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现场总线技术及其应用研究论文

现场总线技术及其应用研究

中文摘要:

现场总线技术自70年代诞生至今，由于它在多方面的优越性，得到大范围的推广，导致了自动控制领域的一场革命。

本文从多个方面介绍了现场总线技术的种类、现状、应用领域及前景。

现场总线FF（FieldBus）的概念起源于70年代，当时主要考虑将操作室的现场信号和到控制仪器的控制信号由一组总线以数字信号形式传送，不必每个信号都用一组信号线。

随着仪表智能化和通讯数字化技术的发展，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，由全数字现场控制系统代替数字与模拟分散型控制系统已成为工业化控制系统发展的必然趋势。

现场总线已经发展成为集计算机网络、通信技术、现场控制、生产管理等内容为一体的现场总线控制系统FCS（Field-busControlSystem）。

它将通信线一直延伸到生产现场生产设备，用于过程和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络，将传统的DCS三层网络结构变成两层网络结构，降低了成本，提高了可靠性，实现了控制管理一体化的结构体系。

关键词：

现场总线技术、自动控制、发展趋势

第一章绪论

现场总线（Fieldbus）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。

它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。

它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。

这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。

现场总线控制系统（FCS）是顺应智能现场仪表而发展起来的。

它的初衷是用数字通讯代替4－20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录）的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。

控制专家们纷纷预言：

FCS将成为21世纪控制系统的主流。

第二章现场总线技术概述

2.1现场总线的定义：

目前，公认的现场总线技术概念描述如下：

现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。

其中，"生产过程"包括断续生产过程和连续生产过程两类。

或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。

2.2现场总线技术产生的意义

（1）现场总线（Fieldbus）技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。

现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。

（2）传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的、4-20mA/24VDC信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的"信息孤岛"，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。

（3）基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络，构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。

在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。

第三章现场总线的种类

从20世纪90年代以后，现场总线技术得到了迅猛发展，出现了群雄并起、百家争鸣的局面。

目前已开发出有40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具有影响力的有5种，分别是FF、LonWorks、Profibus、CAN和HART。

2.1基金会现场总线　　

基金会现场总线，即FoudationFieldbus,简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。

其前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议。

屈于用户的压力，这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。

它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。

基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。

H1的传输速率为3125Kbps,通信距离可达1900m（可加中继器延长）,可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。

H2的传输速率为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离为750m和500m。

物理传输介质可支持比绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。

其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变，或是负跳变。

正跳变代表0，负跳变代表1，从而使串行数据位流中具有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。

接收方既可根据跳变的极性来判断数据的“1”、“0”状态，也可根据数据的中心位置精确定位。

为满足用户需要，Honeywell、Ronan等公司已开发出可完成物理层和部分数据链路层协议的专用芯片，许多仪表公司已开发出符合FF协议的产品，1总线已通过ａ测试和β测试，完成了由13个不同厂商提供设备而组成的FF现场总线工厂试验系统。

2总线标准也已经形成。

1996年10月，在芝加哥举行的ISA96展览会上，由现场总线基金会组织实施，向世界展示了来自40多家厂商的70多种符合FF协议的产品，并将这些分布在不同楼层展览大厅不同展台上的FF展品，用醒目的橙红色电缆，互连为七段现场总线演示系统，各展台现场设备之间可实地进行现场互操作，展现了基金会现场总线的成就与技术实力。

2.2LonWorks　

　LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国Ecelon公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。

它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通讯速率从300bps至15Mbps不等，直接通信距离可达到2700m（78kbps，双绞线）,支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为通用控制网络。

LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的芯片中并得以实现。

集成芯片中有3个8位CPU;一个用于完成开放互连模型中第1～2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理;第二个用于完成第3～6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等;第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。

芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。

如Motorola公司生产的神经元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM。

LonWorks技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本（每片价格约5～9美元），而芯片的低成本又返过来促进了LonWorks技术的推广应用，形成了良好循环，据Ecelon公司的有关资料，到1996年7月，已生产出500万片神经元芯片。

LonWorks公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonWorks技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技术:

1000多家公司已经推出了LonWorks产品，并进一步组织起LonWark互操作协会，开发推广LonWorks技术与产品。

它被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。

为了支持LonWorks与其它协议和网络之间的互连与互操作，该公司正在开发各种网关，以便将LonWorks与以太网、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互连为系统。

另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，LonWorks神经元芯片也具有独特的优势。

LonWorks技术已经被美国暖通工程师协会ASRE定为建筑自动化协议BACnet的一个标准。

根据刚刚收到的消息，美国消费电子制造商协会已经通过决议，以LonWorks技术为基础制定了EIA-709标准。

这样，LonWorks已经建立了一套从协议开发、芯片设计、芯片制造、控制模块开发制造、OEM控制产品、最终控制产品、分销、系统集成等一系列完整的开发、制造、推广、应用体系结构，吸引了数万家企业参与到这项工作中来，这对于一种技术的推广、应用有很大的促进作用。

2.3Profibus　

　Profibus是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准prEN50170的现场总线。

ISO/OSI模型也是它的参考模型。

由Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA组成了Profibus系列。

DP型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。

FMS意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化，而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158-2标准。

该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。

它采用了OSI模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子集，DP型隐去了3～7层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口，FMS型只隐去第3～6层，采用了应用层，作为标准的第二部分。

PA型的标准目前还处于制定过程之中，其传输技术遵从IEC1158-2

（1）标准，可实现总线供电与本质安全防爆。

　　Porfibus支持主—从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。

主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。

对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，共事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。

按Profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。

主站在得到控制权时，可以按主—从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。

主站可采取对所有站点广播（不要求应答）,或有选择地向一组站点广播。

Profibus的传输速率为96～12kbps最大传输距离在12kbps时为1000m，15Mbps时为400m，可用中继器延长至10km。

其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。

2.4CAN　　

CAN是控制网络ControlAreaNetwork的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。

其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。

CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有3层，只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。

其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/kbps,可挂接设备最多可达110个。

CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。

当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。

CAN支持多主方式工作，网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。

它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。

已有多家公司开发生产了符合CAN协议的通信芯片，如Intel公司的82527，Motorola公司的MC68HC05X4，Philips公司的82C250等。

还有插在PC机上的CAN总线接口卡，具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。

2.5HART　　

HART是HighwayAddressableRemoteTransduer的缩写。

最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。

这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。

HART通信模型由3层组成:

物理层、数据链路层和应用层。

物理层采用FSK（FrequencyShiftKeying）技术在4～20mA模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用Bell202国际标准;数据传输速率为1200bps,逻辑“0”的信号频率为2200Hz，逻辑“1”的信号传输频率为1200Hz。

数据链路层用于按HART通信协议规则建立HART信息格式。

其信息构成包括开头码、显示终端与现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等。

其数据字节结构为1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位，1个终止位。

应用层的作用在于使HART指令付诸实现，即把通信状态转换成相应的信息。

它规定了一系列命令;按命令方式工作。

它有3类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备理解、执行的命令;第二类称为一般行为命令，它所提供的功能可以在许多现场设备（尽管不是全部）中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库;第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。

在一个现场设备中通常可发现同时存在这3类命令。

HART支持点对点主从应答方式和多点广播方式。

按应答应方式工作时的数据更新速率为2～3次/ｓ,按广播方式工作时的数据更新速率为3～4次/ｓ,它还可支持两个通信主设备。

总线上可挂设备数多达15个，每个现场设备可有256个变量，每个信息最大可包含4个变量。

最大传输距离3000m，HART采用统一的设备描述语言DDL。

现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术，来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。

但由于这种模拟数字混信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。

HART能利用总线供电，可满足本安防爆要求。

2.6RS-485　

尽管ＲＳ-485不能称为现场总线，但是作为现场总线的鼻祖，还有许多设备继续沿用这种通讯协议。

采用RS-485通讯具有设备简单、低成本等优势，仍有一定的生命力。

以RS-485为基础的OPTO-22命令集等也在许多系统中得到了广泛的应用。

3各种现场总线的特点和应用领域　

3.1PROFIBUS现场总线

1996年3月15日批准为欧洲标准，即DIN50170V.2。

PROFIBUS产品在世界市场上已被普遍接受，市场份额占欧洲首位，年增长率25%。

目前支持PROFIBUS标准的产品超过1500多种，分别来自国际上250多个生产厂家。

在世界范围内已安装运行的PROFIBUS设备已超过200万台，到1998年5月，适用于过程自动化的PROFIBUS-PA仪表设备在19个国家的40个用户厂家投入现场运行。

1985年组建了PROFIBUS国际支持中心；1989年12月建立了PROFIBUS用户组织（PNO）。

目前在世界各地相继组建了20个地区性的用户组织，企业会员近650家。

1997年7月组建了中国现场总线（PROFIBUS）专业委员会，并筹建现场总线PROFIBUS产品演示及认证的实验室。

PROFIBUS主要应用领域有：

.制造业自动化：

汽车制造（机器人、装配线、冲压线等）、造纸、纺织。

.过程控制自动化：

石化、制药、水泥、食品、啤酒。

.电力：

发电、输配电。

.楼宇：

空调、风机、照明。

.铁路交通：

信号系统

3.2FF现场总线

1994年由ISP基金会和WorldFIP（北美）两大集团合并成立FF基金会，其宗旨

在于开发出符合IEC和ISO标准的、唯一的国际现场总线（FundationFieldbus）。

低速总线（H1）协议已于1996年发表。

已完成开发的高速总线（H2）拟于1998年内发表。

1997年5月建立了中国现场总线（FF）专业委员会，并筹建FF现场总线产品认证中心。

目前，FF现场总线的应用领域以过程自动化为主。

如：

化工、电力厂实验系统、废水处理、油田等行业。

3.3LONWORKS总线

LONWORKS现场总线全称为LONWORKSNetWorks,即分布式智能控制网络技术，希望推出能够适合各种现场总线应用场合的测控网络。

目前LONGWORKS应用范围广泛，主要包括工业控制、楼宇自动化、数据采集、SCADA系统等。

国内主要应用于楼宇自动化方面。

3.4CANBUS现场总线

CANBUS现场总线已由ISO/TC22技术委员会批准为国际标准IOS11898（通讯速率小于1Mbps）和ISO11519（通讯速率小于125Kbps）。

CANBUS主要产品应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型I/O。

另外在电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。

3.5WorldFIP现场总线

90~91年FIP现场总线成为法国国家安全标准。

96年成为欧洲标准（EN50170V.3）。

下一步目标是靠近IEC标准，现在技术上已做好充分准备。

WorldFIP国际组织在北京设有办事处，即WorldFIP中国信息中心，负责中国的技术支持。

WorldFIP现场总线采用单一总线结构来适应不同应用领域的需求，不同应用领域采用不同的总线速率。

过程控制采用31.25Kbit/s,制造业为1Mbit/s,驱动控制为1-2.5Mbit/s。

采用总线仲裁器和优先级来管理总线上（包括各支线）的各控制站的通信。

可进行1对1、1对多点（组）、1对全体等多重通信方式。

在应用系统中，可采用双总线结构，其中一条总线为备用线，增加了系统运行的安全性。

WorldFIP现场总线适用范围广泛，在过程自动化、制造业自动化、电力及楼宇自动化方面都有很好的应用。

3.6P-NET现场总线

P-NET现场总线筹建于己于1983年。

1984年推出采用多重主站现场总线的第一批产品。

1986年通信协议中加入了多重网络结构和多重接口功能。

1987年推出P-NET的多重接口产品。

1987年P-NET标准成为开放式的完整标准，成为丹麦的国家标准。

1996年成为欧洲总线标准的一部分（EN50170V.1）。

1997年组建国际P-NET用户组织，现有企业会员近百家，总部设在丹麦的Siekeborg，并在德国、英国、葡萄牙和加拿大等地设有地区性组织分部。

P-NET现场总线在欧洲及北美地区得到广泛应用，其中包括石油化工、能源、交通、轻工、建材、环保工程和制造业等应用领域。

5现场总线技术的优势

5.1现场总线的优点　

由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。

5.1.1节省硬件数量与投资

由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。

5.1.2节省安装费用

现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。

当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。

据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60以上。

5.1.3节省维护开销

由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。

缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。

5.1.4用户具有高度的系统集成主动权

用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。

避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。

5.1.5提高了系统的准确性与可靠性

由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。

同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强:

减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。

此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。

6现场总线的发展趋势

6.1现场总线的发展不会被计算机通信技术取代

在现场总线技术诞生的初期，它的主要功能是将当时的可编程逻辑控制器以一种较简洁的方式连接起来。

随着计算机技术引入PLC，计算机通信技术被引入现场总线；PLC功能的增强对现场总线提出了更高的要求，计算机通信技术的引入大大增强了现场总线的功能，成为现场总线技术发展的主要趋势。

在分散型控制系统的发展历程中，较早地在站间通信中采用了局域网技术。

随着电子技术的发展，许多站的功能已经可以在现场实现，因此通信也逐渐延伸到现场。

在过程控制领域，曾经采用过许多通信协议。

随着商用计算机领域的局域通信逐步被以太网垄断，过程控制领域中上层的通信也逐步统一到以太网和快速以太网。

由于因特网的快速发展，人们通过因特网访问控制系统，进行远程诊断、维护和服务的愿望越来越强烈，因此TCP／IP协议也进入过程控制领域。

实际上我们现在就可以看到通过因特网访问现场仪表的事例。

这里我们看到了两种趋势，第一是现场有越来越多的信息需要往上送，第二是计算机通信技术越来越向下延伸。

人们不禁要问：

包括Internet技术内的现代计算机通信技术是否会最终延伸到现场，并取代现场总线?

我们认为现代计算机通信技术有能力延伸到现场，现场总线技术中也会不断地融入计算机通信技术，但是计算机通信技术不会取代现场总线。

因为现场总线与一般计算机通信在功能、要求和结构上有所不同。

8结束语

现场总线技术是电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术的发展成果，对自动化控制系统和仪器仪表未来的发展必将具有重要的影响。

目前现场总线并存的局面将使现场总线的全面应用并取代DCS控制系统还需很长一段时间，在这段时间，FCS与DCS相容并蓄，共同发展。

我国在应用推广现场总线技术过程中，应跟踪并采用国际先进的技术，注重采用TCP/P等开放、免费的技术，这样不但可以节约资金，减少技术的依赖性，有利于自主知识产权技术的开发，而且减少了专有网络的影响，有利于降低项目投资费用，形成公平的市场竞争环境，有利于我国与国际接轨。

参考文献：

1.趁肖;谭南林;姜涛基于CAN的工业微机测控网络研究[期刊论文]-制造业自动化2000（03