工控領域最流行的九大現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線(Fieldbus)是20世紀80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的，用于現(xiàn)場總線技術過程自動化、 制造自動化、樓宇自動化等領域的現(xiàn)場智能設備互連通訊網絡。它作為工廠數(shù)字通信網絡的基礎，溝通了生產過程現(xiàn)場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間 的聯(lián)系。它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)字通訊等技術為主要內容的綜合技術，已經受到 世界范圍的關注，成為自動化技術發(fā)展的熱點，并將導致自動化系統(tǒng)結構與設備的深刻變革。國際上許多實力、有影響的公司都先后在不同程度上進行了現(xiàn)場總線技 術與產品的開發(fā)。現(xiàn)場總線設備的工作環(huán)境處于過程設備的底層，作為工廠設備級基礎通訊網絡，要求具有協(xié)議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點：具有 一定的時間確定性和較高的實時性要求，還具有網絡負載穩(wěn)定，多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上述特點，現(xiàn)場總線系統(tǒng)從網絡結構到通訊技術，都具 有不同上層高速數(shù)據通信網的特色。

一般把現(xiàn)場總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng)，也稱作FCS——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。人們一般把50年代前的 氣動信號控制系統(tǒng)PCS稱作第一代，把4～20mA等電動模擬信號控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計算機集中式控制系統(tǒng)稱為第三代，而把70年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng)，一方面，突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網絡的局限，采用了基于公開化、標 準化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷;另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統(tǒng)結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。 可以說，開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線系統(tǒng)最顯著的特征。

現(xiàn)場總線技術展望與發(fā)展趨勢

現(xiàn)場總線技術的發(fā)展應體現(xiàn)為兩個方面：一個是低速現(xiàn)場總線領域的繼續(xù)發(fā)展和完善;另一個是高速現(xiàn)場總線技術的發(fā)展。

目前現(xiàn)場總線產品主要是低速總線產品，應用于運行速率較低的領域，對網絡的性能要求不是很高。從應用狀況看，無論是FF和Profibus，還是其他一 些現(xiàn)場總線，都能較好地實現(xiàn)速率要求較慢的過程控制。因此，在速率要求較低的控制領域，誰都很難統(tǒng)一整個世界市場。而現(xiàn)場總線的關鍵技術之一是互操作性， 實現(xiàn)現(xiàn)場總線技術的統(tǒng)一是所有用戶的愿望。今后現(xiàn)場總線技術如何發(fā)展、如何統(tǒng)一，是所有生產廠商和用戶十分關心的問題。

高速現(xiàn)場總線主 要應用于控制網內的互連，連接控制計算機、PLC等智能程度較高、處理速度快的設備，以及實現(xiàn)低速現(xiàn)場總線網橋間的連接，它是充分實現(xiàn)系統(tǒng)的全分散控制結 構所必須的。目前這一領域還比較薄弱。因此，高速現(xiàn)場總線的設計、開發(fā)將是競爭十分激烈的領域，這也將是現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)統(tǒng)一的重要機會。而選擇什么樣的 網絡技術作為高速現(xiàn)場總線的整體框架將是其首要內容。

發(fā)展現(xiàn)場總線技術已成為工業(yè)自動化領 域廣為注的焦點課題，國際上現(xiàn)場總線的研究、開發(fā)，使測控系統(tǒng)沖破了長期封閉系統(tǒng)的禁錮，走上開放發(fā)展的征程，這對中國現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展是個極好的 機會，也是一次嚴峻的挑戰(zhàn)。自動化系統(tǒng)的網絡化是發(fā)展的大趨勢，現(xiàn)場總線技術受計算機網絡技術的影響是十分深刻的?，F(xiàn)在網絡技術日新月異，發(fā)展十分迅猛， 一些具有重大影響的網絡新技術必將進一步融合到現(xiàn)場總線技術之中，這些具有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線技術有;智能儀表與網絡設備開發(fā)的軟硬件技術;組態(tài)抗術，包 括網絡拓撲結構、網絡設備、網段互連等;網絡管理技術，包括網絡管理軟件、網絡數(shù)據操作與傳輸;人機接口、軟件技術;現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成技術。

由于目前自動化技術從單機控制發(fā)展到工廠自動化FA，發(fā)展到系統(tǒng)自動化。工廠自動化信息網絡可分為以下三層結構：工廠管理級、車間監(jiān)控級、現(xiàn)場設備 級，而現(xiàn)場總線是工廠底層設備之間的通信網絡。這里先介紹一下以太網，本文特指工業(yè)以太網，工業(yè)以太網是作為辦公室自動化領域衍生的工業(yè)網絡協(xié)議，按習慣 主要指IEEE802.3協(xié)議，如果進一步采用TCP/IP協(xié)議族，則采用“以太網+TCP/IP”來表示，其技術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)控級信息集成領域中，工業(yè)以太網已有不少成功的案例，在設備層對實時性沒有嚴格要求場合也有許多應用。 由于現(xiàn)場總線目前種類繁多，標準不一，很多人都希望以太網技術能介入設備低層，廣泛取代現(xiàn)有現(xiàn)場總線技術，施耐德公司就是該想法的積極倡導者和實踐者，目 前已有一批工業(yè)級產品問世和實際應用?？墒蔷湍壳岸?，以太網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。由于技術的局限 和各個廠家的利益之爭，這樣一個多種工業(yè)總線技術并存，以太網技術不斷滲透的現(xiàn)狀還會維持一段時間。用戶可以根據技術要求和實際情況來選擇所需的解決方 案。

現(xiàn)場總線技術的興起，開辟了工廠底層網絡的新天地。它將促進企業(yè)網絡的快速發(fā)展，為企業(yè)帶來新的效益，因而會得到廣泛的應用，并推動自動化相關行業(yè)的發(fā)展。

市面上最等流行的九大現(xiàn)場總線

目前國際上有40多種現(xiàn)場總線，但沒有任何一種現(xiàn)場總線能覆蓋所有的應用面，按其傳輸數(shù)據的大小可分為3類：傳感器總線(sensorbus)，屬于位 傳輸;設備總線(devicebus)，屬于字節(jié)傳輸;現(xiàn)場總線，屬于數(shù)據流傳輸。下面讓我一起去認識這九種現(xiàn)再總線。

1、FF現(xiàn)場總線

FF現(xiàn)場總線基金會是由WORLDFIPNA(北美部分，不包括歐洲)和ISPFoundation于1994年6月聯(lián)合成立的，它是一個國際性的組 織，其目標是建立單一的、開放的、可互操作的現(xiàn)場總線國際標準。這個組織給予了IEC現(xiàn)場總線標準起草工作組以強大的支持。這個組織目前有l(wèi)00多成員單 位，包括了全世界主要的過程控制產品及系統(tǒng)的生產公司。1997年4月這個組織在中國成立了中國儀協(xié)現(xiàn)場總線專業(yè)委員會(CFC)。致力于這項技術在中國 的推廣應用。FF成立的時間比較晚，在推出自己的產品和把這項技術完整地應用到工程上相對于PROFIBUS和WORLDFIP要晚。但是正由于FF是 1992年9月成立的，是以FisherRosemount公司為核心的ISP(可互操作系統(tǒng)協(xié)議)與WORLDFIPNA兩大組織合并而成的，因此這個 組織具有相當實力：目前FF在IEC現(xiàn)場總線標準的制訂過程中起著舉足輕重的作用。

現(xiàn)場總線基金會自成立以來，經過十年的發(fā)展，已經形 成了一個開放的、全數(shù)字化的工業(yè)通信系統(tǒng)，并在上世紀末開始進入中國市場，推動了中國的工業(yè)自動化技術進步，并開始了大型全區(qū)域系統(tǒng)集成的應用。一個開放 式的總線協(xié)議，很重要的一點就是有多少設備支持這個協(xié)議。否則，這個協(xié)議的開放性就沒有意義了。

在無線和遠程I/O管理方面，現(xiàn)場總線基金會發(fā)布了基金會遠程運營管理初步規(guī)范。新的技術規(guī)范是基金會面向無線和遠程I/O進行遠程運營管理解決方案的 一部分，面向遠程運營管理設備定義了代表基金會HART設備的現(xiàn)場總線變送器模塊。該模塊可以顯示有線HART及無線HART設備。

此外，該規(guī)范還描述了通過基金會高速以太網(HSE)傳輸基本HART命令協(xié)議接觸HART設備進行配置和資產管理的理想方法。規(guī)范也對在連接基金會遠程運營管理設備的有線多觸點網絡和無線HART網絡中識別和維護HART設備狀態(tài)的結構進行了定義。

新的變送器模塊規(guī)范將會使那些需要將HART和無線HART設備連入基金會現(xiàn)場總線、提升其與控制系統(tǒng)或者基金會設備的最終用戶受益，”現(xiàn)場總 線基金會技術開發(fā)總監(jiān)DaveGlanzer說道：“他們可能會需要對資產管理采用一種網絡化的方法，連接大量的HART和無線HART設備，進行配置和 維護。”

在現(xiàn)場總線基金會架構內部，H1和HSE可以提供分布式功能模塊的能力，與HSE一起形成容量更大的通道，加快數(shù)據傳輸和傳輸 量。基金會遠程運營管理的開發(fā)，為有線及無線HSE主干網絡建立了一個開放式、非專利性的規(guī)范，可以通過接口將不同的基金會遠程運營管理設備和無線現(xiàn)場設 備網絡進行集成。

使用高速HSE連接，可以高效的將模塊化的數(shù)字和模擬現(xiàn)場I/O設備大幅度集中到控制室當中。通過使用諸如智能遠程終 端單元(RTU)這類HSE設備功能，這項技術可以將各種形式的傳統(tǒng)I/O輕而易舉的融入到自然的現(xiàn)場總線環(huán)境當中。這一解決方案在同一個以太網絡上可以 同時支持數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、模擬輸入、模擬輸出和H1現(xiàn)場總線。

2、LonWorks現(xiàn)場總線

LonWorks現(xiàn)場總線是美國Echelon公司1992年推出的局部操作網絡,最初主要用于樓宇自動化,但很快發(fā)展到工業(yè)現(xiàn)場網。LonWorks 技術為設計和實現(xiàn)可互操作的控制網絡提供了一套完整、開放、成品化的解決途徑。LonWorks技術的核心是神經元芯片(NeuronChip)。該芯片 內部裝有3個微處理器:MAC處理器完成介質訪問控制;網絡處理器完成OSI的3～6層網絡協(xié)議;應用處理器完成用戶現(xiàn)場控制應用。它們之間通過公用存儲 器傳遞數(shù)據。在控制單元中需要采集和控制功能,為此,神經元芯片特設置11個I/O口。這些I/O口可根據需求不同來靈活配置與外圍設備的接口,如 RS232、并口、定時/計數(shù)、間隔處理、位I/O等。

LonWorks提供的不僅僅是一套高性能的神經元芯片,更重要的是,它提供了 一套完整的開發(fā)平臺。工業(yè)現(xiàn)場中的通信不僅要將數(shù)據實時發(fā)送、接收,更多的是數(shù)據的打包、拆包、流量處理、出錯處理。這使控制工程師不得不在數(shù)據通信上投 入大量精力。LonWorks在這方面提供了非常友好的服務,提供了一套完整的建網工具——LonBuild。

首先,它提供了一套C語言的編譯器,從而大大減少了開發(fā)時間。在這個編譯器中,提供了對11個I/O非常詳盡的庫函數(shù)。在通信方面,它也提出了一個全新 的概念——網絡變量。通過網絡變量,網絡上的通信只需將相關節(jié)點上的網絡變量連接一下即可。網絡變量是應用程序定義的一個特殊靜態(tài)變量,可以是ANSIC 所定義的各種類型,也可以是自定義類型,還可以規(guī)定優(yōu)先級、響應方式等。網絡變量被定義為輸入或輸出,當定義為輸出的網絡變量被賦予新值時,與該輸出變量 相連的輸入網絡變量就會被立刻賦予同樣的新值。

另外,LonBuild還集成開發(fā)環(huán)境和編譯于一體,具備C調試器,可在多個仿真器上調試應用程序,并具備網絡協(xié)議分析和通信分析的功能。

自80年代末以來，多種現(xiàn)場總線技術已逐漸形成其影響并在一些特定的應用領域顯示了自己的優(yōu)勢。它們各有優(yōu)勢，顯示出較強的生命力。例如基金會現(xiàn)場總線 (FF)是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術。PROFIBUS是德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場總線 標準。該系列有DP.FMS.PA三種型號，其中DP型適用于加工自動化領域;FMS型適用于紡織.樓宇自動化，可編程控制器.低壓開關等;PA型則用于 過程自動化。CAN最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據通信。HART最早由ROSEmount公司開發(fā)并行到80多家 著名儀表公司的支持，是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號的通信。由于它們在各自范圍內各自為政，不可避免地限制了整個系統(tǒng)的發(fā)展，不利于整個系統(tǒng)的系 統(tǒng)集成，而我公司開發(fā)出的Lonworks產品，分別在釀酒.電力.建筑.工業(yè)自動化和化工行業(yè)中應用并取得良好的效果。

隨著我國社會 主義現(xiàn)代化建設進程的不斷推進，我國在智能化領域的需求日益劇增。而國際上現(xiàn)有的其他類現(xiàn)場總線所存在的固有局限性，使得它們在應用時受到這樣那樣的約 束。LON總線則綜合了當今現(xiàn)場總線的多種功能，同時具備了局域網的一些特點，使得它被廣泛地應用于航空/航天，農業(yè)控制、計算機/外圍設備、診斷/監(jiān) 控、電子測量設備、測試設備、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事/防衛(wèi)、辦公室設備系統(tǒng)、機器人、安全警衛(wèi)、保密、運動/游藝、電話通信、運輸設備等領域。其通用性表明，它 不是針對某一個特殊領域的總線，而是具有可將不同領域的控制系統(tǒng)綜合成一個以LONWORKS為基礎的更復雜系統(tǒng)的網絡技術。

3、Profibu現(xiàn)場總線

Profibus是作為德國國家標準DIN19245和歐洲 標準prEN50170的現(xiàn)場總線。ISO/OSI模型也是它的參考模型。由Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA 組成了Profibus系列。DP型用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動化領域的應用。FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控 制器、低壓開關等一般自動化，而PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC1158-2標準。該項技術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)據鏈路層，由這兩部分形成了其標準第一部分的子集，DP型隱去了3～7層，而增加了直接數(shù)據連接擬合作為用 戶接口，F(xiàn)MS型只隱去第3～6層，采用了應用層，作為標準的第二部分。PA型的標準目前還處于制定過程之中，其傳輸技術遵從IEC1158-2(1)標 準，可實現(xiàn)總線供電與本質安全防爆。

Porfibus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。主站具有對總線的控制權，可主動發(fā)送信息。對多主站系統(tǒng)來說，主站之間 采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點可在一個事先規(guī)定的時間內擁有總線控制權，共事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長時間。按Profibus的通 信規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行方向進行傳遞。主站在得到控制權時，可以按主—從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實現(xiàn)點對點通信。主站可采取 對所有站點廣播(不要求應答)或有選擇地向一組站點廣播。Profibus的傳輸速率為96～12kbps最大傳輸距離在12kbps時為 1000m，15Mbps時為400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個站點。