工控領(lǐng)域最流行的九大現場(chǎng)總線(xiàn)

現場(chǎng)總線(xiàn)(Fieldbus)是20世紀80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的，用于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)過(guò)程自動(dòng)化、 制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現場(chǎng)智能設備互連通訊網(wǎng)絡(luò )。它作為工廠(chǎng)數字通信網(wǎng)絡(luò )的基礎，溝通了生產(chǎn)過(guò)程現場(chǎng)及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間 的聯(lián)系。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò )，而且還是一種開(kāi)放式、新型全分布控制系統。這項以智能傳感、控制、計算機、數字通訊等技術(shù)為主要內容的綜合技術(shù)，已經(jīng)受到 世界范圍的關(guān)注，成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，并將導致自動(dòng)化系統結構與設備的深刻變革。國際上許多實(shí)力、有影響的公司都先后在不同程度上進(jìn)行了現場(chǎng)總線(xiàn)技 術(shù)與產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)?，F場(chǎng)總線(xiàn)設備的工作環(huán)境處于過(guò)程設備的底層，作為工廠(chǎng)設備級基礎通訊網(wǎng)絡(luò )，要求具有協(xié)議簡(jiǎn)單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點(diǎn)：具有 一定的時(shí)間確定性和較高的實(shí)時(shí)性要求，還具有網(wǎng)絡(luò )負載穩定，多數為短幀傳送、信息交換頻繁等特點(diǎn)。由于上述特點(diǎn)，現場(chǎng)總線(xiàn)系統從網(wǎng)絡(luò )結構到通訊技術(shù)，都具 有不同上層高速數據通信網(wǎng)的特色。

一般把現場(chǎng)總線(xiàn)系統稱(chēng)為第五代控制系統，也稱(chēng)作FCS——現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統。人們一般把50年代前的 氣動(dòng)信號控制系統PCS稱(chēng)作第一代，把4～20mA等電動(dòng)模擬信號控制系統稱(chēng)為第二代，把數字計算機集中式控制系統稱(chēng)為第三代，而把70年代中期以來(lái)的集散式分布控制系統DCS稱(chēng)作第四代?，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS作為新一代控制系統，一方面，突破了DCS系統采用通信專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )的局限，采用了基于公開(kāi)化、標 準化的解決方案，克服了封閉系統所造成的缺陷;另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場(chǎng)。 可以說(shuō)，開(kāi)放性、分散性與數字通訊是現場(chǎng)總線(xiàn)系統最顯著(zhù)的特征。

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)展望與發(fā)展趨勢

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展應體現為兩個(gè)方面：一個(gè)是低速現場(chǎng)總線(xiàn)領(lǐng)域的繼續發(fā)展和完善;另一個(gè)是高速現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展。

目前現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品主要是低速總線(xiàn)產(chǎn)品，應用于運行速率較低的領(lǐng)域，對網(wǎng)絡(luò )的性能要求不是很高。從應用狀況看，無(wú)論是FF和Profibus，還是其他一 些現場(chǎng)總線(xiàn)，都能較好地實(shí)現速率要求較慢的過(guò)程控制。因此，在速率要求較低的控制領(lǐng)域，誰(shuí)都很難統一整個(gè)世界市場(chǎng)。而現場(chǎng)總線(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一是互操作性， 實(shí)現現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的統一是所有用戶(hù)的愿望。今后現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)如何發(fā)展、如何統一，是所有生產(chǎn)廠(chǎng)商和用戶(hù)十分關(guān)心的問(wèn)題。

高速現場(chǎng)總線(xiàn)主 要應用于控制網(wǎng)內的互連，連接控制計算機、PLC等智能程度較高、處理速度快的設備，以及實(shí)現低速現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)橋間的連接，它是充分實(shí)現系統的全分散控制結 構所必須的。目前這一領(lǐng)域還比較薄弱。因此，高速現場(chǎng)總線(xiàn)的設計、開(kāi)發(fā)將是競爭十分激烈的領(lǐng)域，這也將是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現統一的重要機會(huì )。而選擇什么樣的 網(wǎng)絡(luò )技術(shù)作為高速現場(chǎng)總線(xiàn)的整體框架將是其首要內容。

發(fā)展現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng) 域廣為注的焦點(diǎn)課題，國際上現場(chǎng)總線(xiàn)的研究、開(kāi)發(fā)，使測控系統沖破了長(cháng)期封閉系統的禁錮，走上開(kāi)放發(fā)展的征程，這對中國現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的發(fā)展是個(gè)極好的 機會(huì )，也是一次嚴峻的挑戰。自動(dòng)化系統的網(wǎng)絡(luò )化是發(fā)展的大趨勢，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)受計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的影響是十分深刻的?，F在網(wǎng)絡(luò )技術(shù)日新月異，發(fā)展十分迅猛， 一些具有重大影響的網(wǎng)絡(luò )新技術(shù)必將進(jìn)一步融合到現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)之中，這些具有發(fā)展前景的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)有;智能儀表與網(wǎng)絡(luò )設備開(kāi)發(fā)的軟硬件技術(shù);組態(tài)抗術(shù)，包 括網(wǎng)絡(luò )拓撲結構、網(wǎng)絡(luò )設備、網(wǎng)段互連等;網(wǎng)絡(luò )管理技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò )管理軟件、網(wǎng)絡(luò )數據操作與傳輸;人機接口、軟件技術(shù);現場(chǎng)總線(xiàn)系統集成技術(shù)。

由于目前自動(dòng)化技術(shù)從單機控制發(fā)展到工廠(chǎng)自動(dòng)化FA，發(fā)展到系統自動(dòng)化。工廠(chǎng)自動(dòng)化信息網(wǎng)絡(luò )可分為以下三層結構：工廠(chǎng)管理級、車(chē)間監控級、現場(chǎng)設備 級，而現場(chǎng)總線(xiàn)是工廠(chǎng)底層設備之間的通信網(wǎng)絡(luò )。這里先介紹一下以太網(wǎng)，本文特指工業(yè)以太網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)是作為辦公室自動(dòng)化領(lǐng)域衍生的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，按習慣 主要指IEEE802.3協(xié)議，如果進(jìn)一步采用TCP/IP協(xié)議族，則采用“以太網(wǎng)+TCP/IP”來(lái)表示，其技術(shù)特點(diǎn)主要適合信息管理、信息處理系統， 并在IT業(yè)得到了巨大的成功。在工廠(chǎng)管理級、車(chē)間監控級信息集成領(lǐng)域中，工業(yè)以太網(wǎng)已有不少成功的案例，在設備層對實(shí)時(shí)性沒(méi)有嚴格要求場(chǎng)合也有許多應用。 由于現場(chǎng)總線(xiàn)目前種類(lèi)繁多，標準不一，很多人都希望以太網(wǎng)技術(shù)能介入設備低層，廣泛取代現有現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，施耐德公司就是該想法的積極倡導者和實(shí)踐者，目 前已有一批工業(yè)級產(chǎn)品問(wèn)世和實(shí)際應用?？墒蔷湍壳岸?，以太網(wǎng)還不能夠真正解決實(shí)時(shí)性和確定性問(wèn)題，大部分現場(chǎng)層仍然會(huì )首選現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。由于技術(shù)的局限 和各個(gè)廠(chǎng)家的利益之爭，這樣一個(gè)多種工業(yè)總線(xiàn)技術(shù)并存，以太網(wǎng)技術(shù)不斷滲透的現狀還會(huì )維持一段時(shí)間。用戶(hù)可以根據技術(shù)要求和實(shí)際情況來(lái)選擇所需的解決方 案。

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的興起，開(kāi)辟了工廠(chǎng)底層網(wǎng)絡(luò )的新天地。它將促進(jìn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò )的快速發(fā)展，為企業(yè)帶來(lái)新的效益，因而會(huì )得到廣泛的應用，并推動(dòng)自動(dòng)化相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

市面上最等流行的九大現場(chǎng)總線(xiàn)

目前國際上有40多種現場(chǎng)總線(xiàn)，但沒(méi)有任何一種現場(chǎng)總線(xiàn)能覆蓋所有的應用面，按其傳輸數據的大小可分為3類(lèi)：傳感器總線(xiàn)(sensorbus)，屬于位 傳輸;設備總線(xiàn)(devicebus)，屬于字節傳輸;現場(chǎng)總線(xiàn)，屬于數據流傳輸。下面讓我一起去認識這九種現再總線(xiàn)。

1、FF現場(chǎng)總線(xiàn)

FF現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )是由WORLDFIPNA(北美部分，不包括歐洲)和ISPFoundation于1994年6月聯(lián)合成立的，它是一個(gè)國際性的組 織，其目標是建立單一的、開(kāi)放的、可互操作的現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準。這個(gè)組織給予了IEC現場(chǎng)總線(xiàn)標準起草工作組以強大的支持。這個(gè)組織目前有l00多成員單 位，包括了全世界主要的過(guò)程控制產(chǎn)品及系統的生產(chǎn)公司。1997年4月這個(gè)組織在中國成立了中國儀協(xié)現場(chǎng)總線(xiàn)專(zhuān)業(yè)委員會(huì )(CFC)。致力于這項技術(shù)在中國 的推廣應用。FF成立的時(shí)間比較晚，在推出自己的產(chǎn)品和把這項技術(shù)完整地應用到工程上相對于PROFIBUS和WORLDFIP要晚。但是正由于FF是 1992年9月成立的，是以FisherRosemount公司為核心的ISP(可互操作系統協(xié)議)與WORLDFIPNA兩大組織合并而成的，因此這個(gè) 組織具有相當實(shí)力：目前FF在IEC現場(chǎng)總線(xiàn)標準的制訂過(guò)程中起著(zhù)舉足輕重的作用。

現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )自成立以來(lái)，經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展，已經(jīng)形 成了一個(gè)開(kāi)放的、全數字化的工業(yè)通信系統，并在上世紀末開(kāi)始進(jìn)入中國市場(chǎng)，推動(dòng)了中國的工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)步，并開(kāi)始了大型全區域系統集成的應用。一個(gè)開(kāi)放 式的總線(xiàn)協(xié)議，很重要的一點(diǎn)就是有多少設備支持這個(gè)協(xié)議。否則，這個(gè)協(xié)議的開(kāi)放性就沒(méi)有意義了。

在無(wú)線(xiàn)和遠程I/O管理方面，現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )發(fā)布了基金會(huì )遠程運營(yíng)管理初步規范。新的技術(shù)規范是基金會(huì )面向無(wú)線(xiàn)和遠程I/O進(jìn)行遠程運營(yíng)管理解決方案的 一部分，面向遠程運營(yíng)管理設備定義了代表基金會(huì )HART設備的現場(chǎng)總線(xiàn)變送器模塊。該模塊可以顯示有線(xiàn)HART及無(wú)線(xiàn)HART設備。

此外，該規范還描述了通過(guò)基金會(huì )高速以太網(wǎng)(HSE)傳輸基本HART命令協(xié)議接觸HART設備進(jìn)行配置和資產(chǎn)管理的理想方法。規范也對在連接基金會(huì )遠程運營(yíng)管理設備的有線(xiàn)多觸點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)HART網(wǎng)絡(luò )中識別和維護HART設備狀態(tài)的結構進(jìn)行了定義。

新的變送器模塊規范將會(huì )使那些需要將HART和無(wú)線(xiàn)HART設備連入基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)、提升其與控制系統或者基金會(huì )設備的最終用戶(hù)受益，”現場(chǎng)總 線(xiàn)基金會(huì )技術(shù)開(kāi)發(fā)總監DaveGlanzer說(shuō)道：“他們可能會(huì )需要對資產(chǎn)管理采用一種網(wǎng)絡(luò )化的方法，連接大量的HART和無(wú)線(xiàn)HART設備，進(jìn)行配置和 維護。”

在現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )架構內部，H1和HSE可以提供分布式功能模塊的能力，與HSE一起形成容量更大的通道，加快數據傳輸和傳輸 量?；饡?huì )遠程運營(yíng)管理的開(kāi)發(fā)，為有線(xiàn)及無(wú)線(xiàn)HSE主干網(wǎng)絡(luò )建立了一個(gè)開(kāi)放式、非專(zhuān)利性的規范，可以通過(guò)接口將不同的基金會(huì )遠程運營(yíng)管理設備和無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設 備網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行集成。

使用高速HSE連接，可以高效的將模塊化的數字和模擬現場(chǎng)I/O設備大幅度集中到控制室當中。通過(guò)使用諸如智能遠程終 端單元(RTU)這類(lèi)HSE設備功能，這項技術(shù)可以將各種形式的傳統I/O輕而易舉的融入到自然的現場(chǎng)總線(xiàn)環(huán)境當中。這一解決方案在同一個(gè)以太網(wǎng)絡(luò )上可以 同時(shí)支持數字輸入、數字輸出、模擬輸入、模擬輸出和H1現場(chǎng)總線(xiàn)。

2、LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)

LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)是美國Echelon公司1992年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò ),最初主要用于樓宇自動(dòng)化,但很快發(fā)展到工業(yè)現場(chǎng)網(wǎng)。LonWorks 技術(shù)為設計和實(shí)現可互操作的控制網(wǎng)絡(luò )提供了一套完整、開(kāi)放、成品化的解決途徑。LonWorks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片(NeuronChip)。該芯片 內部裝有3個(gè)微處理器:MAC處理器完成介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制;網(wǎng)絡(luò )處理器完成OSI的3～6層網(wǎng)絡(luò )協(xié)議;應用處理器完成用戶(hù)現場(chǎng)控制應用。它們之間通過(guò)公用存儲 器傳遞數據。在控制單元中需要采集和控制功能,為此,神經(jīng)元芯片特設置11個(gè)I/O口。這些I/O口可根據需求不同來(lái)靈活配置與外圍設備的接口,如 RS232、并口、定時(shí)/計數、間隔處理、位I/O等。

LonWorks提供的不僅僅是一套高性能的神經(jīng)元芯片,更重要的是,它提供了 一套完整的開(kāi)發(fā)平臺。工業(yè)現場(chǎng)中的通信不僅要將數據實(shí)時(shí)發(fā)送、接收,更多的是數據的打包、拆包、流量處理、出錯處理。這使控制工程師不得不在數據通信上投 入大量精力。LonWorks在這方面提供了非常友好的服務(wù),提供了一套完整的建網(wǎng)工具——LonBuild。

首先,它提供了一套C語(yǔ)言的編譯器,從而大大減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間。在這個(gè)編譯器中,提供了對11個(gè)I/O非常詳盡的庫函數。在通信方面,它也提出了一個(gè)全新 的概念——網(wǎng)絡(luò )變量。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變量,網(wǎng)絡(luò )上的通信只需將相關(guān)節點(diǎn)上的網(wǎng)絡(luò )變量連接一下即可。網(wǎng)絡(luò )變量是應用程序定義的一個(gè)特殊靜態(tài)變量,可以是ANSIC 所定義的各種類(lèi)型,也可以是自定義類(lèi)型,還可以規定優(yōu)先級、響應方式等。網(wǎng)絡(luò )變量被定義為輸入或輸出,當定義為輸出的網(wǎng)絡(luò )變量被賦予新值時(shí),與該輸出變量 相連的輸入網(wǎng)絡(luò )變量就會(huì )被立刻賦予同樣的新值。

另外,LonBuild還集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和編譯于一體,具備C調試器,可在多個(gè)仿真器上調試應用程序,并具備網(wǎng)絡(luò )協(xié)議分析和通信分析的功能。

自80年代末以來(lái)，多種現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已逐漸形成其影響并在一些特定的應用領(lǐng)域顯示了自己的優(yōu)勢。它們各有優(yōu)勢，顯示出較強的生命力。例如基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn) (FF)是在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。PROFIBUS是德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現場(chǎng)總線(xiàn) 標準。該系列有DP.FMS.PA三種型號，其中DP型適用于加工自動(dòng)化領(lǐng)域;FMS型適用于紡織.樓宇自動(dòng)化，可編程控制器.低壓開(kāi)關(guān)等;PA型則用于 過(guò)程自動(dòng)化。CAN最早由德國B(niǎo)OSCH公司推出，用于汽車(chē)內部測量與執行部件之間的數據通信。HART最早由ROSEmount公司開(kāi)發(fā)并行到80多家 著(zhù)名儀表公司的支持，是在現有模擬信號傳輸線(xiàn)上實(shí)現數字信號的通信。由于它們在各自范圍內各自為政，不可避免地限制了整個(gè)系統的發(fā)展，不利于整個(gè)系統的系 統集成，而我公司開(kāi)發(fā)出的Lonworks產(chǎn)品，分別在釀酒.電力.建筑.工業(yè)自動(dòng)化和化工行業(yè)中應用并取得良好的效果。

隨著(zhù)我國社會(huì ) 主義現代化建設進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國在智能化領(lǐng)域的需求日益劇增。而國際上現有的其他類(lèi)現場(chǎng)總線(xiàn)所存在的固有局限性，使得它們在應用時(shí)受到這樣那樣的約 束。LON總線(xiàn)則綜合了當今現場(chǎng)總線(xiàn)的多種功能，同時(shí)具備了局域網(wǎng)的一些特點(diǎn)，使得它被廣泛地應用于航空/航天，農業(yè)控制、計算機/外圍設備、診斷/監 控、電子測量設備、測試設備、醫療衛生、軍事/防衛、辦公室設備系統、機器人、安全警衛、保密、運動(dòng)/游藝、電話(huà)通信、運輸設備等領(lǐng)域。其通用性表明，它 不是針對某一個(gè)特殊領(lǐng)域的總線(xiàn)，而是具有可將不同領(lǐng)域的控制系統綜合成一個(gè)以L(fǎng)ONWORKS為基礎的更復雜系統的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。

3、Profibu現場(chǎng)總線(xiàn)

Profibus是作為德國國家標準DIN19245和歐洲 標準prEN50170的現場(chǎng)總線(xiàn)。ISO/OSI模型也是它的參考模型。由Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA 組成了Profibus系列。DP型用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應用。FMS意為現場(chǎng)信息規范，適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控 制器、低壓開(kāi)關(guān)等一般自動(dòng)化，而PA型則是用于過(guò)程自動(dòng)化的總線(xiàn)類(lèi)型，它遵從IEC1158-2標準。該項技術(shù)是由西門(mén)子公司為主的十幾家德國公司、研究 所共同推出的。它采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層，由這兩部分形成了其標準第一部分的子集，DP型隱去了3～7層，而增加了直接數據連接擬合作為用 戶(hù)接口，FMS型只隱去第3～6層，采用了應用層，作為標準的第二部分。PA型的標準目前還處于制定過(guò)程之中，其傳輸技術(shù)遵從IEC1158-2(1)標 準，可實(shí)現總線(xiàn)供電與本質(zhì)安全防爆。

Porfibus支持主—從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式。主站具有對總線(xiàn)的控制權，可主動(dòng)發(fā)送信息。對多主站系統來(lái)說(shuō)，主站之間 采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點(diǎn)可在一個(gè)事先規定的時(shí)間內擁有總線(xiàn)控制權，共事先規定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長(cháng)時(shí)間。按Profibus的通 信規范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行方向進(jìn)行傳遞。主站在得到控制權時(shí)，可以按主—從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)通信。主站可采取 對所有站點(diǎn)廣播(不要求應答)或有選擇地向一組站點(diǎn)廣播。Profibus的傳輸速率為96～12kbps最大傳輸距離在12kbps時(shí)為 1000m，15Mbps時(shí)為400m，可用中繼器延長(cháng)至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)，也可以是光纜，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。