工業(yè)現(xiàn)場總線體系介紹

1、現(xiàn)場總線( Field bus )是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主 要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、 控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信 以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。由于現(xiàn)場總線簡 單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)， 因而受到了許多標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體和計(jì)算機(jī)廠 商的高度重視。 它是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線， 是自動(dòng)化領(lǐng)域中底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。 簡單說， 現(xiàn)場 總線就是以數(shù)字通信替代了傳統(tǒng) 4-20mA模擬信號及普通開關(guān)量信號的傳輸，是 連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的全數(shù)字、 雙向、多站的通信系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線應(yīng) 用行業(yè)：現(xiàn)場總線的產(chǎn)生對工業(yè)的發(fā)展起著非常重要的作用， 對

2、國民經(jīng)濟(jì)的增長 有著非常重要的影響?，F(xiàn)場總線主要應(yīng)用于石油、化工、電力、醫(yī)藥、冶金、加 工制造、交通運(yùn)輸、國防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領(lǐng)域。 現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場與微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多 節(jié)點(diǎn)通信的系統(tǒng)也稱為開放式全數(shù)字化多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。 現(xiàn)場總線的定義： 現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制室之間的一種“全數(shù)字化，雙向多變量，多點(diǎn) 多站的通信系統(tǒng)” 其本質(zhì)含義表現(xiàn)在以下六個(gè)方面： 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)、 現(xiàn)場設(shè)備互 連、互操作性、分散功能模塊和開放式互連網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn)： 實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化通信，不同廠家產(chǎn)品互操作；實(shí)現(xiàn)了真正的分布式控制 ( 分散式 控制) ：可以傳送多個(gè)過程變量的同

3、時(shí)可將儀表標(biāo)識(shí)符和簡單診斷信息一并傳送， 可以產(chǎn)生最先進(jìn)的現(xiàn)場儀表， 多變量變送器； 提高了測試精度； 增強(qiáng)了系統(tǒng)的自 治性。 現(xiàn)場總線特征 (1) 全數(shù)字化通信 (2) 開放型的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) (3) 互可操作性與互用性 (4) 現(xiàn)場設(shè)備的智能化 (5) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 (6) 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性 現(xiàn)場總線特點(diǎn)及缺陷 現(xiàn)場控制設(shè)備具有通信功能，便于構(gòu)成工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)。 通信標(biāo)準(zhǔn)的公開、一致，使系統(tǒng)具備開放性，設(shè)備間具有互可操作性。 功能塊與結(jié)構(gòu)的規(guī)范化使相同功能的設(shè)備間具有互換性。 控制功能下放到現(xiàn)場，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備高度的分散性。 現(xiàn)場總線總線優(yōu)點(diǎn) 現(xiàn)場總線使自控設(shè)備與系統(tǒng)步入了信息網(wǎng)

4、絡(luò)的行列， 為其應(yīng)用開拓了更為廣闊的 領(lǐng)域； 一對雙絞線上可掛接多個(gè)控制設(shè)備， 便于節(jié)省安裝費(fèi)用； 節(jié)省維護(hù)開銷； 提高了系統(tǒng)的可靠性； 為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。 現(xiàn)場總線總線缺點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)通信中數(shù)據(jù)包的傳輸延遲， 通信系統(tǒng)的瞬時(shí)錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)包丟失， 發(fā)送與到達(dá) 次序的不一致等都會(huì)破壞傳統(tǒng)控制系統(tǒng)原本具有的確定性， 使得控制系統(tǒng)的分析 與綜合變得更復(fù)雜，使控制系統(tǒng)的性能受到負(fù)面影響。 現(xiàn)場總線總線本質(zhì) 不同的機(jī)構(gòu)和不同的人可能對現(xiàn)場總線有著不同的定義， 不過通常情況下， 大家 公認(rèn)在以下六個(gè)方面： 現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò) 用于過程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)。 現(xiàn)

5、場總線設(shè)備互聯(lián) 依據(jù)實(shí)際需要使用不同的傳輸介質(zhì)把不同的現(xiàn)場設(shè)備或者現(xiàn)場儀表相互關(guān)聯(lián)。 現(xiàn)場總線互操作性 用戶可以根據(jù)自身的需求選擇不同廠家或不同型號的產(chǎn)品構(gòu)成所需的控制回路， 從而可以自由地集成 FCS。 現(xiàn)場總線分散功能塊 FCS廢棄了 DCS的輸入/輸出單元和控制站,把DCS控制站的功能塊分散地分 配給現(xiàn)場儀表 , 從而構(gòu)成虛擬控制站，徹底地實(shí)現(xiàn)了分散控制。 現(xiàn)場總線通信線供電 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 , 這種方式提供用于本 質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場儀表 , 與其配套的還有安全柵。 現(xiàn)場總線開放式互聯(lián)網(wǎng) 現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，也可與不同層網(wǎng)

6、絡(luò)互聯(lián)， 還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享。 從以上內(nèi)容我們可以看到， 現(xiàn)場總線體現(xiàn)了分布、 開放、互聯(lián)、高可靠性的特點(diǎn)， 而這些正是DCS系統(tǒng)的缺點(diǎn)。DCS通常是一對一單獨(dú)傳送信號，其所采用的模擬 信號精度低， 易受干擾，位于操作室的操作員對模擬儀表往往難以調(diào)整參數(shù)和預(yù) 測故障，處于“失控”狀態(tài)，很多的儀表廠商自定標(biāo)準(zhǔn)，互換性差，儀表的功能 也較單一，難以滿足現(xiàn)代的要求， 而且?guī)缀跛械目刂乒δ芏嘉挥诳刂普局小?FCS 則采取一對多雙向傳輸信號， 采用的數(shù)字信號精度高、 可靠性強(qiáng)， 設(shè)備也始終處 于操作員的遠(yuǎn)程監(jiān)控和可控狀態(tài)， 用戶可以自由按需選擇不同品牌種類的設(shè)備互 聯(lián)，智能儀表具有通信、 控制

7、和運(yùn)算等豐富的功能， 而且控制功能分散到各個(gè)智 能儀表中去。由此我們可以看到 FCS相對于DCS的巨大進(jìn)步。 也正是由于FCS的以上特點(diǎn)使得其在設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)都具有很大的 優(yōu)越性：首先由于分散在前端的智能設(shè)備能執(zhí)行較為復(fù)雜的任務(wù)， 不再需要單獨(dú) 的控制器、計(jì)算單元等，節(jié)省了硬件投資和使用面積；FCS的接線較為簡單，而 且一條傳輸線可以掛接多個(gè)設(shè)備， 大大節(jié)約了安裝費(fèi)用； 由于現(xiàn)場控制設(shè)備往往 具有自診斷功能，并能將故障信息發(fā)送至控制室，減輕了維護(hù)工作；同時(shí)，由于 用戶擁有高度的系統(tǒng)集成自主權(quán)， 可以通過比較靈活選擇合適的廠家產(chǎn)品； 整體 系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性也大為提高。這一切都幫助

8、用戶實(shí)現(xiàn)了減低安裝、使用、 維護(hù)的成本，最終達(dá)到增加利潤的目的。 現(xiàn)場總線發(fā)展趨勢 從現(xiàn)場總線技術(shù)本身來分析，它有兩個(gè)明顯的發(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In dustrial Ethernet走向工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。EPA即以太網(wǎng)過程自動(dòng)化技術(shù)。 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(rèn)為， Ethernet (以太網(wǎng))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(shí)時(shí)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(dòng)化領(lǐng)域只能得到 有限應(yīng)用。事實(shí)上，這些問題正在迅速得到解決，國內(nèi)對EPA技術(shù)(Ethe

9、rnet for Process Automation )也取得了很大的進(jìn)展。隨著 FF HSE 的成功開發(fā)以及 PRO FI net的推廣應(yīng)用，可以預(yù)見Ethernet技術(shù)將會(huì)十分迅速地進(jìn)入工業(yè)控制系 統(tǒng)的各級網(wǎng)絡(luò)。 國際上形成的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的四大陣營： 主要用于離散制造控制系統(tǒng)的是： 1) Modbus-IDA工業(yè)以太網(wǎng) 2) Ethernet/IP 工業(yè)以太網(wǎng) 3) PROFI net工業(yè)以太網(wǎng) 主要用于過程控制系統(tǒng)的是： 4) Foundation Fieldbus HSE 工業(yè)以太網(wǎng) 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，過程控制領(lǐng)域在過去的兩個(gè)世紀(jì)里發(fā)生了巨大的變 革。150 多年前出現(xiàn)的基于

10、 5 13psi 的氣動(dòng)信號標(biāo)準(zhǔn) （ PCS，Pneumatic Control System 氣動(dòng)控制系統(tǒng)），標(biāo)志著控制理論初步形成， 但此時(shí)尚未有控制室的概念； 20世紀(jì)50年代，隨著基于0 5V或4 20mA勺電流模擬信號的模擬過程控制體 系被提出并得到廣泛的應(yīng)用， 標(biāo)志了電氣自動(dòng)控制時(shí)代的到來， 三大控制論的確 立奠定了現(xiàn)代控制的基礎(chǔ)，設(shè)立控制室、控制功能分離的模式也一直沿用至今； 20世紀(jì) 70年代，隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的介入，產(chǎn)生了“集中控制”的中央控制計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)，而信號傳輸系統(tǒng)大部分是依然沿用 4 - 20mA勺模擬信號，不久人們也發(fā) 現(xiàn)了伴隨著“集中控制”， 該系統(tǒng)存在著易失控、

11、可靠性低的缺點(diǎn)， 并很快將其 發(fā)展為分布式控制系統(tǒng)（ DCS， Distributed Control System分布式控制系統(tǒng)）； 微處理器的普遍應(yīng)用和計(jì)算機(jī)可靠性的提高， 使分布式控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng) 用，由多臺(tái)計(jì)算機(jī)和一些智能儀表以及智能部件實(shí)現(xiàn)的分布式控制是其最主要的 特征，而數(shù)字傳輸信號也在逐步取代模擬傳輸信號。 隨著微處理器的快速發(fā)展和 廣泛的應(yīng)用， 數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場成為可能， 產(chǎn)生了以微處理器為 核心，使用集成電路代替常規(guī)電子線路，實(shí)施信息采集、顯示、處理、傳輸以及 優(yōu)化控制等功能的智能設(shè)備。設(shè)備之間彼此通信、控制，在精度、可操作性以及 可靠性、可維護(hù)性等都有更

12、高的要求。由此，導(dǎo)致了現(xiàn)場總線的產(chǎn)生。 2. 國際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程 1984 年美國 Inter 公司提出一種計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng) -位總線（ BITBUS）， 它主要是將低速的面向過程的輸入輸出通道與高速的計(jì)算機(jī)總線多（MULTIBU）S 分離，形成了現(xiàn)場總線的最初概念。 80年代中期，美國 Rosemount 公司開發(fā)了 一種可尋址的遠(yuǎn)程傳感器（HART通信協(xié)議。采用在420mA莫擬量疊加了一種 頻率信號，用雙絞線實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號傳輸。HART協(xié)議已是現(xiàn)場總線的雛形。1985 年由 Honeywell 和 Bailey 等大公司發(fā)起，成立了 World FIP 制定了 FIP 協(xié)議。 1987 年

13、，以 Siemens， Rosemoun，t 橫河等幾家著名公司為首也成立了一個(gè)專門 委員會(huì)互操作系統(tǒng)協(xié)議（ISP）并制定了 PROFIBU協(xié)議。后來美國儀器儀表學(xué)會(huì) 也制定了現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn) IEC/ISA SP50 。隨著時(shí)間的推移，世界逐漸形成了兩個(gè) 針鋒相對的互相競爭的現(xiàn)場總線集團(tuán)：一個(gè)是以Siemens、Rosemoun,橫河為 首的 ISP 集團(tuán)；另一個(gè)是由 Honeywell 、Bailey 等公司牽頭的 WorldFIP 集團(tuán)。 1994年，兩大集團(tuán)宣布合并，融合成現(xiàn)場總線基金會(huì)（Fieldbus Foundation ） 簡稱FF。對于現(xiàn)場總線的技術(shù)發(fā)展和制定標(biāo)準(zhǔn)，基金委員會(huì)取得

14、以下共識(shí)：共 同制定遵循 IEC/ISA SP50 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；商定現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展階段。 1999年底IECTC65（負(fù)責(zé)工業(yè)測量和控制的第 65標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)）通過了 8種 類型的現(xiàn)場總線作為IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)。 2003年 4 月， IEC61158 現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)第 3 版正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定 10種 類型的現(xiàn)場總線：TS61158現(xiàn)場總線、ControlNet和Ethernet/IP 現(xiàn)場總線、 Profibus現(xiàn)場總線、P-NET現(xiàn)場總線、FF HSE現(xiàn)場總線、SwiftNet現(xiàn)場總線、 World FIP現(xiàn)場總線、In terbus 現(xiàn)場總線、FF H1現(xiàn)場總線、PROFI n

15、et現(xiàn)場總 線。 國內(nèi)工業(yè)總線 EPA， G-link,Symotion 與 NCUC-BUS 現(xiàn)場總線總線現(xiàn)狀 由于各個(gè)國家各個(gè)公司的利益之爭， 雖然早在 1984年國際電工技術(shù)委員會(huì) /國際 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（IEC/ISA）就著手開始制定現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)，至今統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)仍未完 成。很多公司也推出其各自的現(xiàn)場總線技術(shù)， 但彼此的開放性和互操作性還難以 統(tǒng)一。 現(xiàn)場總線總線并存 世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場總線，如法國的 FIP，英國的ERA德國西門子 公司 Siemens 的 ProfiBus ， 挪威 的 FINT，Echelon 公司 的 LONWorks， Phe nixCo ntact 公司

16、的 In terBus ， RoberBosch 公司的 CAN Rosemou nt 公司的 HART，CarloGavazzi 公司的 Dupline ，丹麥 ProcessData 公司的 P-net ，PeterHans 公司的 F-Mux,以及 ASI (ActraturSensorlnterface), MODBqs SDS Arcnet , 國際標(biāo)準(zhǔn)組織 - 基金會(huì)現(xiàn)場總線 FF：FieldBusFoundation ，WorldFIP，BitBus ， 美國的 DeviceNet 與 ControlNet 等等。這些現(xiàn)場總線大都用于過程自動(dòng)化、醫(yī) 藥領(lǐng)域、加工制造、交通運(yùn)輸、國

17、防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領(lǐng)域,大概不到十種 的總線占有 80%左右的市場。 工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)可歸為三類：485網(wǎng)絡(luò)、HART網(wǎng)絡(luò)、FieldBus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。 485網(wǎng)絡(luò)：RS485/MODBU是現(xiàn)在流行的一種工業(yè)組網(wǎng)方式， 其特點(diǎn)是實(shí)施簡單方 便，而且支持 RS485的儀表又特別多。儀表商也紛紛轉(zhuǎn)而支持RS485/MODBUS 原因很簡單， RS485 的轉(zhuǎn)換接口不僅便宜而且種類繁多。至少在低端市場上， RS485/MODBUS將是最主要的工業(yè)組網(wǎng)方式。 HART網(wǎng)絡(luò)：HART是由艾默生提出的一個(gè)過渡性總線標(biāo)準(zhǔn)，主要特征是在4-20 毫安電流信號上面疊加數(shù)字信號， 但該協(xié)議并未真正開放， 要加入

18、他的基金會(huì)才 能拿到協(xié)議，而加入基金會(huì)要一定的費(fèi)用。HART技術(shù)主要被國外幾家大公司壟 斷，近些年國內(nèi)也有公司在做， 但還沒有達(dá)到國外公司的水平。 有很多智能儀表 帶有HART圓卡，支持HART通訊功能。但從國內(nèi)情況來看，還沒有真正用到這 部分功能來進(jìn)行設(shè)備聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控， 最多只是利用手操器對其進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。 從長遠(yuǎn) 來看，由于HART通信速率低、組網(wǎng)困難等原因，HART儀表的應(yīng)用將呈下滑趨勢。 FieldBus 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)之一，被譽(yù)為 自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。 它的出現(xiàn)標(biāo)志著自動(dòng)化控制技術(shù)又一個(gè)新時(shí)代的開 始。現(xiàn)場總線是連接控制現(xiàn)場的儀表與控制室內(nèi)的控制裝

19、置的數(shù)字化、 串行、多 站通信的網(wǎng)絡(luò)。其關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字化通信?，F(xiàn) 場總線技術(shù)成為國際上自動(dòng)化和儀器儀表發(fā)展的熱點(diǎn)， 它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的控制系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了革命性的變化，使自控系統(tǒng)朝著“智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò) 化、分散化”的方向進(jìn)一步邁進(jìn)， 形成新型的網(wǎng)絡(luò)通信的全分布式控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS(Fieldbus Control System) 。然而，現(xiàn)場總線還沒有形 成真正統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)， ProfiBus 、 CANbu、s CC-Link 等多種標(biāo)準(zhǔn)并行存在，并且都 有自己的生存空間。何時(shí)統(tǒng)一，遙遙無期。支持現(xiàn)場總線的儀表種類還比較少， 可供選擇的余

20、地小，價(jià)格又偏高，用量也較小。 現(xiàn)場總線注意事項(xiàng) 現(xiàn)場總線逐漸在工業(yè)現(xiàn)場推廣， 不少設(shè)備不但具有傳統(tǒng)儀表的功能， 而且 還具備現(xiàn)場總線的功能、在DCS,現(xiàn)場總線被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)場總線在使用中需 要注意以下幾個(gè)問題： 1）通信距離?，F(xiàn)場總線的通信距離一般有一定的要求， 例如，PROFIBUS/D在12Mbps速率時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)電纜，可以達(dá)到 200m如果采 用速率，可以達(dá)到1 000m。通信距離有兩層含義，第一個(gè)，是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間不 通過中繼器能夠?qū)崿F(xiàn)的距離，一般來說，距離和通信速率成反比；另一個(gè)，是整 個(gè)網(wǎng)絡(luò)最遠(yuǎn)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離。 往往在廠家的介紹材料中對于此類的描述不 夠清楚，在實(shí)際使用中，

21、必須考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的范圍， 電磁波信號在電纜中傳遞是 需要時(shí)間的， 特別在些高速的現(xiàn)場總線中， 如果增大距離， 就必須對一些通信 參數(shù)進(jìn)行修改； 2）線纜選擇。 現(xiàn)場的環(huán)境決定現(xiàn)場總線的通信速度和通信介質(zhì)。 一般而言， 現(xiàn)場總線采用電信號傳遞數(shù)據(jù)， 在傳輸?shù)倪^程中不可避免地收到周圍 電磁環(huán)境的影響。 大多數(shù)現(xiàn)場總線采用屏蔽雙絞線。 必須注意的是， 不同種類現(xiàn) 場總線要求的屏蔽雙絞線可能是不同的。 現(xiàn)場總線的開發(fā)者一般規(guī)定一種特制的 線纜，在正確使用這種線纜的條件下才能實(shí)現(xiàn)規(guī)定的速率和傳輸距離。 在電磁條 件極度惡劣的條件下， 光纜是合理的選擇， 否則局部的干擾， 可能影響整個(gè)現(xiàn)場 總線網(wǎng)絡(luò)的工作

22、； 3）隔離。一般來說，現(xiàn)場總線的電信號與設(shè)備內(nèi)部是電氣隔 離的?，F(xiàn)場總線電纜分布在車間的各個(gè)角落， 一旦發(fā)生高電壓串入， 會(huì)造成整個(gè) 網(wǎng)段所有設(shè)備的總線收發(fā)器損壞。 如果不加以隔離， 高電壓信號會(huì)繼續(xù)將設(shè)備內(nèi) 部其他電路損壞，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果； 4）屏蔽?，F(xiàn)場總線采用的屏蔽電纜的外層 必須在一點(diǎn)良好接地， 如果高頻干擾嚴(yán)重， 可以采用多點(diǎn)電容接地， 不允許多點(diǎn) 直接接地，避免產(chǎn)生地回路電流； 5）連接器?，F(xiàn)場總線一般沒有對連接器做嚴(yán) 格的規(guī)定，但是如果處理不當(dāng)，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)通信。例如，現(xiàn)場總線一般采用 總線型菊花鏈連接方式， 在連接每一個(gè)設(shè)備時(shí)， 必須注意如何不影響在現(xiàn)有通信 的條件下，實(shí)現(xiàn)

23、設(shè)備插入和摘除，這對連接器就有一定的要求；6）終端匹配。 現(xiàn)場總線信號和所有電磁波信號一樣具有反射現(xiàn)象， 在總線每一個(gè)網(wǎng)段的兩個(gè)終 端，都應(yīng)該采用電阻匹配， 第一個(gè)作用可以吸收放射， 第二個(gè)作用是在總線的兩 端實(shí)現(xiàn)正確的電平，保證通信。因此，現(xiàn)場總線技術(shù)是控制、計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù) 的交叉與集成，它的出現(xiàn)和快速發(fā)展體現(xiàn)了控制領(lǐng)域?qū)档统杀尽⑻岣呖煽啃浴?增強(qiáng)可維護(hù)性和提高數(shù)據(jù)采集的智能化的要求。 現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域 每種總線大都有其應(yīng)用的領(lǐng)域，比如FF、PROFIBUS-P適用于石油、化工、醫(yī)藥、 冶金等行業(yè)的過程控制領(lǐng)域； LonWorks、 PROFIBUS-FM、SDevieceNet 適用于

24、樓 宇、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域；DeviceNet、PROFIBUS-DP適用于加工制造業(yè)，而 這些劃分也不是絕對的，每種現(xiàn)場總線都力圖將其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，彼此滲透。 現(xiàn)場總線背景 大多數(shù)的現(xiàn)場總線都有一個(gè)或幾個(gè)大型跨國公司為背景并成立相應(yīng)的國際組織， 力圖擴(kuò)大自己的影響、得到更多的市場份額。比如PROFIBU以 Siemens公司為 主要支持，并成立了 PROFIBUSI際用戶組織。WorldFIP以Alstom公司為主要 后臺(tái)，成立了 WorldFIP 國際用戶組織。 現(xiàn)場總線地區(qū)標(biāo)準(zhǔn) 為了加強(qiáng)自己的競爭能力，很多總線都爭取成為國家或者地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，比如 PROFIBU已成為德國標(biāo)準(zhǔn)，World

25、FIP已成為法國標(biāo)準(zhǔn)等。 現(xiàn)場總線制造商 為了擴(kuò)大自己產(chǎn)品的使用范圍， 很多設(shè)備制造商往往參與不止一個(gè)甚至多個(gè)總線 組織。 現(xiàn)場總線協(xié)調(diào) 由于競爭激烈， 而且還沒有哪一種或幾種總線能一統(tǒng)市場， 很多重要企業(yè)都力圖 開發(fā)接口技術(shù)， 使自己的總線能和其他總線相連， 在國際標(biāo)準(zhǔn)中也出現(xiàn)了協(xié)調(diào)共 存的局面。 工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)， 要求也千變?nèi)f化， 使用一種現(xiàn)場總線技術(shù)也很 難滿足所有行業(yè)的技術(shù)要求； 現(xiàn)場總線不同于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)， 人們將會(huì)面對一個(gè)多 種總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共存的現(xiàn)實(shí)世界。 技術(shù)發(fā)展很大程度上受到市場規(guī)律、 商業(yè)利益 的制約；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不僅是一個(gè)技術(shù)規(guī)范， 也是一個(gè)商業(yè)利益的妥協(xié)產(chǎn)物。 而

26、現(xiàn)場 總線的關(guān)鍵技術(shù)之一是彼此的互操作性， 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線技術(shù)的統(tǒng)一是所有用戶的 愿望。 現(xiàn)場總線市場態(tài)勢 現(xiàn)場總線技術(shù)是控制、計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的交叉與集成，幾乎涵蓋了所有連續(xù)、 離散工業(yè)領(lǐng)域， 如過程自動(dòng)化、 制造加工自動(dòng)化、 樓宇自動(dòng)化、 家庭自動(dòng)化等等。 現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)為兩個(gè)方面： 一個(gè)是低速現(xiàn)場總線領(lǐng)域的不斷發(fā)展和完 善；另一個(gè)是高速現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。而現(xiàn)場總線產(chǎn)品主要是低速總線產(chǎn)品， 應(yīng)用于運(yùn)行速率較低的領(lǐng)域，對網(wǎng)絡(luò)的性能要求不是很高。從實(shí)際應(yīng)用狀況看， 大多數(shù)現(xiàn)場總線， 都能較好地實(shí)現(xiàn)速率要求較低的過程控制。 因此， 在速率要求 較低的控制領(lǐng)域，誰都很難統(tǒng)一整個(gè)市場。由于

27、FF 基金會(huì)幾乎集中了世界上主 要自動(dòng)化儀表制造商， 其全球影響力日益增加， 但其在中國市場營銷力度似乎不 足，市場份額不是很高， LonWorks 形成了全面的分工合作體系，在國內(nèi)有一些 實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、智能通信產(chǎn)品等方面， LonWorks 則具有獨(dú)特的優(yōu)勢。在離散制造加工領(lǐng)域，由于行業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)和歷史原因， Profibus和CAN經(jīng)在這一領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢，具有較強(qiáng)的競爭力。國內(nèi)廠 商的規(guī)模相對較小， 研發(fā)能力較差， 更多的是依賴技術(shù)供應(yīng)商的支持， 比較容易 受現(xiàn)場總線技術(shù)供應(yīng)商 （ 芯片制造商等 ）對國內(nèi)的支持和市場推廣力度的影響。 而且，還有一個(gè)不可忽視的

28、一點(diǎn)就是在構(gòu)建自動(dòng)化管理系統(tǒng)時(shí)，選擇的上位機(jī)， 比如組態(tài)軟件對總線設(shè)備的支持程度， 有些監(jiān)控組態(tài)軟件， 比如紫金橋監(jiān)控組態(tài) 軟件或者In Touch等對一些主流的總線設(shè)備比如 Lon works、PROFIBUSCAN等有 著良好的支持，通過DDE OPC或者直接連接等方式進(jìn)行通訊，采集數(shù)據(jù)。這樣 可以方便用戶的選擇， 而一些組態(tài)軟件則支持的種類較少， 是用戶選擇的范圍也 隨之減少。 3. 常用現(xiàn)場總線介紹 OPC工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) OPC（OLE for Process Control, 用于過程控制的 OLE是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，管理這 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)國際組織是OPC基金會(huì)，OP（基金會(huì)現(xiàn)有會(huì)員已超過220家。遍

29、布全球， 包括世界上所有主要的 自動(dòng)化控制系統(tǒng) 、儀器儀表及過程控制系統(tǒng)的公司。 基于微軟的OLE現(xiàn)在的Active X）、COM部件對象模型）和DCOM分布式部 件對象模型）技術(shù)。OPC包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，用于過程控制 和 制造業(yè)自動(dòng)化 系統(tǒng)。 OPC全稱是OLE for Process Control ，它的出現(xiàn)為基于 Windows的應(yīng)用程序 和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用建立了橋梁。 在過去， 為了存取現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信息， 每一 個(gè)應(yīng)用軟件開發(fā)商都需要編寫專用的 接口函數(shù)。由于現(xiàn)場設(shè)備的種類繁多， 且產(chǎn) 品的不斷升級， 往往給用戶和軟件開發(fā)商帶來了巨大的工作負(fù)擔(dān)。 通常這樣也不 能

30、滿足工作的實(shí)際需要， 系統(tǒng)集成商 和開發(fā)商急切需要一種具有高效性、 可靠性、 開放性、可互操作性的即插即用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在這種情況下，OPC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn) 而生。OPC標(biāo)準(zhǔn)以微軟公司的OLE技術(shù)為基礎(chǔ)，它的制定是通過提供一套標(biāo)準(zhǔn)的 OLE/COMS口完成的，在OP（技術(shù)中使用的是OLE 2技術(shù)，OLE標(biāo)準(zhǔn)允許多臺(tái)微 機(jī)之間交換文檔、圖形等對象。 工業(yè)以太網(wǎng)總線 由于自動(dòng)化技術(shù)從單機(jī)控制發(fā)展到工廠自動(dòng)化FA發(fā)展到系統(tǒng)自動(dòng)化。工 廠自動(dòng)化信息網(wǎng)絡(luò)可分為以下三層結(jié)構(gòu)： 工廠管理級、 車間監(jiān)控級、 現(xiàn)場設(shè)備級， 而現(xiàn)場總線是工廠底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò) 。這里先介紹一下以太網(wǎng)， 本文特指 工業(yè)以太網(wǎng)， 工業(yè)

31、以太網(wǎng)是作為辦公室自動(dòng)化領(lǐng)域衍生的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議， 按習(xí)慣 主要指 IEEE 協(xié)議，如果進(jìn)一步采用 TCP/IP 協(xié)議族，則采用“以太網(wǎng) +TCP/IP” 來表示，其技術(shù)特點(diǎn)主要適合信息管理、信息處理系統(tǒng)，并在 IT 業(yè)得到了巨大 的成功。 在工廠管理級、車間監(jiān)控級信息集成領(lǐng)域中， 工業(yè)以太網(wǎng)已有不少成功的案例， 在設(shè)備層對實(shí)時(shí)性沒有嚴(yán)格要求場合也有許多應(yīng)用。 由于現(xiàn)場總線種類繁多， 標(biāo) 準(zhǔn)不一，很多人都希望以太網(wǎng)技術(shù)能介入設(shè)備低層， 廣泛取代現(xiàn)有現(xiàn)場總線技術(shù)， 施耐德公司就是該想法的積極倡導(dǎo)者和實(shí)踐者， 已有一批工業(yè)級產(chǎn)品問世和實(shí)際 應(yīng)用。 以太網(wǎng)還不能夠真正解決實(shí)時(shí)性和確定性問題 ，大部分現(xiàn)

32、場層仍然會(huì)首選現(xiàn)場 總線技術(shù)。 由于技術(shù)的局限和各個(gè)廠家的利益之爭， 這樣一個(gè)多種工業(yè)總線技術(shù) 并存，以太網(wǎng)技術(shù)不斷滲透的現(xiàn)狀還會(huì)維持一段時(shí)間。 用戶可以根據(jù)技術(shù)要求和 實(shí)際情況來選擇所需的解決方案 CAN CAN（Control Area Network控制器局域網(wǎng)）由德國BOSCH公司推出用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí) 行部門之間的數(shù)據(jù)通信 。國內(nèi)在三表系統(tǒng)及樓宇自控系統(tǒng)中得到應(yīng)用。 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 In tel、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

33、傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)， 傳輸時(shí)間短，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，具有較強(qiáng)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(yuǎn)可達(dá)10KM/5Kbps/s,通訊速率最高可達(dá) 40M /1Mbp/s，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá) 110個(gè)。已有多家公司開發(fā)了符合 CAN協(xié)議的通信芯片。 FF H1 基金會(huì)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

34、定的 WorldFIP 協(xié)議于 1994年 9月合并的。該總線在過程自動(dòng)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(huì)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 傳輸速率為秒，通信距離可達(dá)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。 （1）IEC 技術(shù)報(bào)告 （ 即

35、 FF 的 H1）。 現(xiàn)場總線基金會(huì) （FF） 成立以來進(jìn)展比較快 , 推動(dòng)了現(xiàn)場總線的研究和產(chǎn)品開發(fā)。在現(xiàn) 場總線物理層已獲國際電工委員會(huì) IEC 批準(zhǔn)的情況下 , 于 1996 年 一季度 完成了物理層的 低速總線 H1 的最后工作。 在此期間安裝了示范系統(tǒng) , 進(jìn)入工廠試運(yùn)行和取證 , 如美國休斯 敦（Hou ston）Mon san to Chocolate Bayou 工廠安裝了 Siemens、Yokogawa （橫河）、Fisher、 Smar、 Foxboro 、Rosemount、E+H 和 Micro Motion 等公司的產(chǎn)品。低速總線 H1 已進(jìn)入實(shí) 用階段 , 可以供

36、應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。 FF H2 基金會(huì)現(xiàn)場總線 （ 即原 FF 的 H2,Fisher-Rosemount 等公司支持 ） FF推出的高速現(xiàn)場總線 H2主要用于制造自動(dòng)化，但始終未獲IEC批準(zhǔn)。其代替方案 是選用100Mbps速率的高速以太網(wǎng)（HSE的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，可以使用經(jīng)濟(jì)的以 太網(wǎng)芯片，支持電路、 集線器 、中繼器 和電纜，并將 FF H1 的功能應(yīng)用于以太網(wǎng)，即為 FF HSE FF H1經(jīng)網(wǎng)橋可直接掛接高速以太網(wǎng)。 Profibus Profibus（ 德國西門子等公司支持 ） 。 過程現(xiàn)場總線 PROFIBU是德國標(biāo)準(zhǔn)(DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN50170的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)

37、。 由 PROFIBUS-DP PROFIBUSFMS PROFIBUSPA系列組成。DP用于分散外設(shè) 間高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于 加工自動(dòng)化領(lǐng)域。FMS適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編 程控制器、低壓開關(guān)等。PA用于過程自動(dòng)化的總線類型，服從IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。 PROFIBU支持主-從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。 PROFIBU的傳輸速率為s至12Mbit/s，最大傳輸距離在s下為1200m在12Mbit/s 小為200m可采用中繼器延長至10km傳輸介質(zhì)為雙絞線或者光纜，最多可掛 接 127 個(gè)站點(diǎn)。 是德國國家標(biāo)準(zhǔn) DINI9245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場總線標(biāo)

38、準(zhǔn)，DP型用于分散外設(shè)間 的高速數(shù)據(jù)傳輸適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。 1986年，德國開始制定過程現(xiàn)場總線 (Process Field Bus) 標(biāo)準(zhǔn)，簡稱PROFIBUS 1990 年，完成PROFIBU關(guān)準(zhǔn)制定,在德國標(biāo)準(zhǔn) DIN 19245中對其進(jìn)行了論述。1994年,PROFIBUS 用戶組織又推出了用于 過程自動(dòng)化 的現(xiàn)場總線 PROFIBUS-PA(Process Automat ion) ，通過 總線供電 ， 提供本質(zhì)安全。 Profinet ( 德國西門子等公司支持 ) 。基于 tcp/ip 過程現(xiàn)場總線 LONWORKS Lonworks 也叫 LON(Locai Operating Network) 是一種得到廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場總線，由 美國 Echelon 公司推出它采用了 ISQOSI 模型的全部七層通訊協(xié)議， 采用面的對象的設(shè)計(jì)方法， 通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡化為參數(shù)設(shè)計(jì)