工業(yè)現(xiàn)場總線體系介紹

1、1. 現(xiàn)場總線概述現(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)濟實用等一系列突出的優(yōu)點，因而受到了許多標準團體和計算機廠商的高度重視。它是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動化領(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，對國民經(jīng)

2、濟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、交通運輸、國防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領(lǐng)域?，F(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場與微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點通信的系統(tǒng)也稱為開放式全數(shù)字化多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(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，多點多站的通信系統(tǒng)”其本質(zhì)含義表現(xiàn)在以下六個方面：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：實現(xiàn)了全數(shù)字化通信，不同廠家產(chǎn)品互操作；實現(xiàn)了真正的分布式控制( 分散式控制 ) ： 可以傳送多個過程變量的同時可將儀表標識符和簡單診斷信息

3、一并傳送，可以產(chǎn)生最先進的現(xiàn)場儀表，多變量變送器；提高了測試精度；增強了系統(tǒng)的自治性。現(xiàn)場總線特征全數(shù)字化通信開放型的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)互可操作性與互用性現(xiàn)場設(shè)備的智能化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性現(xiàn)場總線特點及缺陷現(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)。通信標準的公開、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)點現(xiàn)場總線使自控設(shè)備與系統(tǒng)步入了信息網(wǎng)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控制設(shè)備，便于節(jié)省安裝費用；節(jié)省維護開銷；提高了系統(tǒng)的

4、可靠性；為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動權(quán)?，F(xiàn)場總線總線缺點網(wǎng)絡(luò)通信中數(shù)據(jù)包的傳輸延遲，通信系統(tǒng)的瞬時錯誤和數(shù)據(jù)包丟失，發(fā)送與到達次序的不一致等都會破壞傳統(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雜，使控制系統(tǒng)的性能受到負面影響?，F(xiàn)場總線總線本質(zhì)不同的機構(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，大家公認在以下六個方面：現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線設(shè)備互聯(lián)依據(jù)實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

5、制回路，從而可以自由地集成FCS?，F(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，徹底地實現(xiàn)了分散控制?，F(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?，F(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)絡(luò)互聯(lián)，還可以實現(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，而這些正是DCS系統(tǒng)的缺點。DCS通常是一對一單獨傳送信號，其所采用的模擬信

6、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)和預測故障，處于“失控”狀態(tài)，很多的儀表廠商自定標準，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?。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，設(shè)備也始終處于操作員的遠程監(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、控制和運算等豐富的功能，而且控制功能分散到各個智能儀表中去。由此我們可以看到FCS相對于DCS的巨大進步。也正是由于FCS的以上特點使得其在設(shè)計、安裝、 投運到正常生產(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

7、較為復雜的任務(wù)，不再需要單獨的控制器、計算單元等，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設(shè)備，大大節(jié)約了安裝費用；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，減輕了維護工作；同時，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)的可靠性和準確性也大為提高。這一切都幫助用戶實現(xiàn)了減低安裝、使用、維護的成本，最終達到增加利潤的目的?，F(xiàn)場總線發(fā)展趨勢從現(xiàn)場總線技術(shù)本身來分析，它有兩個明顯的發(fā)展趨勢：一、是尋求統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標準。二、 是 Industrial Ethernet 走向工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。EPA即以太網(wǎng)過

8、程自動化技術(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 forProcess 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)。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

9、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） PROFInet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)隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，過程控制領(lǐng)域在過去的兩個世紀里發(fā)生了巨大的變革。 150 多年前出現(xiàn)的基于5 13psi 的氣動信號標準（ PCS， Pneumatic ControlSystem 氣動控制系統(tǒng)）， 標志著控制理論初步形成，但此時尚未有控制室的概念；20 世紀 50 年代， 隨著基于0 5V或 4 20mA的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，標志了電氣自動控制時代的

10、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70 年代，隨著數(shù)字計算機的介入，產(chǎn)生了“集中控制”的中央控制計算機系統(tǒng)，而信號傳輸系統(tǒng)大部分是依然沿用4 20mA的模擬信號，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、可靠性低的缺點，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)用和計算機可靠性的提高，使分布式控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用， 由多臺計算機和一些智能儀表以及智能部件實現(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

11、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、可維護性等都有更高的要求。由此，導致了現(xiàn)場總線的產(chǎn)生。. 國際標準發(fā)展歷程1984 年美國 Inter 公司提出一種計算機分布式控制系統(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算機總線多（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)了一種可尋址的遠程傳感器（

12、HART） 通信協(xié)議。采用在4 20mA模擬量疊加了一種頻率信號，用雙絞線實現(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，以Siemens， Rosemoun，橫河等幾家著名公司為首也成立了一個專門t委員會互操作系統(tǒng)協(xié)議（ ISP） 并制定了PROFIBUS協(xié)議。后來美國儀器儀表學會也制定了現(xiàn)場總線標準IEC/ISA SP50。隨著時間的推移，世界逐漸形成了兩個針鋒相對的互相競爭的現(xiàn)場總線集團：一個是以Siemens、 Rosemoun，橫河為t首的 ISP 集團；

13、另一個是由Honeywell 、 Bailey 等公司牽頭的WorldFIP 集團。1994年，兩大集團宣布合并，融合成現(xiàn)場總線基金會（Fieldbus Foundation ）簡稱FF。對于現(xiàn)場總線的技術(shù)發(fā)展和制定標準，基金委員會取得以下共識：共同制定遵循IEC/ISA SP50 協(xié)議標準；商定現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展階段。1999年底IECTC65（負責工業(yè)測量和控制的第65標準化委員會）通過了 8種類型的 現(xiàn)場總線作為 IEC61158國際標準。2003 年 4 月， IEC61158 Ed.3 現(xiàn)場總線標準第3 版正式成為國際標準，規(guī)定10 種類型的現(xiàn)場總線：TS61158現(xiàn)場總線、Contr

14、olNet 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、Interbus 現(xiàn)場總線、FF H1 現(xiàn)場總線、PROFInet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)狀由于各個國家各個公司的利益之爭，雖然早在1984 年國際電工技術(shù)委員會/ 國際標準協(xié)會（IEC/ISA）就著手開始制定現(xiàn)場總線的標準，至今統(tǒng)一的標準仍未完成。 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

15、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，PhenixContact 公司的 InterBus ， RoberBosch 公司的CAN， Rosemount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( ActraturSensorInterface ) ， MODBu， s SDS， Arcnet ，國際標準組織- 基金

16、會現(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化、醫(yī)藥領(lǐng)域、加工制造、交通運輸、國防、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， S其特點是實施簡單方便，而且支持RS485的儀表又特別多。儀表商也紛紛轉(zhuǎn)而支持RS485/MODBU， S原因很簡單，RS485 的轉(zhuǎn)換接口不僅便宜而且種類繁多。

17、至少在低端市場上，RS485/MODBU仍將是最主要的工業(yè)組網(wǎng)方式。 SHART網(wǎng)絡(luò)：HART是由艾默生提出的一個過渡性總線標準，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，要加入他的基金會才能拿到協(xié)議，而加入基金會要一定的費用。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行設(shè)備聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，最多只是利用手操器對其進行參數(shù)設(shè)定。從長遠來看， 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。Field

18、Bus 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)場總線是當今自動化領(lǐng)域的熱點技術(shù)之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)標志著自動化控制技術(shù)又一個新時代的開始。 現(xiàn)場總線是連接控制現(xiàn)場的儀表與控制室內(nèi)的控制裝置的數(shù)字化、串行、 多站通信的網(wǎng)絡(luò)。其關(guān)鍵標志是能支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數(shù)字化通信?，F(xiàn)場總線技術(shù)成為國際上自動化和儀器儀表發(fā)展的熱點，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”的方向進一步邁進， 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

19、的標準，ProfiBus 、 CANbu、s CC-Link 等多種標準并行存在，并且都有自己的生存空間。何時統(tǒng)一，遙遙無期。支持現(xiàn)場總線的儀表種類還比較少，可供選擇的余地小，價格又偏高，用量也較小?，F(xiàn)場總線注意事項現(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中，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/DP在 12Mbps速率時，采用標準電纜，可以達到200m，如果采用 187.5kbps 速率，可以達到1 000m。通信距離有兩層含義，第一個，是兩個

20、節(jié)點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， 是整個網(wǎng)絡(luò)最遠的兩個節(jié)點之間的距離。往往在廠家的介紹材料中對于此類的描述不夠清楚，在實際使用中，必須考慮整個網(wǎng)絡(luò)的范圍，電磁波信號在電纜中傳遞是需要時間的，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)進行修改；2）線纜選擇?，F(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?，F(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

21、件下才能實現(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，可能影響整個現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的工作；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角落，一旦發(fā)生高電壓串入，會造成整個網(wǎng)段所有設(shè)備的總線收發(fā)器損壞。如果不加以隔離，高電壓信號會繼續(xù)將設(shè)備內(nèi)部其他電路損壞，導致嚴重的后果；4）屏蔽?，F(xiàn)場總線采用的屏蔽電纜的外層必須在一點良好接地，如果高頻干擾嚴重，可以采用多點電容接地，不允許多點直接接地，避免產(chǎn)生地回路電流；5）連接器。現(xiàn)場總線一般沒有對連接器做嚴格的規(guī)定，但是如果處理不當，會影響整個系統(tǒng)通信。例如，現(xiàn)場總線一般采

22、用總線型菊花鏈連接方式，在連接每一個設(shè)備時，必須注意如何不影響在現(xiàn)有通信的條件下，實現(xiàn)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?，F(xiàn)場總線信號和所有電磁波信號一樣具有反射現(xiàn)象，在總線每一個網(wǎng)段的兩個終端，都應(yīng)該采用電阻匹配，第一個作用可以吸收放射，第二個作用是在總線的兩端實現(xiàn)正確的電平，保證通信。因此， 現(xiàn)場總線技術(shù)是控制、計算機、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?、提高可靠性、增強可維護性和提高數(shù)據(jù)采集的智能化的要求?，F(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-PA適用于石油、化工、 醫(yī)藥、冶金等行業(yè)的過程控制領(lǐng)域；Lo

23、nWorks、 PROFIBUS-FM、 SDevieceNet 適用于樓宇、交通運輸、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)域擴大，彼此滲透?，F(xiàn)場總線背景大多數(shù)的現(xiàn)場總線都有一個或幾個大型跨國公司為背景并成立相應(yīng)的國際組織，力圖擴大自己的影響、得到更多的市場份額。比如PROFIBUS以 Siemens公司為主要支持，并成立了PROFIBUS國際用戶組織。WorldFIP 以 Alstom 公司為主要后臺，成立了WorldFIP 國際用戶組織?，F(xiàn)場總線地區(qū)標準為了加強自己的競爭能力，很多總線都爭取成為國家或

24、者地區(qū)的標準，比如PROFIBUS已成為德國標準，WorldFIP 已成為法國標準等?，F(xiàn)場總線制造商為了擴大自己產(chǎn)品的使用范圍，很多設(shè)備制造商往往參與不止一個甚至多個總線組織。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，在國際標準中也出現(xiàn)了協(xié)調(diào)共存的局面。工業(yè)自動化技術(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)場總線不同于計算機網(wǎng)絡(luò)，人們將會面對一個多種總線技術(shù)標準共存的現(xiàn)實世界。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)標準不僅是一個技術(shù)規(guī)范，也是一個商業(yè)利

25、益的妥協(xié)產(chǎn)物。而現(xiàn)場總線的關(guān)鍵技術(shù)之一是彼此的互操作性，實現(xiàn)現(xiàn)場總線技術(shù)的統(tǒng)一是所有用戶的愿望?，F(xiàn)場總線市場態(tài)勢現(xiàn)場總線技術(shù)是控制、計算機、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，如過程自動化、制造加工自動化、樓宇自動化、家庭自動化等等?，F(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)為兩個方面：一個是低速現(xiàn)場總線領(lǐng)域的不斷發(fā)展和完善；另一個是高速現(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。從實際應(yīng)用狀況看，大多數(shù)現(xiàn)場總線，都能較好地實現(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)一整個市場。由于FF 基金會幾乎集中了

26、世界上主要自動化儀表制造商，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)有一些實質(zhì)性的進展，在樓宇自動化、家庭自動化、智能通信產(chǎn)品等方面，LonWorks則具有獨特的優(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，還有一個不可忽視的一點就是在構(gòu)建自動化管理系統(tǒng)時，選擇的上位機，比如

27、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InTouch 等對一些主流的總線設(shè)備比如Lonworks、 PROFIBU、SCAN等有著良好的支持，通過DDE、 OPC或者直接連接等方式進行通訊，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。. 常用現(xiàn)場總線介紹OPC工業(yè)標準OPC（OLE for Process Control, 用于過程控制的OLE）是一個工業(yè)標準，管理這個標準 國際組織 是 OPC基金會，OPC基金會現(xiàn)有會員已超過220 家。遍布全球，包括世界上所有主要的自動化控制系統(tǒng)、儀器儀表及過程控制系統(tǒng)的

28、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、屬性和方法的標準集，用于過程控制和 制造業(yè)自動化系統(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擔。通常這樣也不能滿足工作的實際需要，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

29、互操作性的即插即用的設(shè)備驅(qū)動程序。在這種情況下，OPC標準應(yīng)運而生。OPC標準以微軟公司 的 OLE技術(shù)為基礎(chǔ)，它的制定是通過提供一套標準的OLE/COM接口完成的，在OPC技術(shù)中使用的是OLE 2技術(shù)，OLE標準允許多臺微機之間交換文檔、圖形等對象。工業(yè)以太網(wǎng)總線由于自動化技術(shù)從單機控制發(fā)展到工廠自動化FA，發(fā)展到系統(tǒng)自動化。工廠自動化信息網(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)以太網(wǎng)是作為辦公室自動化領(lǐng)域衍生的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，按習慣主要指 IEEE 802.3 協(xié)議，如果進一步采用T

30、CP/IP 協(xié)議 族，則采用“以太網(wǎng)+TCP/IP”來表示，其技術(shù)特點主要適合信息管理、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)備層對實時性沒有嚴格要求場合也有許多應(yīng)用。由于現(xiàn)場總線種類繁多，標準不一， 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者和實踐者，已有一批工業(yè)級產(chǎn)品問世和實際應(yīng)用。以太網(wǎng)還不能夠真正解決實時性和確定性問題， 大部分現(xiàn)場層仍然會首選現(xiàn)場總線技術(shù)。由于技術(shù)的局限和各個廠家的利益之爭，這樣一個多種工業(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

31、維持一段時間。用戶可以根據(jù)技術(shù)要求和實際情況來選擇所需的解決方案CANCAN（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 國際標準組織制定為國際標準，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

32、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。FF H1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?；饡F(xiàn)場總線采用國際標準化組織ISO的開放化系統(tǒng)

33、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標準。 FF的物理媒介的傳輸信號采用曼切斯特編碼。（1）IEC 技術(shù)報告（即 FF 的 H1）。現(xiàn)場總線基金會（FF） 成立以來進展比較快, 推動了現(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IEC 批

34、準的情況下, 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), 進入工廠試運行和取證, 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 已進入實用階段,可以供應(yīng)標準化產(chǎn)品。FF H2基金會現(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 主要用于制造自動化， 但始終未

35、獲IEC 批準。 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)。ProfibusProfibus（德國西門子等公司支持）。 過程現(xiàn)場總線PROFIBUS是德國標準（ DIN19245） 和歐洲標準（ EN50170） 的現(xiàn)場總線標準。由 PROFIBUS-D、P PROFIBU S FMS、 PROFIBU S PA系列組成。DP用于分散外設(shè)間高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動化領(lǐng)域。FMS適用于

36、紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。PA用于過程自動化的總線類型，服從IEC1158 2標準。PROFIBUS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。PROFIBUS的傳輸速率為9.6Kbit/s 至 12Mbit/s ，最大傳輸距離在9.6Kbit/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 個站點。是德國國家標準DINl9245 和歐洲標準EN50170 的現(xiàn)場總線標準，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化領(lǐng)域的應(yīng)用。1986 年 , 德國開始制定過程現(xiàn)場總線（P

37、rocess Field Bus） 標準 , 簡稱 PROFIBUS 。 1990 年 ,完成 PROFIBUS 標準制定, 在德國標準D IN 19245 中對其進行了論述。1994 年 ,PROFIBUS用戶組織又推出了用于過程自動化的現(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）?；趖cp/ip 過程現(xiàn)場總線LONWORKSLonworks 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ISQ OSI

38、 模型的全部七層通訊協(xié)議，采用面的對象的設(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)計，在智能建筑中得到廣泛的應(yīng)用；它由美國Echelon 公司推出，并由 Motorola 、 Toshiba 公司共同倡導。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

39、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)。CC-LinkCC-Link 是 Control&Communication Link （控制與通信鏈路系統(tǒng)）的縮寫，在1996年 11 月，由 三菱電機為主導的多家公司推出，其增長勢頭迅猛，在亞洲 占有較大份額。在其系統(tǒng)中，可以將控制和信息數(shù)據(jù)同是以10Mbit/s 高速傳送至現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，具有性能卓越、使用簡單、應(yīng)用廣泛、節(jié)省成本等優(yōu)點。其不僅解決了工業(yè)現(xiàn)場配線復雜的問題，同時具有優(yōu)異的抗噪性能和兼容性。CC-Link 是一個以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，同時也可覆蓋

40、較高層次的控制層和較低層次的傳感層。2005 年 7 月 CC-Link 被中國國家標準委員會批準為中國國家標準指導性技術(shù)文件。WorldFIP（法國Alstom 等公司支持）1993年 , 由 Honeywell 、 Bailey 等公司牽頭, 成立 Wo rldF IP, 約有 120 多個公司加盟,以法國標準FIP （Factory Instrum entation Protocol） 為基礎(chǔ)制定現(xiàn)場總線標準。WorldFIP 的北美部分與ISP合并為FF以后，WorldFIP 的歐洲部分仍保持獨立，總部設(shè)在法國。其在歐洲市場占有重要地位，特別是在法國占有率大約為60%。WorldFIP

41、 的特點是具有單一的總線結(jié)構(gòu)來適用不同的應(yīng)用領(lǐng)域的需求，而且沒有任何網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋， 用 軟件的辦法來解決高速和低速的銜接。 WorldFIP 與 FFHSE可以實現(xiàn)“透明聯(lián)接”， 并對 FF的 H1進行了技術(shù)拓展，如速率等。在與 IEC61158第一類型的連接方面，WorldFIP 做得最好，走在世界前列。SwiftNet此外較有影響的現(xiàn)場總線還有SwiftNet 現(xiàn)場總線主要使用在航空航天等領(lǐng)域，SymotionSymotion 是一種用于運動控制的實時工業(yè)總線，基于10/100M 以太網(wǎng)物理層，應(yīng)用層使用canopen 及精簡協(xié)議。可應(yīng)用于運動控制器，電機驅(qū)動器，PLC，編碼器光柵尺與其它工

42、業(yè)現(xiàn)場執(zhí)行器互連。symotion 總線提供安全、開放、低成本及高性能應(yīng)用。InterbusInterbus 是 德國 Phenix Contact 公司建立的一個公司標準而Control Net 與 Swiftnet分別以美國洛克威爾Rockwell 與波音大型跨國公司作為背景和依托。INTERBUS是德國Phoenix 公司推出的較早的現(xiàn)場總線，2000 年 2 月成為國際標準 IEC61158。 INTERBUS采用國際標準化組織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，具有強大的可靠性、可診斷性和易維護性。其采用集總幀型的數(shù)據(jù)環(huán)通

43、信，具有低速度、高效率的特點，并嚴格保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院椭芷谛?；該總線的實時性、抗干擾性和可維護性也非常出色。INTERBUS廣泛地應(yīng)用到汽車、煙草、倉儲、造紙、包裝、食品等工業(yè)，成為國際現(xiàn)場總線的領(lǐng)先者。P-Net TOC o 1-5 h z (3)P-Net(丹麥Process Data公司支持)。最初由丹麥的Process Data 公司開發(fā)1984 年推出 1997 年組建成美國物理學會國際P-NET 用戶組織會員有近百家總部在丹麥采用歐洲標準EN-50170(1) 由物理層數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層組成屏蔽雙絞線作傳輸介質(zhì)最多為125 節(jié)點其中主站可多達32個虛擬令牌傳送NRZ碼進行 異步

44、通信主要用于農(nóng)業(yè)灌溉和水廠自動化。丹麥 公司 Process-Data A/S 提出的P-Net，該總線主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、食品等行業(yè)；HART現(xiàn)場總線的類型 HART(可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路)HART是 Highway Addressable Remote Transducer 的縮寫， 最早由 Rosemount公司開發(fā)。其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過渡產(chǎn)品。 其通信模型采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三層，支持點對點主從應(yīng)答方式和多點廣播方式。由于它采用模擬數(shù)字信號混和，難以開發(fā)通用的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本質(zhì)

45、安全防爆的要求，并可用于由手持編程器與管理系統(tǒng)主機作為主設(shè)備的雙主設(shè)備系統(tǒng)。DeviceNetDeviceNet 是一種低成本的通信連接也是一種簡單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，有著開放的網(wǎng)絡(luò)標準。DeviceNet 具有的直接互聯(lián)性不僅改善了設(shè)備間的通信而且提供了相當重要的設(shè)備級陣地功能。DeviceNet 基于CAN技術(shù)，傳輸率為125Kbit/s 至500Kbit/s, 每 個網(wǎng) 絡(luò)的 最大 節(jié)點為 64 個，其通信模式 為：生產(chǎn)者/ 客戶( Producer/Consumer) ， 采用多信道廣播信息發(fā)送方式。位于 DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以自由連接或斷開，不影響網(wǎng)上的其他設(shè)備，而且其設(shè)備

46、的安裝布線成本也較低。DeviceNet 總線的組織結(jié)構(gòu)是Open DeviceNet Vendor Association(開放式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商協(xié)會，簡稱“ODV”)A ?，F(xiàn)場總線控制組成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)三個部分組成，而通信部分的硬、軟件是它最有特色的部分。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)它的軟件是系統(tǒng)的重要組成部分，控制系統(tǒng)的軟件有組態(tài)軟件、維護軟件、仿真軟件、 設(shè)備軟件和監(jiān)控軟件等。首先選擇開發(fā)組態(tài)軟件、控制操作人機接口軟件MM。通過組態(tài)軟件，完成功能塊之間的連接，選定功能塊參數(shù)，進行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。I在網(wǎng)絡(luò)運行過程中對系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)處理、計算。 優(yōu)化控制及邏輯控制報警、監(jiān)視、顯示、報表等?，F(xiàn)場總線的測量系統(tǒng)其特點為多變量高性能的測量，使測量儀表具有計算能力等更多功能，由于采用數(shù)字信號，具有高分辨率，準確性高、抗干擾、抗畸變能力強，同時還具有儀表設(shè)備的狀態(tài)信息，可以對處理過程進行調(diào)整。設(shè)備管理系統(tǒng)可以提供設(shè)備自身及過程的診斷信息、管理信息、設(shè)備運行狀態(tài)信息（包括智能儀表） 、廠商提供的設(shè)備制造信息。例如Fisher Rosemoune公司，推出AMS管理系統(tǒng)， 它安裝在主計算機內(nèi)，由它完成管理功能，可以構(gòu)成一個現(xiàn)場設(shè)備的綜合管理系統(tǒng)信息庫，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)設(shè)備的可靠性分析以及預測性維護。將被動的管理模式改變?yōu)榭深A測性的管理維護模式AMS軟件是以現(xiàn)場