智能传感器、现场总线与FCS|智能传感器

　　【摘 要】归纳了智能传感器的性能特点，介绍了现场总线的体系结构及特点，分析了FCS的构成特征及FCS对DCS的影响。　　【关键词】智能传感器;现场总线;FCS　　引言
　　以现场总线为基础的全数字控制系统将现有的模拟信号用高容量的现场总线网络代替，从而大大减轻现场信号电缆连接的费用和工作量，提高信号的传输效率。
　　一．智能传感器的性能特点
　　一般的传感器只能作为敏感元件，须配上变换仪表来检测物理量、化学量等的变换。随着微电子技术的发展出现了智能仪表。智能仪表采用超大规模集成电路，在完成输入信号的非线性补偿、零点错误、温度补偿、故障诊断等基础上，还可完成对工业过程的控制。智能传感器集成了传感器智能仪表的全部功能，具有很高的线性度和低的温度漂移，特点如下：
　　⑴一定程度的人工智能。可以根据不同的测量要求，选择合适方案，并对信息进行综合处理，对系统状态进行预测。
　　⑵多敏感功能。将原来分散的各自独立的单敏传感器集成为具有多敏感功能的传感器，能同时测量多种物理量和化学量，全面反映被测量的综合信息。
　　⑶精度高、测量范围宽。随时检测出被测量的变化对检测元件特性的影响，并完成各种运算，其输出信号更为精确，同时其量程比可达100：1，最高达400：1，可用一个智能传感器应付很宽的测量范围，特别适用于要求量程比大的控制场合。
　　⑷通信功能。可采用标准化总线接口，进行信息交换。这是智能传感器的关键标志之一。
　　二．现场总线的体系结构
　　现场总线是连接智能现场设备和自动化的数字式、双向传输、多分支的通信网络。它是用于过程自动化最低层的现场设备以及现场仪表互连网络，是现场通信网络和控制系统的集成。现场总线是以ISO的OSI模型为基本框架的，并根据实际需要进行简化了的体系结构系统。现场总线具有互换性、互操作性、控制功能分散、互连网络、维修方便等优点外，还具有如下特点：
　　（1）网络结构体系简单。这种体系结构具有设计灵活、执行直观、性能良好等优点，同时还保证了通信的速度。
　　（2）综合自动化功能。把现场智能设备分作为一个网络节点，通过现场总线来实现各节点之间、节点与管理层之间的信息传递，易于实现复杂的自动化功能。
　　（3）容错能力强。现场总线通过使用检错、自校验、监督定时等故障检错方法，大大提高了系统的容错能力。
　　（4）提高了系统的抗干扰能力和测控精度。现场智能设备可以就近处理信号并采用数字通信方式与主控系统交换信息，不仅具有较强的抗干扰能力，而且其精度和可靠性也得到了很大的提高。
　　现场总线的这些特点不仅保证了它完全可以适应目前工业界对数字通讯和传统控制的要求，而且使它具有不同层次的复杂控制与先进控制、优化控制功能成为可能。
　　三．现场总线控制系统（FCS）
　　随着复杂过程工业的不断发展，工业过程控制对大量现场信号的采集、传递和数据交换以及对精度、可靠性、管控一体化都提出了更高的要求，现有的DCS已经不能满足这些要求，况且现有的DCS具有诸如控制不能彻底分散，故障相对集中，系统不彻底开放，成本较高等缺点。于是通过数字通讯技术、传感器技术和微处理器技术的融合，把传统的数字信号和模拟信号的混合系统变成全数字信号系统，从而产生了新一代的控制系统FCS。
　　3.1智能传感器和现场总线是组成FCS的两个重要部分
　　FCS用现场总线在控制现场，建立一条高可靠性的数字通讯线路，实现各个智能传感器之间及智能传感器与主机之间的数据通信，把单个分散的智能传感器变成网络节点。智能传感器中的数据处理有助于减轻主控制站的工作负担，使大量的信息处理就地化，减小了现场仪表与控制站之间的信息往返，降低了对网络数据通讯容量的要求，经过智能传感器预处理过的数据通过现场总线汇集到主机上，进行更高级的处理，提高了系统的可靠性和容错能力，这样FCS把各个智能传感器连接成了可以互相沟通信息，共同完成控制任务的网络系统，能更好的体现DCS中的“信息集中，控制分散”的功能，提高了信号传输的准确性、实时性和快速性。
　　以现场总线技术为基础，以微处理器为中心，以数字化通信为传输方式的现场总线智能传感器与一般的智能传感器相比，需有以下功能：
　　⑴共用一条总线传递信息，具有多种计算、数据处理及控制功能，从而减少主机的负担。
　　⑵取代4～20mA模拟信号传输，实现传输信号的数字化，增强信号的抗干扰能力。
　　⑶采用统一的网络化协议，成为FCS的节点，实现传感器和执行器之间信息交换。
　　⑷系统可对之进行校验、组态、测试，从而改善系统的可靠性。
　　⑸接口标准化，具有即插即用特性。
　　现场总线智能传感器是未来工业控制过程、控制系统的主流仪表，它与现场总线组成FCS的两个重要部分。但现场总线国际标准的制定却进展缓慢，现场总线标准的不统一影响了现场总线智能传感器的应用。
　　从世界范围来看，已流行的几种现场总线都有各自的优点，难以统一到某一种现场总线标准上，其原因是多方面的。首先是技术的原因，现有各种现场总线都具有各自的协议规范和行业标准，要统一存在许多技术难题，其次是商业利益，各现场总线与其背后的开发公司息息相关，各企业为今后占有更多的市场分额，都希望在现场总线的国际标准中采用自己的技术；再次是组织上的原因，现场总线的标准化必须有一个统一的国际性组织来完成。然而，多年来，用户迫切需要现场总线有一个统一的国际标准，以实现现场设备的互操作性和互换性。
　　3.2FCS对DCS的影响
　　传统的DCS系统由各种工作站通过局域网络连接而成，操作站和信息管理站完成系统的组态、监控和运行管理，现场监控站则完成生产过程信息的采集和控制，DCS的主要问题是开放型差分散不够，需要用大量的电缆传递信号，FCS则突破了DCS系统中通讯由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭专用的解决方案变成了基于开放通用标准化的解决方案，把集散系统结构变成了新型全分布式结构，把DCS控制站中基本且可独立的功能块彻底的下放到现场智能仪表中去。
　　实际上，工业过程控制的发展大体分：气动仪表控制→电动仪表控制→计算机集中控制→DCS几个阶段。目前，我国部分过程工艺都以DCS作为主流控制系统，电Ⅲ型仪表作为主导仪表，加上认识上的原因，现场总线仪表仍为非主导仪表，暂不能普及FCS。DCS是一个不断发展的控制系统，它必然不断采用现场总线技术对自身进行改造，使DCS能与现场总线智能仪表和局部FCS连接起来。
　　结束语
　　FCS的关键是现场总线技术与现场总线智能传感器。随着电Ⅲ型仪表改造为智能仪表，能构想出现场总线；随着数字通讯技术的成熟，能出现现场总线；从而从DCS中脱颖而出FCS。可以说FCS是工业系统的大革命，即模拟仪表分散控制→集散控制系统→全开放全分散全集中控制系统。国外从九十年代中开始投用FCS，国内从1998年开始试用FCS,但尚不完善和完整，目前正是步入FCS的实施阶段，它是完全可靠、完全分散的开放系统，依据目前的发展趋势，FCS将取代DCS，并在工业过程控制系统中占主导地位。