【中國智能制造網  學術論文】現場總線(Fieldbus)技術是實現現場級控制設備數字化通信一種工業現場層網絡通信技術;是一次工業現場級設備通信數字化革命。計算機技術、通信技術、控制技術發展,使這種全數字化、全分散式、全開放可互操作和開放式互聯網絡新一代現場總線控制系統(FCS)到長足發展。

       1引言 

       現場總線(Fieldbus)技術是實現現場級控制設備數字化通信一種工業現場層網絡通信技術;是一次工業現場級設備通信數字化革命。計算機技術、通信技術、控制技術發展,使這種全數字化、全分散式、全開放可互操作和開放式互聯網絡新一代現場總線控制系統(FCS)到長足發展。它與智能化現場設備相結合充分體現現場總線控制系統優越性。現場總線優越性是無庸置疑,它各個行業應用也是來勢洶涌。我們關注它發展動態,是很有意義。
　　
　　2現場總線技術概念
　　
　　目前,公認現場總線技術概念描述如下:現場總線是安裝生產過程區域現場設備/儀表與控制室內自動控制裝置/系統之間一種串行、數字式、多點通信數據總線。其中,“生產過程”包括斷續生產過程和連續生產過程兩類。,現場總線是以單個分散、數字化、智能化測量和控制設備作為網絡節點,用總線相連接,實現相互交換信息,共同完成自動控制功能網絡系統與控制系統。
　　
　　3基于現場總線控制系統主要特點
　　
　　與傳統模擬儀表控制系統及其它現場總線儀表相比,現場總線及現場總線控制系統以下幾方面具有極大優勢。
　　
　　3.1系統結構大大簡化,降低系統及工程成本
　　
　　傳統控制系統(如DCS)與模擬儀表間保持著一對一連接方式,每個現場儀表到控制系統都需要使用一對傳輸線,單向傳輸一個模擬信號。
　　
　　這種結構,現場需要使用I/O模塊、接線盒、電纜;控制室又要使用大量電纜、端子排。儀表到系統連接環節多,導致設備費用高,占用空間大,接線龐雜,安裝費用高,工程周期長,維護困難。
　　
　　現場總線儀表與控制系統之間采用是一對N連接方式,一對傳輸線可接N臺設備,雙向傳輸多個信號。這種結構節省大量電纜,無需使用I/O模塊、接線盒和大量端子排,使接線大大簡化,減少由接線點造成不可靠因素。設備占用空間小,安裝費用低,工程周期短,維護方便,系統擴展容易。
　　
　　3.2真正分散控制
　　
　　現場總線控制系統將傳統控制系統控制功能分散到現場儀表模塊中,現場設備和儀表就構成控制回路,不再如今日過程自動控制結構以DCS為中心,不再依賴于控制室,取消了I/O單元與控制站,實現徹底分散。現場控制回路中,變送器具有信號變送、補償等功能,還有I/O、PID調節和運算功能;執行機構具有信號轉換和執行功能,還可內含輸出特性校驗和補償功能,也可以有PID控制和運算功能。各種功能都被模塊化做成功能塊,用戶可需要選用功能塊安裝現場設備和儀表中,控制功能塊可放變送器模塊中,也可以放執行器模塊中,或二者均設置,實現冗余控制。控制系統仍可對過程進行遠程監控,對現場儀表和設備進行線組態、調校等,同時還可用控制系統完成一些復雜控制和管理功能。這樣提高系統可靠性、自治性和靈活性。
　　
　　3.3開放式、互操作性、可維護性、可集成性
　　
　　不同廠家產品使用同一總線標準,就具有互操作性、互換性,設備具有很好可集成性。系統為開放式,允許其它廠商將自己專長控制技術,如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統中去,,市場上將有許多面向行業特點監控系統。同樣也增強了現場級信息集成能力,現場總線可從現場設備獲取大量豐富信息,能夠更好滿足工廠自動化及CIMS系統信息集成要求。現場總線是數字化通信網絡,它不單純取代4～20mA信號,還可實現現場級設備線故障診斷、報警、記錄功能,可完成現場設備遠程參數設定、修改等參數化工作,也增強了系統可維護性。基于現場總線自動化監控系統采用計算機數字化通信技術,使自控系統與設備加入工廠信息網絡,構成企業信息網絡底層,使企業信息溝通覆蓋范圍一直延伸到生產現場。
　　
　　CIMS系統中,現場總線是工廠計算機網絡到現場級設備延伸,是支撐現場級信息集成技術基礎。
　　
　　3.4對環境高度適應性
　　
　　現場總線是專為工業現場設計,它可以使用雙絞線、同軸電纜、光纜、電力線和無線方式來傳送數據,具有很強抗干擾能力。常用數據傳輸線是廉價雙絞線,并允許現場設備利用數據通信線進行供電,還能滿足本質安全防爆要求。
　　
　　3.5規模可變控制系統和靈活網絡拓撲結構
　　
　　傳統DCS或PLC分大、中、小規模和型號,增加設備時要增加電纜、I/O接口及接線牌,增加控制器,對不同系統還要采用不同計算機語言等進行組態,系統擴展給設計和施工帶來許多不便。
　　
　　現場總線控制系統采用完全分散式結構,系統功能單元模塊化,功能塊內嵌于現場總線設備和儀表或控制器中,現場設備和儀表作為節點平等掛接現場總線上,是相對理想狀態,從幾個回路到幾百個回路均可。增加控制回路或單元,只需將設備掛接到網絡節點上,功能強大軟件可幫我們迅速組態現場設備,并投入運行,系統擴展十分簡單,故被稱為規模可變控制系統。現場總線控制系統可以復雜現場情況組成不同網絡拓撲結構,如樹型、星型、總線型和層次化網絡結構等。
　　
　　可以說,開發性、分散性和低成本是現場總線顯著三大特征。一些特殊行業、特殊要求下,現場總線對環境適應性以及采用靈活網絡結構是很有必要。比如危險區域,要求現場設備防爆;常規防爆方法會限制能量來避免電磁感應產生火花能量。這樣與現場總線主要優點就有了抵觸,限制能量(運用本安方法),那么,每個總線分支上允許連接現場設備就會大大減少。又比如總線采用線狀結構,一條總線支路電纜斷了,這個支路就癱瘓了;采用網狀結構,斷了一兩條支路,信息還可以其他途徑傳遞,系統功能會下降,但不會癱瘓。