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一、 現(xiàn)場總線技術(shù)的由來

傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)（包括：基于PC、PLC、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統(tǒng)），其主要特點之一是，現(xiàn)場層設(shè)備與控制器之間的連接是一對一）一個I/O點對設(shè)備的一個測控點）所謂I/O接線方式，信號傳遞4~20mA(傳送模擬量信息)或者VDC（傳送開關(guān)量信息）信號。

這樣的系統(tǒng)存在的缺點是：

1．信息集成能力不強：控制器與現(xiàn)場設(shè)備之間靠I/O連線連接，傳送4~20mA模擬量信號或24VDC等開關(guān)量信號，并以此監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數(shù)據(jù)如設(shè)備參數(shù)、故障及故障紀錄等數(shù)據(jù)很難得到。底層數(shù)據(jù)不全、信息集成能力不強，不能完全滿足CIMS系統(tǒng)對底層數(shù)據(jù)的要求。

2．系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強：除現(xiàn)場設(shè)備均靠標準4~20mA/24VDC連接，系統(tǒng)其它軟、硬件通常只能使用一家產(chǎn)品。不同廠家產(chǎn)品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差。這種系統(tǒng)很少留出接口，允許其它廠商將自己專長的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，面向行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)很少。

3．可靠性不易保證：對于大范圍的分布式系統(tǒng)，大量的I/O電纜及敷設(shè)施工，不僅增加成本，也增加了系統(tǒng)的不可靠性。

4．可維護性不高：由于現(xiàn)場級設(shè)備信息不全，現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能不強。另一方面也很難完成現(xiàn)場設(shè)備的遠程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化功能，影響了系統(tǒng)的可維護性?，F(xiàn)場總線技術(shù)可以概括為幾方面：

a.  制定總線通訊協(xié)議及技術(shù)標準

b. 自動化廠商按照標準生產(chǎn)各種自動化類產(chǎn)品，包括控制器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動裝置及控制軟件

c.  實際應(yīng)用于中，使用一根通訊電纜，將所有現(xiàn)場設(shè)備連接到控制器，形成設(shè)備及車間級的數(shù)字化通訊網(wǎng)絡(luò)。

二、 現(xiàn)場總線技術(shù)特點

1．系統(tǒng)的開放性由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換。用戶可按照自己的需要和考慮，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)場總線構(gòu)筑自動化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。

2．互可操作性與互用性  互可操作性是指互聯(lián)設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；互用性是指不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的性能類似的設(shè)備可實現(xiàn)相互替換。

3．現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性它將傳感測量、補償計、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。

4．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性  現(xiàn)場總線已構(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，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

 5．對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性  工作在生產(chǎn)現(xiàn)場前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。

三、現(xiàn)場總線的優(yōu)點

由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。

1．節(jié)省硬件數(shù)量與投資  由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感控制報警和計算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的調(diào)節(jié)器、計算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號調(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機作為操作站，從而節(jié)省了大筆硬件投資，并可減少控制室的占地面積。

2．節(jié)省安裝費用  現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計與接頭校對的工作量也大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時，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、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗工程的測算資料表明，可節(jié)約安裝費用60%以上。  

3．節(jié)省維護開銷  由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢氖設(shè)備的運行、診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護停工時間，同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，連線簡單而減少了維護工作量。

4．用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)  用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(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，不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一一籌莫展。使系統(tǒng)集成過程中的主動權(quán)牢牢掌握在用戶手中。

5．提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性  由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

6．此外，由于它的設(shè)備標準化，功能模塊化，因而還具有設(shè)計簡單、易于重構(gòu)等優(yōu)點。四、幾種有影響的現(xiàn)場總線技術(shù)

    自80年代末以來，有幾種現(xiàn)場總線技術(shù)已逐漸形成其影響并在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域顯示了自己的優(yōu)勢。它們具有各自的特點，也顯示了較強的生命力。對現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)發(fā)揮并將會繼續(xù)發(fā)揮較大作用。

1． 基金會現(xiàn)場總線（FF）

     其前身是以美國Fisher-Rosemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80余家公司制訂的ISP協(xié)議和以法國阿爾斯通、斯耐德等幾家法國公司為首，聯(lián)合歐洲與北美等地的150家公司制訂的WorldFIP協(xié)議?；饡F(xiàn)場總線得到了過程控制領(lǐng)域自動控制設(shè)備的主要供應(yīng)商的支持。這些公司對工業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)的功能需求了解透徹，也具備左右該領(lǐng)域現(xiàn)場自控設(shè)備發(fā)展方向的能力。所以該總線具有相當(dāng)?shù)臋?quán)威性。目前它只有低速現(xiàn)場總線協(xié)議與產(chǎn)品。低速現(xiàn)場總線速率為31.25kbps，通信距離可達1900米（可加中繼器延長），可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。上層直接與工業(yè)以太網(wǎng)連接。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IEC61158-2標準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼。這是一種極有前途的現(xiàn)場總線。目前它的應(yīng)用領(lǐng)域主要以過程自動化為主，如石化、化工等領(lǐng)域，主要用于對生產(chǎn)過程中連續(xù)量的控制。

2．WorldFIP

WorldFIP現(xiàn)場總線是以法國幾家跨國公司為主開發(fā)的，是法國標準和歐洲標準。WorldFIP組織目前有100多個會員單。1994年6月，WorldFIP的北美部分與ISP合并成為FF以后，WorldFIP的歐洲部分仍保持獨立?？偛吭O(shè)在法國的WorldFIP組織采取了一種靈活的策略：一方面積極推廣成熟的WorldFIP技術(shù)和產(chǎn)品，搶占市場；另一方面也積極支持建立世界唯一現(xiàn)場總線標準的工作，支持IEC現(xiàn)場總線標準，并已經(jīng)做好準備，一旦IEC標準通過，馬上推出與IEC標準相連接的產(chǎn)品使自己立于不敗之地。它也是FF的成員。 WorldFIP采用三層結(jié)構(gòu):物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。

a.物理層: WorldFIP物理層采用國際標準IEC 61158-2，保證信息從一個設(shè)備安全地傳送到接在總線上的其它設(shè)備，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線或光纖。傳輸速率為31.25kb/s、1Mb/s和2.5Mb/s，標準速率為1Mb/s。

b.數(shù)據(jù)鏈路層: 數(shù)據(jù)鏈路層負責(zé)傳輸、差錯和訪問控制。有周期和非周期兩種數(shù)據(jù)交換，變量尋址和報文尋址兩種尋址空間，采用生產(chǎn)者-使用者、廣播ID-DAT詢問幀-響應(yīng)RP-DAT回答幀的通信模式，由總線仲裁器進行集中式介質(zhì)訪問控制?？偩€仲裁器和生產(chǎn)者分別具有時空惟一性。

c.應(yīng)用層: WorldFIP應(yīng)用層提供變量和報文兩種訪問報務(wù)。

WorldFIP各種硬、軟產(chǎn)品從通信芯片到開發(fā)工具,有350多種。使用這些產(chǎn)品，現(xiàn)場設(shè)備如變送器、執(zhí)行器、I/O或者處理單元（PC、PLC等）可以方便地掛到WorldFIP現(xiàn)場總線上。

WorldFIP在技術(shù)上有很多特點與優(yōu)勢。

a.實用性。WorldFIP采用IEC物理層標準，支持電纜冗余,大部分協(xié)議固化在硬件上，穩(wěn)定性強；它的生產(chǎn)者/使用者模式和總線仲裁器的調(diào)度方式保證了在一條總線上傳遞大量信息的同時，不會干擾時限變量的通信。

b.它具極強的抗干擾能力和實時性；能完全滿足IEC關(guān)于電磁兼容性的EMC標準；它的通訊模式支持后臺傳輸報文、周期和事件變量，保證診斷信息傳輸不影響實時控制。

c.WorldFIP現(xiàn)場總線不論低速還是高速，只有一套通信協(xié)議，所以不需要任何網(wǎng)橋或網(wǎng)關(guān)，低速與高速網(wǎng)絡(luò)的銜接只用軟件完成。

d.它的生產(chǎn)者/使用者（Producer/Consumer）模式和總線仲裁器（Bus Arbiter）的調(diào)度方式特別適合工業(yè)過程控制。IEC標準與FF規(guī)范都采用了這種通信模式，只是名稱不同。FF的術(shù)語為發(fā)布方/接收方（Publisher/Subscriber）和鏈路活動調(diào)度器（LAS）。這也說明了為什么WorldFIP支持IEC標準，因為它向IEC轉(zhuǎn)化在技術(shù)上是比較容易的。

e.WorldFIP是開放的現(xiàn)場總線，WorldFIP產(chǎn)品的設(shè)計者、用戶或集成商都可以得到WorldFIP組織的幫助。這些幫助包括:技術(shù)培訓(xùn)、技術(shù)支持和技術(shù)測試。它可以根據(jù)用戶、集成商和開發(fā)商要求提供各種培訓(xùn)服務(wù)，幫助大家在產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用及安裝的過程中，正確地使用WorldFIP協(xié)議及各種器件；為客戶提供產(chǎn)品規(guī)劃、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和測試支持；還可為各廠商開發(fā)和銷售的產(chǎn)品提供技術(shù)鑒定。這種鑒定是對使用WorldFIP網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)中設(shè)備的互操作能力進行測試。

WorldFIP組織目前有100多個成員，它們在共同研究、開發(fā)這項技術(shù)的同時，也將這項技術(shù)推廣到了各個應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過十多年的應(yīng)用與改進，WorldFIP已經(jīng)是一項完全成熟的技術(shù)，具有品種齊全的通信產(chǎn)品和開發(fā)工具。WorldFIP現(xiàn)場總線目前已被廣泛應(yīng)用于發(fā)電與輸配電、樓宇自動化、機械過程、機車、鐵路運輸、航運和造船、地鐵、食品與飲料工業(yè)、核工業(yè)、化工、航空與航天、汽車制造等多個自動化控制領(lǐng)域。

3．PROFIBUS

PROFIBUS是德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場總線標準。由PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA組成了PROFIBUS系列。該項技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國公司、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。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜。最多可掛接127個站點。 DP是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信，使用DP可取代24VDC或4~20mA信號傳輸，數(shù)據(jù)傳輸類型為RS485，。適合于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。 FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個令牌結(jié)構(gòu)、實時多主網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸類型為RS485，傳輸速率為9.6kbps~12Mbps,最大傳輸距離在12Mbps時為100m, 500Kbps時為400m。PROFIBUS-FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。 PA是專為過程自動化設(shè)計，數(shù)據(jù)傳輸采用數(shù)字式、位同步、曼徹斯特編碼。傳輸速率：31.25Kbit/s，電壓式?？墒箓鞲衅骱蛨?zhí)行機構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本質(zhì)安全防爆功能，總線供電。物理層遵從IEC61158-2標準。 由于Profibus對不同的應(yīng)用有三種不同的總線，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。DP和FMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，因而這兩套系統(tǒng)可在同一根電纜上同時操作。PA和DP之間需要通過偶合器連接。 3．   P-NET

    P-NET是丹麥國家標準和歐洲標準。其用戶組織目前有將近100個公司、研究所成員。是一種多主站主從式總線（每段最多可容納32個主站），使用屏蔽雙絞線電纜RS485，每段總線最長1200米，每段最多可聯(lián)接125個設(shè)備，總線分段之間使用中繼器。數(shù)據(jù)以NRZ編碼異步式傳輸，傳輸速率76.8kbit/s。 它的主要應(yīng)用領(lǐng)域是在農(nóng)業(yè)和食品加工業(yè)，如：奶制品廠、啤酒廠、農(nóng)業(yè)環(huán)境控制、動物飼養(yǎng)系統(tǒng)，在其它領(lǐng)域如瀝青和水泥生產(chǎn)、紡織工業(yè)、質(zhì)量控制系統(tǒng)、發(fā)電廠、太陽能電站等領(lǐng)域也有應(yīng)用。

4． LonWorks

LON（Local operating networks）總線是美國ECHELON公司1991年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，為集散式監(jiān)控系統(tǒng)提供了很強的實現(xiàn)手段。在其支持下，誕生了新一代的智能化低成本的現(xiàn)場測控產(chǎn)品。為支持LON總線，ECHELON公司開發(fā)了LONWORKS技術(shù)，它為LON總線設(shè)計、成品化提供了一套完整的開發(fā)平臺。目前采用LONWORKS技術(shù)的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用地工業(yè)，樓宇、家庭、能源等自動化領(lǐng)域，LON總線也成為當(dāng)前最為流行的現(xiàn)場總線之一。 LONWORKS協(xié)議支持OSI的七層協(xié)議，具體實現(xiàn)就采用網(wǎng)絡(luò)變量這一形式。網(wǎng)絡(luò)變量使節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳遞只是通過各個網(wǎng)絡(luò)變量的互聯(lián)便可完成。又由于硬件芯片的支持，實現(xiàn)了實時性和接口的直觀、簡潔的現(xiàn)場總線的應(yīng)用要求。神經(jīng)元芯片（neuron chip）是lonWorks技術(shù)的核心，它不僅是Lon總線的通信處理器，同時也可作為采集和控制的通用處理器，LONWORKS技術(shù)中所有關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的操作實際上都是通過它來完成的。它的主要應(yīng)用領(lǐng)域是在樓宇自動化控制。由于它優(yōu)良的性能/價比，在其它領(lǐng)域也得到應(yīng)用。

5． CAN

CAN是控制局域網(wǎng)絡(luò)（control Area Network）的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范已被ISO國際標準組織制訂為國際標準。由于得到了Motorola， Intel, Ohilip, 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)議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型基礎(chǔ)上的，不過其模型結(jié)構(gòu)只有三層，即只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線。通信速率最高可達1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達10km/5kbps?？蓲旖釉O(shè)備數(shù)量最多可達110個。 CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點嚴重錯誤時，具有自動關(guān)閉的功能，以切斷該點與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。

6． HART

HART是Highway Addressable remote Transducer（可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議）的縮寫。最早由Rosemount公司開發(fā)并得到八十多家著名儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會。嚴格意義上講，它不是現(xiàn)場總線。它是在現(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)變過程中的過渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較快發(fā)展。 HART采用統(tǒng)一的設(shè)備描述語言DDL。現(xiàn)場設(shè)備開發(fā)商采用這種標準語言來描述設(shè)備特性，由HART基金會負責(zé)登記管理這些設(shè)備描述并把它們編為設(shè)備描述字典，主設(shè)備運用DDL技術(shù)來理解這些設(shè)備的特性參數(shù)而不必為這些設(shè)備開發(fā)專用接口。但由于這種模擬數(shù)字混合信號制，導(dǎo)致難以開發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。 HART能利用總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆要求，并可組成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)。

四、幾種現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域

五、IEC國際標準情況

正在爭取成為現(xiàn)場總線國際標準的子集的總線有：

類型1  Control Net

類型2  Profibus

類型3  P-NET

類型4  FF HSE

類型5  SwiftNet

類型6  WorldFIP

類型7  Interbus

目前和IEC標準最接近的現(xiàn)場總線只有FF和WorldFIP。