摘 要：分析了現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)生的原因，闡述了現(xiàn)場(chǎng)總線的概念、體系結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，給出了現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了為迎接現(xiàn)場(chǎng)總線這場(chǎng)自控領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)變革應(yīng)采取的對(duì)策，并結(jié)合實(shí)例說(shuō)明了現(xiàn)場(chǎng)總線具體開(kāi)發(fā)應(yīng)用方法。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線 分布式體系結(jié)構(gòu) 通訊協(xié)議 開(kāi)放性 可互操作性 LonWorks 一、引言 現(xiàn)場(chǎng)總線在控制領(lǐng)域嶄露頭角不過(guò)是最近幾年，然而其來(lái)勢(shì)兇涌，且有愈演愈烈之趨勢(shì)。那么，究竟什么是現(xiàn)場(chǎng)總線？什 么是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)？現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)較之目前在工控界仍占主導(dǎo)地位的集散控制系統(tǒng)（DCS）有何特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)？在現(xiàn)場(chǎng)總 線標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一之前，能采用嗎？若欲采用，40多種現(xiàn)場(chǎng)總線，應(yīng)選用哪一種？ 本文將圍繞以上問(wèn)題展開(kāi)論述，從控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程角度探討現(xiàn)場(chǎng)總線的成因；闡述現(xiàn)場(chǎng)總線的概念、體系結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)給出現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展現(xiàn)狀；提出面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線百家爭(zhēng)鳴的現(xiàn)狀應(yīng)采取的對(duì)策；結(jié)合具體實(shí)例說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)總線開(kāi)發(fā)應(yīng)用方法。 二、現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生 縱觀控制系統(tǒng)的發(fā)展史，不難發(fā)現(xiàn)，每一代新的控制系統(tǒng)推出都是針對(duì)老一代控制系統(tǒng)存在的缺陷而給出的解決方案，最終在用戶(hù)需求和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)兩大外因的推動(dòng)下占領(lǐng)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，現(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的產(chǎn)生也不例外。 1、模擬儀表控制系統(tǒng) 模擬儀表控制系統(tǒng)于六七十年代占主導(dǎo)地位。其顯著缺點(diǎn)是：模擬信號(hào)精度低，易受干擾。 2、集中式數(shù)字控制系統(tǒng) 集中式數(shù)字控制系統(tǒng)于七八十年代占主導(dǎo)地位。采用單片機(jī)、PLC、SLC或微機(jī)作為控制器，控制器內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信 號(hào)，因此克服了模擬儀表控制系統(tǒng)中模擬信號(hào)精度低的缺陷，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。集中式數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是易于根據(jù)全局情況進(jìn)行控制計(jì)算和判斷，在控制方式、控制機(jī)時(shí)的選擇上可以統(tǒng)一調(diào)度和安排；不足的是，對(duì)控制器本身要求很高，必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性，當(dāng)系統(tǒng)任務(wù)增加時(shí)，控制器的效率和可靠性將急劇下降。 　　 3、集散控制系統(tǒng)（DCS） 　　 集散控制系統(tǒng)（DCS）于八、九十年代占主導(dǎo)地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機(jī)用于集中監(jiān)視管理功能，若干臺(tái)下位機(jī)下放分散到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)分布式控制，各上下位機(jī)之間用控制網(wǎng)絡(luò)互連以實(shí)現(xiàn)相互之間的信息傳遞。因此，這種分布式的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)有力地克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)中對(duì)控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷。在集散控制系統(tǒng)中，分布式控制思想的實(shí)現(xiàn)正是得益于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，遺憾的是，不同的DCS廠家為達(dá)到壟斷經(jīng)營(yíng) 的目的而對(duì)其控制通訊網(wǎng)絡(luò)采用各自專(zhuān)用的封閉形式，不同廠家的DCS系統(tǒng)之間以及DCS與上層Intranet、Internet信息網(wǎng)絡(luò)之間難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連和信息共享，因此集散控制系統(tǒng)從該角度而言實(shí)質(zhì)是一種封閉專(zhuān)用的、不具可互操作性的分布式控制系統(tǒng)且DCS造價(jià)昂貴。在這種情況下，用戶(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提出了開(kāi)放化和降低成本的迫切要求。 4、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS） FCS正是順應(yīng)以上潮流而誕生，它用現(xiàn)場(chǎng)總線這一開(kāi)放的，具有可互操作的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)各控制器及儀表設(shè)備互連，構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，同時(shí)控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，降低了安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。因此，F(xiàn)CS實(shí)質(zhì)是 一種開(kāi)放的、具可互操作性的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)，有望成為21世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。 　　 三、現(xiàn)場(chǎng)總線及現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 1、現(xiàn)場(chǎng)總線的概念 現(xiàn)場(chǎng)總線是將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)控制通訊網(wǎng)絡(luò)，遵循ISO的OSI開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通訊協(xié)議。FCS則是用開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線控制通訊網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 　　 2、現(xiàn)場(chǎng)總線與局域網(wǎng)的區(qū)別 　　 （1）按功能比較，現(xiàn)場(chǎng)總線連接自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖切∨繑?shù)據(jù)信息，如檢測(cè)信息、狀態(tài)信息、控制信息等，傳輸速率低，但實(shí)時(shí)性高。簡(jiǎn)而言之，現(xiàn)場(chǎng)總線是一種實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)用于連接局域區(qū)域的各臺(tái)計(jì)算機(jī)，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖谴笈康臄?shù)字信息，如文本、聲音、圖像等，傳輸速率高，但不 要求實(shí)時(shí)性。從這個(gè)意義而言，局域網(wǎng)是一種高速信息網(wǎng)絡(luò)。 　　 （2）按實(shí)現(xiàn)方式比較現(xiàn)場(chǎng)總線可采用各種通訊介質(zhì)，如雙絞線、電力線、光纖、無(wú)線、紅外線等，實(shí)現(xiàn)成本低。局域網(wǎng)需 要專(zhuān)用電纜，如同軸電纜、光纖等，實(shí)現(xiàn)成本高。 　　 3、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 　　 最底層的Infranet控制網(wǎng)即FCS，各控制器節(jié)點(diǎn)下放分散到現(xiàn)場(chǎng)，構(gòu)成一種徹底 的分布式控制體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)任意，可為總線形、星形、環(huán)形等，通訊介質(zhì)不受限制，可用雙絞線、電力線、無(wú)線、紅外線等各種形式。FCS形成的Infranet控制網(wǎng)很容易與Intranet企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)和Internet全球信息網(wǎng)互連，構(gòu)成一個(gè)完整的企業(yè) 網(wǎng)絡(luò)三級(jí)體系結(jié)構(gòu)。 　　 4、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 　　 （1）開(kāi)放性和可互操作性 　　 開(kāi)放性意味FCS將打破DCS大型廠家的壟斷，給中小企業(yè)發(fā)展帶來(lái)了平等競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)遇?？苫ゲ僮餍詫?shí)現(xiàn)控制產(chǎn)品的“即插即用”功能，從而使用戶(hù)對(duì)不同廠家工控產(chǎn)品有更多的選擇余地。 　　 （2）徹底的分散性 　　 徹底的分散性意味著系統(tǒng)具有較高的可靠性和靈活性，系統(tǒng)很容易進(jìn)行重組和擴(kuò)建，且易于維護(hù)。 　　 （3）低成本 　　 衡量一套控制系統(tǒng)的總體成本，不僅考慮其造價(jià)，而且應(yīng)該考察系統(tǒng)從安裝調(diào)試到運(yùn)行維護(hù)整個(gè)生命周期內(nèi)總投入。相對(duì)DCS而言，F(xiàn)CS開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)和OEM技術(shù)將大大縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，且徹底分散的分布式結(jié)構(gòu)將1對(duì)1模擬信號(hào)傳輸方 式變?yōu)?對(duì)N的數(shù)字信號(hào)傳輸方式，節(jié)省了模擬信號(hào)傳輸過(guò)程中大量的A/D、D/A轉(zhuǎn)換裝置、布線安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。因此從總體上來(lái)看，F(xiàn)CS的成本大大低于DCS的成本。 　　 可以說(shuō)，開(kāi)放性、分散化和低成本是現(xiàn)場(chǎng)總線最顯著的三大特征，它的出現(xiàn)將使傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生劃時(shí)代的變革，這場(chǎng)變革的深度和廣度將超過(guò)歷史上任何一次變革，必將開(kāi)創(chuàng)自動(dòng)控制的新紀(jì)元。 　　 四、現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展現(xiàn)狀 　　 現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展迅速，現(xiàn)處于群雄并起、百家爭(zhēng)鳴的階段。目前已開(kāi)發(fā)出有40多種現(xiàn)場(chǎng)總線，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具影響力的有5種，分別是FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks（性能對(duì)照見(jiàn)表1） 　　 1、FF（Foundation Fieldbus現(xiàn)場(chǎng)基金會(huì)總線）由美國(guó)儀器協(xié)會(huì)（ISA）1994推出，代表公司有Honeywell和Fisher-Rosemount，主要應(yīng)用于石油化工、連續(xù)工業(yè)過(guò)程控制中的儀表。FF的特色是其通訊協(xié)議在ISO的OSI物理層、數(shù)據(jù)鏈路 層和應(yīng)用層3層之上附加了用戶(hù)層，通過(guò)對(duì)象字典OD（Object Dictionary）和設(shè)備描述語(yǔ)言DDL（Device Description Language）實(shí)現(xiàn)可互操作性。目前基于FF的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品有，美國(guó)Smar公司生產(chǎn)的壓力溫度變送器，Honeyweill&Rockweill 推出的ProcessLogix系統(tǒng)，F(xiàn)isher-Rosemount推出的PlantWeb。 　　 2、Profibus（Process Fieldbus）德國(guó)西門(mén)子公司1987年推出，主要應(yīng)用于PLC。產(chǎn)品有三類(lèi)：FMS用于主站之間的通訊；DP用于制造行業(yè)從站之間的通訊；PA用于過(guò)程行業(yè)從站之間的通訊。由于Profibus開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間早至 十年前，限于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)水平，大多建立在IT網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，隨著應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大和用戶(hù)要求越來(lái)越高，現(xiàn)場(chǎng)總線的 產(chǎn)品只能在原有IT協(xié)議框架上進(jìn)行局部的修改和補(bǔ)充，以致在控制系統(tǒng)內(nèi)增加了很多的轉(zhuǎn)換單元（如各種耦合器），這為該產(chǎn) 品今后的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)了一定的局限性。 　　 3、HART（Highway Addressable Remote Tranducer可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路）美國(guó)Rosemount公司1989年推出，主要應(yīng) 用于智能變送器。HART為一過(guò)渡性標(biāo)準(zhǔn)，它通過(guò)在4-20mA電源信號(hào)線上疊加不同頻率的正弦波（2200HZ表“0”，1200HZ表“1”）來(lái)傳送數(shù)字信號(hào)，從而保證了數(shù)字系統(tǒng)和傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)的兼容性，預(yù)計(jì)其生命周期為最近20年。 　　 4、CAN（Controller Area Network控制局域網(wǎng)絡(luò)）德國(guó)Bosch 6公司1993年推出，應(yīng)用于汽車(chē)監(jiān)控、開(kāi)關(guān)量控制、制造業(yè) 等。介質(zhì)訪問(wèn)方式為非破壞性位仲裁方式，適用于實(shí)時(shí)性要求很高的小型網(wǎng)絡(luò)，且開(kāi)發(fā)工具廉價(jià)。Motorala、Intel、Philips 均生產(chǎn)獨(dú)立的CAN芯片和帶有CAN接口的80C51芯片。CAN型總線產(chǎn)品有AB公司的DeviceNet、臺(tái)灣研華的ADAM數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品等。 　　 5、LonWorks（LON Local Operating System局部操作系統(tǒng)）美國(guó)Echelon公司1991年推出，主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化、工業(yè) 自動(dòng)化和電力行業(yè)等。LonTalk的全部7層協(xié)議，介質(zhì)訪問(wèn)方式為P-P CSMA（預(yù)測(cè)P-堅(jiān)持載波監(jiān)聽(tīng)多路復(fù)用），采用網(wǎng)絡(luò)邏輯地 址尋址方式，優(yōu)先權(quán)機(jī)制保證了通訊的實(shí)時(shí)性，安全機(jī)制采用證實(shí)方式，因此能構(gòu)建大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。Echelon公司推出的Neuron神經(jīng)元芯片實(shí)質(zhì)為網(wǎng)絡(luò)型微控制器，該芯片強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊處理功能配以面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)通訊方式，大大降低了開(kāi)發(fā)人 員在構(gòu)造應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通訊方面所需花費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用，而可將精力集中在所擅長(zhǎng)的應(yīng)用層進(jìn)行控制策略的編制，因此業(yè)內(nèi)許多專(zhuān)家認(rèn)為L(zhǎng)onWorks總線是一種很有希望的現(xiàn)場(chǎng)總線。基于LonWorks的總線產(chǎn)品有美國(guó)Action公司的Flexnet&Flexlink等。 　　 五、我們的對(duì)策 　　 1、要不要搞FCS在國(guó)外正蓬勃發(fā)展，我國(guó)工控界應(yīng)如何迎接自控領(lǐng)域這場(chǎng)變革的到來(lái)呢？這個(gè)問(wèn)題可從分析我國(guó)工控業(yè)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀中找到答案。我國(guó)民族工控產(chǎn)品如PLC、DCS長(zhǎng)期落后于國(guó)外，根本原因是國(guó)外少數(shù)幾家大公司為保證其壟斷經(jīng)營(yíng)的地位對(duì)其工控產(chǎn)品采用封閉式結(jié)構(gòu)，我國(guó)對(duì)其關(guān)鍵核心技術(shù)只有通過(guò)引進(jìn)消化后方可掌握，因此貽誤了市場(chǎng)時(shí)機(jī)而總是落后于人家，受制于人?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的開(kāi)放性策略無(wú)疑為我國(guó)工控界在國(guó)際市場(chǎng)上的發(fā)展帶來(lái)了一個(gè)千載難逢的平等競(jìng)爭(zhēng)機(jī)遇，當(dāng)游戲規(guī)則的變更使大家站在同一起跑線上時(shí)，就看誰(shuí)捷足先登，搶先占領(lǐng)市場(chǎng)，把握主動(dòng)權(quán)，最終領(lǐng)導(dǎo)市場(chǎng)。因此，我們應(yīng)當(dāng)緊緊抓住這一契機(jī)，率先推出有中國(guó)特色的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，開(kāi)創(chuàng)中國(guó)自己的國(guó)際工控產(chǎn)品的名牌，從而翻開(kāi)中國(guó)工控界發(fā)展的新篇章。 　　 2、搞哪種FCS ?既然確定搞FCS，面對(duì)種類(lèi)繁多的現(xiàn)場(chǎng)總線，應(yīng)該搞哪種呢？分析現(xiàn)場(chǎng)總線多樣性產(chǎn)生的原因，有助于理清這一思想。造成現(xiàn)場(chǎng)總線多樣性的局面，一是因?yàn)樾袠I(yè)習(xí)慣，如Profibus一直應(yīng)用于PLC行業(yè)，F(xiàn)F應(yīng)用于儀表行業(yè)；二是由于利益沖突，各工控廠商都不愿意放棄自己的標(biāo)準(zhǔn)而喪失已占用的市場(chǎng)份額。顯而易見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)完全統(tǒng)一尚為時(shí)過(guò)早。鑒于此，對(duì)于我國(guó)工控界的發(fā)展，建議采取以下策略： 　　 （1）短期目標(biāo)根據(jù)具體針對(duì)的行業(yè)特征，如樓宇自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化等，選擇這一領(lǐng)域有較好業(yè)績(jī)的一種（或兩種）現(xiàn)場(chǎng)總線，加以研究開(kāi)發(fā)，一方面搶先推出自己有特色的產(chǎn)品，占領(lǐng)市場(chǎng)，產(chǎn)生應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)效益；另一方面在于重點(diǎn)掌握現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)和精髓，以不變應(yīng)萬(wàn)變，萬(wàn)一選用的總線沒(méi)能成為最終標(biāo)準(zhǔn)總線，由于各總線之間本質(zhì)的相通性，因此也能很快轉(zhuǎn)產(chǎn)到最終的標(biāo)準(zhǔn)總線。 　　 （2）長(zhǎng)期目標(biāo)掌握各總線的精髓后，揚(yáng)長(zhǎng)避短，制定中國(guó)自己的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，振興中國(guó)民族工控業(yè)。 　　 六、開(kāi)發(fā)實(shí)例 　　 針對(duì)樓宇自動(dòng)化行業(yè)，鑒于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線在該領(lǐng)域中突出的業(yè)績(jī)，我們開(kāi)發(fā)研制出一種基于LonWorks通用網(wǎng)絡(luò)型智能控制器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品和可視圖形化控制組態(tài)平臺(tái)——Visual Control Configuration 。該套產(chǎn)品特色在于目前國(guó)外大多數(shù)LonWorks產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商仍停留在集成Echelon公司提供的Neuron C 編程環(huán)境階段，欲使用Neuron C 編制高效的控制應(yīng)用程序，不僅需要熟悉這種高級(jí)指令語(yǔ)言本身，而且必須對(duì)Neuron1芯片的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)器的地址空間分配等各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)有深入的了解和掌握，這對(duì)最終用戶(hù)和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯然是不現(xiàn)實(shí)的要求，可視圖形化控制組態(tài)平臺(tái)Visual Control Configuration很好地解決了這一問(wèn)題，類(lèi)似流程圖的圖形化表示方法，控制組態(tài)語(yǔ)言按照國(guó)際電工委員會(huì)IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)，將控制程序變?yōu)楣こ碳夹g(shù)人員所構(gòu)思的控制策略的圖形化映象，而圖元間的連接關(guān)系則表示控制算法的數(shù)據(jù)流程，有經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng) 控制技術(shù)人員無(wú)須專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)即可在短期內(nèi)完成控制策略的編制，方便高效。目前，我們已在工程項(xiàng)目中應(yīng)用該控制組態(tài)軟件平臺(tái)Visual Control Configuration 和LonWorks 通用網(wǎng)絡(luò)智能控制器的節(jié)點(diǎn)，成功開(kāi)發(fā)了南寧交通銀行的出入控制系統(tǒng)。 　　 七、結(jié)束語(yǔ) 　　 現(xiàn)場(chǎng)總線的時(shí)代即將來(lái)臨，讓我們以熱情和主動(dòng)的姿態(tài)迎接這場(chǎng)世紀(jì)之交的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。