智能传感器、现场总线与FCS解析

实际上现场总线控制系统就是以现场总线技术为核心，以基于现场总线的智能I/O或智能传感器、智能仪表为控制主体、以计算机为监控指挥中心的系统编程、组态、维护、监控等功能为一体的工作平台。

一、引言

以现场总线为基础的全数字控制系统将现有的模拟信号电缆用高容量的现场总线网络代替，从而大大减轻现场信号电缆连接的费用和工作量，提高信号的传输效率。实际上现场总线控制系统就是以现场总线技术为核心，以基于现场总线的智能I/O或智能传感器、智能仪表为控制主体、以计算机为监控指挥中心的系统编程、组态、维护、监控等功能为一体的工作平台。

二、智能传感器的性能特点

一般的传感器只能作为敏感元件，须配上变换仪表来检测物理量、化学量等的变化。随着微电子技术的发展，出现了智能仪表。智能仪表采用超大规模集成电路，利用嵌入软件协调内部操作，在完成输入信号的非线性补偿、零点错误、温度补偿、故障诊断等基础上，还可完成对工业过程的控制，使控制系统的功能进一步分散。智能传感器集成了传感器、智能仪表全部功能及部分控制功能，具有很高的线性度和低的温度漂移，降低了系统的复杂性、简化了系统结构。特点如下：

1、一定程度的人工智能是硬件与软件的结合体，可实现学习功能，更能体现仪表在控制系统中的作用。可以根据不同的测量要求，选择合适的方案，并能对信息进行综合处理，对系统状态进行预测。

2、多敏感功能将原来分散的、各自独立的单敏传感器集成为具有多敏感功能的传感器，能同时测量多种物理量和化学量，全面反映被测量的综合信息。

3、精度高、测量范围宽随时检测出被测量的变化对检测元件特性的影响，并完成各种运算，其输出信号更为精确，同时其量程比可达100：1，最高达400：1，可用一个智能传感器应付很宽的测量范围，特别适用于要求量程比大的控制场合。

4、通信功能可采用标准化总线接口，进行信息交换，这是智能传感器的关键标志之一。

智能传感器的出现将复杂信号由集中型处理变成分散型处理，即可以保证数据处理的质量，提高抗干扰性能。同时又降低系统的成本。它使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多变量检测发展，使传感器由被动进行信号转换向主动控制和主动进行信息处理方向发展，并使传感器由孤立的元件向系统化、网络化发展。

三、现场总线的体系结构与特点

根据IEC/ISA定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支的通信网络。它是用于过程自动化最底层的现场设备以及现场仪表的互连网络，是现场通信网络和控制系统的集成。现场总线将当今网络通信与管理的概念带入控制领域，代表了今后自动化控制体系结构发展的一种方向。

现场总线是以ISO的OSI模型为基本框架的，并根据实际需要进行简化了的体系结构系统，它一般主要包括物理层、数据链路层、应用层、用户层。

物理层向上连接数据链路层，向下连接介质。物理层规定了传输介质（双绞线、无线和光纤）、传输速率、传输距离、信号类型等。在发送期间，物理层编码并调制来自数据链路层的数据流。在接收期间，它用来自媒介的合适的控制信息将收到的数据信息解调和解码并送给链路层；数据链路层负责执行总线通信规则，处理差错检测、仲裁、调度等。应用层为最终用户的应用提供一个简单接口，它定义了如何读、写、解释和执行一条信息或命令。用户层实际上是一些数据或信息查询的应用软件，它规定了标准的功能块、对象字典和设备描述等一些应用程序，给用户一个直观简单的使用界面。

现场总线除具有一对N结构、互换性、互操作性、控制功能分散、互连网络、维护方便等优点外，还具有如下特点：

1、网络体系结构简单其结构模型一般仅有4层，这种简化的体系结构具有设计灵活，执行直观，价格低廉，性能良好等优点，同时还保证了通信的速度。

2、综合自动化功能把现场智能设备分别作为一个网络节点，通过现场总线来实现各节点之间、节点与管理层之间的信息传递与沟通，易于实现各种复杂的综合自动化功能。

3、容错能力强现场总线通过使用检错、自校验、监督定时、屏蔽逻辑等故障检测方法，大大提高了系统的容错能力。

4、提高了系统的抗干扰能力和测控精度现场智能设备可以就近处理信号并采用数字通信方式与主控系统交换信息，不仅具有较强的抗干扰能力，而且其精度和可靠性也得到了很大的提高。

现场总线的这些特点，不仅保证了它完全可以适应目前工业界对数字通信和传统控制的要求，而且使它具有不同层次的复杂控制与先进控制、优化控制功能成为可能。

四、现场总线控制系统（FCS）

随着复杂过程工业的不断发展，工业过程控制对大量现场信号的采集、传递和数据转换以及对精度、可靠性、管控一体化都提出了更新、更高的要求。现有的DCS 已不能满足这些要求；况且现有的DCS具有诸如控制不能彻底分散、故障相对集中、系统不彻底开放、成本较高等缺点。于是通过数字通信技术、传感器技术和微处理器技术的融合，把传统的数字信号和模拟信号的混合系统变成全数字信号系统，从而产生了新一代的控制系统FCS。

1、智能传感器和现场总线是组成FCS的两个重要部分

FCS用现场总线在控制现场建立一条高可靠性的数据通信线路，实现各智能传感器之间及智能传感器与主控机之间的数据通信，把单个分散的智能传感器变成网络节点。智能传感器中的数据处理有助于减轻主控站的工作负担，使大量信息处理就地化，减少了现场仪表与主控站之间的信息往返，降低了对网络数据通信容量的要求。经过智能传感器预处理的数据通过现场总线汇集到主机上，进行更高级的处理（主要是系统组态、优化、管理、诊断、容错等），使系统由面到点，再由点到面，对被控对象进行分析判断，提高了系统的可靠性和容偌能力。这样FCS把各个智能传感器连接成了可以互相沟通信息，共同完成控制任务的网络系统与控制系统，能更好地体现DCS中的"信息集中，控制分散"的功能，提高了信号传输的准确性、实时性和快速性。

以现场总线技术为基础，以微处理器为核心，以数字化通信为传输方式的现场总线智能传感器与一般智能传感器相比，需有以下功能：

共用一条总线传递信息，具有多种计算、数据处理及控制功能，从而减少主机的负担。取代4-20mA模拟信号传输，实现传输信号的数字化，增强信号的抗干扰能力。采用统一的网络化协议，成为FCS的节点，实现传感器与执行器之间信息交换。系统可对之进行校验、组态、测试，从而改善系统的可靠性。接口标准化，具有"即插即用"特性。

现场总线智能传感器是未来工业过程控制系统的主流仪表，它与现场总线组成FCS的两个重要部分，将对传统的控制系统结构和方法带来革命性的变化。但现场总线国际标准的制定却进展缓慢，现场总线标准不统一影响了现场总线智能传感器的应用。

从世界范围看，已流行的几种现场总线都有各自的优点、各具特色，难以统一到某一种现场总线标准上，其原因是多方面的。首先是技术的原因，现有各种现场总线都具有各自的协议规范和行业标准，要统一存在许多技术难题。其次是商业利益，各现场总线与其背后的开发公司息息相关，各企业为今后占有更多的市场份额，都希望在现场总线的国际标准中采用自己的技术。再次是组织上的原因，现场总线的标准化必须有一个统一的国际性组织来完成。然而，多年来，用户迫切需要现场总线有一个统一的国际标准，以实现现场设备的互操作性和互换性。在这种情况下，产生了FF（Foundation Fieldbus——基金会现场总线），FF的宗旨就是开发一种统一的现场总线标准，并推动现场总线的应用。目前，FF包括了世界上95%的仪表及控制系统制造商，已制定了低速H1标准（31．25kb/s），高速H2标准正在制定中。现场总线统一标准曲最终制定必将全面推进FCS的应用，使用户在实现控制策赂和系统开发方面发生巨大的变化。

2、FCS对DCS的影响

传统的DCS系统由各种工作站通过局域网络连接而成，操作站和信息管理站完成系统的组态、监控和运行管理，现场测控站则完成生产过程信息的采集和控制。 DCS的主要问题是开放性差，分散不够，需要用大量的电缆传递信号。FCS则突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于开放、通用标准化的解决方案，把集散系统结构变成了新型全分布式结构，把DCS控制站中基本且可独立的功能块彻底下放到现场智能仪表中去，从而构成虚拟控制站，更好地体现了DCS思想的精华。

实际上，工业过程控制的发展大体分气动仪表控制-电动仪表控制-计算机集中控制-DCS几个阶段，电动仪表控制以电2型表为主，基本上是简单闭环控制，其最大特点是危险性完全分散在各单回路上，最大弱点是难于实现复杂控制、先进控制及优化控制。为此，60年代出现计算机集中控制，结果可以实现复杂控制、先进控制及优化控制，然而危险性集中未能继承电Ⅲ型系统的危险性完全分散的特点；从而70年代出现DCS系统，综合前两种优点，即实现复杂等控制，又把危险性分散在各控制器上，但还不能彻底分散，且不能完全开放。80年代韧提出即能继承DCS全部功能，并使系统完全开放，又能实现危险性彻底分散在各回路中去（与电皿型系统一样）的系统——FCS．由于FCS具有明显优于DCS的特点，FCS必将代替DCS。

然而在目前，在我国绝大部分过程工业都以DCS作为主流控制系统，电皿型仪表作为主导仪表；加上因认识上的原因和现场总线智能仪表尚为非主导产品，暂不能大量普及FCS。单从利用现有资源角度，DCS系统的消失或完全被取代，短期内也是不合理的，应立足于现有DCS，充分挖掘现有设备的潜力（如可以在 DCS与FCS之间安装网关，以实现信息的传递），使即有投资又不至于浪费。另外，DCS是一个不断发展的控制系统，它必然采用现场总线技术对自身进行改造，使DCS能与现场总线智能传感器（智能仪表）和局部FCS连接起来。目前一段时期所有这些情况造成FCS与DCS共存的局面。据估计，用10年左右的时间才能真正过渡到FCS的主导地位。

五、现场总线企业网

现场总线作为今后控制系统的发展方向，以其所具有的开放性，网络化等优点，使它与Intrenet的结合成为可能。企业内部网络系统Intranet- Interconnect Networks）就是二者结合的产物。Intranet作为Internet技术在企业内部的应用，为企业内部管理和信息交流提供了一个完善的技术方案，它已成为连接企业内部各部门交流信息的重要设施。伴随着Intranet的逐渐深入企业，未来的企业信息管理模式将是一种分布式的基于现场总线控制网络的管理模式。Intranet出现后，各企业相互共享信息的Extranet（企业外连网）也应运而生。这样从单一的生产过程到全企业各个生产过程的统一管理控制，再到与企业有关的外部信息的共享，网络技术被大大地拓展了。

因为Intranet采用的是Internet技术，有很好的开放性，支持多种网络协议和标准，因此在组建Intranet时完全可以在企业现有的网络环境下实现。由现场总线技术与Intranet结合构成的分布式网络控制系统将高度分散的工业现场前端的智能型传感器、变送器、执行器等智能仪表通过现场总线网络连接到控制机或管理机构成局域网络控制系统。这种分布式的局域网络系统，可节省大量的传输线，增强整个系统的可扩充性，具有较长的传输距离和较强的抗干扰能力，可实现无上位机的全分布式无主工作，为工业控制和企业管理决策带来了一种全新的解决方案。同时，将现场总线技术和Intranet技术的结合，也大大促进了控制技术的发展和加快了信息时代的步伐。

使用现场总线企业网，给企业的管理与控制带来了很多好处：首先，通过企业网，加强了企业内部及内部与外部之间的信息共享，提高了资源的利用率。其次，将企业的有关信息发布在Intranet上，用电子文件代替书面文件，节省了人力，提高了工作效率。再次，Intranet采用Internet的技术，使开发工具易于得到，软件的开发周期短，而且可以直接利用Intrenet的一些优秀的软件，节省了开发费用。最后，使用现场总线企业网能够更容易地实现工业过程管理决策与控制的一体化——CIPS（计算机集成过程系统）。

六、结束语

FCS的关键是现场总线技术与现场总线智能传感器（现场总线智能仪表）。随着电m型仪表改造为智能仪表，能构想出现场总线；随着数字通信技术的成熟，能出现现场总线，从而从DCS脱颖出FCS．可以说FCS是工业过程控制系统的第三次大革命，即模拟仪表分散控制（电皿型为代表）。集散控制系统（DCS）- 全开放、全分散、全集中控制系统（FCS）。国外从90年代中期开始陆续投用FCS；而在国内，从1998年开始有个别试用FCS，但尚不完善，尚不完整。目前正是步入FCS的实施阶段，它有利于CIPS真正开发实施，它是完全可靠、完全分散的开放系统，易于安装、投运、维护，节省投资和人力、物力。依据目前的发展趋势，今后10年内，FCS将代替DCS，并在工业过程控制系统中占主导地位。

当前在工业过程控制界面临的重要任务之一是：大力推广FCS及PF协议、基于PF协议的智能传感器（留能仪表）及现场总线技术，研究开发FCS集成软件乎台，推动基于PF的FCS的开发与应用。另外，如何实现FCS与Intranet的结合，建立基于现场总线的Internet体系，实现工业过程管控一体化（基于FCS的CIPS）也是今后研究的重要方向。