现场总线控制系统概述

基于现场总线的控制系统（FCS)是在传统计算机控制系统基础上发展起来的一种新型网络。本节重点讨论现场总线控制系统的基本组成和典型的FCS、实例。

一、现场总线控制系统组成

作为工厂底层控制网络的FCS，其重要特点是在现场层，即可构成基本控制系统。现场仪表不仅能传输测量、控制信号，而且能将设备标识、运行状态、故障诊断等重要信息传至监控、管理层以实现管控一体化的综合自动化功能。

现场总线控制系统包括现场智能仪表、监控计算机、网络通信设备和电缆，以及网络管理、通信软件和监控组态软件。图7-31所示为FCS硬件的基本构成。

1.现场智能仪表 现场仪表作为现场控制网络的智能节点，应具有测量、计算、控制通 信等功能。用于过程自动化的这类仪 表通常有智能变送器、智能执行器和 可编程控制仪表等。

(1)智能变送器近年来，国际上著名的仪表厂商相继推出了一系列的智能变送器，有压力、差压、流量、物位、 温度变送器等。它们具有测量精度高、性能稳定等特点，能实现零点与增益校正和非线性补偿等功能。仪表中嵌有现场控制系统所需的各两项：实现多种控制策略。不少变送器还具有多种总线通信协议（HART、PROFIBUS-DPPA、FF等），可供用户选用。

1. 智能执行器

智能执行器，主要指智能阀门定位器或阀门控制器，将阀门定位器装配在执行机构上，即成为现场执行器。它具有多种功能模块，与现场变送器组合使用，能实现基本的测量控制功能。阀门定位器还可接收模拟、数字混合信号或符合现场总线通信协议的全数字信号。

2. 可编程类控制仪表

这类控制仪表均具有通信功能，近几年推出的符合IEC 61158标准协议的PLC,能方便地连上流行的现场总线，与其他现场仪表实现互操作，并可与上位监控计算机进行数据通信。

2.监控计算机

现场总线控制系统需要一台或多台监控用计算机，以满足现场智能仪表（节点）的登录、 组态、诊断、运行和操作的要求。通过应用程序的人机界面，操作人员可监控生产过程的正常运行。

监控计算机通常使用工业PC,这类计算机结构紧凑、坚固耐用、工作可靠，抗干扰性能好，它可以直接安装在控制框内或显示操作台上，能满足工业控制的基本要求。

3. 网络通信设备

通信设备是现场总线之间及总线与节点之间的连接桥梁。现场总线与监控计算机之间一般用通信控制器或通信接口卡（网卡）连接，它可连接多个智能节点（包括现场仪表和计算机）或多条通信链路。这样，一台带有通信接口卡的PC机及若干现场仪表与通信电缆，就构成了最基本的FCS硬件系统。

为了扩展网络系统，通常采用网间互联设备来连接同类或不同类型的网络，如中继器 (repeater)、网桥（bridge)、路由器（router)、网关 gateway)等。

中继器是物理层的连接器，起简单的信号放大写于延长电缆或光缆的传输距离。 集线器（HUB)是一种特殊的中继器，它作为转接设备和各个网段连接起来。智能集线器还具有网络管理和选择网络路径的功能，已—泛空写于局域网。

网桥是在数据链路层将信息桢进行存储转发，用来连接釆用不同数据链路层协议、不同传输速率的子网或网段。

路由器是在网络层对信息帧进行存储转发，具有更强的路径选择和隔离能力，用于异种子网之间的数据传输。

网关是用在传输层及传输层以上转换的协议变换器,用以实现不同通信协议的网络之间，包括使用不同网络操作系统的网络之间的互联。

4. 监控系统软件

监控系统软件包括操作系统、网络管理、通信和组态软件。操作系统Window NT、Window CE等。以下进队网络管理软件、通信软件和组态软件作简单说明。

(1) 网络管理软件

网络管理软件的作用是实现网络各节点的安装、删除、测试、诊断，以及对网络数据库 的创建、维护等功能。

(2) 通信软件

通信软件的功能是实现计算机监控界面与现场仪表之间的信息交换，通常使用动态数据交换技术DDE (Dynamic Data Exchange)或过程控制中的对象链接嵌入技术OPC (OLE for Process Control)技术来完成数据通信任务。

DDE在Window中采用的是程序间通信方式，该方法基于消息机制，可用于控制系统的多数据实时通信 其缺点是，当通信数据量大时效率较低。近年来微软公司已经停止发展 DDE技术，但仍对DDE技术给予兼容和支持。目前的大多数监控软件仍支持DDE。

OPC建立于OLE (对象链接与嵌入）规范之上，它为工业控制领域提供了一种标准的数据访问机制，使监控软件能高效、稳定地对硬件设备进行数据存取操作，系统应用软件之间也可灵活地进行信息交换

OPC以组件对象模型和分布式组件对象模型（COM/DCOM)为基础，采用客户/服务器 (Client/Server)模式，为硬件厂商和应用软件开发者提供了一套标准的接口和规范，并定义了客户程序和服务器程序进行数据交换的方法。只要遵循这套规范和方法，硬件供应商就无需考虑应用程序的多种需求和传输协议 软件开发商也就无需了解硬件的实质内容和操作过程。因此，硬件厂商只需提供一套符合OPC规范的程序组件，所有的OPC客户都可以使用这些组件；而软件公司也只要开发一套OPC接口就可以对不同的设备进行存取操作，这就是软硬件厂商可以专注于各自的核心部分，其工作效率大大提高。

(3)组态软件

组态软件作为用户应用程序的开发工具，具有实时多任务、接口开放、功能多样、组态 方便、运行可靠的特点。

组态软件一般都提供能生成图形、画面、实时数据库的组态工具，简单实用的编程语言 (脚本程序) 不同功能的控制组件，以及多种I/O设备的驱动程序，使用户能方便地设计人机界面，形象动态地显示系统运行工况。

由组态软件开发的应用程序可完成数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示与人机对话、报警与事件处理、实时数据存储、查询、报表生成与打印、实时通信以及安全管理等任务。

PC硬件和软件技术的发展为组态软件的开发和使用奠定了良好的基础，而现场总线技术的成熟进一步促进了组态软件的应用。工控系统中常用的组态软件有WINCC、iFix、Intouch、力控、组态王、MCGS等 它们都具有OPC开放接口。