现场总线技术及其应用的研究与发展

网络连接使得系统结构简化，提高了系统模块化和标准化的程度，打破了空间的限制。随着计算机和网络技术的飞速发展，控制系统经历了从组合式模拟控制系统、集中式数字控制系统、集散式控制系统三个阶段，发展到当前现场总线控制和开放嵌入式网络化控制系统阶段。网络控制系统的思想就是共享通信网络传输系统中不同设备之间的数据信息与控制信息。实现先进的控制关键是如何根据系统的复杂性、结构、参数的不确定性、环境干扰因素，把控制理论中提出的各种先进控制方法予以在线实施，采用信息传输、系统分解、网络连接等有效形式和手段，构成分布式的集成控制系统。

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的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。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、网络控制、优化及控管一体化的综合自动化功能，这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。该技术将位于生产现场具有信号输入、输出、运算、控制和通信功能的数字通信仪表或设备，通过双绞线连接成网络，采用标准的通信协议，使位于生产现场的设备与设备之间，以及设备与控制站之间实现数据交换与信息共享。目前已开发40 多种现场总线，其中最具影响力的有PROFIBUS 总线、FF 总线、CAN 总线、LonWorks 总线等。

与传统的集散控制系统（DCS，Distributed Control System）相比， 现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System）主要具有以下特点及优势：

1.彻底的分散性结构：和传统DCS 相比，FCS 采用彻底的分散性结构，将系统中处于控制室的控制站功能化整为零，控制模块和各种输入输出模块分散到各现场设备，分散在生产现场的设备本身就可完成传感测量、计算处理、控制调节、自校验、自诊断等功能，在现场总线上构成分散的控制回路，可以灵活组态，易于系统的扩建和维护。

2.系统采用全数字式通信：传统的DCS 采用4～20mA 模拟信号，传输精度低、抗干扰性差；而采用多变量、多点、多站的数字信号传输，可以通过网络远程访问所有的现场设备，不离开工作站就能了解设备的工作状态，设定新的量程，对设备进行及时的诊断，且实现传输信号的检错和纠错，提高了传输的精度和抗干扰性。

3.系统开放与良好的通用性：由于采用开放的国际标准，并且严格遵守通信协议标准，使得设备与设备间、控制站与设备间能够实现点对点或点对多点的数据通信。在进行系统集成或扩建维护时，用户可以自主选用不同厂商的性能类似的产品，实现同一系统中不同厂商同类产品之间的相互兼容及相互操作。

4.使用与维护更经济、便捷：由于采用的系统结构是有别于传统采用的一对一的多分支式结构，网络拓扑类型有总线型、树型等。设备在一对双绞线上实现多挂接的系统结构，极大节省了电缆、端子、线盒、桥架等的建设成本，且减少了设计工作量和安装周期。此外，现场设备或仪表都是具有测量计算、控制调节、自校验、自诊断功能的智能仪表，操作人员可以实时掌握现场设备的工作状态，能够第一时间发现并分析问题，及时排除故障，提高了系统维护的便捷性，有力地保证了生产活动的顺利进行。(www.xing528.com)

现场总线技术应用现状：

第一，就现场总线本身而言，目前市场上存在着多种不同的现场总线，如PROFIBUS、FF、HART、CAN、LonWorks等。各种现场总线在不同应用领域内，具有不同的设计要求和技术特点，使得不同总线在不同领域的应用显示出各自的优势，如PROFIBUS 适合于工厂自动化、流水线操作等，LonWorks 适用于楼宇以及电力自动化，CAN 适用于测控网络等。然而，在工业控制领域中用户需求具有多样性，为了满足不同控制要求往往需综合应用多种总线，以达到满意的生产控制效果。所以在当前及今后一段时间，一个控制系统中会出现多种不同的现场总线互连共存的现象。

第二，FCS 在目前及今后一段时间内还将与传统的DCS共存。DCS 经历了二三十年的理论研究与实际应用，目前已处于成熟的大规模应用阶段，众多企业都已将其作为最主要的控制手段；与其相比，FCS 虽然在诸多方面有其突出的技术优势，但目前仍处于应用研究阶段，可靠性、稳定性等方面还需广泛验证，离满足技术成熟并能大规模应用于生产实践的要求尚有一定距离。此外，将现已广泛应用的DCS 更新为FCS 必须投入大量的人力、物力，这首先需要将大量的采用模拟信号通信的现场仪表更新为采用数字信号通信具有测量、计算、控制、检错功能的智能仪表，不仅增加成本的投入，且对技术改造期间的正常生产活动造成不利影响；另外，采用不同通信协议的多种现场总线在一个控制系统中共存，技术开发难度大，系统维护困难，与之相应的技术人才目前也较缺乏。这些实际因素都将导致FCS 不能短期内完全取代DCS，需要经历一个FCS 与DCS 并存的过渡阶段。

第三，工业控制领域需要一种高速廉价的网络，引入以太网是现场总线技术发展的一个趋势。现场级网络引入以太网不仅使现场层、控制层和管理层在垂直层面方便集成，更能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本。工业以太网直接应用于工业现场设备控制，凭借其自身具备的优势必将产生巨大的效益，并给工业控制技术带来深远的影响。

综上所述，现场总线控制技术凭借其自身的诸多优势已引起工业控制领域的广泛关注，并成为该领域的热点研究课题，具有巨大的发展潜力。因此，研究现场总线的核心技术及其相关应用，将给工业控制水平带来深远的影响，并对全面提升国际竞争力有着重要意义。在众多的总线标准中，PROFIBUS 现场总线在过程控制领域占据着主要地位，并有着广阔的发展前景，因此，深入研究了基于PROFIBUS 现场总线技术的注射成形机的网络控制系统，构建了基于PROFIBUS总线的主从结构控制系统的平台。