总线专题：第一讲 现场总线的由来

现场总线（Fieldbus）是当前国际上自动化技术的一个热点，现场总线的出现给工业自动化领域带来了又一次革命。以智能化仪表为基础的现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)将逐步取代传统的分散性控制系统DCS(Distributed Control System)。

现场总线起源于欧洲，随后发展至北美。早在1984年，制定国际标准的权威机构之一，国际电工委员会IEC(International Electro technical Commission)就开始着手制定现场总线的国际标准,但由于国际上几个跨过大公司为了他们的利益,阻碍和干扰了制定单一的现场总线国际标准,经过了15年环绕着国际标准的现场总线大战以妥协而告终。结果是出现了多种现场总线的国际标准，到目前为止，已有12种之多，多标准实际上就是没有标准，这给用户、自动化仪表制造商及系统集成商带来了困惑与无奈。目前，新一轮环绕着市场的现场总线大战正在进行。

一个单一的现场总线国际标准始终是用户的希望和要求，为了寻找出路，目前国内外不少组织与厂商正在寻找新的出路，将以太网（Ethernet）应用与现场总线将是一个新的亮点，现在已经出现了多种基于实时以太网RTE（Real Time Ethernet）的现场总线，虽然还不完善，正在继续研发之中，估计要到2007年才能完成。浙大中控的EPA（Ethernet for Plant Automation）就是其中之一。看来，就是将来多种现场总线并存的局面还会继续存在。

二、产生现场总线的背景

工业生产的发展对检测和控制的要求日益增多，原始的目测，耳闻与手摸的检测方式正在向着用仪表检测和自控的方向发展。

1.早期的仪表与调节器

早期的仪表与调节装置是机械式的，如膨胀式温度计，弹簧管式压力计和用于蒸汽机的飞球式调速器等。

2.液动和气动仪表以及其调节装置

进入20世纪以后，工业生产的规模开始扩大，需要将分散在现场的机械式仪表和调节器集中起来，于是就出现了有作为辅助能源的液动（hydraulic）调节器。它是采用油压的方式进行工作的。但由于油容易渗漏和有产生火灾的危险，再加上油的粘滞而不能远距离传送信号，所以不久又出现了用压缩空气作为辅助能源的气动（pneumatic）仪表与调节器，这样就出现了将检测、显示和调节集中在一起的气动基地式仪表；后来为了便于集中在控制室进行监控而又生产出气动单元组合仪表。

3.电动仪表

进入20世纪50年代，工业生产的规模更大，而气动仪表的传输距离却也有限；并且气动仪表对气源供气的可靠性和净度要求又比较严格，需设置专用的气源（无油压缩机站）；再加上多个气动信号的叠加和处理比较麻烦，诸多不便逐步凸显，渐渐无法满足工业生产的需要，于是出现了电动仪表，但气动仪表存在着体积太大的缺点，一块仪表盘安装不了几个仪表，为了不致使控制室的面积过大而便于操作人员集中观看，在60年代又出现了电子仪表，而电子仪表也从开始的真空管式电子仪表，发展到半导体式和基于集成电路的电子仪表，电子仪表虽然体积比电动仪表要小，但为了少占用仪表盘的盘面面积，只能将电子仪表的尾部加长，这样又不得不将盘式仪表屏改为架装式仪表盘以便于电子仪表的密集安装。即便如此，一个大型工艺装置的仪表盘有时亦会长达数十米，便操作人员难以从如此众多的仪表读数中综合掌握和判断全部的生产过程。

4.用电子计算机进行监控

20世纪60年代开始试用电子计算机进行监控和数据采集，即所谓SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）。计算机不但可以采集数据，而且可经过运算来改变控制仪表的设定值，使控制得以优化；或者直接用计算机进行DDC（Direct Digital Control）直接数字控制。但当时计算机的可靠性没有完全过关，加之价格又贵，体积又大，功能也不强，难以应用冗余技术或多机并行处理，一旦一台计算机发生故障，整个工艺机组的生产即陷于瘫痪。结果以一台计算机控制整个生产过程的失败而告终。

5.分散型控制系统

进入70年代，大规模集成电路的出现，使微机处理器（micro processor）芯片的价格大幅度降低，导致了自动化领域内的一项革命。1975年美国的霍尼韦尔（Honeywell）公司首先推出了TDC-2000型集散控制系统，级管理是集中的，而控制则是分散的。所谓TDC即是此意，T代表Total集中，D代表Distributed分散，而C则代表Control控制。后来这种系统被称为DCS（Distributed Control System）后，慢慢地DCS的中文名称就从开始的集散型控制系统变为目前常用的分散型控制系统的名称了，但在计算机行业中，则称之为分布式控制系统。DCS在20世纪80-90年代达到了其鼎盛时期，有人称之为自动化领域中的一个里程碑。

DCS最初使用一个CPU中央处理器（Central Processor Unit）来控制8个PID（P代表Proportion,即比例；I代表Integral,即积分；D代表Differential，即微分）调节回路（loop）。一个CPU的故障只影响局部8个调节回路而不会影响全厂的控制，使危险得以分散，大大地提高了整个控制系统的可靠性。DCS的数据采集和处理以及调节回路的控制算法都是在控制室内的主机中完成的。操作人员只需看控制室内操作站上的CRT（ Cathod Ray Tube 阴极射线管）屏幕就等于看到了仪表盘上的仪表，而在操作站上的键盘KB（Key Board）操作即等于在仪表盘或操作台上用于操器或按钮进行操作，避免了操作人员频繁地在很长的仪表盘前来回走动，以及用笔来记录和计算班报和日报。控制室的面积也得以缩小。这时控制室内的控制系统已经实现了数字化，但处于现场的大量的变送器与执行器仍然是用模拟信号，每台现场仪表都必须各自用2芯或4芯电缆将4-20mA的直流模拟信号通往控制室。

6.现场总线控制系统

进入20世纪90年代，为了降低产品成本，增加盈利，工业生产的规模越来越大，生产过程也日益强化；并且人们对环境保护和生产安全的意识也更加提高，各国对此也制定了与之有关的规程或法令。此外，随着经济的国际化，企业之间的竞争不可避免，这就迫使企业的生产向着稳产、高效、优质、低耗、节能、环保与安全的方向发展。因此对生产过程进行检测与控制的点数与精度以及可靠性方面的要求也越来越高。以钢铁企业为例，4000m3 以上的大型炼铁高炉，其检测点已在5000以上；而火电厂30万机组的测点也在5000点左右，60万机组的测点也到了7000点，何况80万或90万机组也已经有了；又如乙烯装置也从过去的30万t到现在的90万t了。随着测点的增加，所需的控制电缆数势必随之增涨，以火力发电站30万kwm组为例，其所需的电缆长度已近500㎞以上，试想在电站的锅炉房内，空间有限，已密布着各种水、蒸汽、空气与燃料的管道，还要布置如此众多的电缆，不仅给工程设计带来了困难，而且对安装，调试与维修也带来了极大的不便，而更重要的是如此大量的信息涌向DCS的入口，不可避免地出现了“瓶颈”堵塞的现象，严重地威胁着DCS的正常运行。

因此，寻求现场仪表的数字化、智能化，使大量的一般控制功能从DCS下放到现场仪表中去解决，以减少汽机的负担而增加系统的可靠性；同时也要求减少通往控制室的电缆数。

以上就是产生智能化仪表与现场总线的背景。

三、产生现场总线的基础

既然随着工业生产规模的不断扩大已经显示出需要智能化仪表与现场总线的苗头，恰恰就在这个时候，控制技术、通信技术与计算机技术（有人将Control控制、Communication通信、Computer计算机统称为3C技术；也有人将CRT屏幕技术也加了进来称为4C技术）的发展提供了所需的技术基础。于是现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）就应运而生了。

四、总结

总结以上所述的发展史。可得到以下结论：

（1）生产的发展，市场的需求永远是产生新生事物的动力，决不是相关技术的发展所得到的自然结果。相关技术的发展只能为所需求的新生事物提供技术和物质基础。

（2）事物的发展总是由简到繁，又从繁到简形成一个螺旋式上升的过程，但他决不是简单地重复，而是不断地升华，达到了更高的水平。例如20世纪40年代出现的04型基地式气动仪表，他就在现场集检测、显示与控制的功能于一体，后来又发展到气动、电动单元组合式仪表进行集中控制和DCS，而又到了目前的FCS，又回到了彻底分散，利用在现场的智能化变送器和执行器，在现场实现自主调节，这种从现场分散到集中，又从集中回到分散，似乎又回到原来的情况，但FCS有了分散以后，现场仪表还有受主机监控和向主机提供自诊断等功能，这与过去的现场基地式仪表相比，是不可同日而语了。