现场总线控制系统技术发展

  随着现场总线技术的开放和标准化，智能仪表和设备共同组成新型结构的FCS出现，标志着现场总线技术的发展和应用达到了新的历史阶段。由于以PLC、PC为主控设备的控制系统广泛采用了现场总线技术，以至几乎找不到不采用现场总线技术的网络化PLC和PC控制系统。

  随着硬件技术的成熟，软件在控制系统中发挥着越来越重要的作用。通信协议栈、分布控制功能块都是以软件为核心的技术。基于通用工业 PC的软PLC和软 DCS 也同样表明了软件的重要性。控制和优化算法的性能也都体现为软件能力。工业PC采用硬件平台，接口标准统一，开发工具更为完备。由它们构成的系统，更容易扩充，运行于其上的软PLC和软 DCS，具有成本低廉、性能可靠、易于扩充等特点，已经取得越来越广泛的应用。

  尽管多种总线在市场上取得了很大的成功，但FF和Profibus-PA是公认的过程控制总线的代表和技术领先者。过程控制级绝大部分采用FF或Profibus-PA总线标准，因此，基金会现场总线FF和Profibus-PA是过程控制总线的主流。现在我国的许多工业部门已先后引进了多种现场总线控制系统和智能仪表，其中FF和Profibus占主流，传统DCS和PLC系统将自然发展为FCS。

  1.现场总线对现代控制系统的影响

  1)节省硬件数量与成本由于现场总线系统中分散在设备前端的智能单元能直接执行多种传感、控制、报警和计算任务，因而可以减少变送器数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要 DCS中的信号调整、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控 PC作为操作站，从而节省硬件成本。

  2)节省安装费用由于一条双绞线或电缆上可以挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大为减少，连线设计与接头校对的工作量也大大降低。当需要增加现场控制设备时，无须增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。

  3)节约维护开销由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理能力，并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行和诊断维护信息，能够及时分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间。另外，由于系统结构简化、连线简单，也减少了维护工作量。

  4)用户具有高度的系统集成主动权由于通信协议完全公开，任何人、任何单位均可采用，不同厂商的设备遵守相同的技术规范，用户可以自由选择不同厂商提供的设备进行系统集成，从而避免因前期选择了某一品牌的产品而被限制了后续设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，可统一组态，无须专用的驱动程序，为系统集成的自主性提供了保障，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。

  5)提高了系统的可靠性与自动化水平由于现场总线设备实现了高度智能化和数字化，与模拟信号相比，现场总线降低了传输过程中的噪声干扰，从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于简洁的系统结构，设备与连线的减少，现场仪表内部功能的加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。另外，现场总线仪表可以实现远程在线组态、运行时的故障自诊断和预测性维护。由于通过现场总线可以从现场仪表获得更多的非控制信息，如现场仪表的位号、诊断状态、资源状况等，可以构建全程质量跟踪体系，一旦故障发生，能够快速定位并能缩短排除故障的停车时间，同时通过跟踪维护记录，也有利于明确操作人员的责任，使用户能通过设备管理维护系统实现对全厂设备的在线管理、预测性维护等功能，提高了工厂自动化水平。

  6)系统设计的改变由于已实现了设备标准化和功能模块化，现场总线控制系统还具有设计简单、易于重构的优点。可以利用现场仪表的处理能力，将底层控制、累计、报警监视等功能转移到现场仪表中实现，简化控制室仪表的设计。由于现场仪表的智能化和底层控制功能(如PID)下放到现场级去实现，分布式的高级算法将发挥作用。现场仪表由于防爆、功耗限制等原因，处理信息的能力有限，而通过现场仪表组成自治的回路，可以进一步分散控制，采用分布式的控制算法，实现在上位机平台上执行集中式的寻优和高级控制运算，现场仪表组合执行底层控制运算.

  7)通信线供电通信线供电是指允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，对于要求本质安全的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式。例如，化工、炼油等企业的生产现场有可燃性物质，所有现场设备都必须严格遵循安全防爆标准，现场总线设备也不例外。

  8)双向通信相对于4～20mA模拟信号通信的单向传输，现场总线可以进行双向的信息传输。

  9)现场控制传统控制系统采用4~20mA模拟信号进行传输，只能进行控制室和现场仪表之间的点对点通信，而采用现场总线通信，现场仪表、控制室仪表采用总线式连接，现场仪表相互之间直接联系组成就地控制回路，建立真正的现场控制。控制站硬件将重新设计，不再需要A-D与D-A转换接口，控制站只需执行高级控制功能，调度通信已不是控制站必须完成的工作。

  10)软件功能增强对于控制软件来说，现场总线能提供更多的信息。例如，现场仪表不仅能提供过程变量的测量值，还能够提供对该测量值真实性的评价及仪表工作状态的信息。控制软件需要组织这些信息，以适当的形式向用户提供，使用户对生产过程有更全面的了解。连接在现场总线上的仪表还提供各类报警，监控软件须考虑如何最优地处理这些信息。总线与智能仪表的结合，也给用户控制自动控制系统的运行提供了更多、更灵活的选择，例如，在远程监控和PID控制算法之间的切换等。