摘要:現場總線技術對工業領域的意義是非常巨大的。首先，集散控制系統的概述、發展歷史和組成結構在文中一一簡述，接著從形成背景、概念、特點、優勢和組成出發，對現場總線技術在工業控制中的應用現狀及最新進展進行了綜述，并且介紹了幾種國際上流行的現場總線如CAN總線、LonWorks總線、基金會現場總線、HART總線、Profib

摘要:現場總線技術對工業領域的意義是非常巨大的。首先，集散控制系統的概述、發展歷史和組成結構在文中一一簡述，接著從形成背景、概念、特點、優勢和組成出發，對現場總線技術在工業控制中的應用現狀及最新進展進行了綜述，并且介紹了幾種國際上流行的現場總線如CAN總線、LonWorks總線、基金會現場總線、HART總線、Profibus總線和它們的通信協議、應用領域和實時性，以及他們應對技術變革和系統故障采取的對策。
0引言
隨著科技的進步、生產力的發展和信息時代的來臨，社會對工業生產的需求變得日益迫切。集散控制系統以其可靠、靈活、低成本、可適應性強等特點成為了工業控制領域占有主導地位的系統，已被廣泛應用于化工、電力、石油、造紙等行業。集散控制系統的發展經歷了三個階段，它是控制技術發展的一個里程碑。現場總線自誕生以來一直受到國內外業界人士和企業的關注和重視，它為自動控制領域的變革帶來了又一次飛躍。現場總線所遵循的國際統一協議標準使得它在集散控制系統的基礎之上發揮了強大的功能。本文將簡要概述集散控制系統和現場總線技術在工業控制中的應用現狀及最新進展，并介紹幾種國際上流行的現場總線。
1集散控制系統概述
在集散控制系統之前的直接數字控制器(DirectDigitalCon-troller，DDC)實現了從模擬量的逐個控制到數字化的集中控制，為各種先進控制策略的實施提供了可能，但是這種高度集中的控制方式不可避免地伴隨著巨大的危險，因此在工業生產過程的控制規模不斷擴大，復雜程度不斷增加，信息技術飛速發展的背景下產生了集散控制系統(DistributedControlSystem，DCS)。
DCS，又稱為分布式控制系統，是綜合了計算機技術、通信技術、控制技術和CRT顯示技術(4C技術)的一種新型控制技術，實現了對生產過程的集中監視、操作、管理和分散控制，同時具備分散的儀表控制系統和集中式計算機控制系統的特點。
1．1集散控制系統的發展
集散控制系統可分為三個階段:
(1)采用了以微處理器為基礎的過程控制單元，具有各種控制功能要求的算法，同時采用了帶CRT顯示器的操作站和冗余通信系統，實現分散控制和集中管理，具有集散控制系統的基本結構。
(2)采用高分辨率的CRT顯示器、16位微處理器，使得系統性能增強，向模塊化、標準化靠攏工廠級數據向過程級分散;實現無主站N;N通信，加強了系統通信功能，更有利于控制站、操作站、可編程邏輯控制器和計算機互連，便于多機資源共享和分散控制。
(3)采用開放系統網絡，操作站采用32位處理器、觸摸式屏幕和實時多用戶多任務的操作系統，為各種應用系統的標準平臺提供軟件的可移植性和系統的互操作性，使得第三方應用軟件可方便應用，用戶的應用空間更加廣闊［1］。
1．2集散控制系統的結構
圖1為集散控制系統結構圖。集散控制系統結構自下而上通常分為:控制級、監控級和管理級，每級之間分別由控制網絡(ControlNetwork，Cnet)、監控網絡(SupervisionNetwork，Snet)、管理網絡(ManagementNetwork，Mnet)把相應的設備連接在一起，進行數據和命令的傳輸［2］?？刂萍売蛇^程控制站和數據采集站構成，一般安裝在位于主控室后的電子設備室中。過程控制站接受位于被控生產設備附近包括傳感器、變送器和執行器等設備送來的信號并通過基本控制單元按照控制策略計算出控制量送回執行器中，其中現場級的設備以現場總線為基礎的全數字信息傳遞方式是今后的發展方向。數據采集站也接受現場設備送來的信號，通過數據輸入/輸出單元進行轉換和處理后送到集散控制系統的其他部分，但無控制功能;監控級主要有運行員操作站、工程師工作站和計算站。根據具體情況應配有CRT顯示器、鍵盤和技術手段齊備的計算機系統等各類硬件，以及功能強大的軟件，確保工程師和操作員監視DCS網絡上各個節點的運行情況，及時調整系統配置及一些系統參數的設定，使DCS隨時處在最佳的工作狀態之下，方便對生產過程實行高級控制策略、故障診斷和質量評估。運行員操作站安裝在中央控制室，用以監視和控制整個生產過程，工程師工作站和計算站安裝在電子設備室。監控級的通信網絡采取雙網冗余是DCS最顯著的特點［3］;管理級可以是廠級管理計算機，也可以是若干個機組的管理計算機，實現整個企業的綜合信息管理，主要包括生產管理和經營管理，面向廠長、經理、總工程師等行政管理或運行人員。

2現場總線
2．1現場總線的誕生
DCS雖然實現了從模擬量到數字化的集中控制，但最基層的眾多現場儀表和現場控制站之間的信息和數據仍是采用傳統的沿獨立導線傳輸的4～20mA的DC信號，現場儀表的功能遠遠沒有發揮出來。隨著微處理器的快速發展和廣泛的應用，產生了以微處理器為核心的智能設備，在此基礎之上誕生了現場總線技術。
現場總線是一種應用于生產現場，在現場設備和控制裝置之間實行雙向、串形、多結點的數字通信技術。它把代替了原先DCS系統中處于控制室的控制模塊和各輸入輸出模塊的專用的微處理器置入傳統的測量控制儀表，使得它們各自具備多種運算功能，成為能獨立承擔某些控制、通信任務的網絡節點，從而通過雙絞線、光纖、同軸電纜等多種途徑構成網絡系統［4］，實現徹底的分散控制。該網絡系統按照規范和公開的通信協議，在位于生產現場的多個微機化自控設備之間，以及現場儀表與用作管理、監控的遠程計算機之間，實現數據傳輸與信息共享，進一步構成了各種適應實際需要的自動控制系統［5－6］。
2．2現場總線優勢
(1)微處理器的多種運算和故障診斷功能豐富了現場儀表的功能，提高了測量精度和傳輸過程中的抗干擾能力。
(2)將原來由各種I/O單元和控制器來完成的功能交由每個現場儀表來完成，從而形成真正的分布式控制系統，實現控制風險的分散化。
(3)現場總線的數字通信功能使每個現場儀表通過底層現場總線網絡將自身運行狀況的診斷信息向上傳遞給控制系統的上層，同時還可以接受上層數字控制系統向其發送的信息，儀表可以和數字控制系統直接進行數字信號的傳送，增加信息流通能力，提高信息的準確性，給系統的日常維護帶來了方便［7］。
(4)由于現場總線式現場儀表是按照國際統一的標準設計制造，它的通信協議一致公開，各個不同廠家的設備之間可實現信息交換，從而使用戶在系統設計時可以選用最適于自己要求的產品來構建系統，提高了靈活性。
(5)現場總線帶來了各方面成本的節約。由于將控制功能徹底下放到控制系統最底層的控制器和儀表，降低了安裝成本、維護費用。并且少量的通訊總線代替了大量的模擬信號電纜大大減少了設備的占地面積和資金［8］。
2．3幾種典型的現場總線
由于現場總線技術的不斷完善，各個組織和企業開發了多種用于工業現場儀表和控制室之間的數字通信協議?，F在存在的現場總線約有數十種，國際上比較流行的現場總線標準有CAN總線、LonWorks總線、基金會現場總線、Profibus總線、HART總線等。
2．3．1CAN總線
CAN總線(ControllerAreaNetwork)是德國Bosch公司為解決汽車內部測量與執行部件之間的數據通信而開發的一種串行數據通信協議。
CAN總線只采用了國際標準化組織制定的信息開放系統互連參考模型(ISO/OSI)7層中的物理層和數據鏈路層。開發者能夠根據需要自行定制通信協議是CAN總線靈活的體現。用戶在設計通信軟件時，必須先根據需求設計合適的CAN總線通信協議，才能完成數據準確可靠的傳輸。但在一些利用簡單的通信協議就可以滿足要求的情況下，采用復雜的協議有時會造成資源浪費，限制了CAN的靈活性，所以在一些情況下定制適合要求的通信協議，對于CAN的開發和應用至關重要。文獻［9］以CAN技術規范2．0A為標準，對CAN通信協議的實現作了一定的分析和介紹，總結了CAN通信協議的開發經驗，為用戶定制自己的通信協議提供了參考和思路，充分實現CAN的靈活應用。
CAN控制器在航天航空領域中得到廣泛應用，但航天電子設備在生產、運輸和使用過程中的各種自然或人為環境對CAN總線造成了極大的威脅。根據系統可能會造成的故障程度，解決可靠性問題的一個有效的辦法就是對總線進行不同程度的冗余。文獻［10］提出了CAN總線冗余的方法。通過總線、總線驅動器、協議芯片和單片機等的冗余來實現系統不同程度上的冗余，并對系統的冷冗余和熱冗余進行了研究。
2．3．2LonWorks總線
LonWorks(LonWorksNetWorks)總線，即分布式智能控制網絡技術，是美國Echelon公司推出的局部操作網絡，廣泛應用在樓宇、家庭自動化領域，具有成本低，性能高的優點。它的特點是將通信協議嵌入到一個具備通信和控制功能的Neuron芯片內。該芯片固化了ISO/OSI參考模型的7層服務，內含3個8位微處理器，分別負責介質訪問控制、網絡處理和應用處理。用戶采用該芯片及相關的配件就可設計出自己需要的各種應用節點，再利用各節點與路由器，中繼器等組成LonWorks網絡。
目前對于LonWorks總線實時性的研究已成為其理論研究的重要課題。文獻［11］討論了在組建LonWorks網絡時最常使用的幾個標準配置屬性，以及它們的優化值和這些值對網路性能的影響，但沒有給出如何準確計算這些最優值。文獻［12］從Lon-Works總線的介質訪問控制協議入手，按照沖突解決和沖突避免兩種思路 軟實時通過對參數動態估計，硬實時通過改進仲裁方案給出了一種新的LonTalk協議，使系統改進后重載時的吞吐率有了很大提高。但由于在硬實時性改進方案中去掉了隨機時隙，使得該協議失去了隨機競爭方式介質訪問控制(mediumac-cessingcontrol，MAC)機制的優越性。文獻［13］對LonTalk協議的MAC仲裁機制進行了改進，提出了一種新的實時通信協議，避免了優先級較高的節點交替占用總線而引起沖突問題，同時也解決了優先級較低的節點長期得不到總線使用權的問題。文獻［14］在充分考慮網絡資源的基礎上，從硬件和軟件兩個角度對LonWorks控制網絡進行了優化。在保證了通訊可靠的同時，也提高了網絡的實時性。
2．3．3基金會現場總線
基金會現場總線(FoundationFieldbus，FF)是由現場總線基金會組織開發的。根據過程自動化系統的特點，在1996年頒布了參考了ISO/OSI模型的低速總線FF－H1。具有支持總線供電、本質安全的特點。原來定義的FF－H2的高速總線標準在發展過程中逐步被以太網(HighSpeedEthernet，HSE)取代。
由于FF系統是為了適應過程自動化系統而專門設計的，在苛刻的使用環境以及總線供電等方面都需要有完善的措施，因此實際工程中遇到的常見故障的原因和處理方法對該技術在實際生產中的推廣和應用有很大的影響作用。將現場設備遠離用電設備;現場總線電纜與動力電纜分層橋架布置;保持系統軟硬件版本一致等措施都可提高系統的抗干擾性，而修改宏周期等相關參數可改善系統控制功能［15］。FF總線是在一對屏蔽雙絞線上掛接多臺現場儀表，任何一臺儀表的短路都會導致整段總線的短路。采用具有總線分支短路保護功能的現場接線箱可解決短路保護問題。這樣任何一臺儀表的短路都不至于影響該總線段其他儀表的正常工作，方便了工作人員排查短路故障［16］。
2．3．4Profibus
Profibus(ProcessFieldBus)是德國制定的國家工業現場總線協議標準同時也是一種不依賴于制造商的開放式現場總線標準。不同的制造商所生產的設備不需對其接口進行特別的調整就可以通信，可用于高速并對時間苛求的數據傳輸，也可用于大范圍的復雜通信場合。Profibus是一個多主站系統，當主站獲得總線存取權(令牌)時，不需要外部請求就可以發送消息。從站是外圍設備，包括輸入設備、控制器、變送器等。它們沒有總線存取權，只能應答接受到的信息或當主站請求時向主站回發消息。
Profibus針對不同的應用場合，分為3個系列:Profibus－DP用于分散外設間的高速傳輸，適用于加工自動化領域的應用。它參考了ISO/OSI模型的物理層、數據鏈路層和用戶接口，確保了數據傳輸的快速和有效進行;Profibus－PA是用于過程自動化的總線類型;Profibus－FMS意為現場信息規范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等一般自動化。PROFIBUS網絡控制系統是一個對時間要求很高的實時系統，PROFIBUS現場總線的實時性能，在很大程度上影響著整個系統的性能。其中，位于數據鏈路層的介質訪問控制方式決定了PROFIBUS信息通信的實時性［17］。
2．3．5HART總線
HART(HighWayAddressableRemoteTranducer)是由Rosemount公司提出的用于現場智能儀表和控制設備間通信的一種協議，它引用了ISO/OSI參考模型中的物理層、數據鏈路層和應用層。
從傳統的模擬信號轉變為現場總線全數字通信并非一蹴而就，HART協議在傳統的模擬信號上疊加平移鍵控(FSK)數字信號，既可進行模擬信號的傳輸，又可進行數字通信，滿足了從模擬到全數字的過度。HART協議采用了統一的設備描述語言DDL，產品供應商除了提供設備的軟硬件外，還應按照標準格式提供HARTDDL文件［18］。
傳統的HART總線在智能化控制領域發展的已經相當成熟，但環境惡劣的工業現場會增加控制系統的故障率，降低系統的安全性和穩定性，且現場布線和后期維護極不方便。隨著工業無線網絡的發展，HART基金會在2007年提出了面向工業應用的無線HART協議。無線HART在兼容現有的HART設備和應用的基礎上，進行了功能補充和應用拓展，能夠滿足流程工業應用對無線通信技術的可靠、穩定和安全等關鍵需求，降低了工控系統的成本和故障率，提高了生產效率［19］。采用隧道設計的原理，將HART協議幀封裝在2．4G頻率的無線通信幀的數據字段中，以無線鏈路來代替有限通信電纜，可將無線引入到HART控制領域［20］。
3結束語
DCS系統由于具有良好的結構、可拓展性以及高度的可靠性一直受到廣泛的關注。同時現場總線技術對科研、社會生產的影響也起到巨大的促進作用。世界發達國家的自動化公司都投入了巨大的人力、財力，全方位地進行技術和應用研究，并進行了激烈的市場爭奪，這也導致了現場總線技術復雜的局面，成為該技術的挑戰，但現場總線技術終將越來越成熟完善。在未來的工業自動化中，他將和以太網技術結合，為自動化產品的開發和生產奠定良好的基礎［21］。
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