現(xiàn)場總線系統(tǒng)——DCS系統(tǒng)發(fā)展趨勢

　　分散控制系統(tǒng)(DCS)今天已步入第三代。它的發(fā)展一方面受計算機技術、控制技術、通信技術及CRT技術的影響，另一方面又受到生產過程控制和管理要求的驅動。  

　　隨著微電子技術的迅速發(fā)展，微處理器在控制裝置、變送器上的廣泛使用，現(xiàn)場儀表(傳感器、變送器、執(zhí)行器等)得以智能化。“現(xiàn)場總線標準”就是設計用來替代4～20mA模擬信號標準的新工業(yè)標準?，F(xiàn)場總線(Fieldbus)國際標準的制定將對DCS的發(fā)展產生重大影響，由于現(xiàn)場總線與傳統(tǒng)的4～20mA信號傳遞相比有很多優(yōu)點，以現(xiàn)場總線為基礎的自動化系統(tǒng)結構有望成為未來的分散控制系統(tǒng)。  

　　1、DCS系統(tǒng)的發(fā)展  

　　DCS將向信息管理系統(tǒng)和計算機網絡控制擴展，將過程控制和信息管理系統(tǒng)緊密結合起來，構成計算機集成過程系統(tǒng)(CIPS)。CIPS除了要完成傳統(tǒng)DCS過程控制的功能外，還要實現(xiàn)運行支持和決策支持的功能，包括質量控制、過程管理、在線優(yōu)化、經營管理、決策分析等。  

　　網絡是當今工廠自動化的核心，是計算機集成過程系統(tǒng)的基礎，而工廠自動化的每一層都有適用于自己的網絡。工廠級(上層、管理層)包括工廠信息管理和生產管理，負責與工廠管理計算機的連接，計算機間的管理數(shù)據(jù)交換通過工廠主干網實現(xiàn)。主干網采用ISO/OSI-MAP/TOP或TCP/IP-Ethernet網絡協(xié)議標準。隨著工廠自動化規(guī)模的不斷擴大，這一級的功能也越來越強，它是DCS向CIPS 發(fā)展的一個重要標志。車間級(中層、監(jiān)控層)包括過程控制和過程管理，用于控制室、現(xiàn)場控制設備和各現(xiàn)場控制裝置間的連接。通信網采用中速、載帶工業(yè)過程數(shù)據(jù)公路的形式(ProwayC或IEEE802.4)。這是DCS的實時工業(yè)控制網絡，應具有高可靠性、高使用性、實時性強、有自診斷功能、有自組態(tài)功能、容易接入新站等?，F(xiàn)場級(低層)用于連接過程控制中的傳感器、執(zhí)行器、智能儀表等。現(xiàn)場以標準的現(xiàn)場總線為發(fā)展目標，現(xiàn)已有了兩個國際組織的現(xiàn)場總線產品，現(xiàn)場總線將是DCS發(fā)展的一個重要方向。  

　　2、現(xiàn)場總線  

　　2.1、現(xiàn)場總線標準  

　　現(xiàn)場總線標準的第一部分被命名為H1，定義了一個低速、帶電鏈路的數(shù)字信號取代4～20mA模擬量傳輸信號。當H1被采用后，智能傳感器將能夠與數(shù)字控制系統(tǒng)直接通信。第二部分H2，定義了一個高速、不帶電的鏈路，使協(xié)議可應用于高級邏輯和控制。H2協(xié)議的通信速率為1Mb，而H1通信速率為31.25 Kb。由于是作為低級的網絡應用，F(xiàn)ieldbus與OSI模型的第一、二和七層有關。Fieldbus中物理層確定通過物理媒介傳送的數(shù)字信號的形式，包括電纜種類、硬件、傳輸方式、傳輸速率、電氣及機械性能等。數(shù)據(jù)鏈路層負責現(xiàn)場與控制空間的信號雙向傳送，包括數(shù)位如何組織和確認，采用怎樣的協(xié)議，故障診斷和修正以及類似的功能。應用層提供格式化的數(shù)據(jù)，集中在網絡中設備定址、設備存取、信息和其它功能的方法上。僅利用OSI網絡界面模型的三層，可在保證與更高級網絡兼容的同時，減少與現(xiàn)場總線標準有關部分的成本和費用，將使每連接一臺裝置的費用較低。相對于使用在工廠級的較高級網絡，F(xiàn)ieldbus標準設計采用較小信息量和較低數(shù)據(jù)速率的網絡。標準規(guī)定了一個31.25 kHz傳輸信號，它適用于現(xiàn)行生產裝置上采用的4～20 mA信號線路，將來則采用1 MHz和25MHz、可用于更高頻率的導線。物理性能低速/DC(H1)高速/DC(H2) 傳送距離1 900 m750 m 拓撲總線或任意總線結構點—點通信點—點通信 響應時間100 ms1 ms 數(shù)據(jù)傳輸速率31.25 Kb1 Mb 報文傳送速度81～122報文/s2 604～3 906報文/s 標準報文長度32～48 B32～48 B 數(shù)據(jù)類型浮點(32位)， 文本，時鐘浮點(32位)，文本，時鐘 設備數(shù)量3232 傳輸媒介儀表級雙絞線通信級雙絞線電源DCDC 冗余支持支持本質安全性有無(對于網絡供電裝置) 連接方式直接直接?，F(xiàn)場總線標準中的物理層協(xié)議已于1993年獲得通過。它規(guī)定了傳輸媒介的情況，包括工作電壓和電流。現(xiàn)正在開發(fā)應用層和用戶層協(xié)議。Fieldbus的最后目標是以一片硅集成電路為基礎的現(xiàn)場總線，這片集成電路將覆蓋物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層的需要，目前Honeywell、Rosemount正在開發(fā)Fieldchips。  

　　2.2、兩大現(xiàn)場總線機構  

　　80年代末，一些儀表公司著手開發(fā)統(tǒng)一標準的現(xiàn)場總線。目前主要有兩大機構：ISP(相互可操作性系統(tǒng)工程)和WorldFIP。ISP機構成員有西門子、羅斯蒙特、費希爾、福克斯波羅、橫河、ABB等64個公司；WorldFIP機構成員有霍尼韋爾、山武—霍尼韋爾、貝利等150個公司。兩大機構都在開發(fā)各自現(xiàn)場總線標準。ISP以德國工業(yè)標準Profibus為基礎，它采用由主機向各臺設備發(fā)布令牌，使其進入網絡。WorldFIP以法國工業(yè)標準FIP為基礎，采用按時序進入現(xiàn)場總線。但是兩種現(xiàn)場總線都包括ICE和SP50的聯(lián)合在1989年完成實驗。下面分別敘述。  

　　ISP根據(jù)IEC-ISASP50的思想，提供了兩種現(xiàn)場總線H1和H2(同國際標準)，它有一個設備描述語言DDL，是由Rosemount公司開發(fā)的，可將任何最新進入系統(tǒng)的儀表所具有的功能和性能自動地通知主機。Siemens的過程裝置開發(fā)工程師認為，此功能是WorldFIP所不具備的，這種功能使擴充現(xiàn)有系統(tǒng)非常容易。ISP的另一優(yōu)點是它為用戶而定義的功能塊。在開發(fā)標準的第一階段中，ISP已定義了10種功能塊，它可覆蓋現(xiàn)場總線應用要求中的80%，其中包括開關和模擬量的輸入、輸出、PID控制以及它們的組合，ISP成員橫河公司開發(fā)生產出一種新型硅片可實現(xiàn)ISA SP50協(xié)議所規(guī)定的物理層及部分數(shù)據(jù)鏈路層的工作，其余的數(shù)據(jù)鏈路工作與應用層和功能塊一起由置于現(xiàn)場儀表的一臺微處理器來完成。WorldFIP采用了時間同步信息系統(tǒng)，連接在總線上的各儀表設備可按時序進入現(xiàn)場總線。根據(jù)Honeywell公司介紹，只有FIP總線能控制時間周期在1ms以內。WorldFIP在1994年投入了它自己的設備描述工具，稱Device  Builder。它收入了SP50已批準的所有功能塊，能自動地告訴控制系統(tǒng)一臺新儀表具有的功能以及必須整定的參數(shù)。WorldFIP也計劃推出一種更便宜的硅片。  

　　雖然目前兩大組織的總線產品還不兼容，但WorldFIP和ISP都表示，當IEC-ISA最后完成其現(xiàn)場總線標準時，他們將使其產品與標準兼容，現(xiàn)有系統(tǒng)更新到能夠滿足最后的IEC-ISA標準可能僅僅只是更換控制硅片而已，費用大約5美元。1994年9月，ISP和WorldFIP合并成立了Fieldbus Foundation(FF,即現(xiàn)場總線協(xié)會)。FF是一非盈利性的國際組織，這將有助于發(fā)展一個單一的、國際間的、可互操作的現(xiàn)場總線。其技術將是現(xiàn)存幾個組織的某些規(guī)約的融合，即FF的技術將基于已有IEC/ISA的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，ISTRev3.0版本的應用層和用戶層，結合ISP和WorldFIP的網絡和系統(tǒng)管理層來組成?？苫ゲ僮鲃t由設備描述語言來支持。  

　　2.3、現(xiàn)場總線的優(yōu)勢  

　　現(xiàn)場總線不單單是一個通信標準，而是試圖包含全部領域，作為一個過程控制的開放的、集成的測量控制系統(tǒng)。采用現(xiàn)場總線，具有許多優(yōu)點：  
　　a)大大縮減了鋪線費用；  
　　b)簡化了線路的安裝與維護；  
　　c)能傳送多個過程變量，可以實現(xiàn)在線故障診斷及線路故障檢測；  
　　d)用數(shù)字信號取代4～20mA模擬信號，可提高系統(tǒng)精度，而且可把一些功能(如線性化、補償校正、工程量轉換、報警處理等)賦于現(xiàn)場儀表，提高了現(xiàn)場儀表的自主性和可靠性；  
　　e)因現(xiàn)場總線是雙向的，故可從控制室對現(xiàn)場儀表進行標定和調整；  
　　f)現(xiàn)場總線采用國際標準后，用戶可以優(yōu)選各儀表廠商的產品組成系統(tǒng)，而不必考慮總線接口是否匹配問題。  

　　2.4　目前商用的兩種產品  

　　a)1985年，Rosemount研制了HART數(shù)字通信協(xié)議，用于智能現(xiàn)場儀表。HART協(xié)議是在4～20mA基礎上加上數(shù)字信號進行通信的，盡管將來的儀表世界是全數(shù)字的，但在當前，很少人能知道多少年以后才能實現(xiàn)全數(shù)字化，并且HART延長了4～20mA標準的壽命。HART占領了市場，已超過1 000 000臺儀表用了HART，從此角度上說HART先行了一步。HART工作方式有點—點式或全數(shù)字式的。點—點式是在4～20 mA疊加一組數(shù)字信號，不影響4～20mA模擬信號；全數(shù)字式的優(yōu)點是可連15臺儀表，減少投入。HART具有相互可操作性，HART解決DDL，DDL概念對ISP等組織有所啟發(fā)。   

　　b)1987年，德國工業(yè)技術開發(fā)部提供了一種Profibus作為國家標準，以便實現(xiàn)以下目標：靈活、雙向交換數(shù)據(jù)信息、自診斷參數(shù)等，使得數(shù)字化更加準確，減少I/O和A/D以降低成本，方便操作。截止目前，已高達600000臺儀表用上了該標準。Profibus不同于HART，它以常用的RS-485通信原理作為物理層，用便宜的雙絞電纜即可實現(xiàn)令牌式的通信，Profibus作為ISP的雛形，ISP引用了其物理層、應用層的原理。  

　　3、結束語  

　　計算機集成技術和現(xiàn)場總線的發(fā)展，將對DCS的結構產生重大影響。目前DCS的結構將受到上下肢解，上層工作站將與CIPS緊密結合，DCS將演變成CIPS的低層部分；在現(xiàn)場級，現(xiàn)場總線的應用將使傳統(tǒng)的DCSI/O結構徹底改變?，F(xiàn)場總線將對自控領域帶來深刻影響，工業(yè)控制系統(tǒng)的體系結構將以統(tǒng)一的現(xiàn)場總線為紐帶構成，現(xiàn)場控制系統(tǒng)(FCS)將是21世紀的開放控制系統(tǒng)。