主頁 > 技術（shù）文（wén）章 > 智（zhì）能傳感器、現場（chǎng）總線與FCS 2024-10-18

智能傳感器、現場總線與FCS

一、引言：
以（yǐ）現場總線為基礎的全數字控製（zhì）係統將現有的模擬信號電纜用高容量的（de）現場總線網絡代替，從而大大減輕現場信號電纜連接的費用和工作量，提高信號的傳輸效率。實際上現（xiàn）場總線控製係統就是以現場（chǎng）總線技術為核心，以基於現場總線（xiàn）的智能I/O或智能（néng）傳感器、智能儀表為控製（zhì）主體、以計算機為監控指揮（huī）中（zhōng）心的係統編程（chéng）、組態、維護、監（jiān）控等功能為一體的工作平台。
二、智能（néng）傳感器的性能特點：
一般的傳感器隻能作為敏感元件，須配上變換儀表來檢測物理量、化學量等的（de）變化。隨著微電子技術的發展（zhǎn），出現了智能儀（yí）表。智能儀表采用超大規模集成電路，利用（yòng）嵌入軟件協調內部操作，在（zài）完成輸入信號的非線性補償、零點錯誤、溫度補（bǔ）償（cháng）、故障診斷等基礎上，還可完成對工業過程的控製，使控製係統的功能進一步分散。智能傳感器集成了傳感器、智能儀（yí）表全部功能及（jí）部分控製功能（néng），具有很高的線性（xìng）度（dù）和低的溫度（dù）漂移，降低了係統的複雜性、簡化了係統結構。特點如下（xià）：
1、一定程度（dù）的人工智能是硬件與軟件的結合體，可實現學習功能，更能體現（xiàn）儀表在控製係統中的作用。可（kě）以根據（jù）不同的測量要求，選擇合適的方案，並（bìng）能（néng）對信息進行綜（zōng）合處理，對係（xì）統狀態進行預測。
2、多敏感功能（néng）將原來分散的、各（gè）自獨（dú）立的單敏傳感器集成為具有多敏感功能的傳感器，能同時測量多種物理量和化學量（liàng），全麵反（fǎn）映被測量的綜（zōng）合信息。
3、精度高、測量範圍寬隨時檢測出（chū）被測量的變化對檢測元件特性（xìng）的影響，並完成各種運算，其輸出（chū）信號更為精確，同時其量程比可（kě）達100：1，最高達400：1，可用一個（gè）智能（néng）傳（chuán）感器應付很寬的測量範圍，特別適用於要求量程比大的（de）控（kòng）製場合。
4、通信功能可采用標（biāo）準（zhǔn）化總線接口，進行信息交換，這是智能傳感器的關鍵標誌（zhì）之一。
智能傳感器的出現將複（fù）雜信號由集（jí）中型（xíng）處理變成分散型處理，即可以保證數據處理的（de）質量，提高抗幹擾性能。同時又降低係統的成本。它使傳感器由單一功能（néng）、單一檢測向多功能和多變量檢測（cè）發（fā）展（zhǎn），使傳感器由被動進行信號轉換向主動控製和主動進行信息處理方向發展，並使傳感（gǎn）器由孤立的（de）元（yuán）件向係統化、網絡化發展。
三、現場總線的體係結（jié）構與特點
根據（jù）IEC/ISA定義，現場總（zǒng）線是連接智能現場設備和自（zì）動化係統的數字式、雙向傳輸、多分支的（de）通信網絡。它是用於過程自動化最底層的現場設備以及現場儀表的互連網絡，是現場通信網絡和（hé）控製（zhì）係統（tǒng）的集成。現場（chǎng）總線將當今網絡通信與管理的概念（niàn）帶入控製領域，代表了（le）今（jīn）後自動（dòng）化控製體係結構發展的一種方向。
現場總線是以ISO的OSI模型為基本框架的，並根（gēn）據實際需（xū）要（yào）進行簡化了的體係結構係統，它一般主要（yào）包括物理層、數據鏈路層、應用層、用戶層。
物理層（céng）向（xiàng）上連接數據鏈路層，向下連接介質。物理層規定了傳輸介質(雙絞線、無線（xiàn）和光（guāng）纖)、傳輸速率、傳輸距離、信號類型等。在發送期間，物理（lǐ）層（céng）編碼（mǎ）並調製來自數據鏈路層的（de）數據流。在接收期間，它用來自媒介的（de）合適的控製信息（xī）將收到的數據信息解（jiě）調和解碼並送給鏈路（lù）層；數據鏈路層負責（zé）執行總線通信規則，處理差錯檢測、仲裁、調度等。應用層（céng）為最終用戶的應用提供一（yī）個簡單接口（kǒu），它（tā）定義了如何讀、寫、解釋和執行一（yī）條信息或命令。用戶層實際上是一些數據或信息查詢的（de）應（yīng）用軟件，它規定（dìng）了標準的功（gōng）能塊、對象字典和設備（bèi）描述等一些應用程序，給用戶一個直觀簡單的使用界麵。
現場總線除具有一對N結構、互換性、互操作性、控製功（gōng）能分散、互連網絡、維護方便等（děng）優點外，還具有如下特點：
1、網絡體係結構簡單其結構模型一般僅有4層，這種簡化的體係結構具（jù）有設計靈活，執行（háng）直觀，價格（gé）低廉，性能良好等優點，同時還保證了通信的速（sù）度。
2、綜合自動化功能把現場智（zhì）能設備分別（bié）作為一個網絡節（jiē）點，通過現場總線來實現（xiàn）各節點之間、節點與管理層之間的信息傳（chuán）遞與溝通，易於實現各（gè）種複雜的綜合自動化功能（néng）。
3、容錯（cuò）能力強現場（chǎng）總線通過使用檢錯、自校驗、監督定時、屏蔽邏輯等故障檢測方法，大大提（tí）高了係統的容錯能力。
4、提高了係統的抗幹擾能（néng）力和測控精度現（xiàn）場智能設備（bèi）可以就近處理信號並（bìng）采用數字通信（xìn）方式與（yǔ）主控係統交換信息，不（bú）僅具有（yǒu）較強的抗幹擾能力，而且其精度和可靠性也得到了很大的提高。
現場總線的這些特點（diǎn），不僅保證了它完全可以適應目前工業界對數（shù）字通信和傳統控製的要求，而且使它具有不（bú）同層次的複雜控製與（yǔ）先進控（kòng）製、優化控製功能成為可能。
四、現（xiàn）場總線（xiàn）控製（zhì）係統（FCS）
隨著（zhe）複雜過程工業的不斷發展，工業（yè）過（guò）程控製對大量現場信號的采集、傳遞和數據轉換以及對精度、可靠性、管控一（yī）體化都提出了更（gèng）新（xīn）、更高的要求。現有的DCS已不（bú）能（néng）滿足這（zhè）些要求；況且現有的（de）DCS具有諸如控製不能徹底分散、故障相（xiàng）對集中（zhōng）、係統不徹底開放（fàng）、成本較高等缺點。於是通過數字通信技術、傳感器技術（shù）和微處理器技術的（de）融合，把傳統（tǒng）的數字信號和（hé）模擬信號的（de）混合係統變成全數字信號係統，從而產（chǎn）生了新一代的控（kòng）製係統FCS。
1、智能傳感器（qì）和現（xiàn）場（chǎng）總線（xiàn）是組成FCS的（de）兩個重要部分
FCS用現場總線在控製現場建立一條高可靠性的數據通信線路，實現各（gè）智能傳（chuán）感器之間及智能傳感器與主控機之（zhī）間的數據通信，把單個分散的智能（néng）傳感器變成網絡節點。智能傳感器中的數據處理有助於減輕主控站的工作負擔，使大量信息處理就（jiù）地化，減少了現（xiàn）場儀表與主控站之間的信息往返（fǎn），降低了對網絡（luò）數據通信容量的（de）要求。經過智（zhì）能傳感器預處理的數據通過現（xiàn）場總線（xiàn）匯集到主（zhǔ）機（jī）上，進（jìn）行更高級的處（chù）理(主要是係統組態、優化、管理（lǐ）、診斷（duàn）、容錯（cuò）等)，使係統由麵到點（diǎn），再由點到麵，對被控對象進行分析判斷，提高了係統的可靠性（xìng）和（hé）容偌能力。這樣FCS把各個智能傳感器連接成了可以互相溝通信息，共同完成控製任務的網絡（luò）係統與控（kòng）製係統，能更好地體現DCS中的"信（xìn）息集中，控製分散"的功能，提高（gāo）了信（xìn）號傳輸的準確性、實時性和快速性。
以現場（chǎng）總（zǒng）線技術為基礎，以（yǐ）微處理器為（wéi）核心，以數字化（huà）通信為傳輸方式的現場總線智能傳感器與一般智能傳感器相比，需有以下功能：
共（gòng）用（yòng）一條總（zǒng）線傳（chuán）遞信息，具有多種計算、數據處理及控製功能，從而減少主機的負擔。取代4-20mA模擬信（xìn）號傳輸，實（shí）現傳（chuán）輸信號的（de）數字化，增強信號的抗幹擾能力。采用統一的網絡化協議，成為FCS的節點，實現傳（chuán）感器（qì）與執行器之間信息交換。係統（tǒng）可對之進行校驗（yàn）、組態、測試，從（cóng）而改善係統的可靠性。接口標準化（huà），具有"即插即用"特性。
現場總線智能傳感器（qì）是未來工業（yè）過程控製係統的主（zhǔ）流儀表，它與現場總線組成FCS的兩個重要部分，將對（duì）傳統的（de）控製係統（tǒng）結構和（hé）方法（fǎ）帶來革命性（xìng）的變（biàn）化。但現場總線國際標準的製定（dìng）卻進展緩（huǎn）慢，現場總線標準不統一（yī）影響了現場總線智能傳感器的應用。
從世界範圍看，已流行的幾種現場總線都有各自的優點（diǎn）、各具特色（sè），難以統一到某一種現（xiàn）場總線標準上（shàng），其原因是多（duō）方麵的（de）。首先是技術的原因，現有各種現場總線都具有各自的協議規範和行業標準，要統一存在許多技術難題。其次是商業利益，各現場總線與其背後的開發公司息息相關，各企業為今後占有（yǒu）更多的市場份（fèn）額，都希望在現場（chǎng）總線的國際標準中采用自己的技術。再次是組（zǔ）織上的原因，現場總線的標準化必須有一個統一的（de）國際性組織來完成。然而，多（duō）年來，用（yòng）戶迫切需要現（xiàn）場總線有（yǒu）一個統一的國際標準（zhǔn），以實現現場設備的互操作性和互換性。在這種情況下，產生了（le）FF(Foundation Fieldbus--基金會現場總線)，FF的宗旨就是開發一種統一的現場總線標準，並推動現場（chǎng）總（zǒng）線的應用。目前，FF包括（kuò）了世界上95%的儀表及控製（zhì）係統製造商，已製定了低速H1標準(31．25kb/s)，高速H2標準正在製（zhì）定中。現場（chǎng）總線（xiàn）統一標準（zhǔn）曲最終製定必將全麵推進FCS的應用，使用（yòng）戶在實（shí）現控製策賂和係統開發方麵發生巨大的變化。
2、FCS對DCS的影響
傳統的DCS係統由各種工作站通過局域網絡（luò）連接而成（chéng），操作站和信息管理站完成係統的組態、監控和運行管（guǎn）理，現場測控站則完成（chéng）生產過程信息的采集和（hé）控（kòng）製。DCS的主要問題是開放性差，分散不夠，需要用大量的電纜傳遞信號。FCS則突破了DCS係統中通信由專（zhuān）用網絡的封閉係統來實現（xiàn）所造成的缺陷，把基於封閉、專用的（de）解決方案變（biàn）成了基於開放（fàng）、通用標準化的（de）解決方案，把（bǎ）集散（sàn）係統（tǒng）結構變成了新型全分布式結構，把DCS控製站中基本且可獨立的功能塊徹底下放到現場智能儀表中去，從而構成虛擬控製站，更好地體現了DCS思想的精華。
實際（jì）上，工業過程控（kòng）製的發展大體（tǐ）分氣動儀表控製-電動儀表控製-計算機集中控製-DCS幾個階段，電動儀表控製以電（diàn）2型表為主（zhǔ），基本上是簡單閉環控製，其最（zuì）大特點是危險性完全分散在各單回路上，最大弱點是難於實現複雜控製、先進控製及優化控製。為此，60年代出（chū）現計算機（jī）集（jí）中控製，結果可以實現（xiàn）複雜控製、先進控製及優（yōu）化控製，然而危（wēi）險性集中未能繼承電Ⅲ型係統的（de）危險性（xìng）完全分（fèn）散的特點；從而70年代出現DCS係統，綜合前兩（liǎng）種優點，即實現複雜（zá）等控製，又把危險性分（fèn）散在各控製器上，但還不能徹底分散，且不能完全開放。80年代（dài）韌提出即能繼承DCS全（quán）部（bù）功能，並使係統完全開放，又能實現危險性徹底分散（sàn）在各回路中去(與電皿型係統一樣)的係統--FCS．由於FCS具有明顯（xiǎn）優於DCS的特點，FCS必（bì）將代替DCS。
然而在目前，在我國絕大部分過程（chéng）工業都以DCS作為主流控（kòng）製係統（tǒng），電皿型儀表（biǎo）作為主導儀表；加上因認識上的原（yuán）因和現場總（zǒng）線智能儀（yí）表尚為非主（zhǔ）導（dǎo）產品（pǐn），暫不能大量普及FCS。單從利用現有資源角度（dù），DCS係統的消失或完全被取代，短期內也（yě）是不合理的，應立足於現有DCS，充分（fèn）挖掘現有設備的潛力(如可以在DCS與FCS之間安裝網關，以（yǐ）實（shí）現信息的（de）傳遞)，使即有投資又（yòu）不至於浪費。另外，DCS是一個不斷發展的控製（zhì）係統，它必然采用現場總線技術對（duì）自身（shēn）進行改造，使DCS能與現場總線智能傳感器(智能儀表（biǎo）)和局部（bù）FCS連接起來。目前一段時期所有這些情況造成FCS與（yǔ）DCS共存的局麵。據估計，用10年左右的時間才能真正過渡（dù）到FCS的主導地位（wèi）。
五、現場總線企業網
現場總（zǒng）線作為今後控製係統的發展方向，以其所具（jù）有的開放性，網絡化等優點，使它與Intrenet的結合成為可能。企業（yè）內部網絡係統Intranet-Interconnect Networks)就是二者結合（hé）的（de）產物。Intranet作為Internet技術在企業內部的應用，為企（qǐ）業內（nèi）部管理和信息交（jiāo）流提供（gòng）了一個完善的技術方案，它已成為連接企業內部各部門（mén）交流信（xìn）息的重要設施。伴隨著Intranet的逐漸深入企業（yè），未來的企業（yè）信息管理模式將是一種分布式的基於現場總線控製網絡的管理模式。Intranet出現後，各企業相互（hù）共享信息的Extranet(企業外連網)也（yě）應運而（ér）生。這樣從單一的（de）生產過程到（dào）全企業（yè）各個生產過程的統（tǒng）一管理控製，再到與企（qǐ）業有關的外部信息的共享，網絡技術被大大地拓展（zhǎn）了。
因（yīn）為Intranet采用的是Internet技術（shù），有很好的開放性，支持多種網絡協議和標準，因此在（zài）組建Intranet時完全可以（yǐ）在（zài）企（qǐ）業現有的網絡環境下實現。由現（xiàn）場總線技術與Intranet結合構成（chéng）的分布式網絡控製係統（tǒng）將高度分散的工業現場前端的（de）智能型傳感器（qì）、變送器（qì）、執行器等智能儀表通過現場總線網絡（luò）連接到控製機或管理機構（gòu）成局（jú）域網（wǎng）絡控製係（xì）統。這（zhè）種（zhǒng）分布式的局域網絡係統，可節省大量（liàng）的傳（chuán）輸線（xiàn），增強整個係統的可擴充性，具有較（jiào）長的傳輸距離和較強的抗（kàng）幹擾能力，可實（shí）現無上（shàng）位機的全分布式（shì）無主工作，為工業控製和企業管理（lǐ）決策帶（dài）來了一種全新的解決方案（àn）。同時，將現場（chǎng）總線技術和Intranet技術的結合（hé），也大大促進了控製技術的發展和（hé）加快了信息時代的（de）步伐。
使用現（xiàn）場總線企業網，給企業（yè）的管理與控（kòng）製帶來了很多好處：首（shǒu）先，通過企業網，加強了企業（yè）內部及內（nèi）部與外部之間的信息（xī）共享，提高了資源的利用率。其次，將企業（yè）的有關信息（xī）發（fā）布在Intranet上，用電子文件代替書麵文（wén）件，節省了（le）人力，提高（gāo）了工作效率。再次，Intranet采（cǎi）用Internet的技術，使開發工具易於得到，軟（ruǎn）件的開發周期短，而且可以直接利用Intrenet的一些優秀（xiù）的軟件，節省了開發費用。最（zuì）後，使用現場總線企業網能夠（gòu）更容易（yì）地實現工業過程管（guǎn）理決策與控製的一體化--CIPS(計算機集成過程係統)。

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