現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

1、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 參考書： 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用 主編，1課程主要內(nèi)容： 通過課程的學(xué)習(xí)掌握工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，典型現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)、應(yīng)用及產(chǎn)品介紹。一、 現(xiàn)場(chǎng)總線概述 1現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展與趨勢(shì) 2現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì) 3幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 4以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng) 2二、 PROFIBUS總線 1PROFIBUS總線概述 2PROFIBUS通信協(xié)議 3PROFIBUS控制器 4PROFIBUS總線應(yīng)用三、LonWorks技術(shù)和LON總線 1LonWorks技術(shù)概述及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2LON總線通信控制處理器神經(jīng)元芯片 3LonWorks通信協(xié)議LonTalk 4LonWo

2、rks的互操作性 5Lonworks開發(fā)工具與應(yīng)用系統(tǒng)3四、控制器局域網(wǎng)總線CAN 1CAN的性能特點(diǎn)與技術(shù)規(guī)范 2CAN總線有關(guān)器件介紹 3CAN總線的應(yīng)用 五、以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 2現(xiàn)場(chǎng)總線新型測(cè)量與設(shè)備管理系統(tǒng) 3工廠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì) 4一、現(xiàn)場(chǎng)總線概述 1 現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介 隨著控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到控制、管理的各個(gè)層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場(chǎng)。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線(Fi

3、eldbus)就是順應(yīng)這一形勢(shì)發(fā)展起來的新技術(shù)。 現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)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)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個(gè)新時(shí)代的開始，并將對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。 5（1） 什么是現(xiàn)場(chǎng)總線 現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動(dòng)化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，采用可進(jìn)行簡(jiǎn)單連接的雙絞線等作為總線，把多個(gè)測(cè)量控制儀表連接成的

4、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種適應(yīng)實(shí)際需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 6 簡(jiǎn)而言之，它把單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。 它給自動(dòng)化領(lǐng)域帶來的變化，正如眾多分散的計(jì)算機(jī)被網(wǎng)絡(luò)連接在一起，使計(jì)算機(jī)的功能、作用發(fā)生的變化?，F(xiàn)場(chǎng)總線則使自控系統(tǒng)與設(shè)備具有了通信能力，把它們連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，加入到信息網(wǎng)絡(luò)的行列。因此把現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)說成是一個(gè)控制技術(shù)新時(shí)代的開端并不過分。 7 現(xiàn)場(chǎng)總線是20世紀(jì)80年代中期在國(guó)際上發(fā)展

5、起來的。隨著微處理器與計(jì)算機(jī)功能的不斷增強(qiáng)和價(jià)格的急劇降低，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，而處于生產(chǎn)過程底層的測(cè)控自動(dòng)化系統(tǒng)，采用一對(duì)一連線，用電壓、電流的模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量控制，或采用自封閉式的集散系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自動(dòng)化系統(tǒng)成為“信息孤島”。 要實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的信息集成，要實(shí)施綜合自動(dòng)化，就必須設(shè)計(jì)出一種能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境運(yùn)行的、性能可靠、造價(jià)低廉的通信系統(tǒng)，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與外界的信息交換?，F(xiàn)場(chǎng)總線就是在這種實(shí)際需求的驅(qū)動(dòng)下應(yīng)運(yùn)而生的。 8 它作為過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇、交通

6、等領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備之間的互連通信網(wǎng)絡(luò)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，為徹底打破自動(dòng)化系統(tǒng)的信息孤島創(chuàng)造了條件。 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)既是一個(gè)開放通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布控制系統(tǒng)。它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶。把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進(jìn)一步構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基本控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動(dòng)化功能。這是一項(xiàng)以智能傳感器、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)。 9 由于現(xiàn)場(chǎng)總線適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向，它一經(jīng)產(chǎn)生便成為全球工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)，受到全世界的普

7、遍關(guān)注。 現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)，導(dǎo)致目前生產(chǎn)的自動(dòng)化儀表、集散控制系統(tǒng)(DCS)、可編程控制器(PLC)在產(chǎn)品的體系結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)方面的較大變革，自動(dòng)化設(shè)備的制造廠家被迫面臨產(chǎn)品更新?lián)Q代的又一次挑戰(zhàn)。 傳統(tǒng)的模擬儀表將逐步讓位于智能化數(shù)字儀表，并具備數(shù)字通信功能。出現(xiàn)了一批集檢測(cè)、運(yùn)算、控制功能于一體的變送控制器；出現(xiàn)了可集檢測(cè)溫度、壓力、流量于一身的多變量變送器；出現(xiàn)了帶控制模塊和具有故障信息的執(zhí)行器，并由此大大改變了現(xiàn)有的設(shè)備維護(hù)管理方法。 10（2）現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)造了網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總線導(dǎo)致了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(fiel

8、dbus control system)。這是繼基地式氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)、電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)DCS后的新一代控制系統(tǒng)。 50年代以前，由于當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)規(guī)模較小，檢測(cè)控制儀表尚處于發(fā)展的初級(jí)階段，所采用的僅僅是安裝在生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)、只具備簡(jiǎn)單測(cè)控功能的基地式氣動(dòng)儀表，其信號(hào)僅在本儀表內(nèi)起作用，一般不能傳送給別的儀表或系統(tǒng)，即各測(cè)控點(diǎn)只能成為封閉狀態(tài)，無法與外界溝通信息，操作人員只能通過生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的巡視，了解生產(chǎn)過程的狀況。 11 隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，操作人員需要綜合掌握多點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)與信息，需要同時(shí)按多點(diǎn)的信息實(shí)行操作控制，于是出現(xiàn)了氣動(dòng)、電動(dòng)系列的單元組合

9、式儀表，出現(xiàn)了集中控制室。 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號(hào)，如00201MPa的氣壓信號(hào)，010mA、420mA的直流電流信號(hào)，l5V直流電壓信號(hào)等，送往集中控制室。操作人員可以坐在控制室縱觀生產(chǎn)流程各處的狀況，可以把各單元儀表的信號(hào)按需要組合成復(fù)雜控制系統(tǒng)。 由于模擬信號(hào)的傳遞需要一對(duì)一的物理連接，信號(hào)變化緩慢，提高計(jì)算速度與精度的開銷、難度都較大，信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差，人們開始尋求用數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)，出現(xiàn)了直接數(shù)字控制。 12 由于當(dāng)時(shí)的數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)尚不發(fā)達(dá)，價(jià)格昂貴，人們企圖用一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代控制室的幾乎所有的儀表盤，出現(xiàn)了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)。 但由于當(dāng)時(shí)數(shù)字計(jì)算機(jī)的可靠

10、性還較差，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)某種故障，就會(huì)造成所有控制回路癱瘓、生產(chǎn)停產(chǎn)的嚴(yán)重局面，這種危險(xiǎn)的集中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難為生產(chǎn)過程所接受。 隨著計(jì)算機(jī)可靠性的提高，價(jià)格的下降，出現(xiàn)了數(shù)字調(diào)節(jié)器、可編程控制器以及由多個(gè)計(jì)算機(jī)遞階構(gòu)成的集中、分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)。即如今被許多企業(yè)采用的DCS系統(tǒng)。 DCS系統(tǒng)中，測(cè)量變送儀表一般為模擬儀表，因而它是一種模擬數(shù)字混合系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在功能、性能上較模擬儀表、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)有了很大進(jìn)步，可在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)裝置級(jí)、車間級(jí)的優(yōu)化控制。 13 但是，在DCS系統(tǒng)形成的過程中，由于受計(jì)算機(jī)系統(tǒng)早期存在的系統(tǒng)封閉這一缺陷的影響，各廠家的產(chǎn)品自成系統(tǒng)，不同廠家的設(shè)備不能互連

11、在一起，難以實(shí)現(xiàn)互換與互操作，組成更大范圍信息共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在很多困難。 新型的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)則突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，即可以把來自不同廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動(dòng)化設(shè)備，通過現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)連接成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化的各種功能；同時(shí)把DCS集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，依靠現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備本身便可實(shí)現(xiàn)基本控制功能。 14 伴隨著控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測(cè)控儀表的更新?lián)Q代，系統(tǒng)的功能、性能也在不斷完善與發(fā)展。圖為各階段測(cè)控儀表能力指數(shù)示意圖。15 現(xiàn)場(chǎng)總線之

12、所以具有較高的測(cè)控能力指數(shù)，一是得益于儀表的微機(jī)化，二是得益于設(shè)備的通信功能。 把微處理器置入現(xiàn)場(chǎng)自控設(shè)備、使設(shè)備具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，一方面提高了信號(hào)的測(cè)量、控制和傳輸精度，同時(shí)為豐富控制信息的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程傳送創(chuàng)造了條件。 在現(xiàn)場(chǎng)總線的環(huán)境下，借助設(shè)備的計(jì)算、通信能力，在現(xiàn)場(chǎng)就可進(jìn)行許多復(fù)雜計(jì)算，形成真正分散在現(xiàn)場(chǎng)的完整的控制系統(tǒng)，提高控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。還可借助現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段以及與之有通信連接的其他網(wǎng)段，實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，如操作遠(yuǎn)在數(shù)百公里之外的電氣開關(guān)等。還可提供傳統(tǒng)儀表所不能提供的如閥門開關(guān)動(dòng)作次數(shù)、故障診斷等信息，便于操作管理人員更好、更深入地了解生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和自控設(shè)備的運(yùn)

13、行狀態(tài)。 16（3）現(xiàn)場(chǎng)總線是底層控制網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場(chǎng)總線是新型自動(dòng)化系統(tǒng)，又是低帶寬的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它可與因特網(wǎng)(Internet)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)(Intranet)相連，且位于生產(chǎn)控制和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的底層，因而有人稱之為底層網(wǎng)Infranet。它作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最顯著的特征是具有開放統(tǒng)一的通信協(xié)議，肩負(fù)著生產(chǎn)運(yùn)行一線測(cè)量控制的特殊任務(wù)。 它們與工廠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接連接，一方面將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制設(shè)備互連為通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)段、不同現(xiàn)場(chǎng)通信設(shè)備間的信息共享；同時(shí)又將現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的各種信息傳送到遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的控制室，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)與操作終端、上層控制管理網(wǎng)絡(luò)的連接和信息共享。 17 在把一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)以及故障信息

14、等送往控制室的同時(shí)，又將各種控制、維護(hù)、組態(tài)命令，乃至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作電源等送往各相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。 現(xiàn)場(chǎng)總線與其他網(wǎng)段間實(shí)現(xiàn)信息交換，必須有嚴(yán)格的保安措施與權(quán)限限制，以保證設(shè)備與系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 由于現(xiàn)場(chǎng)總線所肩負(fù)的是測(cè)量控制的特殊任務(wù)，因而它具有自己的特點(diǎn)。它要求信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，且多為短幀傳送，傳輸速率一般在幾kbps至10Mbps之間。 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)該是開放的?？梢杂刹煌O(shè)備制造商提供的遵從相同通信協(xié)議的各種測(cè)量控制設(shè)備共同組成。 182 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展背景與趨勢(shì)（1） 現(xiàn)場(chǎng)總線是綜合自動(dòng)化的發(fā)展

15、需要 為了適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，逐漸形成了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。它采用系統(tǒng)集成、信息集成的觀點(diǎn)來組織工業(yè)生產(chǎn)。把市場(chǎng)、生產(chǎn)計(jì)劃、制造過程、企業(yè)管理、售后服務(wù)看作要統(tǒng)一考慮的生產(chǎn)過程，并采用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、通信等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的綜合自動(dòng)化，以改善生產(chǎn)加工、管理決策，提高企業(yè)的應(yīng)變能力和競(jìng)爭(zhēng)能力等。 但處于企業(yè)生產(chǎn)過程底層的測(cè)控自動(dòng)化系統(tǒng)，要與外界交換信息，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程的信息集成，就必須設(shè)計(jì)出一種能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境運(yùn)行的、性能可靠、造價(jià)低廉的通信系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化智能設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與外界的信息交換?，F(xiàn)場(chǎng)總線就是在這種背景下產(chǎn)生的。 19 （2）智能儀表為現(xiàn)

16、場(chǎng)總線的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ) 傳輸信號(hào)數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信的基礎(chǔ)。1983年，Honeywell推出了智能化儀表Smar變送器，這些帶有微處理器芯片的儀表除了在原有模擬儀表的基礎(chǔ)上增加了復(fù)雜的計(jì)算功能之外，還在輸出的420mA直流信號(hào)上迭加了數(shù)字信號(hào)，使現(xiàn)場(chǎng)與控制室之間的連接由模擬信號(hào)過渡到了數(shù)字信號(hào)。 自此之后的幾十年間，世界上各大公司都相繼推出了各有特色的智能儀表。這些模擬數(shù)字混合儀表克服了單一模擬儀表的多種缺陷，給自動(dòng)化儀表的發(fā)展帶來了新的生機(jī)，為現(xiàn)場(chǎng)總線的誕生奠定了基礎(chǔ)。 20 （3）現(xiàn)場(chǎng)總線將朝著開放系統(tǒng)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的方向發(fā)展 這些以微處理器芯片為基礎(chǔ)的各種智能儀表，為現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字化以及實(shí)

17、現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用功能提供了條件。但不同廠商所提供的設(shè)備之間的通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，嚴(yán)重束縛了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。從用戶到設(shè)備制造商都強(qiáng)烈要求形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，組成開放互連網(wǎng)絡(luò)。 1984年，美國(guó)儀表協(xié)會(huì)(ISA)下屬的標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施工作組中的ISASP50開始制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)；1985年，國(guó)際電工委員會(huì)決定由Proway working Group負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)的研究制定工作；1986年，德國(guó)開始制定過程現(xiàn)場(chǎng)總線(Process Fieldbus)標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱為PROFIBUS，由此拉開了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)制定及其產(chǎn)品開發(fā)的序幕。 21 1992年，由Siemens，Rocemount，ABB，F(xiàn)oxbo

18、ro，Yokogawa等80家公司聯(lián)合，成立了ISP(Interoperable System Protocol)組織，著手在PROFIBUS的基礎(chǔ)上制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。 1993年，以Honeywell，Bailey等公司為首，成立了World FIP(Factory Instrumentation Protocol)組織，有120多個(gè)公司加盟該組織，并以法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)FIP為基礎(chǔ)制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)各大公司均已清醒地認(rèn)識(shí)到現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)該有一個(gè)統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)勢(shì)在必行。 但總線標(biāo)準(zhǔn)的制定工作并非一帆風(fēng)順，由于行業(yè)與地域發(fā)展歷史等原因，加之各公司和企業(yè)集團(tuán)受自身商業(yè)利益的驅(qū)使，致使總線的標(biāo)

19、準(zhǔn)化工作進(jìn)展緩慢。 22 1994年，ISP和World FIP北美部分合并，成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(Fieldbus Foundation，簡(jiǎn)標(biāo)FF)，推動(dòng)了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的制定和產(chǎn)品開發(fā)，于1996年第一季度頒布了低速總線H1的標(biāo)準(zhǔn)，安裝了示范系統(tǒng)，將不同廠商的符合FF規(guī)范的儀表互連為控制系統(tǒng)相通信網(wǎng)絡(luò)，使H1低速總線開始步入實(shí)用階段。 與此同時(shí)，在不同行業(yè)還陸續(xù)派生出一些有影響的總線標(biāo)準(zhǔn)。它們大都在公司標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上逐漸形成，并得到其他公司、廠商、用戶以至于國(guó)際組織的支持。如德國(guó)Bosch公司推出CAN(control area network)，美國(guó)Echelon公司推出的Lon Works

20、等。 眾多行業(yè)，需求各異，加上要考慮已有各種總線產(chǎn)品的投資效益和各公司的商業(yè)利益，預(yù)計(jì)在今后一段時(shí)期內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)幾種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連通訊的局面。233 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn) （1）現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對(duì)一的設(shè)備連線，按控制回路分別進(jìn)行連接。位于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與位于現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器、開關(guān)、馬達(dá)之間均為一對(duì)一的物理連接。 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，能夠把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送儀表

21、可以與閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號(hào)，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。 24252627 （2） 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下特點(diǎn)： 系統(tǒng)的開放性 開放是指對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。一個(gè)開放系統(tǒng)，是指它可以與世界上任何地方遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備或系統(tǒng)連接。通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換?，F(xiàn)場(chǎng)總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。用戶可按自己的需要和考慮，把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。通過現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)筑自動(dòng)化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。 互可操作性與互

22、用性 互可操作性，是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而互用則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)相互替換。 28 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性 它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性 工作在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境而設(shè)計(jì)的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力

23、線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。29 （3）現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn) 由于現(xiàn)場(chǎng)總線的以上特點(diǎn)，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。 節(jié)省硬件數(shù)量與投資 由于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場(chǎng)的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感控制報(bào)警和計(jì)算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的調(diào)節(jié)器、計(jì)算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控PC機(jī)作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，并可減少控制室的占地面積。 30 節(jié)省安裝費(fèi)用 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的接線十分簡(jiǎn)單，一對(duì)雙絞

24、線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備時(shí)，無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計(jì)、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測(cè)算資料表明，可節(jié)約安裝費(fèi)用60以上。 節(jié)省維護(hù)開銷 由于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護(hù)停工時(shí)間，同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，連線簡(jiǎn)單而減少了維護(hù)工作量。 31 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán) 用戶可以自由選擇不同廠商

25、所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品而被“框死”了使用設(shè)備的選擇范圍，不會(huì)為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展。使系統(tǒng)集成過程中的主動(dòng)權(quán)牢牢掌握在用戶手中。 提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性 由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號(hào)相比，它從根本上提高了測(cè)量與控制的精確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)，減少了信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。 此外，由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，功能模塊化，因而還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。 324 幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 自80年代末以來，有幾種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已逐漸形成其影響并在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)

26、域顯示了自己的優(yōu)勢(shì)。它們具有各自的特點(diǎn)，也顯示了較強(qiáng)的生命力。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)發(fā)揮并將會(huì)繼續(xù)發(fā)揮較大作用。 （1）基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF，F(xiàn)oundation Fieldbus)是在過程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以美國(guó)FisherRosemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的World FIP協(xié)議。屈于用戶的壓力，這兩大集團(tuán)于1994年9月合并，成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)，致力于開發(fā)出國(guó)際上統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。 33 它以ISOOSI開

27、放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。用戶層主要針對(duì)自動(dòng)化測(cè)控應(yīng)用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè)備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集。 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為3125kbps，通信距離可達(dá)1900m（可加中繼器延長(zhǎng)），可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。 H2的傳輸速率可為lMbps和2.5Mbps兩種，其通信距離分別為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC11582標(biāo)準(zhǔn)。34 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的主要技術(shù)內(nèi)容，包括FF通信協(xié)議、用于完成開放互連模

28、型中第27層通信協(xié)議的通信棧(Communication Stack)、用于描述設(shè)備特征、參數(shù)、屬性及操作接口的DDL設(shè)備描述語言、設(shè)備描述字典、用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量、控制、工程量轉(zhuǎn)換等應(yīng)用功能的功能塊、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)以及構(gòu)筑集成自動(dòng)化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)。 1996年在芝加哥舉行的ISA96展覽會(huì)上，由現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)組織實(shí)施，首次向世界展示了來自40多家廠商的70多種符合FF協(xié)議的產(chǎn)品，并將這些分布在不同樓層展覽大廳不同展臺(tái)上的FF展品，用醒目的橙紅色電纜，互連為七段現(xiàn)場(chǎng)總線的演示系統(tǒng)，各展臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間可實(shí)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)互操作，展現(xiàn)了基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的基本概貌。35

29、 （2）LonWorks LonWorks是又一具有強(qiáng)勁實(shí)力的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。它是由美國(guó)埃施朗Echelon公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于1990年正式公布而形成的。 它采用了ISOOSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(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(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，其通信速率從300bps至1.5Mbps不等，直接通信距離可達(dá)2700m（78kbps，雙絞線）。 支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)了相應(yīng)的本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。36 LonWorks技術(shù)所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為Neuron的神經(jīng)元芯片

30、中而得以實(shí)現(xiàn)。 集成芯片中有3個(gè)8位CPU，一個(gè)用于完成開放互連模型中第1和第2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問的控制與處理； 第二個(gè)用于完成第36層的功能，稱為網(wǎng)絡(luò)處理器，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量的尋址、處理、背景診斷、路徑選擇、軟件計(jì)時(shí)、網(wǎng)絡(luò)管理，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信控制，收發(fā)數(shù)據(jù)包等。 第三個(gè)是應(yīng)用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶代碼。芯片中還具有存儲(chǔ)信息緩沖區(qū)，以實(shí)現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。 37 Echelon公司的技術(shù)策略是鼓勵(lì)各OEM開發(fā)商運(yùn)用LonWorks技術(shù)和神經(jīng)元芯片，開發(fā)自己的應(yīng)用產(chǎn)品，據(jù)稱目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks

31、技術(shù)，1000多家公司已經(jīng)推出了LonWorks產(chǎn)品，并進(jìn)一步組織起LonMARK互操作協(xié)會(huì)，開發(fā)推廣Lonworks技術(shù)與產(chǎn)品。 它已被廣泛應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運(yùn)輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。另外，在開發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面，LonWorks神經(jīng)元芯片也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 38（3）PROFIBUS PROFIBUS是德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。由PROFIBUSDP，PROFIBUSFMS，PROFIBUSPA組成了PROFIBUS系列。 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。 FMS意為現(xiàn)

32、場(chǎng)信息規(guī)范，PROFIBUSFMS適用于紡織、樓字自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。 PA型則是用于過程自動(dòng)化的總線類型，它遵從IEC11582標(biāo)準(zhǔn)。39 該項(xiàng)技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國(guó)公司、研究所共同推出的。 它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。FMS還采用了應(yīng)用層。傳輸速率為9.6kbps12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時(shí)為100m，1.5Mbps時(shí)為400m，可用中繼器延長(zhǎng)至10km。 其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜。最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)?？蓪?shí)現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。40（4）CAN CAN是控制局域網(wǎng)絡(luò)(Control Area Network)的簡(jiǎn)稱，最早由德國(guó)BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。由于得到了Motorola，Intel，Philip，Siemence，NEC等公司的支持，它廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。CAN協(xié)議只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層。