现场总线控制技术概念介绍以及特点和选用建议

　　【中国智能制造网  学术论文】现场总线(Fieldbus)技术是实现现场级控制设备数字化通信一种工业现场层网络通信技术;是一次工业现场级设备通信数字化革命。计算机技术、通信技术、控制技术发展,使这种全数字化、全分散式、全开放可互操作和开放式互联网络新一代现场总线控制系统(FCS)到长足发展。

       1引言 

       现场总线(Fieldbus)技术是实现现场级控制设备数字化通信一种工业现场层网络通信技术;是一次工业现场级设备通信数字化革命。计算机技术、通信技术、控制技术发展,使这种全数字化、全分散式、全开放可互操作和开放式互联网络新一代现场总线控制系统(FCS)到长足发展。它与智能化现场设备相结合充分体现现场总线控制系统优越性。现场总线优越性是无庸置疑,它各个行业应用也是来势汹涌。我们关注它发展动态,是很有意义。
　　
　　2现场总线技术概念
　　
　　目前,公认现场总线技术概念描述如下:现场总线是安装生产过程区域现场设备/仪表与控制室内自动控制装置/系统之间一种串行、数字式、多点通信数据总线。其中,“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。,现场总线是以单个分散、数字化、智能化测量和控制设备作为网络节点,用总线相连接,实现相互交换信息,共同完成自动控制功能网络系统与控制系统。
　　
　　3基于现场总线控制系统主要特点
　　
　　与传统模拟仪表控制系统及其它现场总线仪表相比,现场总线及现场总线控制系统以下几方面具有极大优势。
　　
　　3.1系统结构大大简化,降低系统及工程成本
　　
　　传统控制系统(如DCS)与模拟仪表间保持着一对一连接方式,每个现场仪表到控制系统都需要使用一对传输线,单向传输一个模拟信号。
　　
　　这种结构,现场需要使用I/O模块、接线盒、电缆;控制室又要使用大量电缆、端子排。仪表到系统连接环节多,导致设备费用高,占用空间大,接线庞杂,安装费用高,工程周期长,维护困难。
　　
　　现场总线仪表与控制系统之间采用是一对N连接方式,一对传输线可接N台设备,双向传输多个信号。这种结构节省大量电缆,无需使用I/O模块、接线盒和大量端子排,使接线大大简化,减少由接线点造成不可靠因素。设备占用空间小,安装费用低,工程周期短,维护方便,系统扩展容易。
　　
　　3.2真正分散控制
　　
　　现场总线控制系统将传统控制系统控制功能分散到现场仪表模块中,现场设备和仪表就构成控制回路,不再如今日过程自动控制结构以DCS为中心,不再依赖于控制室,取消了I/O单元与控制站,实现彻底分散。现场控制回路中,变送器具有信号变送、补偿等功能,还有I/O、PID调节和运算功能;执行机构具有信号转换和执行功能,还可内含输出特性校验和补偿功能,也可以有PID控制和运算功能。各种功能都被模块化做成功能块,用户可需要选用功能块安装现场设备和仪表中,控制功能块可放变送器模块中,也可以放执行器模块中,或二者均设置,实现冗余控制。控制系统仍可对过程进行远程监控,对现场仪表和设备进行线组态、调校等,同时还可用控制系统完成一些复杂控制和管理功能。这样提高系统可靠性、自治性和灵活性。
　　
　　3.3开放式、互操作性、可维护性、可集成性
　　
　　不同厂家产品使用同一总线标准,就具有互操作性、互换性,设备具有很好可集成性。系统为开放式,允许其它厂商将自己专长控制技术,如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去,,市场上将有许多面向行业特点监控系统。同样也增强了现场级信息集成能力,现场总线可从现场设备获取大量丰富信息,能够更好满足工厂自动化及CIMS系统信息集成要求。现场总线是数字化通信网络,它不单纯取代4～20mA信号,还可实现现场级设备线故障诊断、报警、记录功能,可完成现场设备远程参数设定、修改等参数化工作,也增强了系统可维护性。基于现场总线自动化监控系统采用计算机数字化通信技术,使自控系统与设备加入工厂信息网络,构成企业信息网络底层,使企业信息沟通覆盖范围一直延伸到生产现场。
　　
　　CIMS系统中,现场总线是工厂计算机网络到现场级设备延伸,是支撑现场级信息集成技术基础。
　　
　　3.4对环境高度适应性
　　
　　现场总线是专为工业现场设计,它可以使用双绞线、同轴电缆、光缆、电力线和无线方式来传送数据,具有很强抗干扰能力。常用数据传输线是廉价双绞线,并允许现场设备利用数据通信线进行供电,还能满足本质安全防爆要求。
　　
　　3.5规模可变控制系统和灵活网络拓扑结构
　　
　　传统DCS或PLC分大、中、小规模和型号,增加设备时要增加电缆、I/O接口及接线牌,增加控制器,对不同系统还要采用不同计算机语言等进行组态,系统扩展给设计和施工带来许多不便。
　　
　　现场总线控制系统采用完全分散式结构,系统功能单元模块化,功能块内嵌于现场总线设备和仪表或控制器中,现场设备和仪表作为节点平等挂接现场总线上,是相对理想状态,从几个回路到几百个回路均可。增加控制回路或单元,只需将设备挂接到网络节点上,功能强大软件可帮我们迅速组态现场设备,并投入运行,系统扩展十分简单,故被称为规模可变控制系统。现场总线控制系统可以复杂现场情况组成不同网络拓扑结构,如树型、星型、总线型和层次化网络结构等。
　　
　　可以说,开发性、分散性和低成本是现场总线显著三大特征。一些特殊行业、特殊要求下,现场总线对环境适应性以及采用灵活网络结构是很有必要。比如危险区域,要求现场设备防爆;常规防爆方法会限制能量来避免电磁感应产生火花能量。这样与现场总线主要优点就有了抵触,限制能量(运用本安方法),那么,每个总线分支上允许连接现场设备就会大大减少。又比如总线采用线状结构,一条总线支路电缆断了,这个支路就瘫痪了;采用网状结构,断了一两条支路,信息还可以其他途径传递,系统功能会下降,但不会瘫痪。