引 　言
    工業(yè)生產的過程測控技術由分離設備向共享設備發(fā)展;自動化技術由模擬儀表向智能化儀表發(fā)展;計算機網絡技術向現(xiàn)場延伸。同時經歷了五個發(fā)展階段:人工控制階段、模擬儀表控制系統(tǒng)階段、計算機集中式數字控制系統(tǒng)階段、集散式控制系統(tǒng)階段和現(xiàn)場總線" title="現(xiàn)場總線">現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)階段。集散式控制系統(tǒng)(distributed control system ,DCS)是目前普遍使用的一種控制結構 ,它按照多級計算機分布控制系統(tǒng)的設計思想 ,采用功能分層方法 ,信息一方面自下而上逐漸集中 ,同時它又自上而下逐漸分散 ,構成了系統(tǒng)的基本結構 ,分散控制為其最主要的特征;系統(tǒng)中信息的傳遞主要依賴于 4～20 mA 的模擬信號 ,采用點對點的通信方式。常見的集散式控制系統(tǒng)有美國和日本等某些公司的產品。隨著計算機集成制造系統(tǒng)的發(fā)展和控制系統(tǒng)的日益復雜化 ,集散式控制系統(tǒng)逐漸不能滿足發(fā)展的需求?，F(xiàn)場總線技術為解決問題提供了途徑。
   
    1.現(xiàn)場總線技術及其發(fā)展
    現(xiàn)場總線技術將專用的微處理器植入傳統(tǒng)的測控儀表 ,使其具備了數字計算和通信的能力 ,采用連接簡單的雙絞線、同軸電纜、光纖等作為總線 ,按照公開、規(guī)范的通信協(xié)議 ,在位于現(xiàn)場的多個微機化測控儀表之間、遠程監(jiān)控計算機之間實現(xiàn)數據共享 ,形成適應現(xiàn)場需要的控制系統(tǒng)。它的出現(xiàn)改變了以往使用電壓、電流模擬信號進行測控信號變化慢、信號傳輸抗干擾能力差的特點 ,提高了信號的測控和傳輸準確度 ,同時豐富了控制信息的內容 ,也改變了集中式控制可能造成的全線癱瘓的局面。因此 ,現(xiàn)場總線替代4～20 mA 模擬總線是控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢 ,形成了新型的網絡集成式全分布控制系統(tǒng)即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(fieldbus cont rol system FCS) 。
    現(xiàn)場總線技術是計算機技術、通信技術和控制技術發(fā)展的產物;是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡 ,它的關鍵標志是支持全數字通信。它是應用在生產現(xiàn)場 ,在微機化測控設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數字通信的網絡系統(tǒng) ,同時還具有與 Internet 和Int ranet 直接連接的能力。因此現(xiàn)場總線可以被看作是信息系統(tǒng)的直接終端。
    現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有以下的特點: ①開放式、互操作性、互換性、可集成性。不同廠家產品只要使用同一種總線標準 ,就具有互操作性、互換性 ,因此設備具有很好的可集成性。開放性的控制系統(tǒng) ,允許其他廠商將自己專長的控制技術 ,如控制算法、工藝方法、配方等集成到通用控制系統(tǒng)中 ,因此市場上將具有很多面向行業(yè)特點的控制系統(tǒng); ②系統(tǒng)內部從傳感器、變送器到執(zhí)行器 ,傳遞的都是數字信號 ,可以很容易的處理更復雜、更精確的信號 ,通過采用數字通信的各種錯誤檢測與糾錯算法使系統(tǒng)內部通信的可靠性得到提高; ③控制功能分散到現(xiàn)場設備中 ,控制室內儀表裝置和監(jiān)控計算機主要完成數據處理、監(jiān)督控制、優(yōu)化控制、協(xié)調控制和管理自動化等功能; ④系統(tǒng)可靠性高、可維護性好?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用總線連接方式代替一對一的 I/ O 連線,對于大規(guī)模系統(tǒng)來說 ,減少了由接點造成的不可靠因素。同時,系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設備的在線故障診斷、報警和記錄功能 ,也增加了系統(tǒng)的可靠性和可維護性; ⑤降低了系統(tǒng)及工程成本。對于大范圍大規(guī)模的 I/ O分布式系統(tǒng)來說,省去了大量的電纜、I/ O 模塊及電纜敷設費用,降低了系統(tǒng)及工程成本。
    當今典型的現(xiàn)場總線產品有: FF 現(xiàn)場總線、LonWorks現(xiàn)場總線、Profibus 現(xiàn)場總線、WorldFIP現(xiàn)場總線、 CAN 現(xiàn)場總線、 HART 協(xié)議。

   　LonWorks現(xiàn)場總線采用了面向對象的設計方法 ,通過使用網絡變量把網絡通信簡化為參數設置,外部設備使用LonWorks現(xiàn)場總線通信只需對Lon2Works的神經元芯片的 I/ O 口進行編程;WorldFIP現(xiàn)場總線的特點是具有單一的總線 ,可用于過程控制及離散控制 ,而且沒有任何網橋或網關 ,低速與高速部分的銜接用軟件的辦法來解決 ,已有較完整的系列產品 ,不像 FF現(xiàn)場總線目前只有低速部分 H1的產品;CAN 現(xiàn)場總線的信號傳輸采用短幀結構,每一幀的有效字節(jié)數為 8 個 ,因而傳輸時間短 ,受干擾的概率低。當節(jié)點發(fā)生嚴重錯誤時 ,具有自動關閉的功能 ,以切斷該節(jié)點的信息; HART 協(xié)議的特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數字信號通信,屬于模擬系統(tǒng)向數字系統(tǒng)轉變過程中的過渡性產品 ,因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力 ,得到了較快發(fā)展。
     2000 年 IEC 公布了 IEC 61158 現(xiàn)場總線標準,該國際標準容納了8 種互不兼容的協(xié)議,每種協(xié)議及其系列產品背后都有一定的跨國公司支持,多種現(xiàn)場總線標準并存成為事實 ,過多的標準給用戶選用帶來了很大的困惑和不便。近年來由于以太網技術的飛速發(fā)展 ,以太網正逐漸應用于工業(yè)自動化領域。
    
     2.虛擬儀表" title="虛擬儀表">虛擬儀表技術及其應用
     虛擬儀表是利用現(xiàn)有的計算機加上特殊的儀表硬件和專用軟件 ,形成既有普通儀表的基本功能 ,又有一般儀表所沒有的特殊功能的新型儀表。用戶通過顯示器上各處虛擬的按鍵、開關、旋扭 ,去使用儀表的各種功能 ,控制儀表的運行。從顯示器上的虛擬顯示屏、數碼顯示器和指示燈 ,了解儀器的狀態(tài),讀取測試結果。虛擬儀表以計算機為基礎 ,配合各種數據采集卡、輸入/輸出設備 ,完成普通儀表的信號采集與控制功能。普通儀表的另外兩個主要功能:信號分析與處理、結果的表達與輸出 ,則主要由計算機內運行的專用軟件實現(xiàn)。
     虛擬儀表性能價格比高具體表現(xiàn)在: ①基于通用計算機的虛擬儀表可以使多種儀表共享計算機資源和數據采集設備 ,從而大大增強了儀表的功能和降低了成本; ②虛擬儀表是一個開放性、模塊化系統(tǒng) , 用戶能根據各自具體的測試任務、通過各種標準化、模塊化的軟件模塊和硬件板卡組成自己的測試儀表 , 儀表的升級也可以通過簡單的軟件模塊重組完成 ,在多數情況下甚至無需更換硬件; ③虛擬儀表智能化程度高 , 普通儀表的信號分析與處理、輸入與輸出控制在虛擬儀表中都由計算機軟件完成,充分利用了軟件強大的運算分析和邏輯判斷能力。
     近年來 ,世界各國的虛擬儀表公司開發(fā)了不少虛擬儀表開發(fā)平臺軟件 ,其中最早和最具影響的開發(fā)軟件 ,是 NI 公司采用圖形化編程方案的 LabVIEW軟件。科研人員和工程師只需選用 LabVIEW中合適的信號分析處理模塊和顯示控件 ,通過簡單的連線和參數設置即可組成各種不同組態(tài)的虛擬儀表。在硬件方面,虛擬儀表產品主要以各種數據采集卡為主,輔以各種標準總線組成虛擬儀表系統(tǒng)。
     在實際應用方面 ,國外已有一些應用虛擬儀表的例子。美國 Geomatics公司于采用虛擬儀器開發(fā)平臺軟件開發(fā)而成的自動灌溉監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)運行在 Macintosh 計算機上 ,以星型結構連接一系列的土壤溫度計、壓力與流量傳感器、電磁閥、水泵等,現(xiàn)場處理器配置有模擬量輸入通道、鎖存器、繼電器 ,并通過 RS232 接口與主機實行串行通信。國內也開發(fā)出基于虛擬儀表的原油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。

     3.現(xiàn)場總線與虛擬儀表技術相融合的發(fā)展趨勢
     隨著現(xiàn)代工業(yè)生產的發(fā)展 ,特別是計算機集成制造系統(tǒng)的日益推廣和普及 ,生產過程中的各種傳感器、智能儀表和智能變送器正呈現(xiàn)出越來越明顯的分布式發(fā)展趨勢 ,這對虛擬儀表的分布性和網絡化提出了發(fā)展的要求?，F(xiàn)場總線技術的發(fā)展和應用滿足了虛擬儀表這種發(fā)展的要求?，F(xiàn)場總線的雙向數字通信、連接簡單可靠、成本低廉正是日趨復雜和網絡化的虛擬儀表系統(tǒng)所必需的特性。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中 ,控制功能分散到現(xiàn)場設備中 ,控制室內儀表裝置和監(jiān)控計算機主要完成數據處理、監(jiān)督控制、優(yōu)化控制、協(xié)調控制和管理自動化等功能。而虛擬儀表系統(tǒng)中通過現(xiàn)場總線連接起來的各種傳感器也可以充分利用監(jiān)控計算機強大的計算分析和邏輯判斷能力 ,提供統(tǒng)一、友好的人機交互界面 ,與控制系統(tǒng)更緊密的融合在一起?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)適應了工業(yè)界對數字通信和自動控制的要求 ,而且使控制網絡與 Internet 互連 ,構成不同層次的復雜網絡成為可能 ,代表了今后工業(yè)控制體系發(fā)展的一個方向。虛擬儀表技術應用于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) ,將使現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)成為企業(yè)的信息神經網絡的一部分。企業(yè)的信息神經網絡通過虛擬儀表系統(tǒng)收集生產過程中的各種信息 ,為企業(yè)的經營策略和生產調度提供支持;同時 ,各種生產調度信息也可以直接通過現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)傳送到生產現(xiàn)場的各國內外已開始有將現(xiàn)場總線與虛擬儀表技術相融合的測控系統(tǒng)面世。如國內的大慶三維公司于2001 年 8 月推出的 HMI/ SCADA 平臺 ,采用了LonWorks現(xiàn)場總線作為現(xiàn)場級網絡 ,借鑒了 LabVIEW的虛擬儀表思想和技術形成了其組態(tài)控制策略編輯器。    

     4.結束語
     應用現(xiàn)場總線與虛擬儀表技術相融合的測控系統(tǒng)將會充分發(fā)揮這兩種技術的優(yōu)勢 ,形成互補。借助于現(xiàn)場總線技術的虛擬儀表系統(tǒng)將能實現(xiàn)分布式網絡化 ,充分發(fā)揮網絡上其它設備強大的計算分析和邏輯判斷能力。融合虛擬儀表的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將能提供統(tǒng)一、友好的人機界面 ,適應當代多網合一的發(fā)展要求。在完成廣州市重點攻關項目“現(xiàn)代溫室的網絡化人機協(xié)同調控系統(tǒng)及開發(fā)應用”中融合運用了現(xiàn)場總線和虛擬儀表技術 ,在目前正在進行的研究工作中取得了較好的效果?？梢灶A見 ,現(xiàn)場總線與虛擬儀表技術的融合將是工業(yè)自動化和過程控制領域的重要發(fā)展趨勢之一。