沈德耀 金敏
摘 要：分析了現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)生的原因，闡述了現場(chǎng)總線(xiàn)的概念、體系結構和特點(diǎn)，給出了現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展現狀，提出了為迎接現場(chǎng)總線(xiàn)這場(chǎng)自控領(lǐng)域內的技術(shù)變革應采取的對策，并結合實(shí)例說(shuō)明了現場(chǎng)總線(xiàn)具體開(kāi)發(fā)應用方法。
關(guān)鍵詞：現場(chǎng)總線(xiàn)；分布式體系結構；通訊協(xié)議；開(kāi)放性；可互操作性；LonWorks
一、引言
現場(chǎng)總線(xiàn)在控制領(lǐng)域嶄露頭角不過(guò)是最近幾年，然而其來(lái)勢兇涌，且有愈演愈烈之趨勢。那么，究竟什么是現場(chǎng)總線(xiàn)？什 么是現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統？現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統較之目前在工控界仍占主導地位的集散控制系統（DCS）有何特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)？在現場(chǎng)總 線(xiàn)標準尚未統一之前，能采用嗎？若欲采用，40多種現場(chǎng)總線(xiàn)，應選用哪一種？
本文將圍繞以上問(wèn)題展開(kāi)論述，從控制系統的發(fā)展歷程角度探討現場(chǎng)總線(xiàn)的成因；闡述現場(chǎng)總線(xiàn)的概念、體系結構和特點(diǎn)給出現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展現狀；提出面對現場(chǎng)總線(xiàn)百家爭鳴的現狀應采取的對策；結合具體實(shí)例說(shuō)明現場(chǎng)總線(xiàn)開(kāi)發(fā)應用方法。
二、現場(chǎng)總線(xiàn)的產(chǎn)生
縱觀(guān)控制系統的發(fā)展史，不難發(fā)現，每一代新的控制系統推出都是針對老一代控制系統存在的缺陷而給出的解決方案，最終在用戶(hù)需求和市場(chǎng)競爭兩大外因的推動(dòng)下占領(lǐng)市場(chǎng)的主導地位，現場(chǎng)總線(xiàn)和現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的產(chǎn)生也不例外
1、模擬儀表控制系統
模擬儀表控制系統于六七十年代占主導地位。其顯著(zhù)缺點(diǎn)是：模擬信號精度低，易受干擾。
2、集中式數字控制系統
集中式數字控制系統于七八十年代占主導地位。采用單片機、PLC、SLC或微機作為控制器，控制器內部傳輸的是數字信 號，因此克服了模擬儀表控制系統中模擬信號精度低的缺陷，提高了系統的抗干擾能力。集中式數字控制系統的優(yōu)點(diǎn)是易于根據全局情況進(jìn)行控制計算和判斷，在控制方式、控制機時(shí)的選擇上可以統一調度和安排；不足的是，對控制器本身要求很高，必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性，當系統任務(wù)增加時(shí)，控制器的效率和可靠性將急劇下降。3、集散控制系統（DCS）
集散控制系統（DCS）于八、九十年代占主導地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機用于集中監視管理功能，若干臺下位機下放分散到現場(chǎng)實(shí)現分布式控制，各上下位機之間用控制網(wǎng)絡(luò )互連以實(shí)現相互之間的信息傳遞。因此，這種分布式的控制系統體系結構有力地克服了集中式數字控制系統中對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷。在集散控制系統中，分布式控制思想的實(shí)現正是得益于網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展和應用，遺憾的是，不同的DCS廠(chǎng)家為達到壟斷經(jīng)營(yíng) 的目的而對其控制通訊網(wǎng)絡(luò )采用各自專(zhuān)用的封閉形式，不同廠(chǎng)家的DCS系統之間以及DCS與上層Intranet、Internet信息網(wǎng)絡(luò )之間難以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )互連和信息共享，因此集散控制系統從該角度而言實(shí)質(zhì)是一種封閉專(zhuān)用的、不具可互操作性的分布式控制系統且DCS造價(jià)昂貴。在這種情況下，用戶(hù)對網(wǎng)絡(luò )控制系統提出了開(kāi)放化和降低成本的迫切要求。
4、現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）
FCS正是順應以上潮流而誕生，它用現場(chǎng)總線(xiàn)這一開(kāi)放的，具有可互操作的網(wǎng)絡(luò )將現場(chǎng)各控制器及儀表設備互連，構成現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，同時(shí)控制功能徹底下放到現場(chǎng)，降低了安裝成本和維護費用。因此，FCS實(shí)質(zhì)是 一種開(kāi)放的、具可互操作性的、徹底分散的分布式控制系統，有望成為21世紀控制系統的主流產(chǎn)品。
三、現場(chǎng)總線(xiàn)及現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統
1、現場(chǎng)總線(xiàn)的概念
現場(chǎng)總線(xiàn)是將自動(dòng)化最底層的現場(chǎng)控制器和現場(chǎng)智能儀表設備互連的實(shí)時(shí)控制通訊網(wǎng)絡(luò )，遵循ISO的OSI開(kāi)放系統互連參考模型的全部或部分通訊協(xié)議。FCS則是用開(kāi)放的現場(chǎng)總線(xiàn)控制通訊網(wǎng)絡(luò )將自動(dòng)化最底層的現場(chǎng)控制器和現場(chǎng)智能儀表設備互連的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )控制系統
2、現場(chǎng)總線(xiàn)與局域網(wǎng)的區別
?。?）按功能比較，現場(chǎng)總線(xiàn)連接自動(dòng)化最底層的現場(chǎng)控制器和現場(chǎng)智能儀表設備，網(wǎng)線(xiàn)上傳輸的是小批量數據信息，如檢測信息、狀態(tài)信息、控制信息等，傳輸速率低，但實(shí)時(shí)性高。簡(jiǎn)而言之，現場(chǎng)總線(xiàn)是一種實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò )。局域網(wǎng)用于連接局域區域的各臺計算機，網(wǎng)線(xiàn)上傳輸的是大批量的數字信息，如文本、聲音、圖像等，傳輸速率高，但不 要求實(shí)時(shí)性。從這個(gè)意義而言，局域網(wǎng)是一種高速信息網(wǎng)絡(luò )。
?。?）按實(shí)現方式比較現場(chǎng)總線(xiàn)可采用各種通訊介質(zhì)，如雙絞線(xiàn)、電力線(xiàn)、光纖、無(wú)線(xiàn)、紅外線(xiàn)等，實(shí)現成本低。局域網(wǎng)需 要專(zhuān)用電纜，如同軸電纜、光纖等，實(shí)現成本高。
3、現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統體系結構
如圖1所示，最底層的Infranet控制網(wǎng)即FCS，各控制器節點(diǎn)下放分散到現場(chǎng)，構成一種徹底 的分布式控制體系結構，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構任意，可為總線(xiàn)形、星形、環(huán)形等，通訊介質(zhì)不受限制，可用雙絞線(xiàn)、電力線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)、紅外線(xiàn)等各種形式。FCS形成的Infranet控制網(wǎng)很容易與Intranet企業(yè)內部網(wǎng)和Internet全球信息網(wǎng)互連，構成一個(gè)完整的企業(yè) 網(wǎng)絡(luò )三級體系結構。
4、現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的特點(diǎn)
?。?）開(kāi)放性和可互操作性
開(kāi)放性意味FCS將打破DCS大型廠(chǎng)家的壟斷，給中小企業(yè)發(fā)展帶來(lái)了平等競爭的機遇?？苫ゲ僮餍詫?shí)現控制產(chǎn)品的“即插即用”功能，從而使用戶(hù)對不同廠(chǎng)家工控產(chǎn)品有更多的選擇余地。
?。?）徹底的分散性
徹底的分散性意味著(zhù)系統具有較高的可靠性和靈活性，系統很容易進(jìn)行重組和擴建，且易于維護。
?。?）低成本
衡量一套控制系統的總體成本，不僅考慮其造價(jià)，而且應該考察系統從安裝調試到運行維護整個(gè)生命周期內總投入。相對DCS而言，FCS開(kāi)放的體系結構和OEM技術(shù)將大大縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，且徹底分散的分布式結構將1對1模擬信號傳輸方 式變?yōu)?對N的數字信號傳輸方式，節省了模擬信號傳輸過(guò)程中大量的A/D、D/A轉換裝置、布線(xiàn)安裝成本和維護費用。因此從總體上來(lái)看，FCS的成本大大低于DCS的成本。
可以說(shuō)，開(kāi)放性、分散化和低成本是現場(chǎng)總線(xiàn)最顯著(zhù)的三大特征，它的出現將使傳統的自動(dòng)控制系統產(chǎn)生劃時(shí)代的變革，這場(chǎng)變革的深度和廣度將超過(guò)歷史上任何一次變革，必將開(kāi)創(chuàng )自動(dòng)控制的新紀元。
四、現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展現狀
現場(chǎng)總線(xiàn)發(fā)展迅速，現處于群雄并起、百家爭鳴的階段。目前已開(kāi)發(fā)出有40多種現場(chǎng)總線(xiàn)，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具影響力的有5種，分別是FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks（性能對照見(jiàn)表1）
1、FF（Foundation Fieldbus現場(chǎng)基金會(huì )總線(xiàn)）由美國儀器協(xié)會(huì )（ISA）1994推出，代表公司有Honeywell和Fisher-Rosemount，主要應用于石油化工、連續工業(yè)過(guò)程控制中的儀表。FF的特色是其通訊協(xié)議在ISO的OSI物理層、數據鏈路 層和應用層3層之上附加了用戶(hù)層，通過(guò)對象字典OD（Object Dictionary）和設備描述語(yǔ)言DDL（Device Description Language）實(shí)現可互操作性。目前基于FF的現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品有，美國Smar公司生產(chǎn)的壓力溫度變送器，Honeyweill&Rockweill 推出的ProcessLogix系統，Fisher-Rosemount推出的PlantWeb。
2、Profibus（Process Fieldbus）德國西門(mén)子公司1987年推出，主要應用于PLC。產(chǎn)品有三類(lèi)：FMS用于主站之間的通訊；DP用于制造行業(yè)從站之間的通訊；PA用于過(guò)程行業(yè)從站之間的通訊。由于Profibus開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間早至 十年前，限于當時(shí)計算機網(wǎng)絡(luò )水平，大多建立在IT網(wǎng)絡(luò )標準基礎上，隨著(zhù)應用領(lǐng)域不斷擴大和用戶(hù)要求越來(lái)越高，現場(chǎng)總線(xiàn)的 產(chǎn)品只能在原有IT協(xié)議框架上進(jìn)行局部的修改和補充，以致在控制系統內增加了很多的轉換單元（如各種耦合器），這為該產(chǎn) 品今后的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)了一定的局限性。
3、HART（Highway Addressable Remote Tranducer可尋址遠程傳感器數據通路）美國Rosemount公司1989年推出，主要應 用于智能變送器。HART為一過(guò)渡性標準，它通過(guò)在4-20mA電源信號線(xiàn)上疊加不同頻率的正弦波（2200HZ表“0”，1200HZ表“1”）來(lái)傳送數字信號，從而保證了數字系統和傳統模擬系統的兼容性，預計其生命周期為最近20年。
4、CAN（Controller Area Network控制局域網(wǎng)絡(luò )）德國B(niǎo)osch 6公司1993年推出，應用于汽車(chē)監控、開(kāi)關(guān)量控制、制造業(yè) 等。介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)方式為非破壞性位仲裁方式，適用于實(shí)時(shí)性要求很高的小型網(wǎng)絡(luò )，且開(kāi)發(fā)工具廉價(jià)。Motorala、Intel、Philips 均生產(chǎn)獨立的CAN芯片和帶有CAN接口的80C51芯片。CAN型總線(xiàn)產(chǎn)品有AB公司的DeviceNet、臺灣研華的ADAM數據采集產(chǎn)品等。
5、LonWorks（LON Local Operating System局部操作系統）美國Echelon公司1991年推出，主要應用于樓宇自動(dòng)化、工業(yè) 自動(dòng)化和電力行業(yè)等。LonTalk的全部7層協(xié)議，介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)方式為P-P CSMA（預測P-堅持載波監聽(tīng)多路復用），采用網(wǎng)絡(luò )邏輯地 址尋址方式，優(yōu)先權機制保證了通訊的實(shí)時(shí)性，安全機制采用證實(shí)方式，因此能構建大型網(wǎng)絡(luò )控制系統。Echelon公司推出的Neuron神經(jīng)元芯片實(shí)質(zhì)為網(wǎng)絡(luò )型微控制器，該芯片強大的網(wǎng)絡(luò )通訊處理功能配以面向對象的網(wǎng)絡(luò )通訊方式，大大降低了開(kāi)發(fā)人 員在構造應用網(wǎng)絡(luò )通訊方面所需花費的時(shí)間和費用，而可將精力集中在所擅長(cháng)的應用層進(jìn)行控制策略的編制，因此業(yè)內許多專(zhuān)家認為L(cháng)onWorks總線(xiàn)是一種很有希望的現場(chǎng)總線(xiàn)?；贚onWorks的總線(xiàn)產(chǎn)品有美國Action公司的Flexnet&Flexlink等。
五、我們的對策
1、要不要搞FCS在國外正蓬勃發(fā)展，我國工控界應如何迎接自控領(lǐng)域這場(chǎng)變革的到來(lái)呢？這個(gè)問(wèn)題可從分析我國工控業(yè)的發(fā)展歷程和現狀中找到答案。我國民族工控產(chǎn)品如PLC、DCS長(cháng)期落后于國外，根本原因是國外少數幾家大公司為保證其壟斷經(jīng)營(yíng)的地位對其工控產(chǎn)品采用封閉式結構，我國對其關(guān)鍵核心技術(shù)只有通過(guò)引進(jìn)消化后方可掌握，因此貽誤了市場(chǎng)時(shí)機而總是落后于人家，受制于人?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的開(kāi)放性策略無(wú)疑為我國工控界在國際市場(chǎng)上的發(fā)展帶來(lái)了一個(gè)千載難逢的平等競爭機遇，當游戲規則的變更使大家站在同一起跑線(xiàn)上時(shí)，就看誰(shuí)捷足先登，搶先占領(lǐng)市場(chǎng)，把握主動(dòng)權，最終領(lǐng)導市場(chǎng)。因此，我們應當緊緊抓住這一契機，率先推出有中國特色的現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品，開(kāi)創(chuàng )中國自己的國際工控產(chǎn)品的名牌，從而翻開(kāi)中國工控界發(fā)展的新篇章。
2、搞哪種FCS ?既然確定搞FCS，面對種類(lèi)繁多的現場(chǎng)總線(xiàn)，應該搞哪種呢？分析現場(chǎng)總線(xiàn)多樣性產(chǎn)生的原因，有助于理清這一思想。造成現場(chǎng)總線(xiàn)多樣性的局面，一是因為行業(yè)習慣，如Profibus一直應用于PLC行業(yè)，FF應用于儀表行業(yè)；二是由于利益沖突，各工控廠(chǎng)商都不愿意放棄自己的標準而喪失已占用的市場(chǎng)份額。顯而易見(jiàn)，現場(chǎng)總線(xiàn)標準完全統一尚為時(shí)過(guò)早。鑒于此，對于我國工控界的發(fā)展，建議采取以下策略：
?。?）短期目標根據具體針對的行業(yè)特征，如樓宇自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化等，選擇這一領(lǐng)域有較好業(yè)績(jì)的一種（或兩種）現場(chǎng)總線(xiàn)，加以研究開(kāi)發(fā)，一方面搶先推出自己有特色的產(chǎn)品，占領(lǐng)市場(chǎng)，產(chǎn)生應用價(jià)值和社會(huì )效益；另一方面在于重點(diǎn)掌握現場(chǎng)總線(xiàn)的本質(zhì)和精髓，以不變應萬(wàn)變，萬(wàn)一選用的總線(xiàn)沒(méi)能成為最終標準總線(xiàn)，由于各總線(xiàn)之間本質(zhì)的相通性，因此也能很快轉產(chǎn)到最終的標準總線(xiàn)。
?。?）長(cháng)期目標掌握各總線(xiàn)的精髓后，揚長(cháng)避短，制定中國自己的現場(chǎng)總線(xiàn)標準，振興中國民族工控業(yè)。
六、開(kāi)發(fā)實(shí)例
針對樓宇自動(dòng)化行業(yè)，鑒于LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)在該領(lǐng)域中突出的業(yè)績(jì)，我們開(kāi)發(fā)研制出一種基于LonWorks通用網(wǎng)絡(luò )型智能控制器節點(diǎn)產(chǎn)品和可視圖形化控制組態(tài)平臺——Visual Control Configuration 。該套產(chǎn)品特色在于目前國外大多數LonWorks產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商仍停留在集成Echelon公司提供的Neuron C 編程環(huán)境階段，欲使用Neuron C 編制高效的控制應用程序，不僅需要熟悉這種高級指令語(yǔ)言本身，而且必須對Neuron1芯片的內部硬件結構、存儲器的地址空間分配等各個(gè)技術(shù)環(huán)節有深入的了解和掌握，這對最終用戶(hù)和現場(chǎng)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯然是不現實(shí)的要求，可視圖形化控制組態(tài)平臺Visual Control Configuration很好地解決了這一問(wèn)題，類(lèi)似流程圖的圖形化表示方法，控制組態(tài)語(yǔ)言按照國際電工委員會(huì )IEC1131-3標準，將控制程序變?yōu)楣こ碳夹g(shù)人員所構思的控制策略的圖形化映象，而圖元間的連接關(guān)系則表示控制算法的數據流程，有經(jīng)驗的現場(chǎng) 控制技術(shù)人員無(wú)須專(zhuān)門(mén)培訓即可在短期內完成控制策略的編制，方便高效。目前，我們已在工程項目中應用該控制組態(tài)軟件平臺Visual Control Configuration 和LonWorks 通用網(wǎng)絡(luò )智能控制器的節點(diǎn)，成功開(kāi)發(fā)了南寧交通銀行的出入控制系統。
七、結束語(yǔ)
現場(chǎng)總線(xiàn)的時(shí)代即將來(lái)臨，讓我們以熱情和主動(dòng)的姿態(tài)迎接這場(chǎng)世紀之交的機遇和挑戰。
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