現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS,Fietdbus Control System)?，F(xiàn)場總線不單是一種通信技術(shù)，也不僅是用數(shù)字儀表代替模擬儀表，而是用新一代的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散型控制系統(tǒng)。它與傳統(tǒng)的DCS相比有很多優(yōu)點，是一種全數(shù)字化、全分散式、全開放和多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)，是計算機技術(shù)、通信技術(shù)和測控技術(shù)的綜合及集成。
1 定義
根據(jù)國際電工委員會(IEC，International Electrotechnical Commission)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場總線基金會(FF，F(xiàn)ietdbus Foundation)的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸和多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。
2 技術(shù)特點
2.1 現(xiàn)場總線系統(tǒng)是一個“純數(shù)字”系統(tǒng)，而數(shù)字信號具有很強的抗干擾能力，所以，現(xiàn)場的噪聲及其他干擾信號很難扭曲現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)里的數(shù)字信號，數(shù)字信號的完整性使得過程控制的準(zhǔn)確性和可靠性更高。
2.2 一對N結(jié)構(gòu)
一對傳輸線，N臺儀表，雙向傳輸多個信號。這種一對N結(jié)構(gòu)使得接線簡單，工程周期短，安裝費用低，維護容易。如果增加現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表，只需并行掛接到電纜上，無須架設(shè)新的電纜。
2.3 可靠性高
數(shù)字信號傳輸抗干擾強，精度高，無須采用抗干擾和提高精度的措施，從而降低了成本。
2.4 可控狀態(tài)
操作員在控制室既可了解現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表的工作情況，也能對其進行參數(shù)調(diào)整，還可預(yù)測或?qū)ふ夜收稀Ｕ麄€系統(tǒng)始終處于操作員的遠程監(jiān)視和可控狀態(tài)下，提高了系統(tǒng)的可靠性、可控性和可維護性。
2.5 互換性
用戶可以自由選擇不同制造商所提供的性能價格比最優(yōu)的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表，并將不同品牌的儀表互聯(lián)。即使某臺儀表發(fā)生故障，換上其他品牌的同類儀表也能照常工作，實現(xiàn)了“即接即用”。
2.6 互操作性
用戶把不同制造商的各種品牌的儀表集成在一起，進行統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成其所需的控制回路，而不必絞盡腦汁，為集成不同品牌的產(chǎn)品在硬件或軟件上花費力氣或增加額外投資。
2.7 綜合功能
現(xiàn)場儀表既有檢測、變換和補償功能，又有控制和運算功能，實現(xiàn)了一表多用，不僅方便了用戶，而且降低了成本。
2.8 分散控制
控制站功能分散在現(xiàn)場儀表中，通過現(xiàn)場儀表即可構(gòu)成控制回路，實現(xiàn)了徹底的分散控制，提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性?！?/span>
在FCS中的現(xiàn)場設(shè)備與所謂的儀表已經(jīng)組成對單一量的自行測量、自行數(shù)據(jù)處理、自行分析判斷、決策的控制系統(tǒng)。也就是說，F(xiàn)CS廢棄了DCS的控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。這樣，許多控制功能從控制室移至現(xiàn)場儀表，大量的過程檢測與控制的信息就地采集、就地處理、就地使用，在新的技術(shù)基礎(chǔ)上實施就地控制?，F(xiàn)場智能傳感器/變送器將調(diào)控了的對象狀態(tài)參量(如濕度)通報給控制室的上位計算機。上位計算機主要對其進行總體監(jiān)督、協(xié)調(diào)、優(yōu)化控制與管理，實現(xiàn)了徹底的分散控制。
2.9 統(tǒng)一組態(tài)
由于現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表都引人了功能塊的概念，所有制造商都使用相同的功能塊，并統(tǒng)一組態(tài)方法，使組態(tài)變得非常簡單，用戶不需要因為現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表種類不同而帶來的組態(tài)方法的不同，再去學(xué)習(xí)和培訓(xùn)。
2.10 開放式系統(tǒng)
現(xiàn)場總線為開放互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，所有技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)全是公開的，所有制造商必須遵循。這樣，用戶可以自由集成不同制造商的通信網(wǎng)絡(luò)，既可與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，還可極其方便地共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。
3 現(xiàn)場總線的體系結(jié)構(gòu)
圖1是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖。現(xiàn)場總線可以采用點到點、帶節(jié)點的總線、菊花鏈和樹形等拓撲結(jié)構(gòu)。在使用現(xiàn)場總線時，每段現(xiàn)場總線的兩端必須連接由電阻、電容串聯(lián)組成的終端器。
體系結(jié)構(gòu)主要特征：
體系結(jié)構(gòu)主要特征：
3.1 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)場總線把通信一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場或生產(chǎn)設(shè)備，用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，該圖代表了FF現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
3.2 現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)
現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表是指變送器、執(zhí)行器、服務(wù)器和網(wǎng)橋、輔助設(shè)備以及監(jiān)控設(shè)備等。這些設(shè)備通過一對傳輸線互聯(lián)(圖3)?？墒褂秒p絞線、同軸電纜、光纖和電源線等進行傳輸，并可根據(jù)需要選擇不同類型的傳輸介質(zhì)。
(1)變送器：常用的變送器有溫度、壓力、流量、物位和分析五大類，每類又有多個品種。變送器既有檢測、變換和補償功能，又有PID控制和運算功能。
(2)執(zhí)行器：常用的執(zhí)行器有電動和氣動兩大類，每類又有多個品種。執(zhí)行器的基本功能是信號驅(qū)動和執(zhí)行，還內(nèi)含調(diào)節(jié)閥輸出特性補償、PID控制和運算等功能；另外，還有閥門特性自校驗和自診斷功能?！ ?/span>
(3)服務(wù)器和網(wǎng)橋：服務(wù)器上接局域網(wǎng)(LAN，Local Area Network)，下接H1和H2（網(wǎng)段）；網(wǎng)橋上接H2，下接H1。
3.3 互操作性
現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表種類繁多，沒有任何一家制造商可以提供一個工廠所需的全部現(xiàn)場設(shè)備，所以，不同廠商產(chǎn)品的交互操作與互換是不可避免的。用戶不希望為選用不同的產(chǎn)品而在硬件或軟件上花力氣，而希望把各廠商性能價格比最優(yōu)的產(chǎn)品集成在一起，實現(xiàn)“即接即用”；用戶希望對不同品牌的現(xiàn)場設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需要的控制回路。這就是現(xiàn)場總線設(shè)備互操作的含義?，F(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)是基本要求，只有實現(xiàn)互操作性，用戶才能自由地集成FCS。
3.4 分散功能塊
FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。由于功能分散在多臺現(xiàn)場儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)，所以可供用戶靈活選用各種功能塊，對所需控制系統(tǒng)實現(xiàn)徹底的分散控制，如圖3所示。其中差壓變送器含有模擬量輸入功能塊(PID110) ，凋節(jié)閥含有PID控制功能塊(PID110)及模擬量輸出功能塊(AO110) 。這三個功能塊構(gòu)成流量控制回路。
3.5 通信線供電
通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量，這種方式用于本質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場儀表，與其配套的還有安全柵。眾所周知，許多生產(chǎn)現(xiàn)場有可燃性物質(zhì)，所有現(xiàn)場設(shè)備必須嚴(yán)格遵守安全防爆標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場總線設(shè)備也不例外。
3.6 開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，既可與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)還體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫共享，通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，使不同廠商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的FCS，如圖3所示。
4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
近年來，關(guān)于現(xiàn)場總線的討論在國際上非?；钴S，許多研究現(xiàn)場總線及其標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)委員會、研究小組紛紛建立，他們和一些公司及廠家不斷提出各自的建議和解決方案。不少公司或組織也根據(jù)自己的理解為現(xiàn)場總線下了定義，而最先提出現(xiàn)場總線這個名字的則是國際電工委員會(IEC，International Electrotechnical Commission)。
各種組織給現(xiàn)場總線下的定義也基本相同，定義為：現(xiàn)場總線是一種串行的、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信鏈路。它溝通了生產(chǎn)、過程領(lǐng)域的基本控制設(shè)備(即場地級設(shè)備)之間以及與更高層次自動控制領(lǐng)域的自動化控制設(shè)備(即車間級設(shè)備)之間的聯(lián)系。
這里所考慮的場地級設(shè)備指的是最低層次的控制、監(jiān)測、執(zhí)行和計算設(shè)備，包括傳感器、控制器、智能閥門、微處理器和存儲器等各種類型的工業(yè)儀表產(chǎn)品。生產(chǎn)過程指的是現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的連續(xù)過程生產(chǎn)和離散過程控制兩類過程。現(xiàn)場總線在其中的任務(wù)，就是采集測量值、傳送測量值以及調(diào)節(jié)干預(yù)過程。
現(xiàn)場總線不僅是一個網(wǎng)絡(luò)，而且是一個開放式控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(FCS)是一個由三類部件組成的實時連續(xù)反饋系統(tǒng)，即由被控過程(或環(huán)境)、數(shù)據(jù)融合機制以及傳感器和施動器組成的閉環(huán)通信控制系統(tǒng)。其中，傳感器為數(shù)據(jù)融合機制提供有關(guān)被控過程當(dāng)前狀態(tài)的信息；數(shù)據(jù)融合機制是一個數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，利用傳感器提供的信息計算所需的操作，以減少系統(tǒng)理想設(shè)定狀態(tài)與當(dāng)前狀態(tài)之間的差異；施動器完成了數(shù)據(jù)融合機制計算出的行為操作。下現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的最主要應(yīng)用領(lǐng)域是自動化領(lǐng)域。
現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)集成的結(jié)構(gòu)層次：
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是以現(xiàn)場總線為通信介質(zhì)的計算機集成控制系統(tǒng)。根據(jù)CIMS的觀點，它可分為三個層次：現(xiàn)場控制層、過程監(jiān)控層和企業(yè)管理層，層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。
4.1 現(xiàn)場控制層
主要是實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的常規(guī)檢測和基本控制，由現(xiàn)場總線智能節(jié)點實現(xiàn)包括傳感變送部分、PID調(diào)節(jié)器部分等各種功能的集成，形成控制網(wǎng)段。它可能包含基金會現(xiàn)場總線FF的H1網(wǎng)段或HART、PROFIBUS和LonWorks等網(wǎng)段。同種通信協(xié)議的網(wǎng)段間可采用網(wǎng)橋、中繼器連接；各種不同通信協(xié)議的網(wǎng)段之間則采用網(wǎng)關(guān)相連，或直接在操作站的計算機內(nèi)交換信息。帶有AI、AO，DI、DO和PID功能塊的現(xiàn)場設(shè)備負責(zé)完成生產(chǎn)過程的參數(shù)測量、數(shù)據(jù)傳輸與過程控制，即由現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)完成現(xiàn)場控制層的自動化任務(wù)。
4.2 過程監(jiān)控層
它是系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)穩(wěn)定、優(yōu)化操作的保證，也是人與生產(chǎn)過程進行交互的層面。過程監(jiān)控系統(tǒng)接收來自現(xiàn)場總線智能節(jié)點中的現(xiàn)場狀態(tài)信息和來自決策管理層的調(diào)度信息，利用軟測量和數(shù)據(jù)校正技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進行完備性和一致性處理，形成過程實時數(shù)據(jù)庫，并利用來自過程實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)操作指導(dǎo)、動態(tài)優(yōu)化、高級控制、故障診斷和實時報警等功能。
一般由擔(dān)任監(jiān)控任務(wù)的工作站、PC或控制器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，構(gòu)成局域網(wǎng)段。現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通過專門的現(xiàn)場總線通信按口與過程監(jiān)控層相連。該監(jiān)控層除了完成上述功能外，還要對控制系統(tǒng)組態(tài)。
4.3 企業(yè)管理層
又稱為信息層，包括決策分析、市場營銷、計劃、離線優(yōu)化、調(diào)度和生產(chǎn)管理等功能，主要指集成控制系統(tǒng)對這些任務(wù)提出信息服務(wù)和決策支持，包括通過歷史數(shù)據(jù)的分析和挖掘，提出發(fā)展目標(biāo)和營銷策略，根據(jù)相應(yīng)的營銷策略調(diào)整生產(chǎn)方案，對生產(chǎn)和業(yè)務(wù)信息實現(xiàn)集成管理制定和落實綜合計劃，完成生產(chǎn)計算分解，并根據(jù)生產(chǎn)的實際情況形成調(diào)度指令，組織日常均衡生產(chǎn)和處理異常事件，即時地指揮生產(chǎn)。它是企業(yè)信息集成和管、控一體的重要組成部分。
它的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要有高性能計算機、工作站和PC等，包括各類管理、計算用客戶機，以及服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫等，并與外界的Internet互聯(lián)。通過Internet實現(xiàn)與企業(yè)內(nèi)遠程網(wǎng)點的信息集成。
