现场总线在分布式计算机控制系统中的应用

随着现场总线在工业现场逐渐推广，现在不少设备不但具有传统仪表的功能，而且具有现场总线的功能。理论上，现场总线仪表和执行器可以组成一个完整的控制系统，也就是人们常说的现场总线控制系统（FCS）。但FCS 目前只能在一些特定的系统和环境下使用，绝大部分的控制系统仍然使用DCS，只不过在将现场总线仪表引入DCS 后，使DCS的功能大幅度提升了。在DCS 中，现场总线被广泛应用，主要用途有以下三种。

1.作为连接现场总线式的变送器和执行器使用

目前的现场总线种类众多，作为DCS 厂家，需要面对的产品是无法预测的，大多数DCS 厂家都生产各种现场总线通信模块，包括主流的现场总线和网络，通过这些通信模块来实现与仪表和执行器的通信，现场总线仅起到接入数据链路的作用。与传统模拟仪表不同，采用数字链路的现场总线仪表除了能够直接提供数字化的测量值和直接接收数字控制命令外，还可以提供现场设备的各种信息（并不局限于仪表本身），如设备参数运行状态、异常报警、诊断信息等，这就为DCS 提供了充分的信息以实现资产管理功能，从而进一步提高生产装备的管理水平，降低成本和能耗。通过数字链路，DCS 还可以在线完成对仪表的设定、整定、校准等工作。

2.作为DCS 的远程I/O 单元通信总线

例如，Siemens 公司的PCS7 连接AS 控制单元和ET200 远程I/O 单元就采用了PROFIBUS-DP，这种应用替代了以往的专用通信总线，实现开放的系统结构，在接入本公司生产的远程模块的同时，也可以接入其他厂家的符合开放现场总线的设备。这种应用实际上是DCS 与现场总线控制系统（FCS）融合的一种解决方案。FCS 实质上应该基于本地分散控制，在大多数情况下，就地控制器只执行上下数据交换的任务，而不完成控制运算，控制运算功能在智能仪表和执行器中实现。

3.将现场总线用于DCS 内部总线使用

在早期的DCS 中，模块之间的内部总线一般采用并行总线，并行总线的优点在于控制简单、通信开销小，在较低总线频率下，可以达到很高的通信吞吐率，但是并行总线的成本较高，且带电插拔实现比较困难、故障率高。随着现场总线的成熟串行通信的速率和可靠性均得到提高，不少DCS 厂家在模块之间的通信采用现场总线。例如，Allen-Bradley公司的PLC 采用ControlNet 作为主控制器和I/O 模块之间的一种通信手段，作为并行总线或同步串行总线的补充。

4.现场总线的使用注意事项

1）通信距离

现场总线的通信距离一般有一定的要求。例如，PROFIBUS-DP 在12 Mbps 速率时，采用标准电缆，可以达到200 m，如果采用187.5 kbps 速率，可以达到1000 m。通信距离有两层含义： 其一，两个结点之间不通过中继器就能实现的距离，通常距离和通信速率成反比；其二，整个网络最远的两个结点之间的距离。在厂家的介绍材料中往往对于此类的描述不够清楚，在实际使用中必须考虑整个网络的范围，电磁波信号在电缆中传递是需要时间的，特别是在一些高速的现场总线中，如果增大距离，就必须对一些通信参数进行修改。一些采用对等通信、碰撞检测的总线协议会规定最大通信距离。例如，如果采用100 Mbps以太网，那么采用共享介质的区域（也就是CSMA/CD 的冲突域）的最大通信距离就不能大于205 m。

2）线缆选择(www.xing528.com)

现场的环境决定现场总线的通信速度和通信介质。一般而言，现场总线采用电信号传递数据，在传输过程中会不可避免地受到周围电磁环境的影响，因此大多数现场总线采用屏蔽双绞线。必须注意的是，不同种类现场总线要求的屏蔽双绞线可能有所不同。现场总线的开发者一般规定一种指定的线缆，在正确使用这种线缆的条件下才能实现规定的速率和传输距离。在电磁条件极度恶劣的条件下，光缆是合理的选择，否则局部的干扰可能影响整个现场总线网络的工作。

3）隔离

一般来说，现场总线的电信号与设备内部是电气隔离的，现场总线电缆分布在车间的各个角落，且发生高电压串入就会造成整个网段所有设备的总线收发器损坏，如果不加以隔离，高电压信号会继续将设备内部的其他电路损坏，导致严重的后果。

4）屏蔽

现场总线采用的屏蔽电缆的外层必须在一点良好接地，如果高频干扰严重，则可以采用多点电容接地，但不允许多点直接接地，以免产生地回路电流。

5）连接器

现场总线一般没有对连接器做严格的规定，但是如果处理不当，就会影响整个系统通信。例如，现场总线一般采用总线式菊花链连接方式，在连接设备时，必须注意如何在不影响现有通信的前提下实现设备的插入和摘除，这对连接器就有一定的要求。

6）终端匹配

现场总线信号和所有电磁波信号一样具有反射现象，在总线每个网段的两个终端都应该采用电阻匹配，一个作用是可以吸收反射，另一个作用是在总线的两端实现正确的电平，以保证通信。