基于现场总线技术的先进控制系统.doc

0、概述
计算机数字通信技术及信息技术的发展，推动了自动化技术的进步；特别是近10年来兴起的现场总线技术（Fieldbus），是计算机数字通信技术向工业自动化领域的延伸，它的发展将促使自动化系统结构发生重大变革，是传统的基于PLC及DCS控制技术系统发展的必然归宿。现场总线技术的一个显著特点是其开放性，允许并鼓励不同厂家按照现场总线技术标准，自主开发具有特点及专有技术的产品。依照现场总线技术规范，不同厂家产品可以方便完成组态与集成，构成面向行业、适合行业特点的自主控制系统。这一特点为更多的自动化产品制造商自主开发并推出自主知识产权的自动化系统提供了可能。也为自动化系统集成商开发面向行业应用的成套技术和自动化系统提供了机会。现场总线技术以其先进性、实用性、可靠性、开放性的优点，必然成为未来自动化技术发展的主流。基于现场总线技术的控制系统（FieldbusControlSystem-FCS）与人们预想的一样，对传统的PLC、DCS系统形成了巨大的冲击。FCS已不再是一种预测、一种设想，而是实实在在的作为先进控制系统产品出现在市场上。本文将描述传统PLC控制系统向基于现场总线控制系统的演变过程，以现场总线PROHBUS为背景，描述一个基于现场总线控制系统的结构组成，并分析系统的市场前景。
本文中提到的一些名词及缩写：FCS：基于现场总线技术的控制系统（FieldbusControlSystem-FCS）现场设备：指现场级检测及执行设备，如传感器、变送器、开关设备、驱动器、执行机构、指示及显示设备、人机操作接口等。基于PLC的控制系统：指以PLC、远程I/O及PLC网络为基础的分布式控制系统。控制器：现场总线中的一个主站节点。至少具备总线通信与管理、逻辑执行等功能。
1、传统控制系统向基于现场总线控制系统的演变
现场总线技术的一个显著特点是其开放性，允许并鼓励不同厂家按照现场总线技术标准，自主开发具有特点及专有技术的产品。因此，现场总线技术引入自动化控制系统，促使传统控制系统结构演化，逐步形成基于现场总线的控制系统FCS。
1．1从PLC到通用工业PC（1）在传统控制系统中，控制器（或称CPU、或处理器）与I/O模块及其它功能模块、机架为同一系列产品，有一致的物理结构设计。典型的结构是I/O模块及其它功能模块通过机架背板上的总线（公司设计产品而自定义总线）连接。机架扩展也是自定义总线的扩展。这些产品的连接技术是封闭的，第3方面想开发兼容产品必须得到厂家允许。（2）基于现场总线的控制系统中，控制器与现4场设备（I/O模块、功能模块及传感器、变送器、驱动器等）连接是通过标准的现场总线，因此没有必要使用与控制器捆绑的I/O模块产品（这与插在PLC机架上的I/O模块的配置方法不同），可使用任何一家的具有现场总线接口的现场设备与控制器集成。因此控制器趋向于采用标准的、通用的硬件平台一工业计算机（IndustrialCompactComputer），如Intel/Windows类PC机。近年来嵌入式控制器（如PC/104产品）的发展和WINDOWS-CE的推出，使用嵌入式控制器硬件和WINDOWS-CE软件作为控制器平台。采用通用的工业PC做控制系统控制器优点如下：（1）开放性、标准化系统软件与控制器硬件不再维持捆绑关系，专业自动化软件厂家可以独立开发不依赖于控制器品牌的FCS系统软件。基于Windows/NT的操作系统平台，具有大量的标准的软件工具和数据文件格式可以兼容。（2）价格通用的工业PC容易形成规模经营，因此，价格比PLC便宜。（3）性能指标高、产品更新换代快通用的工业PC搭乘PC机技术发展快车，技术指标高、产品更新换代快。（4）向上连接计算机管理网络（如IEC802.3TCP/IP）技术成熟、方便。并可以借用ODBC、SQL等技术与管理数据库连接。
1．2从PLC的I/O模块到现场总线分布式I/O在FCS系统中，插在控制器机架上的I/O模块将被连接到现场总线上的分散式I/O模块所取代。分散式I/O不再是控制器厂家的捆绑产品，而是第3方厂家的产品；廉价的、专用的、具有特殊品质的I/O模块（如高防护等级、本征安全、可接受RTD、mV、高压、大电流信号等）将具有广阔市场。FCS的控制器与传统PLC配置方式的比较见图1。
1．3从PLCI/O控制的现场设备到具有现场总线接口的现场设备现场设备如传感器、变送器、开关设备、驱动器、执行机构等；传统PLC系统使用I/O连接与PLCI/O模块连接，PLC通过模拟量4-20mA或开关量（如24VDC）控制监测现场设备。在FCS系统中，现场设备具有现场总线接口，控制器通过标准的现场总线与现场设备连接。
1．4系统软件在传统PLC系统中，系统软件（包括PLC系统软件和编程软件）与PLC硬件联系紧密，技术上对