現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)——DCS系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

　　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(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)及CRT技術(shù)的影響，另一方面又受到生產(chǎn)過程控制和管理要求的驅(qū)動(dòng)。  

　　隨著微電子技術(shù)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(chǎng)儀表(傳感器、變送器、執(zhí)行器等)得以智能化。“現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)”就是設(shè)計(jì)用來替代4～20mA模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的新工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)國際標(biāo)準(zhǔn)的制定將對(duì)DCS的發(fā)展產(chǎn)生重大影響，由于現(xiàn)場(chǎng)總線與傳統(tǒng)的4～20mA信號(hào)傳遞相比有很多優(yōu)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制擴(kuò)展，將過程控制和信息管理系統(tǒng)緊密結(jié)合起來，構(gòu)成計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)運(yùn)行支持和決策支持的功能，包括質(zhì)量控制、過程管理、在線優(yōu)化、經(jīng)營管理、決策分析等。  

　　網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今工廠自動(dòng)化的核心，是計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而工廠自動(dòng)化的每一層都有適用于自己的網(wǎng)絡(luò)。工廠級(jí)(上層、管理層)包括工廠信息管理和生產(chǎn)管理，負(fù)責(zé)與工廠管理計(jì)算機(jī)的連接，計(jì)算機(jī)間的管理數(shù)據(jù)交換通過工廠主干網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。主干網(wǎng)采用ISO/OSI-MAP/TOP或TCP/IP-Ethernet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。隨著工廠自動(dòng)化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這一級(jí)的功能也越來越強(qiáng)，它是DCS向CIPS 發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。車間級(jí)(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(chǎng)控制設(shè)備和各現(xiàn)場(chǎng)控制裝置間的連接。通信網(wǎng)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(shí)時(shí)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)具有高可靠性、高使用性、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、有自診斷功能、有自組態(tài)功能、容易接入新站等?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)(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(chǎng)以標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線為發(fā)展目標(biāo)，現(xiàn)已有了兩個(gè)國際組織的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)總線將是DCS發(fā)展的一個(gè)重要方向。  

　　2、現(xiàn)場(chǎng)總線  

　　2.1、現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)  

　　現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的第一部分被命名為H1，定義了一個(gè)低速、帶電鏈路的數(shù)字信號(hào)取代4～20mA模擬量傳輸信號(hào)。當(dāng)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(gè)高速、不帶電的鏈路，使協(xié)議可應(yīng)用于高級(jí)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(jí)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，F(xiàn)ieldbus與OSI模型的第一、二和七層有關(guān)。Fieldbus中物理層確定通過物理媒介傳送的數(shù)字信號(hào)的形式，包括電纜種類、硬件、傳輸方式、傳輸速率、電氣及機(jī)械性能等。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)與控制空間的信號(hào)雙向傳送，包括數(shù)位如何組織和確認(rèn)，采用怎樣的協(xié)議，故障診斷和修正以及類似的功能。應(yīng)用層提供格式化的數(shù)據(jù)，集中在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備定址、設(shè)備存取、信息和其它功能的方法上。僅利用OSI網(wǎng)絡(luò)界面模型的三層，可在保證與更高級(jí)網(wǎng)絡(luò)兼容的同時(shí)，減少與現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)部分的成本和費(fèi)用，將使每連接一臺(tái)裝置的費(fèi)用較低。相對(duì)于使用在工廠級(jí)的較高級(jí)網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)ieldbus標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)采用較小信息量和較低數(shù)據(jù)速率的網(wǎng)絡(luò)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個(gè)31.25 kHz傳輸信號(hào)，它適用于現(xiàn)行生產(chǎn)裝置上采用的4～20 mA信號(hào)線路，將來則采用1 MHz和25MHz、可用于更高頻率的導(dǎo)線。物理性能低速/DC(H1)高速/DC(H2) 傳送距離1 900 m750 m 拓?fù)淇偩€或任意總線結(jié)構(gòu)點(diǎn)—點(diǎn)通信點(diǎn)—點(diǎn)通信 響應(yīng)時(shí)間100 ms1 ms 數(shù)據(jù)傳輸速率31.25 Kb1 Mb 報(bào)文傳送速度81～122報(bào)文/s2 604～3 906報(bào)文/s 標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文長度32～48 B32～48 B 數(shù)據(jù)類型浮點(diǎn)(32位)， 文本，時(shí)鐘浮點(diǎn)(32位)，文本，時(shí)鐘 設(shè)備數(shù)量3232 傳輸媒介儀表級(jí)雙絞線通信級(jí)雙絞線電源DCDC 冗余支持支持本質(zhì)安全性有無(對(duì)于網(wǎng)絡(luò)供電裝置) 連接方式直接直接?，F(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)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?，F(xiàn)正在開發(fā)應(yīng)用層和用戶層協(xié)議。Fieldbus的最后目標(biāo)是以一片硅集成電路為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)總線，這片集成電路將覆蓋物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的需要，目前Honeywell、Rosemount正在開發(fā)Fieldchips。  

　　2.2、兩大現(xiàn)場(chǎng)總線機(jī)構(gòu)  

　　80年代末，一些儀表公司著手開發(fā)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。目前主要有兩大機(jī)構(gòu)：ISP(相互可操作性系統(tǒng)工程)和WorldFIP。ISP機(jī)構(gòu)成員有西門子、羅斯蒙特、費(fèi)希爾、?？怂共_、橫河、ABB等64個(gè)公司；WorldFIP機(jī)構(gòu)成員有霍尼韋爾、山武—霍尼韋爾、貝利等150個(gè)公司。兩大機(jī)構(gòu)都在開發(fā)各自現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。ISP以德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Profibus為基礎(chǔ)，它采用由主機(jī)向各臺(tái)設(shè)備發(fā)布令牌，使其進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。WorldFIP以法國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FIP為基礎(chǔ)，采用按時(shí)序進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)總線。但是兩種現(xiàn)場(chǎng)總線都包括ICE和SP50的聯(lián)合在1989年完成實(shí)驗(yàn)。下面分別敘述。  

　　ISP根據(jù)IEC-ISASP50的思想，提供了兩種現(xiàn)場(chǎng)總線H1和H2(同國際標(biāo)準(zhǔn))，它有一個(gè)設(shè)備描述語言DDL，是由Rosemount公司開發(fā)的，可將任何最新進(jìn)入系統(tǒng)的儀表所具有的功能和性能自動(dòng)地通知主機(jī)。Siemens的過程裝置開發(fā)工程師認(rèn)為，此功能是WorldFIP所不具備的，這種功能使擴(kuò)充現(xiàn)有系統(tǒng)非常容易。ISP的另一優(yōu)點(diǎn)是它為用戶而定義的功能塊。在開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的第一階段中，ISP已定義了10種功能塊，它可覆蓋現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用要求中的80%，其中包括開關(guān)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(chǎn)出一種新型硅片可實(shí)現(xiàn)ISA SP50協(xié)議所規(guī)定的物理層及部分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層的工作，其余的數(shù)據(jù)鏈路工作與應(yīng)用層和功能塊一起由置于現(xiàn)場(chǎng)儀表的一臺(tái)微處理器來完成。WorldFIP采用了時(shí)間同步信息系統(tǒng)，連接在總線上的各儀表設(shè)備可按時(shí)序進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)總線。根據(jù)Honeywell公司介紹，只有FIP總線能控制時(shí)間周期在1ms以內(nèi)。WorldFIP在1994年投入了它自己的設(shè)備描述工具，稱Device  Builder。它收入了SP50已批準(zhǔn)的所有功能塊，能自動(dòng)地告訴控制系統(tǒng)一臺(tái)新儀表具有的功能以及必須整定的參數(shù)。WorldFIP也計(jì)劃推出一種更便宜的硅片。  

　　雖然目前兩大組織的總線產(chǎn)品還不兼容，但WorldFIP和ISP都表示，當(dāng)IEC-ISA最后完成其現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，他們將使其產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)兼容，現(xiàn)有系統(tǒng)更新到能夠滿足最后的IEC-ISA標(biāo)準(zhǔn)可能僅僅只是更換控制硅片而已，費(fèi)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(chǎng)總線協(xié)會(huì))。FF是一非盈利性的國際組織，這將有助于發(fā)展一個(gè)單一的、國際間的、可互操作的現(xiàn)場(chǎng)總線。其技術(shù)將是現(xiàn)存幾個(gè)組織的某些規(guī)約的融合，即FF的技術(shù)將基于已有IEC/ISA的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，ISTRev3.0版本的應(yīng)用層和用戶層，結(jié)合ISP和WorldFIP的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)管理層來組成。可互操作則由設(shè)備描述語言來支持。  

　　2.3、現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)  

　　現(xiàn)場(chǎng)總線不單單是一個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)，而是試圖包含全部領(lǐng)域，作為一個(gè)過程控制的開放的、集成的測(cè)量控制系統(tǒng)。采用現(xiàn)場(chǎng)總線，具有許多優(yōu)點(diǎn)：  
　　a)大大縮減了鋪線費(fèi)用；  
　　b)簡化了線路的安裝與維護(hù)；  
　　c)能傳送多個(gè)過程變量，可以實(shí)現(xiàn)在線故障診斷及線路故障檢測(cè)；  
　　d)用數(shù)字信號(hào)取代4～20mA模擬信號(hào)，可提高系統(tǒng)精度，而且可把一些功能(如線性化、補(bǔ)償校正、工程量轉(zhuǎn)換、報(bào)警處理等)賦于現(xiàn)場(chǎng)儀表，提高了現(xiàn)場(chǎng)儀表的自主性和可靠性；  
　　e)因現(xiàn)場(chǎng)總線是雙向的，故可從控制室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行標(biāo)定和調(diào)整；  
　　f)現(xiàn)場(chǎng)總線采用國際標(biāo)準(zhǔn)后，用戶可以優(yōu)選各儀表廠商的產(chǎn)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(chǎn)品  

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

　　b)1987年，德國工業(yè)技術(shù)開發(fā)部提供了一種Profibus作為國家標(biāo)準(zhǔn)，以便實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：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(zhǔn)確，減少I/O和A/D以降低成本，方便操作。截止目前，已高達(dá)600000臺(tái)儀表用上了該標(biāo)準(zhǔn)。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(shí)現(xiàn)令牌式的通信，Profibus作為ISP的雛形，ISP引用了其物理層、應(yīng)用層的原理。  

　　3、結(jié)束語  

　　計(jì)算機(jī)集成技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展，將對(duì)DCS的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響。目前DCS的結(jié)構(gòu)將受到上下肢解，上層工作站將與CIPS緊密結(jié)合，DCS將演變成CIPS的低層部分；在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用將使傳統(tǒng)的DCSI/O結(jié)構(gòu)徹底改變?，F(xiàn)場(chǎng)總線將對(duì)自控領(lǐng)域帶來深刻影響，工業(yè)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)將以統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶構(gòu)成，現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)(FCS)將是21世紀(jì)的開放控制系統(tǒng)。