現(xiàn)場總線

百科解釋

目錄·現(xiàn)場總線簡介
·工業(yè)以太網的發(fā)展
·現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀
·現(xiàn)場總線的發(fā)展和以太網

現(xiàn)場總線簡介

工業(yè)以太網的發(fā)展

國際上形成的工業(yè)以太網技術的四大陣營：

主要用于離散制造控制系統(tǒng)的是：
(1) Modbus-IDA工業(yè)以太網
(2) Ethernet/IP工業(yè)以太網
(3) PROFInet工業(yè)以太網

主要用于過程控制系統(tǒng)的是：
(4) Foundation Fieldbus HSE工業(yè)以太網

隨著科學技術的快速發(fā)展，過程控制領域在過去的兩個世紀里發(fā)生了巨大的變革。150多年前出現(xiàn)的基于5－13psi的氣動信號標準（PCS，Pneumatic Control System氣動控制系統(tǒng)），標志著控制理論初步形成，但此時尚未有控制室的概念；20世紀50年代，隨著基于0－10mA或4－20mA的電流模擬信號的模擬過程控制體系被提出并得到廣泛的應用，標志了電氣自動控制時代的到來，三大控制論的確立奠定了現(xiàn)代控制的基礎，設立控制室、控制功能分離的模式也一直沿用至今；20世紀70年代，隨著數(shù)字計算機的介入，產生了“集中控制”的中央控制計算機系統(tǒng)，而信號傳輸系統(tǒng)大部分是依然沿用4－20mA的模擬信號，不久人們也發(fā)現(xiàn)了伴隨著“集中控制”，該系統(tǒng)存在著易失控、可靠性低的缺點，并很快將其發(fā)展為分布式控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System分布式控制系統(tǒng)）；微處理器的普遍應用和計算機可靠性的提高，使分布式控制系統(tǒng)得到了廣泛的應用，由多臺計算機和一些智能儀表以及智能部件實現(xiàn)的分布式控制是其最主要的特征，而數(shù)字傳輸信號也在逐步取代模擬傳輸信號。隨著微處理器的快速發(fā)展和廣泛的應用，數(shù)字通信網絡延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場成為可能，產生了以微處理器為核心，使用集成電路代替常規(guī)電子線路，實施信息采集、顯示、處理、傳輸以及優(yōu)化控制等功能的智能設備。設備之間彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可維護性等都有更高的要求。由此，導致了現(xiàn)場總線的產生。

現(xiàn)場總線的實質和優(yōu)點：

1984年，現(xiàn)場總線的概念得到正式提出。IEC（International Electrotechnical Commission,國際電工委員會）對現(xiàn)場總線（Fieldbus）的定義為：現(xiàn)場總線是一種應用于生產現(xiàn)場，在現(xiàn)場設備之間、現(xiàn)場設備和控制裝置之間實行雙向、串形、多結點的數(shù)字通信技術。

不同的機構和不同的人可能對現(xiàn)場總線有著不同的定義，不過通常情況下，大家公認現(xiàn)場總線的本質體現(xiàn)在以下六個方面：

(1) 現(xiàn)場通信網絡：用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表互連的現(xiàn)場通信網絡。
(2) 現(xiàn)場設備互聯(lián)：依據(jù)實際需要使用不同的傳輸介質把不同的現(xiàn)場設備或者現(xiàn)場儀表相互關聯(lián)。
(3) 互操作性：用戶可以根據(jù)自身的需求選擇不同廠家或不同型號的產品構成所需的控制回路，從而可以自由地集成FCS。
(4) 分散功能塊： FCS 廢棄了DCS 的輸入/輸出單元和控制站, 把DCS 控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表, 從而構成虛擬控制站，徹底地實現(xiàn)了分散控制。
(5) 通信線供電：通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量, 這種方式提供用于本質安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場儀表, 與其配套的還有安全柵。
(6) 開放式互聯(lián)網絡：現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網絡，既可以與同層網絡互聯(lián)，也可與不同層網絡互聯(lián)，還可以實現(xiàn)網絡數(shù)據(jù)庫的共享。

從以上內容我們可以看到，現(xiàn)場總線體現(xiàn)了分布、開放、互聯(lián)、高可靠性的特點，而這些正是DCS系統(tǒng)的缺點。DCS通常是一對一單獨傳送信號，其所采用的模擬信號精度低，易受干擾，位于操作室的操作員對模擬儀表往往難以調整參數(shù)和預測故障，處于“失控”狀態(tài)，很多的儀表廠商自定標準，互換性差，儀表的功能也較單一，難以滿足現(xiàn)代的要求，而且?guī)缀跛械目刂乒δ芏嘉挥诳刂普局�。FCS則采取一對多雙向傳輸信號，采用的數(shù)字信號精度高、可靠性強，設備也始終處于操作員的遠程監(jiān)控和可控狀態(tài)，用戶可以自由按需選擇不同品牌種類的設備互聯(lián)，智能儀表具有通信、控制和運算等豐富的功能，而且控制功能分散到各個智能儀表中去。由此我們可以看到FCS相對于DCS的巨大進步。

也正是由于FCS的以上特點使得其在設計、安裝、投運到正常生產都具有很大的優(yōu)越性：首先由于分散在前端的智能設備能執(zhí)行較為復雜的任務，不再需要單獨的控制器、計算單元等，節(jié)省了硬件投資和使用面積；FCS的接線較為簡單，而且一條傳輸線可以掛接多了設備，大大節(jié)約了安裝費用；由于現(xiàn)場控制設備往往具有自診斷功能，并能將故障信息發(fā)送至控制室，減輕了維護工作；同時，由于用戶擁有高度的系統(tǒng)集成自主權，可以通過比較靈活選擇合適的廠家產品；整體系統(tǒng)的可靠性和準確性也大為提高。這一切都幫助用戶實現(xiàn)了減低安裝、使用、維護的成本，最終達到增加利潤的目的。

現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀

由于各個國家各個公司的利益之爭，雖然早在1984年國際電工技術委員會/國際標準協(xié)會（IEC/ISA）就著手開始制定現(xiàn)場總線的標準，至今統(tǒng)一的標準仍未完成。很多公司也推出其各自的現(xiàn)場總線技術，但彼此的開放性和互操作性還難以統(tǒng)一。目前現(xiàn)場總線市場有著以下的特點：

(1) 多種現(xiàn)場總線并存
目前世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場總線，如法國的FIP，英國的ERA，德國西門子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，國際標準組織-基金會現(xiàn)場總線FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美國的DeviceNet與ControlNet等等。這些現(xiàn)場總線大都用于過程自動化、醫(yī)藥領域、加工制造、交通運輸、國防、航天、農業(yè)和樓宇等領域，大概不到十種的總線占有８０％左右的市場。

(2) 各種總線都有其應用的領域
每種總線大都有其應用的領域，比如FF、PROFIBUS-PA適用于石油、化工、醫(yī)藥、冶金等行業(yè)的過程控制領域；LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet適用于樓宇、交通運輸、農業(yè)等領域；DeviceNet、PROFIBUS-DP適用于加工制造業(yè)，而這些劃分也不是絕對的，每種現(xiàn)場總線都力圖將其應用領域擴大，彼此滲透。

(3) 每種現(xiàn)場總線都有其國際組織和支持背景
大多數(shù)的現(xiàn)場總線都有一個或幾個大型跨國公司為背景并成立相應的國際組織，力圖擴大自己的影響、得到更多的市場份額。比如PROFIBUS以Siemens公司為主要支持，并成立了PROFIBUS國際用戶組織WorldFIP以Alstom公司為主要后臺，成立了WorldFIP國際用戶組織。

(4) 多種總線成為國家和地區(qū)標準
為了加強自己的競爭能力，很多總線都爭取成為國家或者地區(qū)的標準，比如PROFIBUS已成為德國標準，WorldFIP已成為法國標準等。

(5) 設備制造商參與多個總線組織
為了擴大自己產品的使用范圍，很多設備制造商往往參與不止一個甚至多個總線組織。

(6) 各個總線彼此協(xié)調共存
由于競爭激烈，而且還沒有哪一種或幾種總線能一統(tǒng)市場，很多重要企業(yè)都力圖開發(fā)接口技術，使自己的總線能和其他總線相連，在國際標準中也出現(xiàn)了協(xié)調共存的局面。

工業(yè)自動化技術應用于各行各業(yè)，要求也千變萬化，使用一種現(xiàn)場總線技術也很難滿足所有行業(yè)的技術要求；現(xiàn)場總線不同于計算機網絡，人們將會面對一個多種總線技術標準共存的現(xiàn)實世界。技術發(fā)展很大程度上受到市場規(guī)律、商業(yè)利益的制約；技術標準不僅是一個技術規(guī)范，也是一個商業(yè)利益的妥協(xié)產物。而現(xiàn)場總線的關鍵技術之一是彼此的互操作性，實現(xiàn)現(xiàn)場總線技術的統(tǒng)一是所有用戶的愿望。

主流現(xiàn)場總線簡介

下面就幾種主流的現(xiàn)場總線做一簡單介紹。

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

這是以美國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)場總線采用國際標準化組織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，可支持總線供電和本質安全防爆環(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。

(2) CAN（ControllerAreaNetwork 控制器局域網）
最早由德國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國際標準組織制定為國際標準，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，通訊距離最遠可達10KM/5Kbps/s，通訊速率最高可達40M /1Mbp/s，網絡節(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。

(3) Lonworks
它由美國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，通過網絡變量把網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，通訊速率從300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距離可達2700m（78Kbit/s），被譽為通用控制網絡。Lonworks技術采用的LonTalk協(xié)議被封裝到Neuron（神經元）的芯片中，并得以實現(xiàn)。采用Lonworks技術和神經元芯片的產品，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)。

(4) DeviceNet
DeviceNet是一種低成本的通信連接也是一種簡單的網絡解決方案，有著開放的網絡標準。DeviceNet具有的直接互聯(lián)性不僅改善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,每個網絡的最大節(jié)點為64個，其通信模式為：生產者/客戶（Producer/Consumer），采用多信道廣播信息發(fā)送方式。位于DeviceNet網絡上的設備可以自由連接或斷開，不影響網上的其他設備，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（開放式設備網絡供應商協(xié)會，簡稱“ODVA”）。

(5) 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，最大傳輸距離在9.6Kbit/s下為1200m，在12Mbit/s小為200m，可采用中繼器延長至10km，傳輸介質為雙絞線或者光纜，最多可掛接127個站點。

(6) HART
HART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫，最早由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)轉變的過渡產品。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，可滿足本質安全防爆的要求，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)。

(7) 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)場網絡，具有性能卓越、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絡，同時也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。2005年7月CC-Link被中國國家標準委員會批準為中國國家標準指導性技術文件。

(8) 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，而且沒有任何網關或網橋，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第一類型的連接方面，WorldFIP做得最好，走在世界前列。

(9) INTERBUS
INTERBUS是德國Phoenix公司推出的較早的現(xiàn)場總線，2000年2月成為國際標準IEC61158。INTERBUS采用國際標準化組織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、高效率的特點，并嚴格保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院椭芷谛�；該總線的實時性、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)，成為國際現(xiàn)場總線的領先者。

此外較有影響的現(xiàn)場總線還有丹麥公司Process-Data A/S 提出的P-Net，該總線主要應用于農業(yè)、林業(yè)、水利、食品等行業(yè)；SwiftNet現(xiàn)場總線主要使用在航空航天等領域，還有一些其他的現(xiàn)場總線這里就不再贅述了。

現(xiàn)場總線的發(fā)展和以太網

現(xiàn)場總線技術是控制、計算機、通訊技術的交叉與集成，幾乎涵蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領域，如過程自動化、制造加工自動化、樓半自動化、家庭自動化等等。它的出現(xiàn)和快速發(fā)展體現(xiàn)了控制領域對降低成本、提高可靠性、增強可維護性和提高數(shù)據(jù)采集的智能化的要求。現(xiàn)場總線技術的發(fā)展體現(xiàn)為兩個方面：一個是低速現(xiàn)場總線領域的不斷發(fā)展和完善；另一個是高速現(xiàn)場總線技術的發(fā)展。而目前現(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。從實際應用狀況看，大多數(shù)現(xiàn)場總線，都能較好地實現(xiàn)速率要求較低的過程控制。因此，在速率要求較低的控制領域，誰都很難統(tǒng)一整個市場。就目前而言，由于FF基金會幾乎集中了世界上主要自動化儀表制造商，其全球影響力日益增加，但其在中國市場營銷力度似乎不足，市場份額不是很高，LonWorks形成了全面的分工合作體系，在國內有一些實質性的進展，在樓宇自動化、家庭自動化、智能通信產品等方面，LonWorks則具有獨特的優(yōu)勢。在離散制造加工領域，由于行業(yè)應用的特點和歷史原因，Profibus和CAN經在這一領域形成了自己的優(yōu)勢，具有較強的競爭力。國內廠商的規(guī)模相對較小，研發(fā)能力較差，更多的是依賴技術供應商的支持，比較容易受現(xiàn)場總線技術供應商 (芯片制造商等)對國內的支持和市場推廣力度的影響。而且，還有一個不可忽視的一點就是在構建自動化管理系統(tǒng)時，選擇的上位機，比如組態(tài)軟件對總線設備的支持程度，有些監(jiān)控組態(tài)軟件，比如紫金橋監(jiān)控組態(tài)軟件或者InTouch等對一些主流的總線設備比如Lonworks、PROFIBUS、CAN等有著良好的支持，通過DDE、OPC或者直接連接等方式進行通訊，采集數(shù)據(jù)。這樣可以方便用戶的選擇，而一些組態(tài)軟件則支持的種類較少，是用戶選擇的范圍也隨之減少。

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IEEE 802.3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(jù)技術要求和實際情況來選擇所需的解決方案。

通信詞典解釋