中心議題：

• 智能傳感器的性能特點
• 現場總線的體係結構與特點
• 現場總線控製係統（FCS）
• 現場總線企業網

實際上現場總線控製係統就是以現場總線技術為核心
，以基於現場總線的智能I/O或智能傳感器

、智能儀表為控製主體、以計算機為監控指揮中心的係統編程、組態、維護
、監控等功能為一體的工作平台。

一、引言

yixianchangzongxianweijichudequanshuzikongzhixitongjiangxianyoudemonixinhaodianlanyonggaorongliangdexianchangzongxianwangluodaiti，congerdadajianqingxianchangxinhaodianlanlianjiedefeiyonghegongzuoliang，tigaoxinhaodechuanshuxiaolv。shijishangxianchangzongxiankongzhixitongjiushiyixianchangzongxianjishuweihexin，yijiyuxianchangzongxiandezhinengI/O或智能傳感器、智能儀表為控製主體、以計算機為監控指揮中心的係統編程、組態、維護、監控等功能為一體的工作平台。

二、智能傳感器的性能特點

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(hua)學(xue)量(liang)等(deng)的(de)變(bian)化(hua)。隨(sui)著(zhe)微(wei)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)，出(chu)現(xian)了(le)智(zhi)能(neng)儀(yi)表(biao)。智(zhi)能(neng)儀(yi)表(biao)采(cai)用(yong)超(chao)大(da)規(gui)模(mo)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)，利(li)用(yong)嵌(qian)入(ru)軟(ruan)件(jian)協(xie)調(tiao)內(nei)部(bu)操(cao)作(zuo)
，在(zai)完(wan)成(cheng)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)的(de)非(fei)線(xian)性(xing)補(bu)償(chang)、零點錯誤


、溫度補償
、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
、智能儀表全部功能及部分控製功能

，具有很高的線性度和低的溫度漂移
，降低了係統的複雜性、簡化了係統結構。特點如下：

1
、一yi定ding程cheng度du的de人ren工gong智zhi能neng是shi硬ying件jian與yu軟ruan件jian的de結jie合he體ti，可ke實shi現xian學xue習xi功gong能neng，更geng能neng體ti現xian儀yi表biao在zai控kong製zhi係xi統tong中zhong的de作zuo用yong。可ke以yi根gen據ju不bu同tong的de測ce量liang要yao求qiu，選xuan擇ze合he適shi的de方fang案an，並bing能neng對dui信xin息xi進jin行xing綜zong合he處chu理li
，對dui係xi統tong狀zhuang態tai進jin行xing預yu測ce。

2、多敏感功能將原來分散的、各自獨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，全麵反映被測量的綜合信息。

3、精度高
、測量範圍寬隨時檢測出被測量的變化對檢測元件特性的影響


，並完成各種運算，其輸出信號更為精確，同時其量程比可達100：1，最高達 400：1，可用一個智能傳感器應付很寬的測量範圍，特別適用於要求量程比大的控製場合。

4
、通信功能可采用標準化總線接口，進行信息交換，這是智能傳感器的關鍵標誌之一。

zhinengchuanganqidechuxianjiangfuzaxinhaoyoujizhongxingchulibianchengfensanxingchuli
，jikeyibaozhengshujuchulidezhiliang，tigaokangganraoxingneng。tongshiyoujiangdixitongdechengben。tashichuanganqiyoudanyigongneng、單dan一yi檢jian測ce向xiang多duo功gong能neng和he多duo變bian量liang檢jian測ce發fa展zhan，使shi傳chuan感gan器qi由you被bei動dong進jin行xing信xin號hao轉zhuan換huan向xiang主zhu動dong控kong製zhi和he主zhu動dong進jin行xing信xin息xi處chu理li方fang向xiang發fa展zhan，並bing使shi傳chuan感gan器qi由you孤gu立li的de元yuan件jian向xiang係xi統tong化hua、網絡化發展。

三

、現場總線的體係結構與特點

根據IEC/ISA定義，現場總線是連接智能現場設備和自動化係統的數字式
、雙向傳輸
、多duo分fen支zhi的de通tong信xin網wang絡luo。它ta是shi用yong於yu過guo程cheng自zi動dong化hua最zui底di層ceng的de現xian場chang設she備bei以yi及ji現xian場chang儀yi表biao的de互hu連lian網wang絡luo

，是shi現xian場chang通tong信xin網wang絡luo和he控kong製zhi係xi統tong的de集ji成cheng。現xian場chang總zong線xian將jiang當dang今jin網wang絡luo通tong信xin與yu管guan理li的de概gai念nian帶dai入ru控kong製zhi領ling域yu，代dai表biao了le今jin後hou自zi動dong化hua控kong製zhi體ti係xi結jie構gou發fa展zhan的de一yi種zhong方fang向xiang。

現場總線是以ISO的OSI模型為基本框架的，並根據實際需要進行簡化了的體係結構係統
，它一般主要包括物理層
、數據鏈路層、應用層、用戶層。

物理層向上連接數據鏈路層，向下連接介質。物理層規定了傳輸介質（雙絞線、無線和光纖）
、傳輸速率、傳輸距離、xinhaoleixingdeng。zaifasongqijian
，wulicengbianmabingtiaozhilaizishujulianlucengdeshujuliu。zaijieshouqijian，tayonglaizimeijiedeheshidekongzhixinxijiangshoudaodeshujuxinxijietiaohejiemabingsonggeilianluceng

；數據鏈路層負責執行總線通信規則，處理差錯檢測、仲裁
、調度等。應用層為最終用戶的應用提供一個簡單接口
，它定義了如何讀、寫
、解釋和執行一條信息或命令。用戶層實際上是一些數據或信息查詢的應用軟件，它規定了標準的功能塊
、對象字典和設備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、控製功能分散、互連網絡、維護方便等優點外，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有設計靈活
，執行直觀
，價格低廉，性能良好等優點
，同時還保證了通信的速度。

2
、綜合自動化功能把現場智能設備分別作為一個網絡節點，通過現場總線來實現各節點之間、節點與管理層之間的信息傳遞與溝通
，易於實現各種複雜的綜合自動化功能。

3
、容錯能力強現場總線通過使用檢錯、自校驗
、監督定時、屏蔽邏輯等故障檢測方法，大大提高了係統的容錯能力。

4、提(ti)高(gao)了(le)係(xi)統(tong)的(de)抗(kang)幹(gan)擾(rao)能(neng)力(li)和(he)測(ce)控(kong)精(jing)度(du)現(xian)場(chang)智(zhi)能(neng)設(she)備(bei)可(ke)以(yi)就(jiu)近(jin)處(chu)理(li)信(xin)號(hao)並(bing)采(cai)用(yong)數(shu)字(zi)通(tong)信(xin)方(fang)式(shi)與(yu)主(zhu)控(kong)係(xi)統(tong)交(jiao)換(huan)信(xin)息(xi)，不(bu)僅(jin)具(ju)有(you)較(jiao)強(qiang)的(de)抗(kang)幹(gan)擾(rao)能(neng)力(li)，而(er)且(qie)其(qi)精(jing)度(du)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)也(ye)得(de)到(dao)了(le)很(hen)大(da)的(de)提(ti)高(gao)。
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現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)的(de)這(zhe)些(xie)特(te)點(dian)，不(bu)僅(jin)保(bao)證(zheng)了(le)它(ta)完(wan)全(quan)可(ke)以(yi)適(shi)應(ying)目(mu)前(qian)工(gong)業(ye)界(jie)對(dui)數(shu)字(zi)通(tong)信(xin)和(he)傳(chuan)統(tong)控(kong)製(zhi)的(de)要(yao)求(qiu)，而(er)且(qie)使(shi)它(ta)具(ju)有(you)不(bu)同(tong)層(ceng)次(ci)的(de)複(fu)雜(za)控(kong)製(zhi)與(yu)先(xian)進(jin)控(kong)製(zhi)
、優化控製功能成為可能。

四、現場總線控製係統（FCS）

隨著複雜過程工業的不斷發展，工業過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、管控一體化都提出了更新、更高的要求。現有的 DCS 已不能滿足這些要求；況且現有的DCS具有諸如控製不能徹底分散、故障相對集中、係統不徹底開放

、成本較高等缺點。於是通過數字通信技術
、傳感器技術和微處理器技術的融合，把傳統的數字信號和模擬信號的混合係統變成全數字信號係統，從而產生了新一代的控製係統FCS。

1
、智能傳感器和現場總線是組成FCS的兩個重要部分

FCS用yong現xian場chang總zong線xian在zai控kong製zhi現xian場chang建jian立li一yi條tiao高gao可ke靠kao性xing的de數shu據ju通tong信xin線xian路lu，實shi現xian各ge智zhi能neng傳chuan感gan器qi之zhi間jian及ji智zhi能neng傳chuan感gan器qi與yu主zhu控kong機ji之zhi間jian的de數shu據ju通tong信xin，把ba單dan個ge分fen散san的de智zhi能neng傳chuan感gan器qi變bian成cheng網wang絡luo節jie點dian。智zhi能neng傳chuan感gan器qi中zhong的de數shu據ju處chu理li有you助zhu於yu減jian輕qing主zhu控kong站zhan的de工gong作zuo負fu擔dan
，使shi大da量liang信xin息xi處chu理li就jiu地di化hua，減jian少shao了le現xian場chang儀yi表biao與yu主zhu控kong站zhan之zhi間jian的de信xin息xi往wang返fan，降jiang低di了le對dui網wang絡luo數shu據ju通tong信xin容rong量liang的de要yao求qiu。經jing過guo智zhi能neng傳chuan感gan器qi預yu處chu理li的de數shu據ju通tong過guo現xian場chang總zong線xian彙hui集ji到dao主zhu機ji上shang，進jin行xing更geng高gao級ji的de處chu理li（主要是係統組態、優化
、管理

、診斷
、容錯等），使係統由麵到點，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和容偌能力。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係統與控製係統
，能更好地體現DCS中的"信息集中，控製分散"的功能，提高了信號傳輸的準確性
、實時性和快速性。

以現場總線技術為基礎
，以微處理器為核心

，以數字化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：

共用一條總線傳遞信息
，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模擬信號傳輸，實現傳輸信號的數字化，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，實現傳感器與執行器之間信息交換。係統可對之進行校驗

、組態、測試，從而改善係統的可靠性。接口標準化，具有"即插即用"特性。

現場總線智能傳感器是未來工業過程控製係統的主流儀表
，它與現場總線組成FCS的(de)兩(liang)個(ge)重(zhong)要(yao)部(bu)分(fen)
，將(jiang)對(dui)傳(chuan)統(tong)的(de)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)結(jie)構(gou)和(he)方(fang)法(fa)帶(dai)來(lai)革(ge)命(ming)性(xing)的(de)變(bian)化(hua)。但(dan)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)國(guo)際(ji)標(biao)準(zhun)的(de)製(zhi)定(ding)卻(que)進(jin)展(zhan)緩(huan)慢(man)，現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)標(biao)準(zhun)不(bu)統(tong)一(yi)影(ying)響(xiang)了(le)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)智(zhi)能(neng)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)應(ying)用(yong)。

從世界範圍看
，已流行的幾種現場總線都有各自的優點
、gejutese，nanyitongyidaomouyizhongxianchangzongxianbiaozhunshang

，qiyuanyinshiduofangmiande。shouxianshijishudeyuanyin，xianyougezhongxianchangzongxiandoujuyougezidexieyiguifanhexingyebiaozhun，yaotongyicunzaixuduojishunanti。qicishishangyeliyi


，gexianchangzongxianyuqibeihoudekaifagongsixixixiangguan
，geqiyeweijinhouzhanyougengduodeshichangfene，douxiwangzaixianchangzongxiandeguojibiaozhunzhongcaiyongzijidejishu。zaicishizuzhishangdeyuanyin

，xianchangzongxiandebiaozhunhuabixuyouyigetongyideguojixingzuzhilaiwancheng。raner，duonianlai，yonghupoqiexuyaoxianchangzongxianyouyigetongyideguojibiaozhun，yishixianxianchangshebeidehucaozuoxinghehuhuanxing。zaizhezhongqingkuangxia，chanshengleFF（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，並推動現場總線的應用。目前
，FF包括了世界上95%的儀表及控製係統製造商，已製定了低速H1標準（31．25kb/s），高速H2標準正在製定中。現場總線統一標準曲最終製定必將全麵推進FCS的應用，使用戶在實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連接而成

，操作站和信息管理站完成係統的組態、監控和運行管理
，現場測控站則完成生產過程信息的采集和控製。 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係統中通信由專用網絡的封閉係統來實現所造成的缺陷，把基於封閉、專用的解決方案變成了基於開放
、通用標準化的解決方案，把集散係統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。

實際上，工業過程控製的發展大體分氣動儀表控製-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2型表為主，基本上是簡單閉環控製，其最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年代出現計算機集中控製，結果可以實現複雜控製、先進控製及優化控製，然而危險性集中未能繼承電Ⅲ型係統的危險性完全分散的特點；從而70年代出現DCS係統，綜合前兩種優點

，即實現複雜等控製，又把危險性分散在各控製器上，但還不能徹底分散，且不能完全開放。80年代韌提出即能繼承DCS全部功能
，並使係統完全開放

，又能實現危險性徹底分散在各回路中去（與電皿型係統一樣）的係統——FCS．由於FCS具有明顯優於DCS的特點
，FCS必將代替DCS。

然而在目前，在我國絕大部分過程工業都以DCS作為主流控製係統
，電皿型儀表作為主導儀表
；加上因認識上的原因和現場總線智能儀表尚為非主導產品，暫不能大量普及FCS。單從利用現有資源角度，DCS係統的消失或完全被取代，短期內也是不合理的，應立足於現有DCS，充分挖掘現有設備的潛力（如可以在 DCS與FCS之間安裝網關，以實現信息的傳遞）
，使即有投資又不至於浪費。另外，DCS是一個不斷發展的控製係統，它必然采用現場總線技術對自身進行改造，使DCS能與現場總線智能傳感器（智能儀表）和局部FCS連接起來。目前一段時期所有這些情況造成FCS與DCS共存的局麵。據估計，用10年左右的時間才能真正過渡到FCS的主導地位。
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五
、現場總線企業網

現場總線作為今後控製係統的發展方向，以其所具有的開放性
，網絡化等優點，使它與Intrenet的結合成為可能。企業內部網絡係統 Intranet- Interconnect Networks）就是二者結合的產物。Intranet作為Internetjishuzaiqiyeneibudeyingyong，weiqiyeneibuguanlihexinxijiaoliutigongleyigewanshandejishufangan


，tayichengweilianjieqiyeneibugebumenjiaoliuxinxidezhongyaosheshi。bansuizheIntranet的逐漸深入企業，未來的企業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，各企業相互共享信息的Extranet（企業外連網）也ye應ying運yun而er生sheng。這zhe樣yang從cong單dan一yi的de生sheng產chan過guo程cheng到dao全quan企qi業ye各ge個ge生sheng產chan過guo程cheng的de統tong一yi管guan理li控kong製zhi
，再zai到dao與yu企qi業ye有you關guan的de外wai部bu信xin息xi的de共gong享xiang
，網wang絡luo技ji術shu被bei大da大da地di拓tuo展zhan了le。

因為Intranet采用的是Internet技術，有很好的開放性，支持多種網絡協議和標準
，因此在組建Intranet時完全可以在企業現有的網絡環境下實現。由現場總線技術與Intranet結合構成的分布式網絡控製係統將高度分散的工業現場前端的智能型傳感器、變送器
、執zhi行xing器qi等deng智zhi能neng儀yi表biao通tong過guo現xian場chang總zong線xian網wang絡luo連lian接jie到dao控kong製zhi機ji或huo管guan理li機ji構gou成cheng局ju域yu網wang絡luo控kong製zhi係xi統tong。這zhe種zhong分fen布bu式shi的de局ju域yu網wang絡luo係xi統tong
，可ke節jie省sheng大da量liang的de傳chuan輸shu線xian
，增zeng強qiang整zheng個ge係xi統tong的de可ke擴kuo充chong性xing
，具ju有you較jiao長chang的de傳chuan輸shu距ju離li和he較jiao強qiang的de抗kang幹gan擾rao能neng力li，可ke實shi現xian無wu上shang位wei機ji的de全quan分fen布bu式shi無wu主zhu工gong作zuo，為wei工gong業ye控kong製zhi和he企qi業ye管guan理li決jue策ce帶dai來lai了le一yi種zhong全quan新xin的de解jie決jue方fang案an。同tong時shi
，將jiang現xian場chang總zong線xian技ji術shu和heIntranet技術的結合，也大大促進了控製技術的發展和加快了信息時代的步伐。

使用現場總線企業網，給企業的管理與控製帶來了很多好處：首先
，通過企業網
，加強了企業內部及內部與外部之間的信息共享，提高了資源的利用率。其次，將企業的有關信息發布在Intranet上，用電子文件代替書麵文件，節省了人力，提高了工作效率。再次，Intranet采用Internet的技術，使開發工具易於得到，軟件的開發周期短
，而且可以直接利用Intrenet的一些優秀的軟件，節省了開發費用。最後，使用現場總線企業網能夠更容易地實現工業過程管理決策與控製的一體化——CIPS（計算機集成過程係統）。

六、結束語

FCS的關鍵是現場總線技術與現場總線智能傳感器（現場總線智能儀表）。隨著電m型儀表改造為智能儀表
，能構想出現場總線
；隨著數字通信技術的成熟
，能出現現場總線，從而從DCS脫穎出FCS．可以說FCS是工業過程控製係統的第三次大革命
，即模擬儀表分散控製（電皿型為代表）。集散控製係統（DCS）- 全開放、全分散、全集中控製係統（FCS）。國外從90年代中期開始陸續投用FCS
；而在國內，從1998年開始有個別試用FCS，但尚不完善

，尚不完整。目前正是步入FCS的實施階段
，它有利於CIPS真正開發實施，它是完全可靠、完全分散的開放係統，易於安裝
、投運
、維護，節省投資和人力
、物力。依據目前的發展趨勢，今後10年內，FCS將代替DCS，並在工業過程控製係統中占主導地位。

當前在工業過程控製界麵臨的重要任務之一是：大力推廣FCS及PF協議、基於PF協議的智能傳感器（留能儀表）及現場總線技術，研究開發FCS集成軟件乎台，推動基於PF的FCS的開發與應用。另外

，如何實現FCS與Intranet的結合，建立基於現場總線的Internet體係，實現工業過程管控一體化（基於FCS的CIPS）也是今後研究的重要方向。