簡述現場總線控制系統的優點

魏萬芳

摘 要 本文介紹現場總線在工業自動控制中的廣泛應用，并闡述了現場總線的定義、產生因素、類型、優點，以及現場總線給工業自動化控制帶來的變革。

關鍵詞 現場總線;控制系統;拓撲結構

1節省硬件數量與投資

由于現場總線系統中分散在設備前端的智能設備能直接執行多種傳感 、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統的信號調理、轉換、隔離技術等功能單元及其復雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節省了一大筆硬件投資，由于控制設備的減少，還可減少控制室的占地面積。

2節省安裝費用

現場總線系統的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場控制設備時，無須增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。據有關典型試驗工程的測算資料，可節約安裝費用60%以上。

3節省維護開銷

由于現場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數字通訊將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除[1]。縮短了維護停工時間，同時由于系統結構簡化，連線簡單而減少了維護工作量。

4系統集成主動權

用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設備來集成系統。避免因選擇了某一品牌的產品被“框死”了設備的選擇范圍，不會為系統集成中不兼容的協議、接口而一籌莫展，使系統集成過程中的主動權完全掌握在用戶手中。

5準確性與可靠性

由于現場總線設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統的結構簡化，設備與連線減少，現場儀表內部功能加強：減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。此外，由于它的設備標準化和功能模塊化，因而還具有設計簡單，易于重構等優點。

6智能化與功能自治性

它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態。

7對現場環境的適應性

工作在現場設備前端，作為工廠網絡底層的現場總線，是專為在現場環境工作而設計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現送電與通信，并可滿足本質安全防爆要求等[2]。

尤其現場總線中的基金會FF現場總線很適合于有爆炸危險場所及磁干擾較嚴重的場所，在石油化工這個高危行業非常適用，下面對基金會現場總線FF在行業中的應用做一些介紹：

基金會現場總線（Foundation Fieldbus）通常稱為FF現場總線，它分為HI和H2兩級總線。HI采用符合IEC 61158-2標準的現場總線物理層;H2則采用高速以太網為其物理層。

H1現場總線物理層的主要電氣特性如下：采用位同步數字化傳輸方式;傳輸波特率為31.25kbps，驅動電壓9～32VDC;信號電流如±lA.;電纜為屏蔽雙絞線;接線拓撲結構可采用線型、樹型、星型或者復合型;電纜長度小于等于1900m（無中繼器時）;分支電纜的長度30～120m;掛界設備數量小于等于32臺（無中繼器時）;可用中繼器小于等于4臺;適用防爆方法有本質安全防爆方法等。H2則采用高速以太網為其物理層，傳輸速率為1Mkbs和2.5Mkbs，通信距離為750m和500m，物理傳輸介質可支持比絞線、光纜和無線發射，協議符合IEC1158-2標準。

現場總線在一根屏蔽雙絞線電纜上完成對多臺現場儀表的供電和雙向數字通信。控制 系統所配備的HI網卡通常只負責與現場儀表的雙向通信[3]。而總線的供電則需由專門的FF配電器完成。HI總線以段為單位，每塊HI網卡有兩個端口，每個端口連接一個段，而每一段需配一臺FF配電器。總線的兩端還需各配一個終端電阻，以消除高頻信號的回聲。

現場控制網絡層采用現場總線基金會FF HI總線和FF HSE總線。儀表控制系統所使用的FF智能儀表通過FFHl總線按照總線拓撲結構連接，根據安裝位置和功能劃分為8個網段， 每個網段有8～16臺設備，各網段間通過HSEJHl接口設備與HSE總線按照星型拓撲結構連接。FF現場總線儀表可構成控制回路、能夠提供更多過程信息或更多維護信息，具有設備遠程調試和自診斷能力，維護方便。HI鏈路主設備LAS（具有鏈路活動調度功能的設備，控制器、變送器均可以有此功能）可進行冗余配置。傳統的離散數據和過程控制中標準的4～20M模擬儀表信號通過NCS-3000 FF分布式智能I/O引人控制系統， FF分布式智能I/O的主控制器間通過FFHSE總線互聯，安全連鎖、手/自動控制、數值轉換等功能由主控制器實現，各主控制器能獨立運行。

基金會現場總線技術在工業控制系統中的應用，提高了系統工作的靠性，減少了設計、安裝的工作量，節省了投資，同時由于系統結構簡化，連線簡單而減少了維護工作量，靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態。

8結束語

現場總線技術已成為工業自動化領域廣為注的焦點課題，國際上現場總線的研究、開發，使測控系統沖破了長期封閉系統的禁錮，走上開放發展的征程，這對中國現場總線控制系統的發展是個極好的機會，也是一次嚴峻的挑戰。自動化系統的網絡化是發展的大趨勢，現場總線技術受計算機網絡技術的影響是十分深刻的。網絡技術日新月異，發展十分迅猛，這些具有重大影響的網絡新技術必將進一步融合到現場總線技術之中，使現場總線技術以其獨樹一幟的技術優勢帶動工業自動化控制飛速發展。

參考文獻

[1] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社， 1999：78.

[2] 郭瓊.現場總線技術及其應用[M].北京：機械工業出版社，2004：34-36.

[3] 周明.現場總線控制[M].北京：中國電力出版社，2001：133.