標簽：FCS DCS

一、前言

七十年代以前，控制系統中采用模擬量對傳輸及控制信號進行轉換、傳遞，其精度差、受干擾信號影響大，因而整個控制系統的控制效果及系統穩定性都很差。七十年代末，隨著大規模集成電路的出現，微處理器技術得到很大發展。微處理器功能強、體積小、可靠性高、通過適當的接口電路用于控制系統，控制效果得到提高;但是盡管如此，還是屬于集中式控制系統。隨著過程控制技術、自動化儀表技術和計算機網絡技術的成熟和發展，控制領域又發生了一次技術變革。這次變革使傳統的控制系統(如集散控制系統)無論在結構上還是在性能上都發生了巨大的飛躍，這次變革的基礎就是現場總線技術的產生。

現場總線是連接現場智能設備和自動化控制設備的雙向串行、數字式、多節點通信網絡，它也被稱為現場底層設備控制網絡(INFRANET)。80年代以來，各種現場總線技術開始出現，人們要求對傳統的模擬儀表和控制系統變革的呼聲也越來越高，從而使現場總線成為一次世界性的技術變革浪潮。美國儀表協會(ISA)于1984年開始制訂現場總線標準，在歐洲有德國的PROFIBUS和法國的FIP等，各種現場總線標準陸續形成。其中主要的有：基金會現場總線FF(Foundation Fieldbus)、控制局域網絡CAN(Controller Area Network)、局部操作網絡LonWorks(Local Operating Network)、過程現場總線PROFIBUS(Process Field Bus)和HART協議(Highway Addressable Remote Transducer)等。但是，總線標準的制定工作并非一帆風順，由于行業與地域發展等歷史原因，加上各公司和企業集團受自身利益的驅使，致使現場總線的國際化標準工作進展緩慢。但是不論如何，制定單一的開放國際現場總線標準是發展的必然。

二、當前流行的幾類現場總線

1、基金會現場總線FF

基金會現場總線FF是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發展前景的一種技術。其前身是以美國Fisher-Rosemount公司為首，聯合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制定的ISP協議和以Honeywell公司為首，聯合歐洲等地150家公司制定的World

FIP協議。這兩大集團于1994年9月合并，成立了現場總線基金會，致力于開發出國際上統一的現場總線協議。

基金會現場總線分為H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25Kbps，通信距離可達1.9km，可支持總線供電和本質安全防暴環境。H2的傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps兩種，通信距離為750m和500m。物理傳輸介質可為雙絞線、光纜和無線，其傳輸信號采用曼切斯特編碼。基金會現場總線以ISO/OSI開放系統互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。用戶層主要針對自動化測控應用的需要，定義了信息存取的統一規則，采用設備描述語言規定了通用的功能塊集。FF總線包括FF通信協議、ISO模型中的2～7層通信協議的通棧、用于描述設備特性及操作接口的DDL設備描述語言、設備描述字典，用于實現測量、控制、工程量轉換的應用功能塊，實現系統組態管理功能的系統軟件技術以及構筑集成自動化系統、網絡系統的系統集成技術。

2、CAN總線

CAN總線最早是由德國Bosch公司推出，用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信協議。其總線規范已被ISO國際標準組織制定為國際標準，并且廣泛應用于離散控制領域。它也是基于OSI模型，但進行了優化，采用了其中的物理層、數據鏈路層、應用層，提高了實時性。其節點有優先級設定，支持點對點、一點對多點、廣播模式通信。各節點可隨時發送消息。傳輸介質為雙絞線，通信速率與總線長度有關。CAN總線采用短消息報文，每一幀有效字節數為8個;當節點出錯時，可自動關閉，抗干擾能力強，可靠性高。

3、LonWorks總線

LonWorks技術是美國ECHELON公司開發，并與Motorola和東芝公司共同倡導的現場總線技術。它采用了OSI參考模型全部的七層協議結構。LonWorks技術的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片實現完整的

LonWorks的LonTalk通信協議。其上集成有三個8位CPU。一個CPU完成OSI模型第一和第二層的功能，稱為介質訪問處理器。一個CPU是應用處理器，運行操作系統與用戶代碼。還有一個CPU為網絡處理器，作為前兩者的中介，它進行網絡變量尋址、更新、路徑選擇、網絡通信管理等。由神經芯片構成的節點之間可以進行對等通信。LonWorks支持多種物理介質并支持多種拓撲結構，組網方式靈活，其IS-78本安物理通道使得它可以應用于危險區域。LonWorks應用范圍主要包括樓宇自動化、工業控制等，在組建分布式監控網絡方面有較優越的性能。

4、PROFIBUS總線

PROFIBUS是符合德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50179的現場總線，包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三部分。它也只采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層、應用層。PROFIBUS支持主從方式、純主方式、多主多從通信方式。主站對總線具有控制權，主站間通過傳遞令牌來傳遞對總線的控制權。取得控制權的主站，可向從站發送、獲取信息。PROFIBUS-DP用于分散外設間的高速數據傳輸，適合于加工自動化領域。FMS型適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。而PA型則是用于過程自動化的總線類型。

5、HART總線

HART協議是由Rosemount公司于1986年提出的通信協議。它是用于現場智能儀表和控制室設備間通信的一種協議。它包括ISO/OSI模型的物理層、數據鏈路層和應用層。HART通信可以有點對點或多點連接模式。這種協議是可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議，其特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信，屬于模擬系統向數字系統轉變過程中的過渡產品，因而在當前的過渡時期具有較強市場競爭力，在智能儀表市場上占有很大的份額。

三、現場總線控制系統(FCS)的結構與特點

1、結構

隨著現場總線技術的出現和成熟，促使了控制系統由集散控制系統(DCS)向現場總線控制系統(FCS)的過渡。在一般的FCS系統中，遵循一定現場總線協議的現場儀表可以組成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各個現場儀表中。從而減輕了控制站負擔，使得控制站可以專職于執行復雜的高層次的控制算法。對于簡單的控制應用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起連接現場總線作用的網橋和集線器，操作站直接與現場儀表相連，構成分布式控制系統。