現(xiàn)場總線技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.doc

現(xiàn)場總線技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢榮應(yīng)超摘要：現(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，它是現(xiàn)場控制技術(shù)與現(xiàn)代電子、計算機、通訊技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，現(xiàn)場設(shè)備的智能化及可互連和互操作性，有助于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)進一步向分散化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。本文介紹了現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)生的背景及現(xiàn)狀，現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)和未來的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線 現(xiàn)狀 趨勢 現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它是工業(yè)控制的底層網(wǎng)絡(luò)，與執(zhí)行器、傳感器等直接打交道，屬于局域網(wǎng)的范疇。1、 現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)生的背景隨著計算機、信息技術(shù)的發(fā)展，以及全球化市場的逐漸形成，導(dǎo)致競爭力更加劇烈。工業(yè)生產(chǎn)必須加快新產(chǎn)品的開發(fā)，改善質(zhì)量，降低成本，并不斷的完善售前售后服務(wù)，才能在劇烈的競爭中立于不敗之地。于是，計算機集成制造系統(tǒng)也就應(yīng)運而生，它把市場、生產(chǎn)計劃、制造過程、企業(yè)管理、售后服務(wù)看作要統(tǒng)一的生產(chǎn)過程，并采用計算機、自動化、通信等技術(shù)來實現(xiàn)整個過程的綜合自動化，以改善生產(chǎn)和管理的決策。要實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)，就是要把整個過程各個環(huán)節(jié)之間的信息交換，一是要使用大量的電纜，成本高，二是信號在傳輸過程中會產(chǎn)生電磁干擾，影響環(huán)境溫度，產(chǎn)生粉塵、有害氣體等，影響信號傳輸?shù)目煽啃?。要實現(xiàn)企業(yè)的信息集成和實施綜合自動化，就必須設(shè)計出一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的，可靠性強、造價低廉的通信系統(tǒng)，形成工業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場自動化設(shè)備之間的多點數(shù)字通信，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設(shè)備與外界的信息交換。現(xiàn)場總線就是在這種實際需要的驅(qū)動下應(yīng)運而生的，它應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)將現(xiàn)場各控制器及智能儀表設(shè)備互聯(lián)，構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線就是順應(yīng)這一形式發(fā)展起來的新技術(shù)。二、現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn) 由于市場的驅(qū)動，世界各大控制系統(tǒng)廠家都相繼開發(fā)了各自的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)繁多。要想達到開放、兼容、互操作和各總線間互聯(lián)的目的，就必須實行大家都遵守的國際標(biāo)準(zhǔn)。國際IEC/TC65標(biāo)準(zhǔn)化組織為統(tǒng)一現(xiàn)場總線通信協(xié)議，在10多年工作中，通過爭論與妥協(xié)，于1999年12月底通過了8種總線標(biāo)準(zhǔn)的折中方案。這8種總線的類型是：IEC技術(shù)報告（FF即H1）、CONTROLNET、PROFIBUS、P-NET、FF、HSE、SWIFTNET、WOLDFIP、INTERBUS，再加上IECTC17B通過的3種現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，即SDS、ASI與DeviceNet，還有ISO11898的CAN，共有12種之多。IEC/TC65 負責(zé)測量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信國際標(biāo)準(zhǔn)化工作的SC65C/WG6，是最先開始現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化工作的組織。 1、基金會現(xiàn)場總線（FoundationFieldbus 簡稱FF）這是以美國Fisher-Rousemount公司為首的聯(lián)合了橫河、ABB、西門子、英維斯等80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首的聯(lián)合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協(xié)議于1994年9月合并的。該總線在過程自動化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景。基金會現(xiàn)場總線采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的開放化系統(tǒng)互聯(lián)OSI的簡化模型（1，2，7層），即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，另外增加了用戶層。FF分低速H1和高速H2兩種通信速率，前者傳輸速率為31.25Kbit/秒，通信距離可達1900m，可支持總線供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)境。后者傳輸速率為1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距離為750m和500m，支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符號IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。FF的物理媒介的傳輸信號采用曼切斯特編碼。2、CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域網(wǎng)）最早由德國BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領(lǐng)域，其總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協(xié)議分為二層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，具有自動關(guān)閉功能，具有較強的抗干擾能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破壞性總線仲裁技術(shù)，通過設(shè)置優(yōu)先級來避免沖突，通訊距離最遠可達10KM/5Kbps/s，通訊速率最高可達40M /1Mbp/s，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)實際可達110個。已有多家公司開發(fā)了符合CAN協(xié)議的通信芯片。3、Lonworks它由美國Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡導(dǎo)。它采用ISO/OSI模型的全部7層通訊協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線等多種通信介質(zhì)，通訊速率從300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距離可達2700m（78Kbit/s），被譽為通用控制網(wǎng)絡(luò)。Lonworks技術(shù)采用的LonTalk協(xié)議被封裝到Neuron（神經(jīng)元）的芯片中，并得以實現(xiàn)。采用Lonworks技術(shù)和神經(jīng)元芯片的產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。三種種典型的現(xiàn)場總線（協(xié)議）性能對照表- 現(xiàn)場總線類型 - FF CAN LonWorks-應(yīng)用范圍 儀表 汽車 樓與自動化 OSI網(wǎng)絡(luò)層次 12,3,8 1,2,7 17通信介質(zhì) 雙絞線、電纜 雙絞線 雙絞線、電力線 光纖 光纖 光纖 介質(zhì)訪問方式 令牌、 位仲裁 P-P CSMA 主從 糾錯方式 CRC CRC CRC 通信速率（Mbps） 2.5 1 1.25最大節(jié)點數(shù) 32 110 2的48次方優(yōu)先級 有 有 有保密性 本安性 是 是 是開發(fā)工具 有 有 有-3、 發(fā)展趨勢從現(xiàn)場總線技術(shù)本身分析，具有兩個明顯發(fā)展趨勢。一是尋求統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)。二是Industrial Ethernet走向工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一、開放的TCP/IP Ethernet是20多年來發(fā)展最成功的網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ，過去一直認為，Ethernet是為IT領(lǐng)域應(yīng)用而開發(fā)的，它與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)在實時性、環(huán)境適應(yīng)性、總線饋電等許多方面的要求存在差距，在工業(yè)自動化領(lǐng)域只能得到有限應(yīng)用。事實上，這些問題正在迅速得到解決，國內(nèi)對EPA技術(shù)（Ethernet for Process Automation）也取得了很大的進展。隨著FF HSE的成功開發(fā)以及PROFInet的推廣應(yīng)用，可以預(yù)見Ethernet技術(shù)將會十分迅速地進入工業(yè)控制系統(tǒng)的各級網(wǎng)絡(luò)。4、 體會 （1）現(xiàn)場總線技術(shù)是實現(xiàn)現(xiàn)場級控制設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)；是一次工業(yè)現(xiàn)場級設(shè)備通信的數(shù)字化革命?，F(xiàn)場總線技術(shù)可使用一條通信電纜將現(xiàn)場設(shè)備（智能化、帶有通信接口）連接，用數(shù)字化通信代替4-20mA/24VDC信號，完成現(xiàn)場設(shè)備控制、監(jiān)測、遠程參數(shù)化等功能。（2）傳統(tǒng)的現(xiàn)場級自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用一對一連線的、4-20mA/24VDC信號，信息量有限，難以實現(xiàn)設(shè)備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自控系統(tǒng)成為工廠中的信息孤島，嚴(yán)