现场总线技术
发布时间：2019-03-14
随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线（Fieldbus）就是顺应这一形势发展起来的新技术。
现场总线概述
20世纪80年代中期开始发展起来的现场总线已成为当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着工业控制技术领域又一新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。
1.什么是现场总线
现场总线（Fieldbus）是应用在生产现场、在测量控制设备之间实现双向、串行、多点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。
现场总线技术将通用或专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们具有数字计算和数字通信能力，采用一定的通信介质作为总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成适应实际需要的自控系统。简而言之，它把分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统。现场总线将控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。
基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System）。FCS实质是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统。
2．现场总线的国际标准
从1984年IEC（国际电工委员会）开始制定现场总线国际标准至今，争夺现场总线国际标准的大战持续了16年之久。先后经过9次投票表决，最后通过协商、妥协，于2000年1月4日IEC TC65（负责工业测量和控制的第65标准化技术委员会）通过了8种类型的现场总线作为新的IEC61 158国际标准。
1）类型1 IEC技术报告（即FF的H1）；
2）类型2 ControlNet（美国 Rockwell公司支持）；
3）类型3 Profibus（德国 Siemens公司支持）；
4）类型4 P-Net（丹麦 Process Data公司支持）；
5）类型5 FF HSE（即原FF的H2，Fisher-Rosemount等公司支持）；
6）类型6 Swift Net（美国波音公司支持）；
7）类型7 World FIP（法国 Alstom公司支持）；
8）类型8 Interbus（德国Phoenix Conact公司支持）。
加上IEC TC17B通过的3种现场总线国际标准，即SDS（Smart Distributed System）。ASI（Actuator Sensor Interface）和DeviceNet，此外，ISO还有一个ISO 11898的CAN（Control Area Network），所以一共有12种之多。现场总线的国际标准虽然制定出来了，但它与IEC（国际电工委员会）于1984年开始制定现场总线标准时的初衷是相违背的。
3．现场总线的发展现状
（1）多种总线共存 现场总线国际标准IEC61158中采用了8种协议类型，以及其它一些现场总线。每种总线都有其产生的背景和应用领域。不同领域的自动化需求各有其特点，因此在某个领域中产生的总线技术一般对本领域的满足度高一些，应用多一些，适用性好一些。据美国ARC公司的市场调查，世界市场对各种现场总线的需求为：过程自动化15％（FF、PROFIBUS-PA、WorldFIP），医药领域18％（FF、PROFIBUS-PA、WorldFIP），加工制造15％（PROFIBUS-DP、DeviceNet），交通运输15％（PROFIBUS-DP、DeviceNet），航空、国防34％（PROFIBUS-FMS、LonWorks、ControlNet、DeviceNet），农业未统计（P-NET、CAN、PROFIBUS-PA/DP、DeviceNet、ControlNet），楼宇未统计（LonWorks、PROFIBUS-FMS、DeviceNet）。由此可见，随着时间的推移，占有市场80％左右的总线将只有六七种，而且其应用领域比较明确，如 FF、PROFIBUS-PA适用于冶金、石油、化工、医药等流程行业的过程控制，PROFIBUS-DP、 DeviceNet适用于加工制造业，LonWorks、PROFIBUS-FMS、DeviceNet适用于楼宇、交通运输、农业。但这种划分又不是绝对的，相互之间又互有渗透。
（2）总线应用领域不断拓展 每种总线都力图拓展其应用领域，以扩张其势力范围。在一定应用领域中已取得良好业绩的总线，往往会进一步根据需要向其它领域发展。如Profibus在DP的基础上又开发出PA，以适用于流程工业。
（3）不断成立总线国际组织 大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中创造影响，以取得更多方面的支持，同时也想显示出其技术是开放的。如WorldFIP国际用户组织、FF基金会、Profibus国际用户组织、P-Net国际用户组织及ControlNet国际用户组织等。
（4）每种总线都以企业为支撑 各种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关，如 Profibus以Siemens公司为主要支持，ControlNet以 Rockwe11公司为主要背景，WorldFIP以ALSTOM公司为主要后台。
（5）一个设备制造商参加多个总线组织 大多数设备制造商都积极参加不止一个总线组织，有些公司甚至参加2 ~4个总线组织。道理很简单，装置是要挂在系统上的。
（6）各种总线相继成为自己国家或地区标准 每种总线大多将自己作为国家或地区标准，以加强自己的竞争地位。现在的情况是：P-Net已成为丹麦标准，Profibus已成为德国标准，WorldFIP已成为法国标准。上述3种总线于1994年成为并列的欧洲标准EN50170。其它总线也都成为各地区的技术规范。
（7）在竞争中协调共存 协调共存的现象在欧洲标准制定时就出现过，欧洲标准EN50170在制定时，将德、法、丹麦3个标准并列于一卷之中，形成了欧洲的多总线的标准体系，后又将ControlNet和FF加入欧洲标准的体系。各重要企业，除了力推自己的总线产品之外，也都力图开发接口技术，将自己的总线产品与其它总线相连接，如施耐德公司开发的设备能与多种总线相连接。在国际标准中，也出现了协调共存的局面。
（8）以太网成为新热点 以太网正在工业自动化和过程控制市场上迅速增长，几乎所有远程I/O接口技术的供应商均提供一个支持TCP/IP协议的以太网接口，如Siemens、Rockwell、GE-Fanuc等，他们除了销售各自PLC产品，同时提供与远程I/O和基于PC的控制系统相连接的接口。FF现场总线正在开发高速以太网，这无疑大大加强了以太网在工业领域的地位。
4.现场总线的发展趋势
虽然现场总线的标准统一还有种种问题，但现场总线控制系统的发展却已经是一个不争的事实。随着现场总线思想的日益深入人心，基于现场总线的产品和应用的不断增多，现场总线控制系统体系结构日益清晰，具体发展趋势表现在以下几个方面。
(1) 网络结构趋向简单化 早期的MAP模型由7层组成，现在Rockwe11公司提出了3层结构自动化，Fisher Rosemount公司提出了2层自动化，还有的公司甚至提出1层结构，由以太网一通到底。目前比较达成共识的是3层设备、2层网络的3＋2结构。3层设备是位于底层的现场设备，如传感器/执行器以及各种分布式I/O设备等，位于中间的控制设备，如PLC、工业在制计算机、专用控制器等；位于上层的是操作设备，如操作站、工程师站、数据服务器、－般工作站等；2层网络是现场设备与控制设备之间的控制网，以及控制设备与操作设备之间的管理网。
（2）大量采用成熟、开放和通用的技术 在管理网的通信协议上，越来越多的企业采用最流行的TCP/IP协议加以太网，操作设备一般采用工业PC甚至普通PC，控制设备一般采用标准的PLC或者是工业控制计算机等，而控制网络就是各种现场总线的应用领域。
由此可见，新型的现场总线控制系统与传统的控制系统（如DCS、PLC）之间并不是完全取而代之的关系，而是继承、融合、提高的关系。
5.现场总线的特点
现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式，其在技术上具有以下特点：
（1）系统的开放性 现场总线致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户可根据自己的需要，通过现场总线把来自不同厂商的产品组成大小随意的开放互连系统。
（2）互操作性与互用性 互操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。
（3）现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
（4）系统结构的高度分散性 现场总线构成一种新的全分散式控制系统的体系结构，从根本上改变了集中与分散相结合的DCS体系，简化了系统结构，提高了可靠性。
（5）对现场环境的适应性 现场总线是专为现场环境而设计的，支持各种通信介质，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
6.现场总线的优点
由于现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。现场总线的优点如下：
（1）节省硬件数量与投资 由于分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、测量、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离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，并可减少控制室的占地面积。
（2）节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，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，又减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用60％以上。
（3）节省维护开销 现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信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。
（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而限制了使用设备的选择范围，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牢牢掌握在用户手中。
（5）提高了系统的准确性与可靠性 现场设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。简化的系统结构，设备与连线减少，现场设备内部功能加强，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，功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。
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