1.0 什么是現(xiàn)場(chǎng)總線

現(xiàn)場(chǎng)總線是智能現(xiàn)場(chǎng) 設(shè)備之間的數(shù)字雙向多支路通信鏈路。它是專用于工業(yè)自動(dòng)化的局域網(wǎng)(LAN)。它用分布式控制網(wǎng)絡(luò)取代了集中控制網(wǎng)絡(luò)，并將智能傳感器/換能器/執(zhí)行器/控制器等隔離的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接起來(lái)。FOUNDATION現(xiàn)場(chǎng)總線H1和PROFIBUS PA是用于過(guò)程控制的兩種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。

在這種雙向通信中，可以從智能傳感器讀取數(shù)據(jù)，也可以將數(shù)據(jù)寫入智能傳感器?，F(xiàn)場(chǎng)總線中的多支路通信設(shè)施節(jié)省了大量電纜，從而降低了成本?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備必須有一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線接口單元，以便進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐ㄐ?，如下圖所示:

下圖，顯示了傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)系統(tǒng)及其現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)應(yīng)設(shè)備。

1.1 演進(jìn)

幾十年前，隨著數(shù)字通信進(jìn)入過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)，不同的供應(yīng)商開(kāi)始開(kāi)發(fā)自己的協(xié)議(彼此獨(dú)立)。在現(xiàn)場(chǎng)總線引入的最初階段，設(shè)計(jì)人員面臨著許多問(wèn)題。首先，一個(gè)特定的供應(yīng)商不可能提供工廠所需的所有部件/組件，一個(gè)特定的制造商不可能使所有的設(shè)備比其他制造商更好。這導(dǎo)致要么從單個(gè)制造商中選擇不太好的設(shè)備，要么從不同的制造商中選擇最好的設(shè)備。后一種選擇將導(dǎo)致集成問(wèn)題，并導(dǎo)致自動(dòng)化孤島，從而難以與不同制造商的設(shè)備進(jìn)行互操作性。

現(xiàn)場(chǎng)總線在引入之初就遇到了協(xié)議專有、傳輸速度慢、數(shù)據(jù)格式不一等諸多問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸技術(shù)的改進(jìn)提高了分散程度。

1985年，該領(lǐng)域的行業(yè)專家聚在一起制定了一個(gè)獨(dú)立于供應(yīng)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。它將是可互操作的。總線標(biāo)準(zhǔn)將提供總線電源、安全性以及通過(guò)現(xiàn)有電線進(jìn)行長(zhǎng)距離通信的能力（這是流程工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的基本要求）。

由于儀表自動(dòng)化系統(tǒng)的復(fù)雜性，制造商之間的壁壘，一個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議架構(gòu)還沒(méi)有建立起來(lái)?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線和PROFIBUS是目前主導(dǎo)過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域的兩種最主要的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。由于協(xié)議不匹配，采用這兩種技術(shù)的設(shè)備無(wú)法相互通信，因此尚未實(shí)現(xiàn)無(wú)縫互操作性。

1.2 結(jié)構(gòu)的發(fā)展

多年來(lái)，控制系統(tǒng)架構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)是同步發(fā)展的。隨著現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)去中心化的水平不斷提高。最初是氣壓傳輸，隨后是單獨(dú)的4-20毫安模擬電流傳輸線到控制室。從控制室發(fā)出的控制信號(hào)再次被送到現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器，用于控制過(guò)程變量。

在直接數(shù)字控制(DDC)中，位于控制室的中央計(jì)算機(jī)對(duì)位于現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)處的每個(gè)過(guò)程變量執(zhí)行所有控制。一旦中央計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，控制策略將完全失效，整個(gè)工廠的運(yùn)行將處于嚴(yán)重的危險(xiǎn)之中。這導(dǎo)致了控制策略的分散，并產(chǎn)生了一個(gè)更加分散的分布式控制系統(tǒng)(DCS)和可編程邏輯控制器(PLC)的發(fā)展。不像在單臺(tái)計(jì)算機(jī)控制整個(gè)工廠的情況下DDC，在DCS中多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間共享相同的任務(wù)。在DCS中，一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制大約20-30個(gè)循環(huán)。因此，單個(gè)計(jì)算機(jī)故障只會(huì)影響分配給該計(jì)算機(jī)的循環(huán)。傳統(tǒng)的DCS和PLC體系結(jié)構(gòu)具有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)層，如下圖所示。

隨著數(shù)字通信的出現(xiàn)，DCS和PLC迅速發(fā)展，但它們的體系結(jié)構(gòu)是基于現(xiàn)場(chǎng)變送器和閥門定位器的4-20 mA電流輸出。在現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)中，只有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)層——現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)層網(wǎng)絡(luò)。因此，F(xiàn)CS體系結(jié)構(gòu)將控制更多地帶入了現(xiàn)場(chǎng)，它比基于DCS的控制系統(tǒng)要分散得多。 FCS體系結(jié)構(gòu)如下圖所示。

1.3 類型

目前有許多類型的現(xiàn)場(chǎng)總線在使用;要使用的什么類型取決于應(yīng)用場(chǎng)景是離散或制造自動(dòng)化的類型。下面列出了不同類型的現(xiàn)場(chǎng)總線:

FOUNDATION現(xiàn)場(chǎng)總線，PROFIBUS, DeviceNet, ControlNet, Interbus，HART, AS-i, Modbus，CANbus，以太網(wǎng)，Lon Works, WorldFIP等。

1.4. 擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)邊界

現(xiàn)場(chǎng)總線在過(guò)程自動(dòng)化中的應(yīng)用具有許多優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)場(chǎng)總線的情況下，數(shù)字通信可以為提高生產(chǎn)效率更好地控制過(guò)程。

上圖，顯示了具有4-20 mA電流傳輸方案的傳統(tǒng)過(guò)程控制和基于現(xiàn)場(chǎng)總線的過(guò)程控制。對(duì)于傳統(tǒng)控制，需要單獨(dú)的電流傳輸線對(duì)于每個(gè)過(guò)程變量都是單向的，而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線，多個(gè)變量可以雙向的在共享一個(gè)單一的傳輸線路。

下圖，顯示了傳統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)之間的比較，其中傳統(tǒng)系統(tǒng)的邊界在遠(yuǎn)程I/O處停止，而現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)擴(kuò)展到傳感器。

在基于現(xiàn)場(chǎng)總線的系統(tǒng)中，I/O和控制都包含在現(xiàn)場(chǎng)的智能傳感器中，而傳統(tǒng)的系統(tǒng)需要一個(gè)單獨(dú)的子系統(tǒng)，控制器位于控制室。這種情況如下圖所示：

下圖，顯示了常規(guī)和基于現(xiàn)場(chǎng)總線的系統(tǒng)在火災(zāi)危險(xiǎn)情況下的應(yīng)用比較。對(duì)于前者，每個(gè)設(shè)備都需要一個(gè)防爆屏蔽(IS)線路，而對(duì)于后者，多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備共用一套防爆屏蔽(IS)線路。

2.0 拓?fù)?/h5>

拓?fù)渖婕暗浆F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備連接到數(shù)據(jù)高速公路的方式。根據(jù)工廠地形的需要，可采用了幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、總線、樹(shù)型、鏈型和混合。 為了清晰起見(jiàn)，在代表不同現(xiàn)場(chǎng)總線拓?fù)涞膱D中沒(méi)有顯示電源和終止器。

2.1 點(diǎn)到點(diǎn)

如下圖所示，在這種拓?fù)渲?，段由兩臺(tái)設(shè)備組成。兩個(gè)設(shè)備可以在現(xiàn)場(chǎng)，或者一個(gè)設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)，主機(jī)在控制室。

2.2 總線

總線如下圖所示，這些設(shè)備通過(guò)“分支”的小長(zhǎng)度電纜連接到線段上。分支長(zhǎng)度可以在1到120m之間變化。貫穿整個(gè)長(zhǎng)度的主電纜稱為中繼線。

2.3 樹(shù)型

在這種情況下，特定段上的設(shè)備通過(guò)接線盒、集線箱、終端或I/O卡進(jìn)行連接。該方案適用于位于同一地理位置的設(shè)備，可以連接到同一個(gè)接線盒，同時(shí)也遵循每段最大直距的規(guī)則。方案如下圖所示。

2.4 鏈型

如下圖所示，設(shè)備在一個(gè)特定的線段上串聯(lián)連接。

2.5 混合

混合拓?fù)浒厦嬗懻摰亩鄠€(gè)拓?fù)?，可能的組合，如下圖所示。根據(jù)設(shè)備在工廠中的物理位置和段長(zhǎng)度限制，采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)獲得單個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

3.0 終端連接器

在線段的兩側(cè)放置一個(gè)終端連接器(T)，作為阻抗模塊，具有與線段相同的特性阻抗。

終端連接器(T)，使接收者的錯(cuò)誤可以減少到最低限度。終端連接器(T)防止信號(hào)反射和由此產(chǎn)生的通信錯(cuò)誤。終端連接器(T)是由100 Ω電阻和1 μ F電容串聯(lián)而成。

4.0 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于規(guī)劃、安裝、運(yùn)行、維護(hù)和改造階段。在規(guī)劃階段，可以通過(guò)使用現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)字通信實(shí)現(xiàn)全廠集成。在安裝階段，用網(wǎng)絡(luò)或多支路通信取代傳統(tǒng)的一對(duì)一布線方案，大大降低了成本和時(shí)間。自我診斷/校準(zhǔn)可以在維護(hù)階段通過(guò)軟件功能就地完成。在更新階段，由于基于網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)是模塊化的，因此升級(jí)成本和時(shí)間將是最小的。

現(xiàn)場(chǎng)總線中的控制動(dòng)作分布在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是智能的，可以進(jìn)行自己的控制/維護(hù)/診斷/校準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)足夠智能，可以報(bào)告自己的故障，如果需要，可以進(jìn)行手動(dòng)校準(zhǔn)。通過(guò)采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制，提高了工廠運(yùn)行的效率，減少了停機(jī)時(shí)間。現(xiàn)場(chǎng)總線不是一種產(chǎn)品，而是一種技術(shù)，它屬于層次結(jié)構(gòu)的最底層，即在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，與更高的層次進(jìn)行信息交換

由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備是可互操作的，互操作性不會(huì)成為問(wèn)題，因此來(lái)自不同制造商的設(shè)備可以一起工作，而不會(huì)損失任何功能，這是專有協(xié)議所不能做到的。

安裝成本方面，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可以節(jié)省約80%的布線費(fèi)用。由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備中有大量的配置和診斷信息，設(shè)備調(diào)試時(shí)間大大縮短?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以在現(xiàn)場(chǎng)條件下診斷其問(wèn)題，從而減少停機(jī)時(shí)間。最后，由于控制已經(jīng)轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，需要更好和更簡(jiǎn)單的中央控制系統(tǒng)。