现场总线与智能工程的发展分析

摘要：随着现代科技的进步与发展，工程机械的广泛应用，工程机械的自动化、智能化水平提高。工程机械的操作与控制实现了自动化、集成化、智能化的结合。在智能化控制系统被引入工程机械控制领域后，给工程机械的发展带来了划时代的变化，工程机械的操作便利性、安全性、经济性都得到了大幅度的提高。本文将结合现场总线技术对智能工程的发展进行分析。

关键词 ：现场总线技术 智能工程 DCS FCS

一、 引言

随着生产由简单过程向大型化、连续化、集成化和复杂化方向发展，与之相应的控制技术、控制理论、控制系统和控制工具都发生了很大变化。即控制技术由单变量向多变量协调控制发展；控制理论由经典控制理论发展到现代控制理论和智能控制理论；控制系统由简单系统发展到先进控制系统（如：预测、推断、模糊人工神经网络等）和综合自动化系统；控制工具由常规仪器仪表发展到计算机及其网络。

由机械步入电气时代，伴随着计算机技术的发展，奠定了先进控制系统的物质基础，而控制技术的应用又促进了计算机技术的飞速发展，二者密切相关。以计算机为主的控制系统经历了DDC（单机控

制系统），DCS（集散控制系统），FCS（现场总线控制系统）三个阶段。

DDC控制集中，危险也集中。于70年代推出，80年代中——90年代初为顶峰期。

90年代后出现的新型FCS，突破DCS中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于专用的、封闭的解决方案变成了基于公开的、标准化的解决方案，成为当今研究的热点。

二、 现场总线

1.现场总线及其发展概况

现场总线是一种双向串行数字化传输的通讯总线，是国际上80年代末兴起的新技术，进入90年代走向实用化。它的出现使仪器仪表实现智能化、串行数字化传输，改变了传统现场仪表装置与主控系

统点对点的联系方式，大量节省了现场布线缆；同时由于现场仪表装置的智能化，把部分主控系统的功能直接下放到现场仪表和装置中，强化了现场控制功能，使控制更直接、可靠，且大大减化了主控系统的结构，节省了工程设计及施工费用。亦有人认为：现场总线控制系统FCS应该与集散式控制系统DCS相互兼容。首先以工程成本和效益看，现场总线的根本优势是具良好的互操作性；结构简单，从而布线费用低；控制功能分散，灵活可靠，以及现场信息丰富。然而，这些优势是建立在FCS系统初装的前提下，如果企业建立有完善的DCS，现在要向FCS过渡，则必须仔细考虑现有投资对已有投资的回报率。充分利用已有的DCS设施，现有DCS的布线以及成熟的DCS控制管理方式来实现FCS是我们应选之途。

现场总线的特点之一是系统的全开放，以往一个公司的数字化控制系统只对本公司的数字仪表、以自己的通讯协议通讯，无法和其它公司产品联网，给用户使用带来不便。制定现场总线通讯协议，可以使不同公司的产品只要符合同一协议，就可以在同一条总线上工作。实现了控制系统的开放，给用户在选择不同公司产品组成最佳性能价格比的系统配置时带来极大的方便。但是世界上一些工业自动化技术力量较强的大公司为了尽快使用现场总线技术，都各自开发了通讯协议。目前世界上已有几十种不同的协议，其中影响较大的有十几种。多协议的出现又形成了不同协议之间的不开放的情况。为了用户的利益，也为了这一新技术的推广应用，国际标准化组织IEC多年来一直致力于制定单一的现场总线标准。IEC提出的标准草案是以FF协议为基础的，但由于各种协议的主导公司出于各自的商业利益，也由于各种总线在不同的工业领域中的应用已为部分用户所接受，所以对制定单一现场总线标准的建议，在多次IEC标准化工作会议上都没有通过。在1999年12月IEC会议上，投票结果认定FF、pwfibus、WoddFIP ControLnet、DeviceNet、P—net、Swifnet、Interbus等八种协议均为国际标准，承认了目前多种协议并存的局面。

图1 典型现场总线控制系统构成

2.现场总线与智能仪表

将日常的控制功能分布到现场仪表，为过程自动化开辟了新的领域。例如，基金会现场总线协议（FF）能够提供“在现场的控制”的通信协议。传统的做法是变送器只用来测量过程变量，控制阀仅被当作最终的控制元件。而基金会现场总线协议（FF）可以使变送器和控制阀都能执行PI、PD和PID的控制运算以及模糊控制。

与传统的以420mA和DCS为基础的设计相比，如今的变送器和控制阀更具智能化。现场仪表不再仅仅提供简单的测量或接收PID输出信号来判断阀门的位置。新型的控制阀带有智能定位器，可以根据控制信号确定自已的状态是否符合要求。同样，变送器具有处理和传感功能，可以比过去获得更多的信息。而在传统的DCS系统中，根本无法通过4-20mA通信设备获得上述这些信息。

3.现场总线与综合自动化系统

以现场总线（IDCS）为基础的综合自动化系统（CIPS）集自动控制与综合管理（经营决策、管理、计划、调集等）于一体，使企业能快速适应风云变幻的市场，增强企业的竞争力，势必成为未来发展的主

流。

过去工程师是通过优化过程控制系统来实现效益的。然而，仅仅提供更好的控制方案还不足以提高经济效益。事实上改进工厂可用率、提高工厂效益的关键在于防患于未然。随着通信和传感技术的发展，工厂的管理方式发生了翻天覆地的变化。智能变送器、控制阀、电动机和驱动器提供的重要信息不仅包括仪表自身的状况而且包括整个过程的状况。把这些信息与先进的控制结合起来可以大大降低过程偏差，增强过程可用率。

三、 人工智能技术

智能是指发现知识以及运用知识解决问题的能力的总和。早在计算机诞生初期，人们就开始了试图利用计算机模拟人类智能的历程。但由于对人类智能的本质缺少足够的认知，加之早期数字式计算机技术水平的限制，人工智能学曾一度处于冬眠状态。专家系统的崛起使人们看到了人工智能发展的又一希望，但专家系统只能处理领域内的知识，对于领域外的知识却无能为力。因此，人工神经网络应运而生。其应用已取得突破，途径多种多样。目前，人工智能主要有以下几方面，应加以注意：

1.模糊逻辑控制技术

此项技术至今，已得到相当广泛的运用。如：模糊自动聚焦照相机，可自动调整焦距、选择快门速度、转动胶片。电视机、电冰箱、微波炉等家电产品；航空航天、汽车工业、模式识别、财政金融、工业控制等均已有应用。日本仙台市地铁系统开始的模糊控制系统，使列车在起动和停车时，顾客不再需要握着把手，即使站着也不会由于惯性而前俯后仰。

2.专家系统技术

专家系统是一种问题求解的智能软件系统，在某一专业领域内，它把有关人类专家的经验和知识表示成计算机能接受和处理的符号形式，采用专家的推理方法和控制策略，聚集该领域里只有专家才能解决的问题，并达到专家级水平。虽然專家系统所体现的智能有很大的局限性，但在局域领域的应用还是相当成功的。例如：各种数控机床中融入加工专家系统可显著提高机床加工的智能化水平。

3.人工神经网络

神经网络系统自上世纪40年代提出以来，在理论和应用上取得了巨大发展。自80年代以来，发展成为自控领域的前沿学科之一。人工神经网络系统简称ANS，具有很高的自适应能力，高度的学习能力，很强的计算能力及自组织能力。可进行并行处理并且可用数字或模拟两种方式实现，从而更接近于人脑神经网络的工作方式。

四、 结束语

现场总线技术的出现推动了整个自动化控制技术的发展，目前现场总线技术的优越性正越来越受全世界冶金、汽车、电力、机械制造以及楼宇自动化等领域技术人员和管理人员的重视。

现场总线技术的兴起，开辟了工厂底层网络的新天地。它将促进企业网络的快速发展，为企业带来新的效益，因而会得到广泛的应用，并推动自动化相关行业的发展。

参考文献

[1]魏东，潘兴华.应用现场总线技术实现自动化控制.北京建筑工程学院学报.2000年

[2]杨成林，徐颖..九十年代工程自动化现状.国内外机电一体化技术 1999年（2）

作者简介：宗丹（1983～），安徽宣城人，助理工程师，从事智能化专业相关工作