【導讀】現(xiàn)場總線把通信線一直延伸到生產現(xiàn)場或生產設備是用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表互聯(lián)的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，傳統(tǒng)的 DCS 的通信網(wǎng)絡截止于控制站或輸入輸出單元。
現(xiàn)場總線的本質原理
1）現(xiàn)場通信網(wǎng)絡
現(xiàn)場總線把通信線一直延伸到生產現(xiàn)場或生產設備是用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表互聯(lián)的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，傳統(tǒng)的 DCS 的通信網(wǎng)絡截止于控制站或輸入輸出單元。現(xiàn)場儀表與控制室輸入輸出端口仍然是一對一的模擬信號傳輸，工業(yè)生產現(xiàn)場的環(huán)境十分惡劣，既有各種電磁場的干擾噪聲，又有各種酸、堿、鹽等腐蝕性有害物質，還有高溫低溫、高濕度和各種粉塵。現(xiàn)場總線能適應工業(yè)生產現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，從而實現(xiàn)了全數(shù)字通信。
2）現(xiàn)場設備互連
現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器和執(zhí)行器等。這些設備能通過一對傳輸線互連傳輸線可以是雙絞線、同軸電纜、光纜和電源線等并可根據(jù)需要因地制宜的選擇不同類型的傳輸介質。
3）互換性和互操作性
現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表種類繁多，沒有仟何一家制造商可以提供一個工廠所需的全部現(xiàn)場設備。所以，互相連接不同制造商的產品是不可避免的用戶不希望為所選用的產品不同而在硬件或軟件上花很大力氣。希望選用各制造商性能價格比最優(yōu)的產品集成在一起，實現(xiàn)即接即用。用戶希望對不同品牌的現(xiàn)場設備統(tǒng)一組態(tài)，構成所需要的控制回路。這些就是現(xiàn)場設備互換性和互操作性的含義。
4）分散功能塊
FCS 廢止了 DCS 的輸入 / 輸出單元和控制站，把 DCS 控制站的功能分散的分配給現(xiàn)場儀表，從而構成虛擬控制站。例如流量變送器不僅具有流量信號變換、補償輸入模塊，而且有 PID 控制和運算功能塊；調節(jié)閥的基本功能是信號驅動和執(zhí)行，還內含輸出特性補償模塊；也可以有 PID 控制和運算模塊；還可以有閥門特性自校驗和自診斷功能。功能塊分散在多臺現(xiàn)場儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)，用戶可以靈活選擇各種功能模塊，構成所需要的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)徹底的分散控制。
5）通信線供電
通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量，這種方式提供于本質安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場儀表，與其配套的還有安全柵眾所周知，化工、煉油等企業(yè)的生產現(xiàn)場有可燃性物質，所用現(xiàn)場設備必須嚴格遵循安全防爆標準，現(xiàn)場總線也不能例外。
6）開放式互連網(wǎng)絡
現(xiàn)場總線為開放互連網(wǎng)絡，既可與同層網(wǎng)絡互連，也可與不同層網(wǎng)絡互連，不同制造商的網(wǎng)絡互連十分簡單。用戶不必在硬件或軟件上花多大力氣開放式互連網(wǎng)絡還體現(xiàn)在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫共享，通過網(wǎng)絡對現(xiàn)場設備和功能塊的統(tǒng)一組態(tài)，天衣無縫的把不同制造商的網(wǎng)絡及設備融為一體，構成統(tǒng)一的 FCS。
現(xiàn)場總線為什么要隔離
目前大多數(shù)產品對外通訊部分可總結為：MCU+收發(fā)器+外部總線，其中大多數(shù)常用的 MCU 都集成有 CAN 或 UART 鏈路層控制器。從 MCU 發(fā)出的電平信號一般為 5V 或 3.3V，為達到與總線連接和遠傳的目的，往往需要在 MCU 與總線間加收發(fā)器，它起到電平轉換的作用。
采用總線通信方式必然涉及到外部通信走線，CAN 和 458 總線往往需要做數(shù)百米的布線。總線越長、經(jīng)過的環(huán)境越復雜越容易出現(xiàn)通信問題。外部環(huán)境中復雜多變的電磁場會間接抬高總線的電勢，靜電、浪涌、短路等會直接作用到通信線上。以上情況的出現(xiàn)，輕則導致收發(fā)器損壞，重則造成主板故障。因此，與總線連接前加入隔離是十分必要的。
現(xiàn)場總線隔離的方法
隔離的方法及原理與 I/O 隔離相似，不同的是通信隔離需要考慮到隔離器件對通信信號的影響，不當?shù)母綦x往往導致通信中斷或通信不暢。對收發(fā)器來說，隔離可以從兩方面入手，通信隔離和供電隔離。
目前主流的通信隔離方案為光耦、容耦及磁耦，隔離特點上光耦采用光的形式進行信號傳遞，容耦通過電場的形式進行傳輸，磁偶采用磁場形式進行傳輸。供電隔離采用微功率 DC-DC 隔離電源，使輸入與輸出之間沒有電氣連接，避免供電端對收發(fā)器的影響。
具體來講，隔離可以從兩個渠道實現(xiàn)：采用分立元器件搭建或采用集成模塊。采用分立模塊搭建往往涉及到很多器件的選型及采購，實現(xiàn)起來較為麻煩且難保證該部分在產品上的一致性。基于此，集供電隔離、通信隔離一體的隔離收發(fā)器模塊應運而生，緊湊的體積使他在應用便捷的同時占用更少的 PCB 面積。
