引 　言
       工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程測(cè)控技術(shù)由分離設(shè)備向共享設(shè)備發(fā)展;自動(dòng)化技術(shù)由模擬儀表向智能化儀表發(fā)展;計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向現(xiàn)場(chǎng)延伸。同時(shí)經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段:人工控制階段、模擬儀表控制系統(tǒng)階段、計(jì)算機(jī)集中式數(shù)字控制系統(tǒng)階段、集散式控制系統(tǒng)階段和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)階段。集散式控制系統(tǒng)(distributed control system ,DCS)是目前普遍使用的一種控制結(jié)構(gòu) ,它按照多級(jí)計(jì)算機(jī)分布控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想 ,采用功能分層方法 ,信息一方面自下而上逐漸集中 ,同時(shí)它又自上而下逐漸分散 ,構(gòu)成了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) ,分散控制為其最主要的特征;系統(tǒng)中信息的傳遞主要依賴于 4～20 mA 的模擬信號(hào) ,采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式。常見(jiàn)的集散式控制系統(tǒng)有美國(guó)和日本等某些公司的產(chǎn)品。隨著計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的發(fā)展和控制系統(tǒng)的日益復(fù)雜化 ,集散式控制系統(tǒng)逐漸不能滿足發(fā)展的需求。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為解決問(wèn)題提供了途徑。
   
       1.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其發(fā)展
       現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專用的微處理器植入傳統(tǒng)的測(cè)控儀表 ,使其具備了數(shù)字計(jì)算和通信的能力 ,采用連接簡(jiǎn)單的雙絞線、同軸電纜、光纖等作為總線 ,按照公開(kāi)、規(guī)范的通信協(xié)議 ,在位于現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化測(cè)控儀表之間、遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享 ,形成適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)需要的控制系統(tǒng)。它的出現(xiàn)改變了以往使用電壓、電流模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)控信號(hào)變化慢、信號(hào)傳輸抗干擾能力差的特點(diǎn) ,提高了信號(hào)的測(cè)控和傳輸準(zhǔn)確度 ,同時(shí)豐富了控制信息的內(nèi)容 ,也改變了集中式控制可能造成的全線癱瘓的局面。因此 ,現(xiàn)場(chǎng)總線替代4～20 mA 模擬總線是控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì) ,形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)即現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(fieldbus cont rol system FCS) 。
       現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物;是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò) ,它的關(guān)鍵標(biāo)志是支持全數(shù)字通信。它是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng) ,在微機(jī)化測(cè)控設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) ,同時(shí)還具有與 Internet 和Int ranet 直接連接的能力。因此現(xiàn)場(chǎng)總線可以被看作是信息系統(tǒng)的直接終端。
       現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn): ①開(kāi)放式、互操作性、互換性、可集成性。不同廠家產(chǎn)品只要使用同一種總線標(biāo)準(zhǔn) ,就具有互操作性、互換性 ,因此設(shè)備具有很好的可集成性。開(kāi)放性的控制系統(tǒng) ,允許其他廠商將自己專長(zhǎng)的控制技術(shù) ,如控制算法、工藝方法、配方等集成到通用控制系統(tǒng)中 ,因此市場(chǎng)上將具有很多面向行業(yè)特點(diǎn)的控制系統(tǒng); ②系統(tǒng)內(nèi)部從傳感器、變送器到執(zhí)行器 ,傳遞的都是數(shù)字信號(hào) ,可以很容易的處理更復(fù)雜、更精確的信號(hào) ,通過(guò)采用數(shù)字通信的各種錯(cuò)誤檢測(cè)與糾錯(cuò)算法使系統(tǒng)內(nèi)部通信的可靠性得到提高; ③控制功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中 ,控制室內(nèi)儀表裝置和監(jiān)控計(jì)算機(jī)主要完成數(shù)據(jù)處理、監(jiān)督控制、優(yōu)化控制、協(xié)調(diào)控制和管理自動(dòng)化等功能; ④系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)采用總線連接方式代替一對(duì)一的 I/ O 連線,對(duì)于大規(guī)模系統(tǒng)來(lái)說(shuō) ,減少了由接點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí),系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警和記錄功能 ,也增加了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性; ⑤降低了系統(tǒng)及工程成本。對(duì)于大范圍大規(guī)模的 I/ O分布式系統(tǒng)來(lái)說(shuō),省去了大量的電纜、I/ O 模塊及電纜敷設(shè)費(fèi)用,降低了系統(tǒng)及工程成本。
       當(dāng)今典型的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品有: FF 現(xiàn)場(chǎng)總線、LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線、Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線、WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線、 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線、 HART 協(xié)議。

       LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法 ,通過(guò)使用網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置,外部設(shè)備使用LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線通信只需對(duì)Lon2Works的神經(jīng)元芯片的 I/ O 口進(jìn)行編程;WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)是具有單一的總線 ,可用于過(guò)程控制及離散控制 ,而且沒(méi)有任何網(wǎng)橋或網(wǎng)關(guān) ,低速與高速部分的銜接用軟件的辦法來(lái)解決 ,已有較完整的系列產(chǎn)品 ,不像 FF現(xiàn)場(chǎng)總線目前只有低速部分 H1的產(chǎn)品;CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu),每一幀的有效字節(jié)數(shù)為 8 個(gè) ,因而傳輸時(shí)間短 ,受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí) ,具有自動(dòng)關(guān)閉的功能 ,以切斷該節(jié)點(diǎn)的信息; HART 協(xié)議的特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信,屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的過(guò)渡性產(chǎn)品 ,因而在當(dāng)前的過(guò)渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力 ,得到了較快發(fā)展。
       2000 年 IEC 公布了 IEC 61158 現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),該國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)容納了8 種互不兼容的協(xié)議,每種協(xié)議及其系列產(chǎn)品背后都有一定的跨國(guó)公司支持,多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)并存成為事實(shí) ,過(guò)多的標(biāo)準(zhǔn)給用戶選用帶來(lái)了很大的困惑和不便。近年來(lái)由于以太網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展 ,以太網(wǎng)正逐漸應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。