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【摘要】现场总线技术及现场总线智能仪表是计算机技术、控制技术及通讯技术发展的必然结果。现场总线仪表近年来发展极为迅速, 已成为自动化仪表发展的方向, 应用前景是十分广阔的，现场总线控制系统(FCS)是分散型控制系统(DCS)的继承完善和进一步发展,终将取代分散控制系统(DCS)。现场总线智能仪表,含各种变送器执行器调节阀调节器等,都附有微处理器,都是全数字化标准化智能型的。
【关键词】现场总线智能仪表发展
中图分类号：G623.58 文献标识码：A 文章编号：
现场总线是生产现场的测量控制设备与控制室内的自控装置之间的串行、多点、全数字的通信总线，也被称为控制领域的计算机局域网。这里所说的测量控制设备包括: 过程变量( 流量、温度、压力、物位等) 的转换器或变送器、积算装置、指示器、控制阀、On- Off 开关、电子驱动马达( 包括机械手的步进电机等) 以及安装在现场的简单PLC 和调节器等。目前, 国际电工委员会( IEC) 已经推出了由8 个部分组成的现场总线标准IEC61158。这虽然不是一个统一的标准, 但对其未来工业自动化领域网络技术的发展和产品的更新换代, 将产生意义深远的影响。
智能现场总线仪表简称现场仪表, 是指由微处理器控制的、符合现场总线标准的仪表。鉴于目前多个标准共存, 且一台仪表难以作到兼容多种总线规范, 现场仪表只能有选择的针对某种总线标准进行设计。
一、现场总线特点及其发展
现场总线是一种双向串行数字化传输的通讯总线, 是国际上80年代末兴起的新技术, 进入90年代走向实用化。它的出现使仪器仪表实现智能化、串行数字化传输, 改变了传统现场仪表装置与主控系统点对点的联系方式, 大量节省了现场布线缆；同时由于现场仪表装置的智能化, 把部分主控系统的功能直接下放到现场仪表和装置中, 强化了现场控制功能, 使控制更直接、可靠, 且大大减化了主控系统的结构, 节省了工程设计及施工费用。亦有人认为：现场总线控制系统FCS应该与集散式控制系统DCS相互兼容。首先以工程成本和效益看, 现场总线的根本优势是具良好的互操作性；结构简单, 从而布线费用低；控制功能分散, 灵活可靠, 以及现场信息丰富。然而, 这些优势是建立在FCS系统初装的前提下, 如果企业建立有完善DCS, 现在要向FCS过渡, 则必须仔细考虑现有投资对已有投资的回报率。充分利用已有的DCS,设施, 现有DCS,的布线以及成熟的DCS,控制管理方式来实现FCS是我们应选之途。
现场总线的特点：
1、系统的全开放, 开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。以往一个公司的数字化控制系统只对本公司的数字仪表、以自己的通讯协议通讯, 无法和其它公司产品联网,给用户使用带来不便。制定现场总线通讯协议, 可以使不同公司的产品只要符合同一协议, 就可以在同一条总线上工作。实现了控制系统的开放, 给用户在选择不同公司产品组成最佳性能价格比的系统配置时带来极大的方便。
2、实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
3、现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
4、系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。
5、对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
二、现场总线智能仪表及其发展
1、现场总线仪表的基本特征
與 DCS 系统中的现场仪表相比，FCS 现场总线控制系统中的现场仪表的主要特点分析如下。
（1）控制功能
FCS 系统将许多控制功能从控制室移至现场仪表，大量过程测量与控制信息就地采集、就地处理、就地使用、实现就地控制，使过程控制基本分散到现场。只要在现场仪表的微处理器中装入PID 等控制模块就具有控制功能，可以实现就地控制。控制室中的上位机主要进行优化控制协调控制监督控制和管理自动化。
（2）智能化功能
在FCS 系统中的现场仪表必须具有智能化功能，也就是要能自己管自己，最大限度地保证自己工作正常稳定，因此都具有内附微处理器，能够自动进行非线性校正频率补偿温度补偿，以及故障诊断等智能化功能。其量程设定和零点调整用遥控方式进行。
（3）开放性与互换性
不同厂家的产品采用统一的国际标准，在硬件软件通讯规程连接方式等方面互相兼容，可以互换和联用。这种开放性系统对用户使用操作维护扩展都十分有利。
（4）带有总线接口
现场仪表相互之间（如流量变送器与调节阀）要完成闭环控制功能需要传送信息，控制模块既可以装在流量变送器中的微处理器中；也可以装在调节阀中的微处理器里。组成闭环控制的信息传递，就是通过各自的接口经现场总线传输的。同时，现场仪表与控制室中的上位机之间的通讯也是由接口经现场总线传输进行的。
（5） 通讯功能
所有的智能化现场仪表，包括变送器执行器等都通过接口挂接在现场总线上。现场总线采用双绞线光缆或无线电方式。目前主要以双绞线为主，也就是说上位机与所有现场仪表的连接只有两根导线。这两根导线不仅可以承担现场仪表所需的供电，而且承担了它们之间全数字化双向串行通讯。用数字信号取代模拟信号不仅可以提高抗干扰能力，延长信息传输距离，而且大量削减现场与控制室之间导线安装费用。而在DCS 系统中每一台现场仪表就有一对导线联向控制室，当然这种多站的通讯必须遵守统一的通讯规范和标准。
2、现场总线智能仪表原理结构
现场总线智能仪表是现场总线通信技术与智能仪表相结合的产物, 是今后仪表的发展方向。其原理结构图如图1所示。
图1现场总线智能仪表示意图
其中, A 部分完成传统仪表的测量、显示、报警、自检等功能, 是仪表的本体部分。B 部分为数据传输与控制部分, 主要完成现场总线的通信任务以及各种控制算法。两部分一般采用双CPU 的工作方式, 一个CPU完成一部分的功能。例如, 现场总线智能汽包水位计,由A 部分对差压△P 、汽包压力P0、环境温度t 进行测量, 在单片机内完成数字滤波、非线性校正等工作, 计算得到真实水位, 由LED 进行现场显示, 然后将数据送到B 部分。B 部分可根据需要将数据以规定的格式发送出去, 也能调用控制功能模块, 完成一定的控制任务。另外, B 部分接受外来信息, 如参数设定、报警值设定等。
3、现场总线智能仪表技术要点
对智能仪表的一般功能, 这里不赘述, 下面主要对现场总线智能仪表的几个技术要点进行一下讨论。
（1）两CPU 之间的数据传输
由于两CPU 安装于同一仪表内, 可以采用并行或串行通信方式。并行通信速度快, 但要占用CPU 较多的I/ O 口; 串行通信速度慢, 但占用端口少。其通信协议和总线标准可由制造厂自行选用。另外, 双口RAM, 双CPU 单片机的出现, 为实现这种近距离的通信提供了更多的便利。
（2）电源技术
由于低速现场总线的信号线是兼做电源线的, 电源遵守IEC/ ISA- SP50 标准, 即9～32V, 这要求仪表功率不能很大。并且单片机一般采用5V 电源, A/ D 转换、放大电路等也需要不同精度和电压的电源, 还要防止从电源引进各种干扰, 这都需要采取一系列的技术措施。目前已有许多集成化的电源芯片投入市场, 应用这些芯片具有稳定性好、功耗小、体积小、电路简单等优点。
（3）现场总线的通信协议和总线标准
可以从FF 获得有关技术资料, 其通信芯片及软件不久也将发布, 这为现场总线智能仪表的普及打下良好的基础。H1 现场总线技术已经完成, 目前已有不少H1 的产品面市。
（4）功能模块
FF 提供的控制功能块比较齐全、完善, 用户使用方便, 但也留有空间, 供仪表厂开发自己独特的功能模块。
发展现场总线技术已经成为工业自动化领域广泛关注的焦点课题，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的弊端，走上了开放发展的征程，这对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，现在网络技术臼新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中。我国在这一技术领域还刚刚起步，现场总线技术的开放性策略无疑为我国工控界在国际市场上的发展带来了一个千载难逢的平等竞争机遇，我国应借鉴并吸收外国先进技术,尽快推出自己的现场总线产品, 这对振兴中国仪器仪表行业有十分重要的意义。
参考文献：
[1] 孙瑜,周明.现场总线面面观[J]. 电力设备. 2005(08)
[2] 郭齐涛,霍志红.FCS在电力系统自动控制中的应用[J]. 华中电力. 2002(06)
[3] 谢朝晖.水厂自动化控制系统中现场总线技术的应用[J]. 建材与装饰(下旬刊). 2008(02)
[4] 張虎,孙宇,钟秋萍.总线技术在阀门控制上的应用[J]. 阀门. 2005(06)
【关键词】现场总线智能仪表发展
中图分类号：G623.58 文献标识码：A 文章编号：
现场总线是生产现场的测量控制设备与控制室内的自控装置之间的串行、多点、全数字的通信总线，也被称为控制领域的计算机局域网。这里所说的测量控制设备包括: 过程变量( 流量、温度、压力、物位等) 的转换器或变送器、积算装置、指示器、控制阀、On- Off 开关、电子驱动马达( 包括机械手的步进电机等) 以及安装在现场的简单PLC 和调节器等。目前, 国际电工委员会( IEC) 已经推出了由8 个部分组成的现场总线标准IEC61158。这虽然不是一个统一的标准, 但对其未来工业自动化领域网络技术的发展和产品的更新换代, 将产生意义深远的影响。
智能现场总线仪表简称现场仪表, 是指由微处理器控制的、符合现场总线标准的仪表。鉴于目前多个标准共存, 且一台仪表难以作到兼容多种总线规范, 现场仪表只能有选择的针对某种总线标准进行设计。
一、现场总线特点及其发展
现场总线是一种双向串行数字化传输的通讯总线, 是国际上80年代末兴起的新技术, 进入90年代走向实用化。它的出现使仪器仪表实现智能化、串行数字化传输, 改变了传统现场仪表装置与主控系统点对点的联系方式, 大量节省了现场布线缆；同时由于现场仪表装置的智能化, 把部分主控系统的功能直接下放到现场仪表和装置中, 强化了现场控制功能, 使控制更直接、可靠, 且大大减化了主控系统的结构, 节省了工程设计及施工费用。亦有人认为：现场总线控制系统FCS应该与集散式控制系统DCS相互兼容。首先以工程成本和效益看, 现场总线的根本优势是具良好的互操作性；结构简单, 从而布线费用低；控制功能分散, 灵活可靠, 以及现场信息丰富。然而, 这些优势是建立在FCS系统初装的前提下, 如果企业建立有完善DCS, 现在要向FCS过渡, 则必须仔细考虑现有投资对已有投资的回报率。充分利用已有的DCS,设施, 现有DCS,的布线以及成熟的DCS,控制管理方式来实现FCS是我们应选之途。
现场总线的特点：
1、系统的全开放, 开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。以往一个公司的数字化控制系统只对本公司的数字仪表、以自己的通讯协议通讯, 无法和其它公司产品联网,给用户使用带来不便。制定现场总线通讯协议, 可以使不同公司的产品只要符合同一协议, 就可以在同一条总线上工作。实现了控制系统的开放, 给用户在选择不同公司产品组成最佳性能价格比的系统配置时带来极大的方便。
2、实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
3、现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
4、系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。
5、对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
二、现场总线智能仪表及其发展
1、现场总线仪表的基本特征
與 DCS 系统中的现场仪表相比，FCS 现场总线控制系统中的现场仪表的主要特点分析如下。
（1）控制功能
FCS 系统将许多控制功能从控制室移至现场仪表，大量过程测量与控制信息就地采集、就地处理、就地使用、实现就地控制，使过程控制基本分散到现场。只要在现场仪表的微处理器中装入PID 等控制模块就具有控制功能，可以实现就地控制。控制室中的上位机主要进行优化控制协调控制监督控制和管理自动化。
（2）智能化功能
在FCS 系统中的现场仪表必须具有智能化功能，也就是要能自己管自己，最大限度地保证自己工作正常稳定，因此都具有内附微处理器，能够自动进行非线性校正频率补偿温度补偿，以及故障诊断等智能化功能。其量程设定和零点调整用遥控方式进行。
（3）开放性与互换性
不同厂家的产品采用统一的国际标准，在硬件软件通讯规程连接方式等方面互相兼容，可以互换和联用。这种开放性系统对用户使用操作维护扩展都十分有利。
（4）带有总线接口
现场仪表相互之间（如流量变送器与调节阀）要完成闭环控制功能需要传送信息，控制模块既可以装在流量变送器中的微处理器中；也可以装在调节阀中的微处理器里。组成闭环控制的信息传递，就是通过各自的接口经现场总线传输的。同时，现场仪表与控制室中的上位机之间的通讯也是由接口经现场总线传输进行的。
（5） 通讯功能
所有的智能化现场仪表，包括变送器执行器等都通过接口挂接在现场总线上。现场总线采用双绞线光缆或无线电方式。目前主要以双绞线为主，也就是说上位机与所有现场仪表的连接只有两根导线。这两根导线不仅可以承担现场仪表所需的供电，而且承担了它们之间全数字化双向串行通讯。用数字信号取代模拟信号不仅可以提高抗干扰能力，延长信息传输距离，而且大量削减现场与控制室之间导线安装费用。而在DCS 系统中每一台现场仪表就有一对导线联向控制室，当然这种多站的通讯必须遵守统一的通讯规范和标准。
2、现场总线智能仪表原理结构
现场总线智能仪表是现场总线通信技术与智能仪表相结合的产物, 是今后仪表的发展方向。其原理结构图如图1所示。
图1现场总线智能仪表示意图
其中, A 部分完成传统仪表的测量、显示、报警、自检等功能, 是仪表的本体部分。B 部分为数据传输与控制部分, 主要完成现场总线的通信任务以及各种控制算法。两部分一般采用双CPU 的工作方式, 一个CPU完成一部分的功能。例如, 现场总线智能汽包水位计,由A 部分对差压△P 、汽包压力P0、环境温度t 进行测量, 在单片机内完成数字滤波、非线性校正等工作, 计算得到真实水位, 由LED 进行现场显示, 然后将数据送到B 部分。B 部分可根据需要将数据以规定的格式发送出去, 也能调用控制功能模块, 完成一定的控制任务。另外, B 部分接受外来信息, 如参数设定、报警值设定等。
3、现场总线智能仪表技术要点
对智能仪表的一般功能, 这里不赘述, 下面主要对现场总线智能仪表的几个技术要点进行一下讨论。
（1）两CPU 之间的数据传输
由于两CPU 安装于同一仪表内, 可以采用并行或串行通信方式。并行通信速度快, 但要占用CPU 较多的I/ O 口; 串行通信速度慢, 但占用端口少。其通信协议和总线标准可由制造厂自行选用。另外, 双口RAM, 双CPU 单片机的出现, 为实现这种近距离的通信提供了更多的便利。
（2）电源技术
由于低速现场总线的信号线是兼做电源线的, 电源遵守IEC/ ISA- SP50 标准, 即9～32V, 这要求仪表功率不能很大。并且单片机一般采用5V 电源, A/ D 转换、放大电路等也需要不同精度和电压的电源, 还要防止从电源引进各种干扰, 这都需要采取一系列的技术措施。目前已有许多集成化的电源芯片投入市场, 应用这些芯片具有稳定性好、功耗小、体积小、电路简单等优点。
（3）现场总线的通信协议和总线标准
可以从FF 获得有关技术资料, 其通信芯片及软件不久也将发布, 这为现场总线智能仪表的普及打下良好的基础。H1 现场总线技术已经完成, 目前已有不少H1 的产品面市。
（4）功能模块
FF 提供的控制功能块比较齐全、完善, 用户使用方便, 但也留有空间, 供仪表厂开发自己独特的功能模块。
发展现场总线技术已经成为工业自动化领域广泛关注的焦点课题，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的弊端，走上了开放发展的征程，这对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，现在网络技术臼新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中。我国在这一技术领域还刚刚起步，现场总线技术的开放性策略无疑为我国工控界在国际市场上的发展带来了一个千载难逢的平等竞争机遇，我国应借鉴并吸收外国先进技术,尽快推出自己的现场总线产品, 这对振兴中国仪器仪表行业有十分重要的意义。
参考文献：
[1] 孙瑜,周明.现场总线面面观[J]. 电力设备. 2005(08)
[2] 郭齐涛,霍志红.FCS在电力系统自动控制中的应用[J]. 华中电力. 2002(06)
[3] 谢朝晖.水厂自动化控制系统中现场总线技术的应用[J]. 建材与装饰(下旬刊). 2008(02)
[4] 張虎,孙宇,钟秋萍.总线技术在阀门控制上的应用[J]. 阀门. 2005(06)