现场总线系统——DCS系统发展趋势

水泥 2008-04-11

　　分散控制系统(DCS)今天已步入第三代。它的发展一方面受计算机技术、控制技术、通信技术及CRT技术的影响，另一方面又受到生产过程控制和管理要求的驱动。

　　随着微电子技术的迅速发展，微处理器在控制装置、变送器上的广泛使用，现场仪表(传感器、变送器、执行器等)得以智能化。“现场总线标准”就是设计用来替代4～20mA模拟信号标准的新工业标准。现场总线(Fieldbus)国际标准的制定将对DCS的发展产生重大影响，由于现场总线与传统的4～20mA信号传递相比有很多优点，以现场总线为基础的自动化系统结构有望成为未来的分散控制系统。

　　1、DCS系统的发展

　　DCS将向信息管理系统和计算机网络控制扩展，将过程控制和信息管理系统紧密结合起来，构成计算机集成过程系统(CIPS)。CIPS除了要完成传统DCS过程控制的功能外，还要实现运行支持和决策支持的功能，包括质量控制、过程管理、在线优化、经营管理、决策分析等。

　　网络是当今工厂自动化的核心，是计算机集成过程系统的基础，而工厂自动化的每一层都有适用于自己的网络。工厂级(上层、管理层)包括工厂信息管理和生产管理，负责与工厂管理计算机的连接，计算机间的管理数据交换通过工厂主干网实现。主干网采用ISO/OSI-MAP/TOP或TCP/IP-Ethernet网络协议标准。随着工厂自动化规模的不断扩大，这一级的功能也越来越强，它是DCS向CIPS 发展的一个重要标志。车间级(中层、监控层)包括过程控制和过程管理，用于控制室、现场控制设备和各现场控制装置间的连接。通信网采用中速、载带工业过程数据公路的形式(ProwayC或IEEE802.4)。这是DCS的实时工业控制网络，应具有高可靠性、高使用性、实时性强、有自诊断功能、有自组态功能、容易接入新站等。现场级(低层)用于连接过程控制中的传感器、执行器、智能仪表等。现场以标准的现场总线为发展目标，现已有了两个国际组织的现场总线产品，现场总线将是DCS发展的一个重要方向。

　　2、现场总线

　　2.1、现场总线标准

　　现场总线标准的第一部分被命名为H1，定义了一个低速、带电链路的数字信号取代4～20mA模拟量传输信号。当H1被采用后，智能传感器将能够与数字控制系统直接通信。第二部分H2，定义了一个高速、不带电的链路，使协议可应用于高级逻辑和控制。H2协议的通信速率为1Mb，而H1通信速率为31.25 Kb。由于是作为低级的网络应用，Fieldbus与OSI模型的第一、二和七层有关。Fieldbus中物理层确定通过物理媒介传送的数字信号的形式，包括电缆种类、硬件、传输方式、传输速率、电气及机械性能等。数据链路层负责现场与控制空间的信号双向传送，包括数位如何组织和确认，采用怎样的协议，故障诊断和修正以及类似的功能。应用层提供格式化的数据，集中在网络中设备定址、设备存取、信息和其它功能的方法上。仅利用OSI网络界面模型的三层，可在保证与更高级网络兼容的同时，减少与现场总线标准有关部分的成本和费用，将使每连接一台装置的费用较低。相对于使用在工厂级的较高级网络，Fieldbus标准设计采用较小信息量和较低数据速率的网络。标准规定了一个31.25 kHz传输信号，它适用于现行生产装置上采用的4～20 mA信号线路，将来则采用1 MHz和25MHz、可用于更高频率的导线。物理性能低速/DC(H1)高速/DC(H2) 传送距离1 900 m750 m 拓扑总线或任意总线结构点—点通信点—点通信响应时间100 ms1 ms 数据传输速率31.25 Kb1 Mb 报文传送速度81～122报文/s2 604～3 906报文/s 标准报文长度32～48 B32～48 B 数据类型浮点(32位)，文本，时钟浮点(32位)，文本，时钟设备数量3232 传输媒介仪表级双绞线通信级双绞线电源DCDC 冗余支持支持本质安全性有无(对于网络供电装置) 连接方式直接直接。现场总线标准中的物理层协议已于1993年获得通过。它规定了传输媒介的情况，包括工作电压和电流。现正在开发应用层和用户层协议。Fieldbus的最后目标是以一片硅集成电路为基础的现场总线，这片集成电路将覆盖物理层、数据链路层和应用层的需要，目前Honeywell、Rosemount正在开发Fieldchips。

　　2.2、两大现场总线机构

　　80年代末，一些仪表公司着手开发统一标准的现场总线。目前主要有两大机构：ISP(相互可操作性系统工程)和WorldFIP。ISP机构成员有西门子、罗斯蒙特、费希尔、福克斯波罗、横河、ABB等64个公司；WorldFIP机构成员有霍尼韦尔、山武—霍尼韦尔、贝利等150个公司。两大机构都在开发各自现场总线标准。ISP以德国工业标准Profibus为基础，它采用由主机向各台设备发布令牌，使其进入网络。WorldFIP以法国工业标准FIP为基础，采用按时序进入现场总线。但是两种现场总线都包括ICE和SP50的联合在1989年完成实验。下面分别叙述。

　　ISP根据IEC-ISASP50的思想，提供了两种现场总线H1和H2(同国际标准)，它有一个设备描述语言DDL，是由Rosemount公司开发的，可将任何最新进入系统的仪表所具有的功能和性能自动地通知主机。Siemens的过程装置开发工程师认为，此功能是WorldFIP所不具备的，这种功能使扩充现有系统非常容易。ISP的另一优点是它为用户而定义的功能块。在开发标准的第一阶段中，ISP已定义了10种功能块，它可覆盖现场总线应用要求中的80%，其中包括开关和模拟量的输入、输出、PID控制以及它们的组合，ISP成员横河公司开发生产出一种新型硅片可实现ISA SP50协议所规定的物理层及部分数据链路层的工作，其余的数据链路工作与应用层和功能块一起由置于现场仪表的一台微处理器来完成。WorldFIP采用了时间同步信息系统，连接在总线上的各仪表设备可按时序进入现场总线。根据Honeywell公司介绍，只有FIP总线能控制时间周期在1ms以内。WorldFIP在1994年投入了它自己的设备描述工具，称Device Builder。它收入了SP50已批准的所有功能块，能自动地告诉控制系统一台新仪表具有的功能以及必须整定的参数。WorldFIP也计划推出一种更便宜的硅片。

　　虽然目前两大组织的总线产品还不兼容，但WorldFIP和ISP都表示，当IEC-ISA最后完成其现场总线标准时，他们将使其产品与标准兼容，现有系统更新到能够满足最后的IEC-ISA标准可能仅仅只是更换控制硅片而已，费用大约5美元。1994年9月，ISP和WorldFIP合并成立了Fieldbus Foundation(FF,即现场总线协会)。FF是一非盈利性的国际组织，这将有助于发展一个单一的、国际间的、可互操作的现场总线。其技术将是现存几个组织的某些规约的融合，即FF的技术将基于已有IEC/ISA的物理层、数据链路层，ISTRev3.0版本的应用层和用户层，结合ISP和WorldFIP的网络和系统管理层来组成。可互操作则由设备描述语言来支持。

　　2.3、现场总线的优势

　　现场总线不单单是一个通信标准，而是试图包含全部领域，作为一个过程控制的开放的、集成的测量控制系统。采用现场总线，具有许多优点：
　　a)大大缩减了铺线费用；
　　b)简化了线路的安装与维护；
　　c)能传送多个过程变量，可以实现在线故障诊断及线路故障检测；
　　d)用数字信号取代4～20mA模拟信号，可提高系统精度，而且可把一些功能(如线性化、补偿校正、工程量转换、报警处理等)赋于现场仪表，提高了现场仪表的自主性和可靠性；
　　e)因现场总线是双向的，故可从控制室对现场仪表进行标定和调整；
　　f)现场总线采用国际标准后，用户可以优选各仪表厂商的产品组成系统，而不必考虑总线接口是否匹配问题。

　　2.4　目前商用的两种产品

　　a)1985年，Rosemount研制了HART数字通信协议，用于智能现场仪表。HART协议是在4～20mA基础上加上数字信号进行通信的，尽管将来的仪表世界是全数字的，但在当前，很少人能知道多少年以后才能实现全数字化，并且HART延长了4～20mA标准的寿命。HART占领了市场，已超过1 000 000台仪表用了HART，从此角度上说HART先行了一步。HART工作方式有点—点式或全数字式的。点—点式是在4～20 mA叠加一组数字信号，不影响4～20mA模拟信号；全数字式的优点是可连15台仪表，减少投入。HART具有相互可操作性，HART解决DDL，DDL概念对ISP等组织有所启发。

　　b)1987年，德国工业技术开发部提供了一种Profibus作为国家标准，以便实现以下目标：灵活、双向交换数据信息、自诊断参数等，使得数字化更加准确，减少I/O和A/D以降低成本，方便操作。截止目前，已高达600000台仪表用上了该标准。Profibus不同于HART，它以常用的RS-485通信原理作为物理层，用便宜的双绞电缆即可实现令牌式的通信，Profibus作为ISP的雏形，ISP引用了其物理层、应用层的原理。

　　3、结束语

　　计算机集成技术和现场总线的发展，将对DCS的结构产生重大影响。目前DCS的结构将受到上下肢解，上层工作站将与CIPS紧密结合，DCS将演变成CIPS的低层部分；在现场级，现场总线的应用将使传统的DCSI/O结构彻底改变。现场总线将对自控领域带来深刻影响，工业控制系统的体系结构将以统一的现场总线为纽带构成，现场控制系统(FCS)将是21世纪的开放控制系统。

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