什么是現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線（Fieldbus）是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。由于現(xiàn)場總線簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，因而受到了許多標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體和計(jì)算機(jī)廠商的高度重視。

它是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動(dòng)化領(lǐng)域中底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。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(guān)量信號的傳輸，是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。

現(xiàn)場總線主要特點(diǎn)

1.系統(tǒng)的開放性

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是個(gè)自我封閉的系統(tǒng)，一般只能通過工作站的串口或并口對外通信。在現(xiàn)場總線技術(shù)中，用戶可按自己的需要和對象，將來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。

2.可操作性與可靠性

現(xiàn)場總線在選用相同的通信協(xié)議情況下，只要選擇合適的總線網(wǎng)卡、插口與適配器即可實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳輸與溝通，大大減少接線與查線的工作量，有效提高控制的可靠性。

3.現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性

傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的信號傳遞是模擬信號的單向傳遞，信號在傳遞過程中產(chǎn)生的誤差較大，系統(tǒng)難以迅速判斷故障而帶故障運(yùn)行。而現(xiàn)場總線中采用雙向數(shù)字通信，將傳感測量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

4.對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性

現(xiàn)場總線是作為適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計(jì)的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線及電力線等，其具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信，并可滿足安全及防爆要求等。

現(xiàn)場總線優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

（1）節(jié)省硬件數(shù)量與投資

由于分散在現(xiàn)場的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、測量、控制、報(bào)警和計(jì)算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的調(diào)節(jié)器、計(jì)算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控PC機(jī)作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，并可減少控制室的占地面積。

（2）節(jié)省安裝費(fèi)用

現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個(gè)設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計(jì)與接頭校對的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時(shí)，無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，又減少了設(shè)計(jì)、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測算資料表明，可節(jié)約安裝費(fèi)用60％以上。

（3）節(jié)省維護(hù)開銷

現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通信將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護(hù)停工時(shí)間，同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，連線簡單而減少了維護(hù)工作量。

（4）用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)

用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品而限制了使用設(shè)備的選擇范圍，不會(huì)為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過程中的主動(dòng)權(quán)牢牢掌握在用戶手中。

（5）提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性

現(xiàn)場設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差。簡化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場設(shè)備內(nèi)部功能加強(qiáng)，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

此外，由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，功能模塊化，因而還具有設(shè)計(jì)簡單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。

缺點(diǎn)：

網(wǎng)絡(luò)通信中數(shù)據(jù)包的傳輸延遲，通信系統(tǒng)的瞬時(shí)錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)包丟失，發(fā)送與到達(dá)次序的不一致等都會(huì)破壞傳統(tǒng)控制系統(tǒng)原本具有的確定性，使得控制系統(tǒng)的分析與綜合變得更復(fù)雜，使控制系統(tǒng)的性能受到負(fù)面影響。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的組成

1、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(hù)軟件、仿真軟件、設(shè)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(jī)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中對系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計(jì)算。優(yōu)化控制及邏輯控制報(bào)警、監(jiān)視、顯示、報(bào)表等。

2、現(xiàn)場總線的測量系統(tǒng)

其特點(diǎn)為多變量高性能的測量，使測量儀表具有計(jì)算能力等更多功能，由于采用數(shù)字信號，具有高分辨率，準(zhǔn)確性高、抗干擾、抗畸變能力強(qiáng)，同時(shí)還具有儀表設(shè)備的狀態(tài)信息，可以對處理過程進(jìn)行調(diào)整。

3、設(shè)備管理系統(tǒng)

可以提供設(shè)備自身及過程的診斷信息、管理信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息（包括智能儀表）、廠商提供的設(shè)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(jì)算機(jī)內(nèi)，由它完成管理功能，可以構(gòu)成一個(gè)現(xiàn)場設(shè)備的綜合管理系統(tǒng)信息庫，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可靠性分析以及預(yù)測性維護(hù)。將被動(dòng)的管理模式改變?yōu)榭深A(yù)測性的管理維護(hù)模式AMS軟件是以現(xiàn)場服務(wù)器為平臺(tái)的T型結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場服務(wù)器上支撐模塊化，功能豐富的應(yīng)用軟件為用戶提供一個(gè)圖形化界面。

4、總線系統(tǒng)計(jì)算機(jī)服務(wù)模式

以客戶機(jī)/服務(wù)器模式是較為流行的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)服務(wù)模式。服務(wù)器表示數(shù)據(jù)源（提供者），應(yīng)用客戶機(jī)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(jìn)一步進(jìn)行處理?？头繖C(jī)運(yùn)行在PC機(jī)或工作站上。服務(wù)器運(yùn)行在小型機(jī)或大型機(jī)上，它使用雙方的智能、資源、數(shù)據(jù)來完成任務(wù)。

5、數(shù)據(jù)庫

它能有組織的、動(dòng)態(tài)的存儲(chǔ)大量有關(guān)數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的充分共享、交叉訪問，具有高度獨(dú)立性。工業(yè)設(shè)備在運(yùn)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(shí)時(shí)性要求很高。因此就形成了一個(gè)可以互訪操作的分布關(guān)系及實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，市面上成熟的供選用的如關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的Oracle，sybas，Informix，SQLServer；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的Infoplus，PI，ONSPEC等。

6、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件與軟件

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件有：系統(tǒng)管理主機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、協(xié)議變換器、集線器，用戶計(jì)算機(jī)等及底層智能化儀表。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件有網(wǎng)絡(luò)操作軟件如：NetWarc，LANMangger，Vines，服務(wù)器操作軟件如Lenix，os/2，WindowNT。應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)庫、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議等。

現(xiàn)場總線技術(shù)的九大種類

1、基金會(huì)現(xiàn)場總線

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(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景?；饡?huì)現(xiàn)場總線采用國際標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(dá)1900m，可支持總線供電和本質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)。FF的物理媒介的傳輸信號采用曼切斯特編碼。

2、CAN

最早由德國BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領(lǐng)域，其總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，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(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，具有較強(qiáng)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(shù)，通過設(shè)置優(yōu)先級來避免沖突，通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10KM/5Kbps/s，通訊速率最高可達(dá)40M/1Mbp/s，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)。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(dǎo)。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(shè)計(jì)方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡化為參數(shù)設(shè)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(dá)2700m（78Kbit/s），被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。Lonworks技術(shù)采用的LonTalk協(xié)議被封裝到Neuron（神經(jīng)元）的芯片中，并得以實(shí)現(xiàn)。采用Lonworks技術(shù)和神經(jīng)元芯片的產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運(yùn)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(wǎng)絡(luò)解決方案，有著開放的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。DeviceNet具有的直接互聯(lián)性不僅改善了設(shè)備間的通信而且提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級陣地功能。DebiceNet基于CAN技術(shù)，傳輸率為125Kbit/s至500Kbit/s，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點(diǎn)為64個(gè)，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(luò)上的設(shè)備可以自由連接或斷開，不影響網(wǎng)上的其他設(shè)備，而且其設(shè)備的安裝布線成本也較低。DeviceNet總線的組織結(jié)構(gòu)是OpenDeviceNetVendorAssociation（開放式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商協(xié)會(huì)，簡稱“ODVA”）。

5、PROFIBUS

PROFIBUS是德國標(biāo)準(zhǔn)（DIN19245）和歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN50170）的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA系列組成。DP用于分散外設(shè)間高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動(dòng)化領(lǐng)域。FMS適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。PA用于過程自動(dòng)化的總線類型，服從IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。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(zhì)為雙絞線或者光纜，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。

6、HART

HART是HighwayAddressableRemoteTransducer的縮寫，最早由Rosemount公司開發(fā)。其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實(shí)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(yīng)用層三層，支持點(diǎn)對點(diǎn)主從應(yīng)答方式和多點(diǎn)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(zhì)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(jī)作為主設(shè)備的雙主設(shè)備系統(tǒng)。

7、CC-Link

CC-Link是Control&CommunicationLink（控制與通信鏈路系統(tǒng)）的縮寫，在1996年11月，由三菱電機(jī)為主導(dǎo)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(luò)，具有性能卓越、使用簡單、應(yīng)用廣泛、節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)。其不僅解決了工業(yè)現(xiàn)場配線復(fù)雜的問題，同時(shí)具有優(yōu)異的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一個(gè)以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)批準(zhǔn)為中國國家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性技術(shù)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(dú)立，總部設(shè)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(diǎn)是具有單一的總線結(jié)構(gòu)來適用不同的應(yīng)用領(lǐng)域的需求，而且沒有任何網(wǎng)關(guān)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(shí)現(xiàn)“透明聯(lián)接”，并對FF的H1進(jìn)行了技術(shù)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。

此外較有影響的現(xiàn)場總線還有丹麥公司Process-DataA/S提出的P-Net，該總線主要應(yīng)用于農(nóng)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(lǐng)域，還有一些其他的現(xiàn)場總線這里就不再贅述了。

9、INTERBUS現(xiàn)場總線

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(biāo)準(zhǔn)IEC61158。INTERBUS采用國際標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用層，具有強(qiáng)大的可靠性、可診斷性和易維護(hù)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(diǎn)，并嚴(yán)格保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院椭芷谛裕辉摽偩€的實(shí)時(shí)性、抗干擾性和可維護(hù)性也非常出色。INTERBUS廣泛地應(yīng)用到汽車、煙草、倉儲(chǔ)、造紙、包裝、食品等工業(yè)，成為國際現(xiàn)場總線的領(lǐng)先者。

此外較有影響的現(xiàn)場總線還有丹麥公司Process-DataA/S提出的P-Net，該總線主要應(yīng)用于農(nóng)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(lǐng)域。