 现场总线/工业以太网展厅 主站板卡, 现场总线适配器, ... 摘要：阐述了工业控制系统的现场总线发展方向，介绍了现场总线所具有的全数字化通信、分散控制、开放互连性和设计安装简单等优点，分析了现场总线的应用状况和前景。 关键词：现场总线　集散控制系统　工业控制 CURRENT SITUATION AND PROSPECT OF FIELDBUS CONTROL SYSTEM Electric Power Research Institute, State Power Corporation of ChinaBeijing, 100085 China ABSTRACT：The current situation and prospect of fieldbus control system(FCS) is expounded in this paper, its advantages such as digital communication, distributed control, open interoperability and the simplicity of design and installation are presented. The current application situation and the prospect of FCS are analysed. KEY WORDS：Field bus、DCS、Industrial Control 电厂自动化中多年来一直由分散控制系统(Distributed Control System，DCS)占据主导地位。计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统（DCS）后，今后将朝着现场总线控制系统的方向发展。 现场总线(field bus)是指现场仪表和数字控制系统输入输出之间的全数字化、双向、多站的通讯系统。现场总线技术近年来成为计算机工业控制界关注的一个焦点，其原因在于它向人们展示了一种全新的系统集成思想。 1. 现场总线的特点 在传统的DCS中，体现的是集中管理与分散控制的思想。其结构体系可描述为“三站一线”，即工程师站、操作员站、I/O站和通信网络[1]。工程师站负责系统管理、控制组态、系统生成与下装；操作员站实现控制系统的控制操作、过程状态显示、历史数据的收集、 报警状态显示以及趋势显示和报表生成打印等；现场I/O站实现各种信号的采集和处理、回路的运算和控制结果输出等；通信网络负责提供各种功能站之间的数据通信和联络。现场总线的突出特点在于它克服了DCS系统中通信由封闭的专用网络系统实现中所产生的缺陷，把基于封闭专用的解决方案变成基于公开标准化的解决方案；同时把集中与分散相结合的DCS集散控制结构，变成新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。现场总线的特点主要表现在以下几个方面： （1）以数字信号完全取代传统DCS的4～20mA模拟信号，且双向传输信号。一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大为减少，连线设计与接头校对工作量也大为减少。同时，通信总线延伸到现场传感器、变送器、控制器和伺服机构，操作人员在控制室就能实现主控系统对现场设备的在线监视、诊断、校验和参数整定, 从而提高了系统的精度、可监视性和抗干扰能力，节省了硬件数量与投资。 （2）相对于传统的DCS三层结构而言，现场总线在结构上只有现场设备和操作管理站两个层次，将传统DCS的I/O控制站并入现场智能设备，取消了I/O模件，现场仪表都是内装微处理器的，它们各自进行采样、A/D转换、线性化或校正运算处理、报警判断以及控制算法功能等，输出的结果直接送到邻近的调节阀上，完全不需要经过控制室主控系统，从根本上改变了传统DCS集中与分散相结合的结构体系，实现了结构上的彻底分散。 （3）总线网络系统是开放的。将系统集成的权力交给用户，用户可以按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成规模各异的系统。因而现场总线称为自动化领域的开放互连系统，其开放性和互操作性体现在可以用不同厂家的现场仪表去替换出现故障的另一厂家的现场仪表，更换后通信能够恢复正常，同时又可以查询新的现场仪表的自身信息。 现场总线的拓扑结构通常采用树形结构[2]。在这种形式下，每个现场设备只能连到点，在大多数应用场合下该点可以是接线盒，也可以是其中一个现场设备的接线区。它采用同一对线进行现场设备通信和对现场设备供电，因而可以明显减少连线和安装费用。 2. 当前的现场总线标准和产品 现场总线技术是从80年代后期诞生的网络通信技术，经历十几年左右的发展， 国际上出现了几个有代表性的现场总线标准和几个系列产品，较流行的有： （1）基金会现场总线(foundation fieldbus) 在现场总线标准的研究制订过程中，出现过多种企业集团或组织，通过不断的竞争，到1994年在国际上基本上形成了两大阵营，一个以Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议；另一个以Honeywell公司为首，联合欧洲150家公司制订的World FIP协议。这两大集团于1994年合并，成立现场总线基金会(Fieldbus Foundation,FF)，致力于开发国际上统一的现场总线协议。FF的体系结构参照ISO/OSI模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链路层和应用层，另外增加了用户层。FF提供两种物理标准：H1和H2。H1为用于过程控制的低速总线，速率为31.25kbps,传输距离为200m、400m、1200m和1900m四种。H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、同轴电缆和光纤，协议符合IEC1158-2标准。 （2）Profibus现场总线 它是作为德国国家标准和欧洲国家标准的现场总线标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用OSI模型的物理层、数据链路层。分散化的外围设备(DP)型隐去了第3层至第7层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口；现场总线信息规范(FMS)型则只隐去第三至第六层，采用了应用层。过程自动化(PA)型的标准目前还处于制定过程之中。其最大传输速率为12Mbps,传输距离为100m和400m，传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。 （3）LonWork(Local Operating Network局部操作网)现场总线 它是由美国Echelon公司于1990年正式推出的。它采用ISO/OSI模型的全部7层协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其最大传输速率为1.5Mbps,传输距离为2700m，传输介质可以是双绞线、光缆、射频、红外线和电力线等。采用的LonTalk协议被封装在Neuron芯片中，内含三个8位微处理器，一个负责介质访问控制，一个负责网络处理，一个负责应用处理。 （4）控制局域网(Control Area Network，CAN)控制网络 最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。CAN结构模型取ISO/OSI模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链路层和应用层。通信速率最高可达1Mbps，通信距离最远可达10000m。物理传输介质可支持双绞线，最多可挂接设备110个。CAN在我国的应用较早，我国华控技术公司基于CAN协议开发了SDS智能分布式系统；和利时公司开发的HS2000系统的内部网络就是应用CAN［3］。 此外还值得一提的是，可寻址远程传感器数据公路(Highway Addressable Remote Transducer，HART)协议，它是由美国Rosemount公司最早推出的一种兼容4～20　mA模拟信号和调制数字信号的现场总线协议。其数字通信由于采用调制/解调方式，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强的竞争力，得到了较快的发展。 3. 现场总线的未来 现场总路线将成为工业控制发展的革命性飞跃，近年来，有关现场总线的报道层出不穷，其中令人关注的焦点集中在以下两个方面： （1）能否出现全世界统一的现场总线标准。 这一热点问题涉及目前为什么会出现几种现场总线并存，这其中除了技术上的竞争外，商业利益上的激烈竞争是其主要原因。对于现场总线形成巨大影响的自动化厂商，因为要尽可能维护自身的地位和利益而不愿放弃其已拥有的现场总线，这些总线已经有成千上万个节点安装在现场，成为事实上的标准。比如让Echelon公司放弃LonWork，则意味着它要失去其产品和客户。在未来较长的一段时间内，现场总线标准之争会越演越烈。不同的现场总线有不同的功能，各有其适用的场合，靠一种现场总线打天下的想法看来不太现实。当然，从另一方面来讲，相当一部分现场总线是大同小异的，技术上非常接近，在优胜劣汰的环境下同类总线终将趋于统一。因而今后几年内很难说谁的标准能够统领现场总线，而应该说谁将成为主流总线技术。可以说，对于未来的工业控制系统，谁能统领现场总线标准，它在工业控制界的作用和影响将相当于微软公司在计算机领域的地位。 （2）现场总线能否全面取代现时风靡世界的DCS系统。 现场总线尚处于发展阶段，总体来讲，工业控制系统将朝着现场网络集成自动化系统体系结构的方向发展。由于现场总线具有巨大优势，所以人们都认为它取代传统的DCS系统是必然趋势。当然，就技术而言，从1975年Hneywell公司推出世界上第一套集散控制系统以来，DCS经历了20多年的发展和完善，依靠其灵活方便和功能丰富的组态功能以及可靠的网络通信能力，已在工业控制中获得广泛应用。就目前而言，领导世界DCS发展的几家著名公司也在积极地改进和升级它们的产品，DCS也在朝着开放性、分散性与可互操作性方向发展。因而DCS在未来几年里仍然是工业控制的主流。 工业控制界处在DCS本身成熟和FCS发展过程中，智能I/O是现时DCS向现场总线的一种过渡。如国家电力公司电力科学研究院研制的EDPF-3000分散控制系统，采用了远程智能I/O，可对远程智能I/O网络及前端进行操作，实现现场数据采集和控制功能，现场通信总线采用全数字串行通信方式，可支持点对点、点对多点、主从式等工作方式，与目前流行的现场总线产品在结构功能上较为一致。智能前端是放置于生产现场的测控装置，完成A/D、D/A转换、滤波、热电偶热电阻测量变换、工程单位转换及基本处理和运算功能。可以说，远程智能I/O以其可靠性高、分散性好，而具备了现场总线的性能。 4. 现场总线在国内的应用 1998年8月，中国第一套现场总线系统由国家电力公司热工研究院从美国Fisher-Rosemount公司引进，该系统采用PlantWebTM基于现场结构的最新技术，同时也是在中国第一次运用FF技术。它将智能化现场设备、规模可变的平台和模块化软件结合在一起，实现过程控制。这套系统将用于国内大中型火力发电厂汽轮机性能考核测试，它包括一套DeltaV规模可变的过程控制系统、AMS设备管理系统以及100余套基于FF技术的压力温度变送器。该项目的引进也标志着我国电力自动化技术进入了一个新时代。 1996年10月，在美国芝加哥举行的96ISA展览会上，醒目地展现了基金会现场总线；1998年4月在北京举行的多国仪器仪表展览会上，名目繁多的现场总线产品，更是给人一种现场总线已是大势所趋的感觉。1998年的中国控制会议上，专门安排了现场总线控制系统的大会专题报告，表明现场总线技术不仅是工业控制系统的必然趋势，同时也成为控制理论研究的新方向。现场总线技术的兴起，推动了DCS的全面革新，为工业自动化实施先进控制策略创造了条件，同时也有力地推动了计算机通信等相关技术的迅速发展。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/21/2005)