1、現(xiàn)場總線的定義

現(xiàn)場總線是指以工廠內(nèi)的測量和控制機器間的數(shù)字通訊為主的網(wǎng)絡。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行特化的網(wǎng)絡。原來這些機器間的主體配線是ON/OFF、接點信號和模擬信號，通過通訊的數(shù)字化，使時間分割、多重化、多點化成為可能，從而實現(xiàn)高性能化、高可靠化、保養(yǎng)簡便化、節(jié)省配線（配線的共享）。

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量信號的傳輸。

2、現(xiàn)場總線的技術特點

●系統(tǒng)的開放性

　　開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠家的設備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換，現(xiàn)場總線開拓者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對相關標準的一致、公開性，強調(diào)對標準的共識與遵從。一個開放系統(tǒng)，它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統(tǒng)相連。一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡系統(tǒng)是開放的，開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。

●互可操作性與互用性

　　這里的互可操作性，是指實現(xiàn)互連設備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設備可進行互換而實現(xiàn)互用。

●現(xiàn)場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(xiàn)場設備中完成，僅靠現(xiàn)場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。

●系統(tǒng)結構的高度分散性

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

●對現(xiàn)場環(huán)境的適應性

工作在現(xiàn)場設備前端，作為工廠網(wǎng)絡底層的現(xiàn)場總線，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設計的，它可支持雙絞線、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)送電與通信，并可滿足本質(zhì)防爆要求等。

3、現(xiàn)場總線的技術優(yōu)點

●節(jié)省硬件數(shù)量與投資

　　由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設備前端的智能設備能直接執(zhí)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(shù)量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術等功能單元及其復雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節(jié)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(jié)省安裝費用

　　現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現(xiàn)場控制設備時，無需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。據(jù)有關典型試驗工程的測算資料，可節(jié)約安裝費用60%以上。

●節(jié)省維護開銷

由于現(xiàn)場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通訊將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除?？s短了維護停工時間，同時由于系統(tǒng)結構簡化，連線簡單而減少了維護工作量。

4、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡結構

星型：每個站點都連接到中間節(jié)點。

環(huán)型：站點連接成一封閉環(huán)路。

總線型：所有站點共享一條傳輸鏈路。

樹型：總線結構的擴展形式。

5、發(fā)展趨勢

從現(xiàn)場總線技術本身來分析，它有兩個明顯的發(fā)展趨勢：

　　一是尋求統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準

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

工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展

　　統(tǒng)一、開放的TCP/IP Ethernet是20多年來發(fā)展較為成功的網(wǎng)絡技術 ，過去一直認為，Ethernet是為IT領域應用而開發(fā)的，它與工業(yè)網(wǎng)絡在實時性、環(huán)境適應性、總線饋電等許多方面的要求存在差距，在工業(yè)自動化領域只能得到有限應用。 隨著FF HSE的成功開發(fā)以及PROFInet的推廣應用，可以預見Ethernet技術將會十分迅速地進入工業(yè)控制系統(tǒng)的各級網(wǎng)絡。

地球上形成的工業(yè)以太網(wǎng)技術的四大陣營：

　　主要用于離散制造控制系統(tǒng)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)

　　主要用于過程控制系統(tǒng)的是：

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

6、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、軟件是它較為有特色的部分。

　　●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MMI。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)絡組態(tài)。在網(wǎng)絡運行過程中對系統(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。

　　●現(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，同時還具有儀表設備的狀態(tài)信息，可以對處理過程進行調(diào)整。

　　●設備管理系統(tǒng)：

　　可以提供設備自身及過程的診斷信息、管理信息、設備運行狀態(tài)信息（包括智能儀表）、廠商提供的設備制造信息。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，可以構成一個現(xiàn)場設備的綜合管理系統(tǒng)信息庫，在此基礎上實現(xiàn)設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)場服務器為平臺的T型結構，在現(xiàn)場服務器上支撐模塊化，功能豐富的應用軟件為用戶提供一個圖形化界面。

　　●總線系統(tǒng)計算機服務模式：

　　以客戶機/服務器模式是目前較為流行的網(wǎng)絡計算機服務模式。服務器表示數(shù)據(jù)源（提供者），應用客戶機則表示數(shù)據(jù)使用者，它從數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)，并進一步進行處理。客房機運行在PC機或工作站上。服務器運行在小型機或大型機上，它使用雙方的智能、資源、數(shù)據(jù)來完成任務。

　　●數(shù)據(jù)庫：

　　它能有組織的、動態(tài)的存儲大量有關數(shù)據(jù)與應用程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的充分共享、交叉訪問，具有高度獨立性。工業(yè)設備在運行過程中參數(shù)連續(xù)變化，數(shù)據(jù)量大，操作與控制的實時性要求很高。因此就形成了一個可以互訪操作的分布關系及實時性的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，市面上成熟的供選用的如關系數(shù)據(jù)庫中的Orad，sybas，Informix，SQL Server；實時數(shù)據(jù)庫中的Infoplus，PI，ONSPEC等。

　　●網(wǎng)絡系統(tǒng)的硬件與軟件：

　　網(wǎng)絡系統(tǒng)硬件有：系統(tǒng)管理主機、服務器、網(wǎng)關、協(xié)議變換器、集線器，用戶計算機等及底層智能化儀表。網(wǎng)絡系統(tǒng)軟件有網(wǎng)絡操作軟件如：NetWarc，LAN Mangger，Vines，服務器操作軟件如Lenix，os/2，Window NT。應用軟件數(shù)據(jù)庫、通信協(xié)議、網(wǎng)絡管理協(xié)議等。[1]

7、主流現(xiàn)場總線簡介

●基金會現(xiàn)場總線（FoundationFieldbus 簡稱FF）

　　以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域得到了廣泛的應用，具有良好的發(fā)展前景。

基金會現(xiàn)場總線采用國標化組織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。

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

早期由德國BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領域，其總線規(guī)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(shù)據(jù)鏈路層。CAN的信號傳輸采用短幀結構，傳輸時間短，具有自動關閉功能，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，通過設置優(yōu)先級來避免沖突，通訊距離可達10KM/5Kbps/s，通訊速率可達40M /1Mbp/s，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)實際可達110個。目前已有多家公司開發(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?qū)ο蟮脑O計方法，通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信設計簡化為參數(shù)設置。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。Lonworks技術采用的LonTalk協(xié)議被封裝到Neuron（神經(jīng)元）的芯片中，并得以實現(xiàn)。采用Lonworks技術和神經(jīng)元芯片的產(chǎn)品，被廣泛應用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設備、交通運輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。

　　●DeviceNet

　　DeviceNet是一種低成本的通信連接也是一種簡單的網(wǎng)絡解決方案，有著開放的網(wǎng)絡標準。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，傳輸率為125Kbit/s至500Kbit/s,每個網(wǎng)絡的節(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)絡上的設備可以自由連接或斷開，不影響網(wǎng)上的其他設備，而且其設備的安裝布線成本也較低。DeviceNet總線的組織結構是Open DeviceNet Vendor Association（開放式設備網(wǎng)絡供應商協(xié)會，簡稱“ODVA”）。

　　●PROFIBUS

　　PROFIBUS是德國標準（DIN19245）和歐洲標準（EN50170）的現(xiàn)場總線標準。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA系列組成。DP用于分散外設間高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動化領域。FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。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，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，可掛接127個站點。

　　●HART

HART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫，早期由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)鏈路層和應用層三層，支持點對點主從應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)主機作為主設備的雙主設備系統(tǒng)。

　　●CC-Link

CC-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，具有性能優(yōu)越、使用簡單、應用廣泛、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是一個以設備層為主的網(wǎng)絡，同時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。其在歐洲市場占有重要地位，特別是在法國占有率大約為60%。WorldFIP的特點是具有單一的總線結構來適用不同的應用領域的需求，而且沒有網(wǎng)關或網(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(xiàn)場總線，2000年2月成為國標IEC61158。

INTERBUS采用國標化組織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)通信，具有低速度、效率高的特點，并嚴格保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院椭芷谛裕辉摽偩€的實時性、抗干擾性和可維護性也非常出色。INTERBUS廣泛地應用到汽車、煙草、倉儲、造紙、包裝、食品等工業(yè)，成為現(xiàn)場總線的領跑者。