現場總線控制系統概述

基于現場總線的控制系統（FCS)是在傳統計算機控制系統基礎上發展起來的一種新型網絡。本節重點討論現場總線控制系統的基本組成和典型的FCS、實例。

一、現場總線控制系統組成

作為工廠底層控制網絡的FCS，其重要特點是在現場層，即可構成基本控制系統?，F場儀表不僅能傳輸測量、控制信號，而且能將設備標識、運行狀態、故障診斷等重要信息傳至監控、管理層以實現管控一體化的綜合自動化功能。

現場總線控制系統包括現場智能儀表、監控計算機、網絡通信設備和電纜，以及網絡管理、通信軟件和監控組態軟件。圖7-31所示為FCS硬件的基本構成。

1.現場智能儀表 現場儀表作為現場控制網絡的智能節點，應具有測量、計算、控制通 信等功能。用于過程自動化的這類儀 表通常有智能變送器、智能執行器和 可編程控制儀表等。

(1)智能變送器近年來，國際上著名的儀表廠商相繼推出了一系列的智能變送器，有壓力、差壓、流量、物位、 溫度變送器等。它們具有測量精度高、性能穩定等特點，能實現零點與增益校正和非線性補償等功能。儀表中嵌有現場控制系統所需的各兩項：實現多種控制策略。不少變送器還具有多種總線通信協議（HART、PROFIBUS-DPPA、FF等），可供用戶選用。

1. 智能執行器

智能執行器，主要指智能閥門定位器或閥門控制器，將閥門定位器裝配在執行機構上，即成為現場執行器。它具有多種功能模塊，與現場變送器組合使用，能實現基本的測量控制功能。閥門定位器還可接收模擬、數字混合信號或符合現場總線通信協議的全數字信號。

2. 可編程類控制儀表

這類控制儀表均具有通信功能，近幾年推出的符合IEC 61158標準協議的PLC,能方便地連上流行的現場總線，與其他現場儀表實現互操作，并可與上位監控計算機進行數據通信。

2.監控計算機

現場總線控制系統需要一臺或多臺監控用計算機，以滿足現場智能儀表（節點）的登錄、 組態、診斷、運行和操作的要求。通過應用程序的人機界面，操作人員可監控生產過程的正常運行。

監控計算機通常使用工業PC,這類計算機結構緊湊、堅固耐用、工作可靠，抗干擾性能好，它可以直接安裝在控制框內或顯示操作臺上，能滿足工業控制的基本要求。

3. 網絡通信設備

通信設備是現場總線之間及總線與節點之間的連接橋梁?，F場總線與監控計算機之間一般用通信控制器或通信接口卡（網卡）連接，它可連接多個智能節點（包括現場儀表和計算機）或多條通信鏈路。這樣，一臺帶有通信接口卡的PC機及若干現場儀表與通信電纜，就構成了最基本的FCS硬件系統。

為了擴展網絡系統，通常采用網間互聯設備來連接同類或不同類型的網絡，如中繼器 (repeater)、網橋（bridge)、路由器（router)、網關 gateway)等。

中繼器是物理層的連接器，起簡單的信號放大寫于延長電纜或光纜的傳輸距離。 集線器（HUB)是一種特殊的中繼器，它作為轉接設備和各個網段連接起來。智能集線器還具有網絡管理和選擇網絡路徑的功能，已—泛空寫于局域網。

網橋是在數據鏈路層將信息楨進行存儲轉發，用來連接釆用不同數據鏈路層協議、不同傳輸速率的子網或網段。

路由器是在網絡層對信息幀進行存儲轉發，具有更強的路徑選擇和隔離能力，用于異種子網之間的數據傳輸。

網關是用在傳輸層及傳輸層以上轉換的協議變換器,用以實現不同通信協議的網絡之間，包括使用不同網絡操作系統的網絡之間的互聯。

4. 監控系統軟件

監控系統軟件包括操作系統、網絡管理、通信和組態軟件。操作系統Window NT、Window CE等。以下進隊網絡管理軟件、通信軟件和組態軟件作簡單說明。

(1) 網絡管理軟件

網絡管理軟件的作用是實現網絡各節點的安裝、刪除、測試、診斷，以及對網絡數據庫 的創建、維護等功能。

(2) 通信軟件

通信軟件的功能是實現計算機監控界面與現場儀表之間的信息交換，通常使用動態數據交換技術DDE (Dynamic Data Exchange)或過程控制中的對象鏈接嵌入技術OPC (OLE for Process Control)技術來完成數據通信任務。

DDE在Window中采用的是程序間通信方式，該方法基于消息機制，可用于控制系統的多數據實時通信 其缺點是，當通信數據量大時效率較低。近年來微軟公司已經停止發展 DDE技術，但仍對DDE技術給予兼容和支持。目前的大多數監控軟件仍支持DDE。

OPC建立于OLE (對象鏈接與嵌入）規范之上，它為工業控制領域提供了一種標準的數據訪問機制，使監控軟件能高效、穩定地對硬件設備進行數據存取操作，系統應用軟件之間也可靈活地進行信息交換

OPC以組件對象模型和分布式組件對象模型（COM/DCOM)為基礎，采用客戶/服務器 (Client/Server)模式，為硬件廠商和應用軟件開發者提供了一套標準的接口和規范，并定義了客戶程序和服務器程序進行數據交換的方法。只要遵循這套規范和方法，硬件供應商就無需考慮應用程序的多種需求和傳輸協議 軟件開發商也就無需了解硬件的實質內容和操作過程。因此，硬件廠商只需提供一套符合OPC規范的程序組件，所有的OPC客戶都可以使用這些組件；而軟件公司也只要開發一套OPC接口就可以對不同的設備進行存取操作，這就是軟硬件廠商可以專注于各自的核心部分，其工作效率大大提高。

(3)組態軟件

組態軟件作為用戶應用程序的開發工具，具有實時多任務、接口開放、功能多樣、組態 方便、運行可靠的特點。

組態軟件一般都提供能生成圖形、畫面、實時數據庫的組態工具，簡單實用的編程語言 (腳本程序) 不同功能的控制組件，以及多種I/O設備的驅動程序，使用戶能方便地設計人機界面，形象動態地顯示系統運行工況。

由組態軟件開發的應用程序可完成數據采集與輸出、數據處理與算法實現、圖形顯示與人機對話、報警與事件處理、實時數據存儲、查詢、報表生成與打印、實時通信以及安全管理等任務。

PC硬件和軟件技術的發展為組態軟件的開發和使用奠定了良好的基礎，而現場總線技術的成熟進一步促進了組態軟件的應用。工控系統中常用的組態軟件有WINCC、iFix、Intouch、力控、組態王、MCGS等 它們都具有OPC開放接口。