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[摘要]现场总线控制技术是20世纪末工业过程控制发展的新技术，是计算机网络技术，自动化仪表制造技术和过程控制发展的结果。详细介绍现场总线控制系统的特点、分类、发展现状，分析其应用前景。
[关键词]控制系统 现场总线 DCS FCS
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)1020138－01
一、引言
现场总线技术是一种集计算机技术、通信技术、集成电路技术及智能传感技术于一身的新兴控制技术。所谓现场总线，按照国际电工委员会IEC/SC65C的定义，是指安装在制造或过程区域的现场装置之间以及现场装置于控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通讯的数据总线，以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统(FCS)。现场总线控制系统FCS是继集散式控制系统DCS后的新一代控制系统。现代工业控制思想的核心是“分散控制，集中监控”使得“控制分散，危险分散”。但即使是现在流行的DCS控制与其工业过程打交道的过程控制站仍然还是集中的，这正是对分散控制，集中监控思想的违背。而FCS控制系统真正做到了这一点，它把控制彻底地下放到现场，具有通信功能的现场智能设备，能完成诸如数据采集，数据处理，控制运算和数据输出等功能。
二、现场总线的特点
现场总线是3C技术(计算机、通信、控制)的融合。简单地概括现场总线技术的特点是：信号传输全数字、控制功能全分散、标准统一全开放。比较而言，一方面DCS是一种半数字、半分散、半开放的控制系统; FCS (现场总线控制系统)则是在DCS基础上的连续发展，它们在很多方面是一致的，从人机界面操作站、先进控制间的关系等。从这一点看，不应把FCS和DCS对立起来。另一方面DCS发展了二十几年，其间也作了不少次改进，现在的DCS也不是当年的DCS了。但FCS已经超出了DCS的框架，则难以再称之为一种“改进了的DCS”，因此说这又是一次质变。现场总线技术的全部优点都源于它的三大特点：
（一）系统精度提高：现场设备的信息增加几十倍，可用于自诊断、系统调试和管理，提高了系统的有效性;同一电缆挂接许多台现场设备，节省电缆70%~90%及施工量。例如系统操作站很容易读到每条总线上的设备，仪表人员不必像4~20mA仪表那样在现场和控制室间逐台查对。而每个现场总线的过程变量除了本身数值外，还有它的状况，如好、坏、不确定等。这个内容通过显示器可给操作人员以提示方便系统在运行条件下对现场设备进行诊断维护。所以说节省电缆只不过是现场总线技术表层的优点，因为DCS/PLC远程I/O也可达到类似效果，而从现场设备获得丰富的信息才是现场总线技术独有的本质优越性。
（二）打破了个别厂商的垄断，给技术以强大的支持群体，促进公平竞争，促进技术进步。DCS只做到操作站以上开放，控制层不可能开放，而FCS则做到系统从上到下全开放。不同总线开放的程度和难度都有所区别，简单的I/O总线开放的难度较低而控制用的系统总线的开放互操作就很难。
（三）有高智能的现场设备来分散地完成DCS控制器的功能，弱化甚至省去了集中控制器的层次，降低了设备费用，使控制风险彻底分散，提高系统控制的自治性和可靠性。对于I/O类简单的总线则不具有这一特点和优点。不过这和使用的场合有关，例如逻辑控制算法简单但要求速度快，所以PLC通常并不要求控制彻底分散。和其他一切事物一样，现场总线也不是包治百病的药方，在一些场合它发挥的优点不太明显，例如简单的小规模的数字模拟混合系统，特别是现场和控制室距离近的情况。因为混合控制在同一的CPU中进行将比较方便，小系统所冒控制集中的风险也不大。而控制分散的现场总线却要用两种设备去实现，反而显得繁琐。应该说越是大系统控制越复杂，对于现场和控制室距离远的情况来说，现场总线显示的优越性越大。
三、现场总线的分类
现场总线种类繁多，这里按照现场总线的应用层次，将它分成如下几种形式：（1）传感器总线最低层的总线，连接诸如通/短开关之类成本低廉的现场设备，总线上只进行少量数据传输，现场设备只进行简单动作处理。如ASI，Interbus-S等。（2）设备总线最常用的一种总线形式，为智能设备提供通信服务，在这一层次上，智能设备能够执行多种功能，提供通信和诊断信息服务。这类总线包括：CAN、DeviceNet、LonWorks、Profibus-DP等。（3）车间级总线设备总线的上一层次，它支持大数据量的传输，但传输速度较慢，要求设备处理器有较高的性能，有的现场总线技术已经能在现场设备中直接支持分布式控制功能。这类总线包括：FF、Profibus-PA、WoridFIP、LonWorks等。（4）控制级总线。主要定向于PLCS、DCS控制器等高层次控制设备间的对等通信，诸如ControlNet。（5）企业级总线。骨干网络是为企业事务服务的，主要形式是在Ethernet、基础上运行TCP/IP协议。
四、现场总线技术的现状和发展
根据国际电工委员会（IEC）和国际标准化组织（ISO）标准中，常用的有以下两种。
（一）用于工业控制的IEC61158标准，包括了十种类型的现场总线，分别是：Type1：IEC61158现场总线（即IEC61158技术报告）；Type2：ControlNet现场总线（美国罗克韦尔自动化公司支持）；Type3：Profibus现场总线（德国西门子公司支持）；Type4：P-Net现场总线（丹麦ProcessData公司支持）；Type5：FF-HSE现场总线（美国Fisher-Rosemount公司支持原FF-H2标准）；Type6：SwiftNet现场总线（美国波音公司支持）；Type7：WorldFIP现场总线（法国Aistom公司支持）；Type8：Interbus现场总线（德国Phoenix公司支持）；Type9：FF-H1现场总线（现场总线基金会制定、支持）；Type10：PROFInet现场总线。
（二）用于低压开关设备、控制器与电气设备接口的IEC62026标准。国际电工委员会制定的IEC62026《低压开关设备和控制设备控制器--设备接口》，各部分如下：IEC62026-1：总则；IEC62026-2：执行器传感器接口（AS-i）（德国西门子公司支持）；IEC62026-3：设备网，即DeviceNet（美国罗克韦尔公司、日本OMRON公司支持）；IEC62026-4：现已取消；IEC62026-5：智能分散系统（SDS）（美国Honeywell公司支持）；IEC62026-6：串行控制总线，（SMCB）（美国Honeywell公司支持）；IEC62026-7：现已转入IEC61158标准（即Interbus）；实际上IEC62026标准只有AS-I DeviceNet SDS SMCB 4种总线。目前我国也发布了基于以太网技术的现场总线的研究成果。同时起草了“用于工业测量与控制系统的EPA（Ethernet for Plant Automation）系统结构和通信标准”开发了基于EPA的分布式控制系统，并获得成功，有望成为国际标准之一。现场总线标准虽然是一个多标准体系，但它特别强调“互联”和“互操作性”，也就是说，不同厂商的FCS产品可以异构，在组成统一的系统后可以相互操作，统一组态，打破了传统DCS产品互不兼容的缺点，方便了用户。
参考文献：
[1]阳宪惠.现场总线技术及应用[M].北京:清华大学出版社.1999.
[2]现场总线技术.中国电力出版社.2004.
[关键词]控制系统 现场总线 DCS FCS
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)1020138－01
一、引言
现场总线技术是一种集计算机技术、通信技术、集成电路技术及智能传感技术于一身的新兴控制技术。所谓现场总线，按照国际电工委员会IEC/SC65C的定义，是指安装在制造或过程区域的现场装置之间以及现场装置于控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通讯的数据总线，以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统(FCS)。现场总线控制系统FCS是继集散式控制系统DCS后的新一代控制系统。现代工业控制思想的核心是“分散控制，集中监控”使得“控制分散，危险分散”。但即使是现在流行的DCS控制与其工业过程打交道的过程控制站仍然还是集中的，这正是对分散控制，集中监控思想的违背。而FCS控制系统真正做到了这一点，它把控制彻底地下放到现场，具有通信功能的现场智能设备，能完成诸如数据采集，数据处理，控制运算和数据输出等功能。
二、现场总线的特点
现场总线是3C技术(计算机、通信、控制)的融合。简单地概括现场总线技术的特点是：信号传输全数字、控制功能全分散、标准统一全开放。比较而言，一方面DCS是一种半数字、半分散、半开放的控制系统; FCS (现场总线控制系统)则是在DCS基础上的连续发展，它们在很多方面是一致的，从人机界面操作站、先进控制间的关系等。从这一点看，不应把FCS和DCS对立起来。另一方面DCS发展了二十几年，其间也作了不少次改进，现在的DCS也不是当年的DCS了。但FCS已经超出了DCS的框架，则难以再称之为一种“改进了的DCS”，因此说这又是一次质变。现场总线技术的全部优点都源于它的三大特点：
（一）系统精度提高：现场设备的信息增加几十倍，可用于自诊断、系统调试和管理，提高了系统的有效性;同一电缆挂接许多台现场设备，节省电缆70%~90%及施工量。例如系统操作站很容易读到每条总线上的设备，仪表人员不必像4~20mA仪表那样在现场和控制室间逐台查对。而每个现场总线的过程变量除了本身数值外，还有它的状况，如好、坏、不确定等。这个内容通过显示器可给操作人员以提示方便系统在运行条件下对现场设备进行诊断维护。所以说节省电缆只不过是现场总线技术表层的优点，因为DCS/PLC远程I/O也可达到类似效果，而从现场设备获得丰富的信息才是现场总线技术独有的本质优越性。
（二）打破了个别厂商的垄断，给技术以强大的支持群体，促进公平竞争，促进技术进步。DCS只做到操作站以上开放，控制层不可能开放，而FCS则做到系统从上到下全开放。不同总线开放的程度和难度都有所区别，简单的I/O总线开放的难度较低而控制用的系统总线的开放互操作就很难。
（三）有高智能的现场设备来分散地完成DCS控制器的功能，弱化甚至省去了集中控制器的层次，降低了设备费用，使控制风险彻底分散，提高系统控制的自治性和可靠性。对于I/O类简单的总线则不具有这一特点和优点。不过这和使用的场合有关，例如逻辑控制算法简单但要求速度快，所以PLC通常并不要求控制彻底分散。和其他一切事物一样，现场总线也不是包治百病的药方，在一些场合它发挥的优点不太明显，例如简单的小规模的数字模拟混合系统，特别是现场和控制室距离近的情况。因为混合控制在同一的CPU中进行将比较方便，小系统所冒控制集中的风险也不大。而控制分散的现场总线却要用两种设备去实现，反而显得繁琐。应该说越是大系统控制越复杂，对于现场和控制室距离远的情况来说，现场总线显示的优越性越大。
三、现场总线的分类
现场总线种类繁多，这里按照现场总线的应用层次，将它分成如下几种形式：（1）传感器总线最低层的总线，连接诸如通/短开关之类成本低廉的现场设备，总线上只进行少量数据传输，现场设备只进行简单动作处理。如ASI，Interbus-S等。（2）设备总线最常用的一种总线形式，为智能设备提供通信服务，在这一层次上，智能设备能够执行多种功能，提供通信和诊断信息服务。这类总线包括：CAN、DeviceNet、LonWorks、Profibus-DP等。（3）车间级总线设备总线的上一层次，它支持大数据量的传输，但传输速度较慢，要求设备处理器有较高的性能，有的现场总线技术已经能在现场设备中直接支持分布式控制功能。这类总线包括：FF、Profibus-PA、WoridFIP、LonWorks等。（4）控制级总线。主要定向于PLCS、DCS控制器等高层次控制设备间的对等通信，诸如ControlNet。（5）企业级总线。骨干网络是为企业事务服务的，主要形式是在Ethernet、基础上运行TCP/IP协议。
四、现场总线技术的现状和发展
根据国际电工委员会（IEC）和国际标准化组织（ISO）标准中，常用的有以下两种。
（一）用于工业控制的IEC61158标准，包括了十种类型的现场总线，分别是：Type1：IEC61158现场总线（即IEC61158技术报告）；Type2：ControlNet现场总线（美国罗克韦尔自动化公司支持）；Type3：Profibus现场总线（德国西门子公司支持）；Type4：P-Net现场总线（丹麦ProcessData公司支持）；Type5：FF-HSE现场总线（美国Fisher-Rosemount公司支持原FF-H2标准）；Type6：SwiftNet现场总线（美国波音公司支持）；Type7：WorldFIP现场总线（法国Aistom公司支持）；Type8：Interbus现场总线（德国Phoenix公司支持）；Type9：FF-H1现场总线（现场总线基金会制定、支持）；Type10：PROFInet现场总线。
（二）用于低压开关设备、控制器与电气设备接口的IEC62026标准。国际电工委员会制定的IEC62026《低压开关设备和控制设备控制器--设备接口》，各部分如下：IEC62026-1：总则；IEC62026-2：执行器传感器接口（AS-i）（德国西门子公司支持）；IEC62026-3：设备网，即DeviceNet（美国罗克韦尔公司、日本OMRON公司支持）；IEC62026-4：现已取消；IEC62026-5：智能分散系统（SDS）（美国Honeywell公司支持）；IEC62026-6：串行控制总线，（SMCB）（美国Honeywell公司支持）；IEC62026-7：现已转入IEC61158标准（即Interbus）；实际上IEC62026标准只有AS-I DeviceNet SDS SMCB 4种总线。目前我国也发布了基于以太网技术的现场总线的研究成果。同时起草了“用于工业测量与控制系统的EPA（Ethernet for Plant Automation）系统结构和通信标准”开发了基于EPA的分布式控制系统，并获得成功，有望成为国际标准之一。现场总线标准虽然是一个多标准体系，但它特别强调“互联”和“互操作性”，也就是说，不同厂商的FCS产品可以异构，在组成统一的系统后可以相互操作，统一组态，打破了传统DCS产品互不兼容的缺点，方便了用户。
参考文献：
[1]阳宪惠.现场总线技术及应用[M].北京:清华大学出版社.1999.
[2]现场总线技术.中国电力出版社.2004.