現(xiàn)場總線的分類及發(fā)展趨勢

2025China.cn 2014年04月25日

　　現(xiàn)場總線技術(shù)自70年代誕生至今，由于它在減少系統(tǒng)線纜，簡化系統(tǒng)安裝、維護和管理，降低系統(tǒng)的投資和運行成本，增強系統(tǒng)性能等方面的優(yōu)越性，引起人們的廣泛注意，得到大范圍的推廣，導(dǎo)致了自動控制領(lǐng)域的一場革命。

　　現(xiàn)場總線簡介

　　現(xiàn)場總線(Fieldbus)是指開放式、國際標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、相互交換操作的雙向傳送、連接智能儀表和控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這是一項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，是信息化帶動工業(yè)化和工業(yè)化推動信息化的適用技術(shù)，是能應(yīng)用于各種計算機控制領(lǐng)域的工業(yè)總線，因現(xiàn)場總線潛在著巨大的商機，世界范圍內(nèi)的各大公司都投入相當(dāng)大的人力、物力、財力來進行開發(fā)研究。

　　當(dāng)今現(xiàn)場總線技術(shù)一直是國際上各大公司激烈競爭的領(lǐng)域，由于現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷創(chuàng)新，過程控制系統(tǒng)由第四代的DCS發(fā)展至今的FCS(FieldbusControlSystem)系統(tǒng)，已被稱為第五代過程控制系統(tǒng)。而FCS和DCS的真正區(qū)別在于其現(xiàn)場總線技術(shù)?，F(xiàn)場總線技術(shù)以數(shù)字信號取代模擬信號，在3C(Computer計算機、Control控制、Commcenication通信)技術(shù)的基礎(chǔ)上，大量現(xiàn)場檢測與控制信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移至現(xiàn)場設(shè)備。由于國際上各大公司在現(xiàn)場總線技術(shù)這一領(lǐng)域的競爭，仍未形成一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，目前現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)都是遵守OSI參考模型。由于現(xiàn)場總線以計算機、微電子、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)為基礎(chǔ)，這一技術(shù)正在從根本上改變控制系統(tǒng)的理念和方法，將極大地推動整個工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)進步，對工業(yè)自動化系統(tǒng)的影響將是積極和深遠的。

　　現(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)代工業(yè)數(shù)字通信的前沿技術(shù)，是計算機技術(shù)、通信技術(shù)和自動化控制技術(shù)的集成，也是信息技術(shù)、測量技術(shù)在信息時代的體現(xiàn)。現(xiàn)場總線技術(shù)經(jīng)過10年的研發(fā)、試驗和局部應(yīng)用階段，現(xiàn)已開始大量地在中小系統(tǒng)中應(yīng)用，并開始在超大規(guī)模的自動化系統(tǒng)工程中應(yīng)用?，F(xiàn)場總線技術(shù)是工業(yè)數(shù)字通信時代的先驅(qū)，它的出現(xiàn)正在引起工業(yè)控領(lǐng)域的一次前所未有的技術(shù)革命?，F(xiàn)場總線不僅僅是分散于最底層的控制系統(tǒng)，而且是建立于整個工業(yè)體系的通信系統(tǒng)，它的通信協(xié)議建立在控制策略之上，標(biāo)準(zhǔn)的編程語言(DDL)和強大的通信功能，使現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)成為貫徹操作者意志的最得力的工具，由于其巨大的技術(shù)優(yōu)勢，被認(rèn)為是工業(yè)控制發(fā)展的必然趨勢，將逐步取代傳統(tǒng)的控制方法。

　　幾種主流現(xiàn)場總線介紹

　　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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景?；饡F(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(ControllerAreaNetwork控制器局域網(wǎng))

　　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)，傳輸時間短，具有自動關(guān)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(shù)，通過設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(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)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(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2700m(78Kbit/s)，被譽為通用控制網(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)用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)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(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,每個網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點為64個，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，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，適用于加工自動化領(lǐng)域。FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。PA用于過程自動化的總線類型，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個站點。

　　6、HART

　　HART是HighwayAddressableRemoteTransducer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(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，支持點對點主從應(yīng)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(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。其不僅解決了工業(yè)現(xiàn)場配線復(fù)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(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，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(biāo)準(zhǔn)委員會批準(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可以實現(xiàn)“透明聯(lián)接”，并對FF的H1進行了技術(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。

　　現(xiàn)場總線的特點

　　現(xiàn)場控制設(shè)備具有通信功能，便于構(gòu)成工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)。

　　通信標(biāo)準(zhǔn)的公開、一致，使系統(tǒng)具備開放性，設(shè)備間具有互可操作性。

　　功能塊與結(jié)構(gòu)的規(guī)范化使相同功能的設(shè)備間具有互換性。

　　控制功能下放到現(xiàn)場，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備高度的分散性。

　　現(xiàn)場總線的優(yōu)點

　　現(xiàn)場總線使自控設(shè)備與系統(tǒng)步入了信息網(wǎng)絡(luò)的行列，為其應(yīng)用開拓了更為廣闊的領(lǐng)域;

　　一對雙絞線上可掛接多個控制設(shè)備，便于節(jié)省安裝費用;節(jié)省維護開銷;提高了系統(tǒng)的可靠性;為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動權(quán)。

　　國內(nèi)現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀：

　?、俣喾N現(xiàn)場總線在國內(nèi)展開激烈競爭，競爭的重點是應(yīng)用工程

　?、趪鴥?nèi)自己開發(fā)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品開始投入市場;

　　③國內(nèi)各行業(yè)的現(xiàn)場總線應(yīng)用工程迅速發(fā)展。