现场总线对自动化仪表与系统的影响分析

李克

摘要：计算机网络及通信技术的发展使工厂现场设备、控制与管理实现了自动化，并引发了自动化系统的结构变革，为自动化仪表与系统的发展带来新的机会。文章通过介绍现场总线的发展过程及其特点，从3方面总结了现场总线对工业过程自动化仪表与系统、自动化技术带来的深远的影响，以期为我国仪器仪表产业发展提供新思路。

关键词：现场总线；自动化仪表与系统；特点；影响

现场总线出现于20世纪80年代末90年代初，是一种以计算机网络、智能传感控制、数字通信为主要内容的综合技术，涉及电力、冶金、化工、建材、轻工、造纸等多个领域，主要用于制造自动化、过程自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。目前现场总线已在自动化仪表与系统领域受到广泛关注，实现了自动化系统的深刻变革，大大提高工厂自动化水平，提高劳动生产率和经济效益。

1.现场总线的发展概述

现场总线可以称作是第五代控制系统，即：FCS——现场总线控制系统。第一代为气动信号控制系PCS，第二代为4～20 mA等电动模拟信号控制系统，第三代为数字计算机集中式控制系统DDC，第四代为集散式分布控制系统DCS。现场总线控制系统FCS打破了DCs系统被束缚于通信专用网络的局面，形成了新型全分布式结构，将控制功能从根本上转移到现场。

关于现场总线标准，最早由国际电工委员会于1985年着手制订国际性现场总线标准，此后，美国仪表学会参与其中，但由于双方意见不一致而使该标准迟迟未出台，各国家便开始制订各自的标准。截止到1994年年初，在美国、德国、法国分别形成了Porifbus，IFP，IsA等几种主要的现场总线标准，国际上的ISP和World IFP两大现场总线组织合并，统一了IEC/SP50标准，此后，近200家仪表厂、公司成立了现场总线基金会（FF）。

目前，市场上的现场总线及相关产品包括主要用于工业控制的FF，用于楼宇自动化为的美国LON.以汽车工业为目标的德国CAN，传统的DCS等自动化控制系统逐渐被这种开放的自动化系统取而代之，整个测量与控制领域迎来发展的新时期。

2.现场总线的特点

现场总线作为21世纪现场控制系统的基础，以其独特优势对自动化仪表与系统产生了深刻的影响，在很大程度上影响着测量与控制行业的发展。文章主要从以下3点分析了现场总线的特点。

2.1系统的开放性

开放系统是指通信协议公开，各厂家设备通过互连实现信息交换，相关标准具有一致性、公开性特征，FCS的信号传输就实现了开放的全数字化通讯。现场总线的开放性特征，满足了用户对系统集成的要求，使用户能够根据自身需求将各供应商的产品组成任意系统。同时，互连设备间、系统间信息传送与沟通的实现，使各厂商现场设备可进行互换，并统一组态，从根本上解决了传统DCS控制层的封闭性和专用性问题。

2.2现场设备的智能化

现场总线将补偿计算、传感测量、工程量处理与控制等功能应用于在现场设备，通过现场设备便可实现自动控制与故障诊断。这一方面减少了传送误差，从根本上提高了测量与控制的准确度与系统运行的可靠性，另一方面也方便了用户对设备运行状态的查询，以便提前发现设备故障并尽快解决，缩短了维护停工时间，提高了设备工作效率。

2.3系统结构的高度分散陛

FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，由现场设备本身完成自动控制的基本功能，采用全分布式控制系统体系结构，把DCS控制站的功能分散地分配给现场仪表，简化了系统结构，既减少了变送器的数量，又无需单独使用控制器、计算单元等，传统DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线一并被废弃，大大节省了硬件投资与控制室占地面积。

3.现场总线对自动化仪表与系统的影响

现场总线被称为是一种引发自动化和仪器仪表变革的新技术，而现场总线之所以受到诸多关注，也正是由于它对控制及自动化产品和系统带来的冲击和影响，可以说，现场总线是推动自动化产品进入“新世纪”的主要因素。那么，现场总线究竟是如何影响自动化仪表与系统变革，人们又将如何抓住机遇，实现自动化仪表与系统的新飞跃？本文通过搜集大量资料，结合现场总线与自动化仪表与系统发展的实际情况，得到以下结论。

3.1促使工业控制由控制室转向现场

现场总线对于自动化仪表与系统的最直接、最大的影响，就是实现了各种控制功能由控制室向现场的转变，从根本上改变了工厂控制系统结构。数字式仪表将被模拟仪表取而代之，目前DCS控制功能将由FCS系统功能取而代之。现场总线涉及的各种新概念，会不断促进现场仪表的检测与控制功能的更新。为此，政府及各决策机构应积极鼓励各仪表生产厂家和广大用户分析研究与开发应用现场总线，为我国国民经济各部门提供新的自动化装备，振兴我国仪表工业。尤其是在面对当前国外仪表公司产品进入我国市场参与竞争的炙热局面下，我国仪表企业面临重重困难，推动现场总线仪表及系统的发展，将促进我国仪表产业及产品结构的调整，从而使我国仪表产业在技术与市场的推动下取得竞争优势。

3.2实现传输信号数字化

首先，现场总线将完全替代4-20 mA DC联络信号，实现传输信号数字化，更方便进行现场布线，降低了近70%的现场配线费用。其次，现场总线可将控制、报警、趋势分析等先进功能增加到现场仪表，减少了D/h与A/O变换，上层系统得到简化。最后，现场总线为系统的开放化奠定基础，实现了自动化仪表从封闭式系统向开放式系统的转变，从模拟数字混合技术向全数字化技术的转变，各厂家设备在相同标准下通过互连实现交互操作和互换使用，极大地方便了用户间的信息交换。此外，采用现场总线完成底层通信，系统冗余和故障诊断与容错功能增强，大大提高了系统可靠性、安全性，为其在更广泛领域的应用创造了条件。为此，本文认为政府应积极组织成立“中国现场总线协会”，形成以企业、大型集团、研究所及高校等各种力量为一体的凝聚力，共同致力于现场总线技术及其产品的开发和应用。并实现与国际上各现场总会组织的衔接与互动，密切关注现场总线国际标准的制讯以更好地指导我国现场总线技术的开发与完善。如国家重点安排几个DCS应用熟练且经济实力较强的化工企业与仪表研究、生产部门组成集团，进入国际现场总线基金会，并努力成为其试验基地，取得实际试验的初始资料，为发展我国新一代仪表打下基础。

3.3推动自动化仪表与系统的智能化

以實现过程控制与企业管理的有机集成为主的综合自动化，是自动化发展的主要方向。现场总线在自动化仪表与系统中的应用，将成为实现这种综合自动化强有力手段。首先，现场总线使全部控制设备的测量值以工程单位体现，这样就避免了将控制装置中初始传感器数据转换为工程单位的工作环节，使控制装置可以去完成更高级的控制任务，方便了对控制装置的管理。其次，现场仪表中使用微处理器，使现场仪表表现出智能化、功能多样化的优势，促使先进的、新式的现场设备被研发，如多变量变送器及测控一体化产品，而这种产品将大大减少工业控制所需的总仪表数量，不仅节约了仪表购置、安装及维护费用，而且更有利于实现过程控制与企业管理的有机集成。为此，本文认为应大力发展全数字式智能化现场仪表，这将是未来整个控制、管理系统的发展方向。我国要取得经济的长远发展，必然离不开基础工业的发达，而现场仪表作为信息产业的基础，国家应加大支持力度，有计划地开发或通过引进、合资、建立起现场仪表生产基地，依托科技与信息技术的进步，推动全数字式智能化现场仪表在工业领域的影响力。

4.结语

现场总线作为21世纪现场控制系统的基础，对自动化仪表与系统产生了巨大影响，本文主要将其总结为促使工业控制由控制室转向现场，实现传输信号数字化，以及推动自动化仪表与系统的智能化3方面。目前，现场总线仪表及系统己广泛用于工业过程控制，并促使自动化技术领域产业升级以及过程检测产品的更新换代。面对激烈的国际竞争局势，我们应努力克服现场总线技术的研究与开发中的各种难题，抓住机遇，瞄准目标，不断完善现场总线控制系统，并形成有利于我国仪表产业发展的现场总线标准，振兴中国仪器仪表工业。