[摘要] 現場總線技術的發展，引起傳統控制系統結構的改變。一些自動化軟件公司充分利用現場總線技術開放性的特點，以自主開發的控制系統軟件為核心，推出基于現場總線技術的先進控制系統。本文描述了PLC控制系統向基于現場總線先進控制系統的演變過程，分析了系統結構組成及市場前景。

    [關鍵詞] 現場總線、FCS、PROFIBUS、PLC、分布式控制系統
1. 概述
    計算機數字通信技術及信息技術的發展，推動了自動化技術的進步；特別是近十年來興起的現場總線技術（Filedbus），是計算機數字通信技術向工業自動化領域的延伸，它的發展將促使自動化系統結構發生重大變革，是傳統的基于PLC及DCS控制技術系統發展的必然歸宿。

    現場總線技術的一個顯著特點是其開放性，允許并鼓勵不同廠家按照現場總線技術標準，自主開發具有特點及專有技術的產品。依照現場總線技術規范，不同廠家產品可以方便完成組態與集成，構成面向行業、適合行業特點的自主控制系統。這一特點為更多的自動化產品制造商自主開發并推出自主知識產權的自動化系統提供了可能。也為自動化系統集成商開發面向行業應用的成套技術和自動化系統提供了機會。

    現場總線技術以其先進性、實用性、可靠性、開放性的優點，必然成為未來自動化技術發展的主流。基于現場總線技術的控制系統（Filedbus Control System-FCS）與人們預想的一樣，對傳統的PLC、DCS系統形成了巨大的沖擊。FCS已不再是一種預測、一種設想，而是實實在在的作為先進控制系統產品出現在市場上。本文將描述傳統PLC控制系統向基于現場總線控制系統的演變過程，以現場總線PROFIBUS為背景，描述一個基于現場總線控制系統的結構組成，并分析系統的市場前景。

    本文中提到的一些名詞及縮寫：
    FCS：基于現場總線技術的控制系統（Filedbus Control System-FCS）
現場設備；指現場級檢測及執行設備，如傳感器、變送器、開關設備、驅動器、執行機構、指示及顯示設備、人機操作接口等。

    基于PLC的控制系統：
    指以PLC、遠程I/O及PLC網絡為基礎的分布式控制系統。
    控制器：現場總線中的一個主站節點。至少具備總線通信與管理、邏輯執行等功能。

2. 傳統控制系統向基于現場總線控制系統的演變
    現場總線技術的一個顯著特點是其開放性，允許并鼓勵不同廠家按照現場總線技術標準，自主開發具有特點及專有技術的產品。因此，現場總線技術引入自動化控制系統，促使傳統控制系統結構演化，逐步形成基于現場總線的控制系統FCS。
    2.1 從PLC到通用工業PC
    (1) 在傳統控制系統中，控制器（或稱CPU、或處理器）與I/O模塊及其它功能模塊、機架為同一系列產品，有一致的物理結構設計。典型的結構是I/O模塊及其它功能模塊通過機架背板上的總線（公司設計產品而自定義總線）連接。機架擴展也是自定義總線的擴展。這些產品的連接技術都是封閉的，第三方要想開發兼容產品必須得到廠家允許。

    (2) 基于現場總線的控制系統中，控制器與現場設備（I/O模塊、功能模塊及傳感器、變送器、驅動器等）連接是通過標準的現場總線，因此沒有必要使用與控制器捆綁的I/O模塊產品（這與插在PLC機架上的I/O模塊的配置方法不同），可使用任何一家的具有現場總線接口的現場設備與控制器集成。因此控制器趨向于采用標準的、通用的硬件平臺--工業計算機（Industrial Compact Computer），如Intel/Windows類PC機。近年來嵌入式控制器（如PC/104產品）的發展和WINDOWS-CE的推出，使用嵌入式控制器硬件和WINDOWS-CE軟件作為控制器平臺。
采用通用的工業PC做控制系統控制器優點如下：
    A、開放性、標準化：系統軟件與控制器硬件不在維持捆綁關系，專業自動化軟件廠家可以獨立開發不依賴于控制器品牌的FCS系統軟件。基于Windows/NT的操作系統平臺，具有大量的標準的軟件工具和數據文件格式可以兼容。
    B、價格：通用的工業PC容易形成規模經營，因此，價格比PLC便宜。
    C、性能指標高、產品更新換代快：通用的工業PC搭乘PC機技術發展快車，技術指標高、產品更新換代快。
    D、向上連接計算機管理網絡（如IEC802。3 TCP/IP）技術成熟、方便。并可以借用ODBC、SQL等技術與管理層數據庫連接。

    2.2 從PLC的I/O模塊到現場總線分布式I/O
    在FCS系統中，插在控制器機架上的I/O模塊將被連接到現場總線上的分散式I/O模塊所取代。分散式I/O不再是控制器廠家的捆綁產品，而是第三方廠家的產品；廉價的、專用的、具有特殊品質的I/O模塊（如高防護等級、本征安全、可接受RTD、mV、高壓、大電流信號等）將具有廣闊市場。 
    現場設備如傳感器、變送器、開關設備、驅動器、執行機構等；傳統PLC系統使用I/O連線與PLC I/O模塊連接，PLC通過模擬量4-20mA或開關量（如24VDC）控制監測現場設備。在FCS系統中，現場設備具有現場總線接口，控制器通過標準的現場總線與現場設備連接。

    2.4 系統軟件
    在傳統PLC系統中，系統軟件（包括PLC系統軟件和編程軟件）與PLC硬件聯系緊密，技術上對外是封閉的。在FCS系統中，控制器采用通用工業PC平臺，系統軟件不再與控制器、I/O、現場設備等硬件捆綁，可運行在通用標準的工業PC+WINDOWS/NT平臺上。

3. 基于現場總線的先進控制系統組成 
    以工業PC機及Windows/NT為平臺，加載FCS系統軟件做控制器；通過現場總線連接各種現場設備，這便是基于現場總線的先進控制系統的基本組成。下面以現場總線PROFIBUS為例，虛構一個基于現場總線PROFIBUS的先進控制系統--ACSBPB（Advanced Control System Based on PROFIBUS technology），說明基于現場總線的先進控制系統組成。

    3.1 現場總線（PROFIBUS）概況
    現場總線PROFIBUS技術于1987年，由SIEMENS公司等13家企業和5家科研機構聯合提出；1989年批準為德國標準 DIN19245。經應用完善后，于1996年6月批準為歐洲現場總線標準 EN50170 V.2。目前，根據國際IEC標準委員會達成的關于現場總線國際標準的妥協方案，PROFIBUS現場總線標準已成為國際現場總線標準IEC61158的一個組成部分。

    目前國際上有250多家企業，生產1600多種符合PROFIBUS標準的產品。在不同的應用領域中已有200多萬個設備安裝運行。應用涉及到工業自動化的各個主要領域，包括：制造業自動化（汽車制造、裝瓶系統、倉儲系統）樓宇自動化（供熱、空調系統）、交通管理自動化、過程自動化（清洗工廠、化工和石化工廠、造紙和紡織品工業 ）、電力工業和電力輸送（發電廠、開關裝置）。PROFIBUS標準產品在歐洲現場總線產品市場占有率第一，超過40%。

    PROFIBUS 用戶組織已建立了質量認證程序，在德國和美國建立了測試實驗室，包括硬件測試和一致性、互操作性測試。

    3．2 現場總線PROFIBUS技術概要
    (1) PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。PROFIBUS-PA專為過程自動化設計，并有本征安全技術規范。PROFIBUS-FMS用于車間級監控網絡，是一個令牌結構、實時多主網絡。

    (2) PROFIBUS協議結構
    PROFIBUS協議結構是根據ISO7498國際標準，以開放式系統互聯網絡（Open System Interconnection-SIO）作為參考模型。PROFIBUS-DP、FMS、PA定義了第一、二、七層和用戶接口。第三到六層未加描述。用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可調用的應用功能，定義了現場設備行為的行規。

    (3) PROFIBUS傳輸技術
    PROFIBUS提供了四種數據傳輸類型：用于DP和FMS的RS485傳輸、用于PA的IEC1158-2傳輸及光纖、紅外傳輸。

    (4) 設備類型：二類主站（DPM2）指可進行編程、組態、診斷的設備。一類主站（DPM1）是可編程序控制器，如PLC、PC等。從站是指帶開關量或模擬量的現場設備，如驅動器、閥門等。

    (5) 電子設備數據文件（GSD）
    為了將不同廠家生產的PROFIBUS產品集成在一起，廠家必須提供GSD文件（電子設備數據庫文件），描述產品的功能參數。PROFIBUS組態工具可根據將廠商提供的GSD文件將其設備集成在同一總線系統中。

    3. 3 基于現場總線（PROFIBUS）的先進控制系統的結構及組成
    基于現場總線（PROFIBUS）的先進控制系統ACSBPB是一個面向制造業自動化、現場及車間級自動化控制系統。

    3.3.1 系統網絡結構
    ACSBPB由2級網絡結構組成：底層是基于PROFIBUS-DP、PA的現場級設備層控制系統；上一層是基于PROFIBUS-FMS或工業以太網及TCP/IP的車間級監控系統。監控層計算機向上支持工廠管理級網絡接口及通信驅動和數據庫接口。底層PROFIBUS-DP支持9.6K~12M的通信速率和中繼器（REPEATER）的擴展功能。底層PROFIBUS-DP還支持基于光纖傳輸介質的通信；可支持點對點、總線及環形光纖網。控制器可配置成雙機熱備及冗余通信模式，用于對可靠性要求很高的場合。詳見圖2：基于現場總線（PROFIBUS）的先進控制系統ACSBPB系統網絡結構圖。

    3.3.2 控制器或主站
    控制器基于通用工業PC機、Windows/NT軟硬件平臺。現場總線接口一般采用PCI總線的PROFIBUS網卡（自主開發）。系統控制器或主站應具備雙機熱備、冗余通信系統功能。

    3.3.3 ACSBPB系統軟件
    ACSBPB系統軟件基于WIN/NT系統軟件平臺。它包含一個實時多任務操作系統內核，并為系統提供以下功能：
    用于系統組態工具包
    基于IEC61131程序編輯軟件包和軟邏輯功能模塊
    繪圖、數據庫編輯工具包和實時在線監控軟件包，包括流程、棒狀圖、趨勢圖顯示功能。     故障報警及記錄、實時數據采集、存儲、查詢、統計、報表打印功能。
    基于INTRANET/INTERNET技術的遠程數據流瀏覽、遠程維護功能。
    支持OPC、DDE驅動接口 
    支持ODBC、SQL數據庫接口

    3.3.4 具有現場總線（PROFIBUS）接口的底層現場設備
    (1) 分散式I/O從站：通過GSD文件組態，系統可連接任何廠家制造、經過PROFIBUS標準認證的分布式I/O從站。

    (2) 智能分散式I/O-PLC從站：通過GSD文件組態，系統可連接任何廠家制造、經過PROFIBUS標準認證的智能分散式I/O從站。

    (3) 智能交直流驅動器：通過GSD文件組態，系統可連接任何廠家制造、經過PROFIBUS標準認證的智能交直流驅動器。智能交直流驅動器的參數化符合PROFIBUS-DP行規要求。

    (4) 智能執行機構：包括氣動、電動執行機構。通過GSD文件組態，系統可連接任何廠家制造、經過PROFIBUS標準認證的智能執行機構。

    (5) 人機接口HMI：包括字符型和圖形、CRT/LED、帶/不帶觸摸屏。通過PROFIBUS接口，可連接一定型號的人機接口。

    (6) 傳統現場設備與現場總線通信接口的軟硬件：接口可以是內置式或外置式，主要用于老設備的通信連網。接口一端是標準的PROFIBUS接口，另一端視具體設備要求而定，如另一斷可以是自由編程/ASIIC碼的RS-232/485接口、I/O、PC/104、PCI等等。

    (7) 傳感器與變送器：包括電量監測及保護裝置、開關設備、溫度、壓力、流量變送器

3    .3.5 現場總線網絡器件產品：電纜、光纜、光端機模塊、PROFIBUS-DP/PA接頭、PROFIBUS-PA總線接插件。

    3.3.6 不同現場總線標準協議之間的通信接口的軟硬件；包括耦合器、路由、網關。

    3.7.7 專用應用軟件包，包括：自動化立體倉庫軟件包、生產線監測系統軟件包、同步控制算法軟件模塊、張力控制算法軟件模塊、船閘控制系統軟件包、船閘船只最優調度算法軟件等等。

4．基于現場總線的先進控制系統市場前景分析
    4．1市場需求
    目前，國內各行業競爭激烈。企業逐步認識到只有不斷引入新技術才能使企業得到持續穩定地發展。企業有追求新技術、改造現有系統的需求。現場總線技術是未來自動化技術發展主流，基于現場總線的先進控制系統以其明顯的技術優勢和價格優勢，在分布式控制系統市場中將逐步替代PLC產品。

    4.2 企業效益
    （1） 對現場設備制造商
    參與基于現場總線的先進控制系統開發的現場設備制造商將本企業傳統產品提高了一個技術水平。由于現場總線技術的開放性，企業開發的現場總線產品可以集成到任何現場總線控制系統中。比如，采用國外名牌控制器和自主開發生產的分布式I/O或其他現場設備集成，將組成一個性能、價格都比較平衡的系統，根據筆者經驗，這種配置在國內工程項目中是很有競爭力的。企業因產品技術進步將得到更多的市場機會。

    （2） 對自動化系統集成商
    應用現場總線的先進控制系統的自動化系統集成商有條件以系統為平臺，利用自身在行業領域中的優勢，開發出具有專用技術的控制系統，使系統集成增值，增加利潤并擴大市場份額。 

結束語：
    現場總線技術以其標準化、開放性使參與其中的企業收益；一切有遠見和市場頭腦的自動化行業志士仁人，都不會視而不見、無動于衷、漠視它的存在。喪失機會和主動將在未來市場中淘汰出局。國內企業應吸取在PLC、DCS技術和產業化方面發展的經驗教訓，把握機遇，結成技術及市場同盟，開發出擁有自主知識產權、基于現場總線技術的控制系統，并在優勢行業上應用推廣。這樣，既可帶動國內自動化行業的發展，也可將國內工業自動化裝備提高到一個新的水平，使我國自動化行業在未來國際自動化技術領域中及市場份額上都占有一席之地。本文的分析和觀點，如能為國內自動化行業的技術專家、企業家和政府領導的決策提供有價值的參考，作者將感到十分高興。

作者：唐濟揚