1、現場(chǎng)總線(xiàn)的定義

現場(chǎng)總線(xiàn)是指以工廠(chǎng)內的測量和控制機器間的數字通訊為主的網(wǎng)絡(luò )。也就是將傳感器、各種操作終端和控制器間的通訊及控制器之間的通訊進(jìn)行特化的網(wǎng)絡(luò )。原來(lái)這些機器間的主體配線(xiàn)是ON/OFF、接點(diǎn)信號和模擬信號，通過(guò)通訊的數字化，使時(shí)間分割、多重化、多點(diǎn)化成為可能，從而實(shí)現高性能化、高可靠化、保養簡(jiǎn)便化、節省配線(xiàn)（配線(xiàn)的共享）。

簡(jiǎn)單說(shuō)，現場(chǎng)總線(xiàn)就是以數字通信替代了傳統4-20mA模擬信號及普通開(kāi)關(guān)量信號的傳輸。

2、現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)

●系統的開(kāi)放性

　　開(kāi)放系統是指通信協(xié)議公開(kāi)，各不同廠(chǎng)家的設備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現信息交換，現場(chǎng)總線(xiàn)開(kāi)拓者就是要致力于建立統一的工廠(chǎng)底層網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)放系統。這里的開(kāi)放是指對相關(guān)標準的一致、公開(kāi)性，強調對標準的共識與遵從。一個(gè)開(kāi)放系統，它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。一個(gè)具有總線(xiàn)功能的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統是開(kāi)放的，開(kāi)放系統把系統集成的權利交給了用戶(hù)。用戶(hù)可按自己的需要和對象把來(lái)自不同供應商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統。

●互可操作性與互用性

　　這里的互可操作性，是指實(shí)現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通，可實(shí)行點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)的數字通信。而互用性則意味著(zhù)不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的性能類(lèi)似的設備可進(jìn)行互換而實(shí)現互用。

●現場(chǎng)設備的智能化與功能自治性

　　它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場(chǎng)設備中完成，僅靠現場(chǎng)設備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設備的運行狀態(tài)。

●系統結構的高度分散性

　　由于現場(chǎng)設備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能，使得現場(chǎng)總線(xiàn)已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構。從根本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡(jiǎn)化了系統結構，提高了可靠性。

●對現場(chǎng)環(huán)境的適應性

工作在現場(chǎng)設備前端，作為工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )底層的現場(chǎng)總線(xiàn)，是專(zhuān)為在現場(chǎng)環(huán)境工作而設計的，它可支持雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線(xiàn)、電力線(xiàn)等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線(xiàn)制實(shí)現送電與通信，并可滿(mǎn)足本質(zhì)防爆要求等。

3、現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

●節省硬件數量與投資

　　由于現場(chǎng)總線(xiàn)系統中分散在設備前端的智能設備能直接執行多種傳感器、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統的信號調理、轉換、隔離技術(shù)等功能單元及其復雜接線(xiàn)，還可以用工控PC機作為操作站，從而節省了一大筆硬件投資，由于控制設備的減少，還可減少控制室的占地面積。

●節省安裝費用

　　現場(chǎng)總線(xiàn)系統的接線(xiàn)十分簡(jiǎn)單，由于一對雙絞線(xiàn)或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線(xiàn)設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場(chǎng)控制設備時(shí)，無(wú)需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。據有關(guān)典型試驗工程的測算資料，可節約安裝費用60%以上。

●節省維護開(kāi)銷(xiāo)

由于現場(chǎng)控制設備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過(guò)數字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室，用戶(hù)可以查詢(xún)所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除?？s短了維護停工時(shí)間，同時(shí)由于系統結構簡(jiǎn)化，連線(xiàn)簡(jiǎn)單而減少了維護工作量。

4、現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結構

星型：每個(gè)站點(diǎn)都連接到中間節點(diǎn)。

環(huán)型：站點(diǎn)連接成一封閉環(huán)路。

總線(xiàn)型：所有站點(diǎn)共享一條傳輸鏈路。

樹(shù)型：總線(xiàn)結構的擴展形式。

5、發(fā)展趨勢

從現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)本身來(lái)分析，它有兩個(gè)明顯的發(fā)展趨勢：

　　一是尋求統一的現場(chǎng)總線(xiàn)標準

　　二是Industrial Ethernet走向工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )

工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展

　　統一、開(kāi)放的TCP/IP Ethernet是20多年來(lái)發(fā)展較為成功的網(wǎng)絡(luò )技術(shù) ，過(guò)去一直認為，Ethernet是為IT領(lǐng)域應用而開(kāi)發(fā)的，它與工業(yè)網(wǎng)絡(luò )在實(shí)時(shí)性、環(huán)境適應性、總線(xiàn)饋電等許多方面的要求存在差距，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域只能得到有限應用。 隨著(zhù)FF HSE的成功開(kāi)發(fā)以及PROFInet的推廣應用，可以預見(jiàn)Ethernet技術(shù)將會(huì )十分迅速地進(jìn)入工業(yè)控制系統的各級網(wǎng)絡(luò )。

地球上形成的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的四大陣營(yíng)：

　　主要用于離散制造控制系統的是：

　　●Modbus-IDA工業(yè)以太網(wǎng)

　　●Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)

　　●PROFInet工業(yè)以太網(wǎng)

　　主要用于過(guò)程控制系統的是：

　　●Foundation Fieldbus HSE工業(yè)以太網(wǎng)

6、總線(xiàn)控制組成

現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統由測量系統、控制系統、管理系統三個(gè)部分組成，而通信部分的硬、軟件是它較為有特色的部分。

　　●現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統：

　　它的軟件是系統的重要組成部分，控制系統的軟件有組態(tài)軟件、維護軟件、仿真軟件、設備軟件和監控軟件等。首先選擇開(kāi)發(fā)組態(tài)軟件、控制操作人機接口軟件MMI。通過(guò)組態(tài)軟件，完成功能塊之間的連接，選定功能塊參數，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )組態(tài)。在網(wǎng)絡(luò )運行過(guò)程中對系統實(shí)時(shí)采集數據、進(jìn)行數據處理、計算。優(yōu)化控制及邏輯控制報警、監視、顯示、報表等。

　　●現場(chǎng)總線(xiàn)的測量系統：

　　其特點(diǎn)為多變量高性能的測量，使測量?jì)x表具有計算能力等更多功能，由于采用數字信號，具有高分辨率，準確性高、抗干擾、抗畸變能力強，同時(shí)還具有儀表設備的狀態(tài)信息，可以對處理過(guò)程進(jìn)行調整。

　　●設備管理系統：

　　可以提供設備自身及過(guò)程的診斷信息、管理信息、設備運行狀態(tài)信息（包括智能儀表）、廠(chǎng)商提供的設備制造信息。例如Fisher—Rosemoune公司，推出AMS管理系統，它安裝在主計算機內，由它完成管理功能，可以構成一個(gè)現場(chǎng)設備的綜合管理系統信息庫，在此基礎上實(shí)現設備的可靠性分析以及預測性維護。將被動(dòng)的管理模式改變?yōu)榭深A測性的管理維護模式AMS軟件是以現場(chǎng)服務(wù)器為平臺的T型結構，在現場(chǎng)服務(wù)器上支撐模塊化，功能豐富的應用軟件為用戶(hù)提供一個(gè)圖形化界面。

　　●總線(xiàn)系統計算機服務(wù)模式：

　　以客戶(hù)機/服務(wù)器模式是目前較為流行的網(wǎng)絡(luò )計算機服務(wù)模式。服務(wù)器表示數據源（提供者），應用客戶(hù)機則表示數據使用者，它從數據源獲取數據，并進(jìn)一步進(jìn)行處理?？头繖C運行在PC機或工作站上。服務(wù)器運行在小型機或大型機上，它使用雙方的智能、資源、數據來(lái)完成任務(wù)。

　　●數據庫：

　　它能有組織的、動(dòng)態(tài)的存儲大量有關(guān)數據與應用程序，實(shí)現數據的充分共享、交叉訪(fǎng)問(wèn)，具有高度獨立性。工業(yè)設備在運行過(guò)程中參數連續變化，數據量大，操作與控制的實(shí)時(shí)性要求很高。因此就形成了一個(gè)可以互訪(fǎng)操作的分布關(guān)系及實(shí)時(shí)性的數據庫系統，市面上成熟的供選用的如關(guān)系數據庫中的Orad，sybas，Informix，SQL Server；實(shí)時(shí)數據庫中的Infoplus，PI，ONSPEC等。

　　●網(wǎng)絡(luò )系統的硬件與軟件：

　　網(wǎng)絡(luò )系統硬件有：系統管理主機、服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、協(xié)議變換器、集線(xiàn)器，用戶(hù)計算機等及底層智能化儀表。網(wǎng)絡(luò )系統軟件有網(wǎng)絡(luò )操作軟件如：NetWarc，LAN Mangger，Vines，服務(wù)器操作軟件如Lenix，os/2，Window NT。應用軟件數據庫、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議等。[1]

7、主流現場(chǎng)總線(xiàn)簡(jiǎn)介

●基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)（FoundationFieldbus 簡(jiǎn)稱(chēng)FF）

　　以Fisher-Rousemount公司為首的聯(lián)合了橫河、ABB、西門(mén)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(xiàn)在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應用，具有良好的發(fā)展前景。

基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)采用國標化組織ISO的開(kāi)放化系統互聯(lián)OSI的簡(jiǎn)化模型（1，2，7層），即物理層、數據鏈路層、應用層，另外增加了用戶(hù)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(xiàn)供電和防爆環(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(xiàn)、光纜和無(wú)線(xiàn)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。

　　●CAN（ControllerAreaNetwork 控制器局域網(wǎng)）

早期由德國B(niǎo)OSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領(lǐng)域，其總線(xiàn)規范已被ISO國標組織制定為國標，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。

CAN協(xié)議分為二層：物理層和數據鏈路層。CAN的信號傳輸采用短幀結構，傳輸時(shí)間短，具有自動(dòng)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(xiàn)仲裁技術(shù)，通過(guò)設置優(yōu)先級來(lái)避免沖突，通訊距離可達10KM/5Kbps/s，通訊速率可達40M /1Mbp/s，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數實(shí)際可達110個(gè)。目前已有多家公司開(kāi)發(fā)了符合CAN協(xié)議的通信芯片。

　　●Lonworks

它由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，采用面向對象的設計方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變量把網(wǎng)絡(luò )通信設計簡(jiǎn)化為參數設置。支持雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纜和紅外線(xiàn)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(yù)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(shí)現。采用Lonworks技術(shù)和神經(jīng)元芯片的產(chǎn)品，被廣泛應用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統、辦公設備、交通運輸、工業(yè)過(guò)程控制等行業(yè)。

　　●DeviceNet

　　DeviceNet是一種低成本的通信連接也是一種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )解決方案，有著(zhù)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )標準。DeviceNet具有的直接互聯(lián)性不僅改良了設備間的通信而且提供了相當重要的設備級陣地功能。DebiceNet基于CAN技術(shù)，傳輸率為125Kbit/s至500Kbit/s,每個(gè)網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)為64個(gè)，其通信模式為：生產(chǎn)者/客戶(hù)（Producer/Consumer），采用多信道廣播信息發(fā)送方式。位于DeviceNet網(wǎng)絡(luò )上的設備可以自由連接或斷開(kāi)，不影響網(wǎng)上的其他設備，而且其設備的安裝布線(xiàn)成本也較低。DeviceNet總線(xiàn)的組織結構是Open DeviceNet Vendor Association（開(kāi)放式設備網(wǎng)絡(luò )供應商協(xié)會(huì )，簡(jiǎn)稱(chēng)“ODVA”）。

　　●PROFIBUS

　　PROFIBUS是德國標準（DIN19245）和歐洲標準（EN50170）的現場(chǎng)總線(xiàn)標準。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA系列組成。DP用于分散外設間高速數據傳輸，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(kāi)關(guān)等。PA用于過(guò)程自動(dòng)化的總線(xiàn)類(lèi)型，服從IEC1158－2標準。PROFIBUS支持主-從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6Kbit/s至12Mbit/s，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(cháng)至10km，傳輸介質(zhì)為雙絞線(xiàn)或者光纜，可掛接127個(gè)站點(diǎn)。

　　●HART

HART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫(xiě)，早期由Rosemount公司開(kāi)發(fā)。

其特點(diǎn)是在現有模擬信號傳輸線(xiàn)上實(shí)現數字信號通信，屬于模擬系統向數字系統轉變的過(guò)渡產(chǎn)品。其通信模型采用物理層、數據鏈路層和應用層三層，支持點(diǎn)對點(diǎn)主從應答方式和多點(diǎn)廣播方式。由于它采用模擬數字信號混和，難以開(kāi)發(fā)通用的通信接口芯片。HART能利用總線(xiàn)供電，可滿(mǎn)足防爆的要求，并可用于由手持編程器與管理系統主機作為主設備的雙主設備系統。

　　●CC-Link

CC-Link是Control&Communication Link（控制與通信鏈路系統）的縮寫(xiě)，在1996年11月，由三菱電機為主導的多家公司推出，其增長(cháng)勢頭迅猛，在亞洲占有較大份額。

在其系統中，可以將控制和信息數據同是以10Mbit/s高速傳送至現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )，具有性能優(yōu)越、使用簡(jiǎn)單、應用廣泛、節省成本等優(yōu)點(diǎn)。其不僅解決了工業(yè)現場(chǎng)配線(xiàn)復雜的問(wèn)題，同時(shí)具有優(yōu)異的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一個(gè)以設備層為主的網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。

　　●WorldFIP

　　WorkdFIP的北美部分與ISP合并為FF以后，WorldFIP的歐洲部分仍保持獨立，總部設在法國。其在歐洲市場(chǎng)占有重要地位，特別是在法國占有率大約為60%。WorldFIP的特點(diǎn)是具有單一的總線(xiàn)結構來(lái)適用不同的應用領(lǐng)域的需求，而且沒(méi)有網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋，用軟件的辦法來(lái)解決高速和低速的銜接。WorldFIP與FFHSE可以實(shí)現“透明聯(lián)接”，并對FF的H1進(jìn)行了技術(shù)拓展，如速率等。在與IEC61158的連接方面，WorldFIP做得比較好，走在世界前列。

　　●INTERBUS

INTERBUS是德國Phoenix公司推出的較早的現場(chǎng)總線(xiàn)，2000年2月成為國標IEC61158。

INTERBUS采用國標化組織ISO的開(kāi)放化系統互聯(lián)OSI的簡(jiǎn)化模型（1，2，7層），即物理層、數據鏈路層、應用層，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據環(huán)通信，具有低速度、效率高的特點(diǎn)，并嚴格保證了數據傳輸的同步性和周期性；該總線(xiàn)的實(shí)時(shí)性、抗干擾性和可維護性也非常出色。INTERBUS廣泛地應用到汽車(chē)、煙草、倉儲、造紙、包裝、食品等工業(yè)，成為現場(chǎng)總線(xiàn)的領(lǐng)跑者。