技能鉴定教材 ―――― 仪表第二部分 仪表与控制系统――――第十章 现场总线
第三章 现场总线
1 概述
1.1 现场总线简介 1.1.1 现场总线由来
20世纪80年代中期，随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，企业间的竞争日趋激烈，为了追求更高的T、Q、C、S（调整产品上市时间、质量、成本、售后服务），不断地促进技术进步与管理改革，逐渐形成了计算机集成制造系统。它采用系统集成、信息集成的观点来组织工业生产，把市场、生产计划、制造过程、企业管理、售后服务看作要统一考虑的生产过程，并采用计算机、自动化、通信等技术，实现整个过程的综合自动化，以改产生产加工、管理决策等。这样就把整个生产过程看作是信息的采集、传送及加工处理的过程。信息技术成为工业生产制造过程中的重要因素。但是生产过程自动控制系统采用一对一连线，检测仪表通过电压、电流模拟信号传送，即使采用DCS集散控制系统，也难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现企业的信息集成，要实施企业综合自动化，就必须有一种能在企业现场环境下运行的、性能可靠、价格低廉的通信系统，形成工厂底层网络、实现仪表自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间，以及生产现场与外界之间的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。
1984年，美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施工作组中的ESA/SP50开始制定现场总线标准；1985年国际电工委员会决定由Pro Way Working Group负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；1986年德国开始制定过程现场总线（Process Fieldbus）标准，简称为PROFIBUS。由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。
1992年，由Siemens，Rocemount，ABB，Foxboro，Yokogawa等80家公司联合，成立了ISP（Interoperable System Protocol）组织，着手在PROFIBUS的基础上制定现场总线标准。1993年，以 Honey Well，Bailey等公司为首，成立了World FIP(Faetory Instrumentation Protocol)组织，有120多个公司加盟该组织，并以法国标准FIP为基础制定现场总线标准。此时各大公司均已清醒的认识到，现场总线应该有一个统一的国际标准，现场总线技术应用势在必行。但总线标准的制定工作并非一帆风顺，由于行业与地域发展历史等原因，加之各公司和企业集团受自身商业利益的驱使，致使总线的标准化工作进展缓慢。
1994年ISP和World FIP北美部分合并，成立了现场总线基金会FF（Fieldbus Foundation）,推动了现场总线标准的制定和产品开发。1996年第一季度颁布了低速总线H1的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合FF规范的仪表互联为控制系统和通信网络，使H1低速总线开始步入实用阶段。
2000年，最终通过了包括FF、PROFIBUS、WORLD FIP等8种类型的现场总线国际标准IEC61158。 1.1.2 现场总线的含义
现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它在制造业、石化系统、交通、楼宇等方面的自动化系统中，得到广泛的应用。
现场总线是将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都有了数字计算和数字通信能力，或者称为有数字通信能力的智能仪表。在此基础上，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把
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多个具有数字通信能力的智能测量控制仪表连接成网络系统，按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制仪表（设备）之间，以及现场仪表与远程监测与控制计算机之间实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。也可以说，是将单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把他们连接成可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。
现场总线是自控系统与设备具有了通信能力，把它们连接成网络系统，加入到信息网络的行列，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。
现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上，作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及管控一体化的综合自动化功能。这是一项为智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。
现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向。现场总线的出现，导致目前生产的自动化仪表集散控制系统（DCS）、可编程控制器（PLC）在产品的体系结构、功能结构方面发生较大变革，自动化仪表制造厂家面临更新换代的又一次挑战，传统的模拟仪表将逐步让位于具备数字通信功能的智能仪表，出现了可集检测温度、压力、流量于一身的多变量变送器，出现了带控制模块亦具备有故障信息的执行器，由此将大大改变现有的仪表设备维护管理状况。
现场总线是低带宽的底层控制网络，可以与因特网（Internet）、企业内部网（Intranet）相连，且位于生产控制和网络结构的底层，因而也成为底层网（Infranet）。现场总线作为网络系统最显著的特征是具有开放、统一的通信协议，肩负着生产运行一线测量控制的特殊任务。
图2-10-1 企业网络信息集成系统结构示意图
技能鉴定教材 ―――― 仪表第二部分 仪表与控制系统――――第十章 现场总线 图2-10-1中的现场控制层网段H1、H2,即为底层控制网络。它们与工程现场设备直接连接，一方面将现场测量控制设备互联为通信网络，实现不同网段、不同现场通信设备间的信息共享，同时又将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，并进一步实现与操作终端、上层管理网的连接和信息共享。在把一个现场设备的运行参数状态，以及故障信息等送往控制室的同时，又将各种控制、维护、组态命令，乃至现场设备的工作电源等送往各相关的现场设备，沟通了生产过程现场级控制设备之间，以及与更高控制管理层次之间的联系。
现场总线网络集成自动化系统应该是开放的，可以由不同设备制造商提供的遵从相同通信协议（IEC62258）的各种测量控制设备共同组成。 1.1.3 现场总线系统
由现场总线组成的网络集成式全分布控制系统，统称为现场总线控制系统FCS。这是继基地式仪表控制系统、单元组合式模拟仪表控制系统、数字仪表控制系统、集散控制系统（DCS）后的新一代控制系统。
DCS系统中，过程控制用计算机是数字系统，但测量变送仪表一般是模拟仪表，可以整个系统是一种模拟数字混合系统，可以实现装置级、车间级的集散控制和优化控制。但DCS系统由于生产厂商不是采用统一标准，各厂家产品自成系统，不同厂商产品不能互联在一起，难以实现互换和互操作，更难达到信息共享。
现场总线系统突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备通过现场总线网络连成系统，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可以实现基本控制功能。
伴随着控制系统结构与测控仪表的更新换代，系统的功能、性能也在不断完善与发展。现场总线系统得益于仪表微机化以及设备的通信功能。把微处理器置于现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时丰富控制信息的内容，为实现其远程传送创造了条件。在现场总线系统中，借助设备的计算、通信能力，在现场就可以进行许多复杂计算，形成真正分散在现场的完整控制系统，提高控制系统运行的可靠性，还可以借助现场总线网段，以及与之有通信关系的网段，实现异地远程自动控制。提供传统仪表所不能提供的如阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作人员更好更深入地了解生产现场和自控设备运行状况。 1.2 现场总线的特点
1.2.1 现场总线实现了彻底的分散控制
传统的模拟控制系统采用一对一的设备连接，按控制回路、检测回路，分别进行连接。也就是说，位于现场的各类变送器、检测仪表、各类执行机构、调节阀、开关、电机等，和位于控制市内的盘装仪表或DCS系统中监控站内的输入输出接口之间，均为一对一的物理连接。
现场总线系统采用了智能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块，各类输入输出模块置入现场设备，再加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与调节阀等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表而直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。
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1.2.2 现场总线简化了系统结构
由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号，见图2-10-2所示。现场总线同时又为多个设备提供电源，现场设备不再需要模拟/数字，数字/模拟转换部件，简化了系统结构，节省连接电缆和安装费用。
图2-10-2 现场总线控制系统与传统控制系统结构的比较
1.2.3 现场总线实现了系统的开放性
开放是指相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。
现场总线建立统一的工厂底层网络开放系统。用户可以按自己的需要和考虑，不限定厂家、机型，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统，实现自动化领域的开放互联系统。 1.2.4 现场总线系统的互可操作性和互用性
互可操作性是指实现互联设备间、系统间的信息传送与沟通，而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备，可实现相互替换。
1.2.5 现场总线系统采用数字传输方式，提高传输精度
模拟通信方式是用4～20mA直流模拟信号传送信息拓扑一对一方式，即一对线只能接一台现场仪表，传送方向具有单向性，因此，接受现场设备信息的配线和发给现场设备控制信号的配线是分开的。
混合通信方式是在4～20mA模拟信号上，把现场仪表信息作为数字信号重叠的通信方式，加上模拟通信方式的功能，可以进行现场仪表量程的设定和零点调整的远程设定。
现场仪表进行的自诊断等信息采用专用终端收集。
但是混合通信方式是厂家个别开发的，厂家不同设备之间不能进行信息交换。混合通信方式实现数字数据的通信，基本上以模拟4～20mA通信为主体，因此混合通信方式的数字数据的通信速度比现场总线通信方式速度低。
现场总线通信方式与模拟通信和混合通信方式不同，是完全的数字信号通信方式。现场总线通信方
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式可以进行双向通信，因此于模拟通信方式和混合通信方式不同，可以传送多种数据。模拟通信方式一对配线只能接一台现场仪表，现场总线通信方式没有这种限制，一根现场总线配线可以连接多台现场仪表。
图2-2-10为一台带阀门定位器的调节阀。阀上有控制器的输出信号（调节阀位置控制信号）、阀位上限信号、阀位下线信号、阀位开度信号。模拟通信方式的这台调节阀至少要4根电缆连接，而现场总线只要1根普通双绞线即可替代。
图2-10-3 模拟通信方式与现场总线的通信方式相比较
现场总线通信方式推进了国际标准化，确保了相互运用性。
表2-10-1为4～20mA的模拟通信方式、混合通信方式以及现场总线通信方式的比较。
表2-10-1 通信方式比较
项 目 拓扑式 传送方式 传送方向 现场总线 多种 数字信号 双向 一对一 混 合 一对一 模拟信号 单向 模 拟 4～20Ma DC 数字模拟 单向（模拟） 双向（数字） 信号种类 规格 多重信号 规格化中 部分多重信号 每个厂家不同 单信号 规格化
现场总线可以消除模拟通信方式中数据传送时产生的误差，提高传送精度，见图2-10-4。