现场总线控制系统优化方案

现场总线系统（Fieldbus Control System，FCS）是继DCS之后出现的又一种新型的工业控制系统。它改变了原有的控制体系结构，使模拟与数字混合的集散控制（DCS），更新为全数字的控制，用开放的现场总线网络，将现场各控制器及智能仪表互联，构成可互操作的现场总线控制系统。它把控制功能彻底下放到现场，真正做到控制分散、危险分散、集中监控和全数字化。因此，FCS实质是一种开放的、可互操作性的、彻底分散的、分布式控制系统，比DCS又前进了一步。

按照国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化的发展趋势，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到了全世界的普遍关注。

图10-6所示为一种现场总线结构简图。

图10-6 现场总线结构

从图知，它的最底层为Intranet控制网，即FCS。各控制器节点都放到现场，构成一种彻底分布式控制结构。其网络拓扑结构任意，可为总线形、星形、环形等。通信介质也不受限制，可用双绞线、电力线、无线、红外线等。FCS形成的Intranet控制网很容易与Intranet企业内部网和Internet全球信息网互连，构成一个完整的企业网络三级体系结构。

根据IEC标准及现场总线基金会的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。它的基础是所有仪表、装置的智能化，而且有通信口，能接受相应通信协议。

国际电工协会（IEC）的SP50委员会对FCS有以下三点要求：

（1）在同一数据链路上，过程控制单元（PCU）、PLC等与数字I/O设备互连；

（2）现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取；

（3）通信媒体安装费用较低。(www.xing528.com)

FCS是全数字化的通信，从传感器、变送器到调节器，均为数字信号。这使得复杂、精确的信号处理得以实现，并提高了控制的可靠性。其特点是，系统开放性好、互可操作性与互用性好、设备具有智能化与功能自治性、结构的高度分散性、对环境的强适应性、系统成本低。

FCS发展迅速。目前已经开发出40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等。其中最有影响力的5种分别为FF、Profibus、HART、CAN、LonWorks，如表10-5所示。

表10-5 常用现场总线主要特性

由于可预见到现场总线的优越性，国家对这个技术的开发是很重视的。如果它能开发越来越多的功能模块，以及能使有关参数标准化，产生公认的、开放的标准，那将大大推进这个技术的推广与应用。这将给控制系统的结构带来革命。有人甚至预言，21世纪是现场总线的世纪，PLC将退出历史舞台。

然而，笔者对此不敢苟同。尽管现场总线有其分散性、开放性等种种优点，但它与采用PLC并不矛盾。FCS的出现并不要求PLC退出历史舞台。更何况PLC也还有很强的生命力，自身仍在不断前进着。只要PLC厂商能协调各自的商业利益，在建立公认的标准，加强系统开放性上认真地做些工作，完全可实现自身的开放及与其它控制（含FCS）的兼容。可成为现场总线中的一个站点，也可把现场总线中的诸站点处于它的管理之下。

更何况现场总线本身还是一种正在发展中的技术，在许多方面还需要改善。IEC61158规定了FF、Pro-fibus、WorldFIP等8种现场总线标准，还有一些事实上的标准，如LonWorks和CAN总线等。现有8种现场总线为国际标准，它们采用的通信协议完全不同，因此要实现这些总线的兼容和互操作是十分困难的。许多标准的并存，将导致现场总线技术不易广泛应用。

另外，现场总线还存在瓶颈问题，如：总线切断后，系统有可能产生不可预知的后果。在防爆应用中，现有的防爆规定限制总线的长度和总线上所挂设备的数量，同时也限制了现场总线节省线缆优点的发挥；系统组态参数过于复杂，不易掌握，而其设定的优劣对系统性能的影响很大。

当然，现场总线也正在发展中。如现场总线FF，2000年3月宣布将采用以太网增强H2的方案。因此，一般认为整合Ethernet和TCP/IP技术的现场总线是今后发展的主流体系和应用热点。