现场总线技术发展及应用
Fieldbus technology application and
development
学 院
专业班级
学 号
姓 名
2012年11月
摘要
现场总线作为一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统，近年来得
到了迅猛的发展和应用。用于过程自动化、制造自动化、电力自动化、楼宇自
动化等领域的现场智能设备互联通信网络。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为此
本文阐述了现场总线的应用领域及现场总线的发展。
关键词： 现场总线；应用领域；发展
Abstract
Field bus is a kind of open, full digital, bidirectional, multistation communication system, in recent years has been the rapid development and application of. For process automation, manufacturing automation, power automation, building automation and other fields of field intelligent device interconnection communication network. It as the plant the basis of digital communication network, communication during the production site and between the control device and the management level this paper expounds the relation between the field bus the application fields and the development of the field bus.
Key words: field bus; application; development
I
目录
摘
要……………………………………………………………………………………ǀ Abstract ………………………………………………………………………………
ǁ
引言 …………………………………………………………………………………1
第一章 现场总线技术概述…………………………………………………………1
1.1 现场总线技术的产生………………………………………………………1
1.2 现场总线技术的发展历程…………………………………………2
1.3 现场总线的主要分类……………………………………………………2
第二章 现场总线的技术特点………………………………………………………2
2.1 系统的开放性………………………………………………………………2
2.2 互用性………………………………………………………………………3
2.3现场设备的智能化与功能自治性 …………………………………………3
2.4 系统结构的高度分散性……………………………………………………3
2.5 对现场环境的适应性………………………………………………………3
第三章 现场总线的特点……………………………………………………………3
3.1 节省硬件数量与投资………………………………………………………4
3.2 节省安装费用………………………………………………………………4
3.3 节省维护开销………………………………………………………………4
3.4 用户具有高度的系统集成主动权…………………………………………4
3.5 提高了系统的准确性与可靠性……………………………………………4
第四章 几种主流现场总线介绍 …………………………………………………5
4.1基金会现场总线 ……………………………………………………………5
4.2 CAN……………………………………………………………………………5
4.3 Lonworks ……………………………………………………………………5 II
4.4 DeviceNet …………………………………………………………………6
4.5 PROFIBUS ……………………………………………………………………6
4.6 HART………………………………………………………………………6
4.7 CC-Link……………………………………………………………………7
4.8 WorldFIP……………………………………………………………………7
第五章 发展趋势…………………………………………………………………7
第六章 国内现场总线的发展趋势………………………………………………8
6.1 国内现场总线的发展趋势………………………………………………8
6.2 关于现场总线的争论……………………………………………………8
第七章 总结………………………………………………………………………9 参考文献……………………………………………………………………………10 III
引言
计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是考虑到现场总线已经普遍地渗透到自动控制的各个领域的现实，现场总线必将成为电工自动控制领域主要的发展方向之一。现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域；并且国外大公司已经在大力拓展中国市场，发展我国的现场总线产品已经刻不容缓。现场总线对自动化技术的影响意义深远。当今可以认为现场总线是提高自动化系统整体水平的基础技术，对国民经济影响重大。因此，要在自动化领域中推广应用和发展现场总线。现场总线是近年来自动化领域中发展很快的互连通信网络，具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点。目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。较著名的有基金会现场总线（FF ）、HART 现场总线、CAN 现场总线、LONWORKS 现场总线、PROFIBUS 现场总线、MODBUS 、PHEONIX 公司的
INTERBUS 、AS －INTERFACE 总线等。 现场总线是现场仪表与控制室系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统，主要用于工厂低层设备(传感器及传动装置等) 的数据通信。现场总线已不仅仅是一个新技术领域或新技术问题，在研究它的同时，我们发现它已经改变了我们的观念；如何去看待现场总线，要比研究它的技术细节更为重要。
第一章 现场总线技术概述
1.1 现场总线技术的产生
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， 1
并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点 :具有一定的时间确定性和较高的实时性要求, 还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。
1.2 现场总线技术的发展历程
一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS ——现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS 称作第一代，把4～20mA 等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS 称作第四代。现场总线控制系统FCS 作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS 系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS 的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。
1.3 现场总线的主要分类
现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。其中有较强实力和影响的有 :FoudationFieldbus（FF ）、LonWorks 、Profibus 、HART 、CAN 、Dupline 等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势。
第二章 现场总线的技术特点
2.1 系统的开放性。
2
开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。
2.2 互用性
互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
2.3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。
2.4 系统结构的高度分散性。
由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。
2.5 对现场环境的适应性。
工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
第三章 现场总线的特点
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 3
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。
3.1 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。
3.2 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。
3.3 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。
3.4 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。
3.5 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 4
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。
第四章 几种主流现场总线介绍
4.1基金会现场总线
（FoundationFieldbus 简称FF ）这是以美国Fisher-Rousemount 公司为首的联合了横河、ABB 、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP 协议和以Honeywell 公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP 协议于1994年9月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。 基金会现场总线采用国际标准化组织ISO 的开放化系统互联OSI 的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。FF 分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m ，可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mbit/秒和
2.5Mbit/秒，通信距离为750m 和500m ，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。FF 的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。
4.2 CAN（ControllerAreaNetwork 控制器局域网）
最早由德国BOSCH 公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO 国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel 、Motorola 、NEC 等公司的支持。CAN 协议分为二层：物理层和数据链路层。CAN 的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。CAN 支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M /1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN 协议的通信芯片。
4.3 Lonworks
它由美国Echelon 公司推出，并由Motorola 、Toshiba 公司共同倡导。 5
它采用ISO/OSI模型的全部７层通讯协议，采用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。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距离可达2700m （78Kbit/s），被誉为通用控制网络。Lonworks 技术采用的LonTalk 协议被封装到Neuron （神经元）的芯片中，并得以实现。采用Lonworks 技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。
4.4 DeviceNet
DeviceNet 是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案，有着开放的网络标准。DeviceNet 具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DebiceNet 基于CAN 技术，传输率为125Kbit/s至500Kbit/s,每个网络的最大节点为64个，其通信模式为：生产者/客户（Producer/Consumer），采用多信道广播信息发送方式。位于DeviceNet 网络上的设备可以自由连接或断开，不影响网上的其他设备，而且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet 总线的组织结构是Open DeviceNet Vendor Association （开放式设备网络供应商协会，简称“ODVA ”）。
4.5 PROFIBUS
PROFIBUS 是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。由PROFIBUS--DP 、PROFIBUS －FMS 、PROFIBUS －PA 系列组成。DP 用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA 用于过程自动化的总线类型，服从IEC1158－２标准。PROFIBUS 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。PROFIBUS 的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m ，在12Mbit/s小为200m ，可采用中继器延长至10km ，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点。
4.6 HART
6
HART 是Highway Addressable Remote Transducer 的缩写，最早由Rosemount 公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层，支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和，难以开发通用的通信接口芯片。HART 能利用总线供电，可满足本质安全防爆的要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。
4.7 CC-Link
CC-Link 是Control&Communication Link（控制与通信链路系统）的缩写，在1996年11月，由三菱电机为主导的多家公司推出，其增长势头迅猛，在亚洲占有较大份额。在其系统中，可以将控制和信息数据同是以10Mbit/s高速传送至现场网络，具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题，同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link 是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。2005年7月CC-Link 被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。
4.8 WorldFIP
WorkdFIP 的北美部分与ISP 合并为FF 以后，WorldFIP 的欧洲部分仍保持独立，总部设在法国。其在欧洲市场占有重要地位，特别是在法国占有率大约为60%。WorldFIP 的特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求，而且没有任何网关或网桥，用软件的办法来解决高速和低速的衔接。WorldFIP 与FFHSE 可以实现“透明联接”，并对FF 的H1进行了技术拓展，如速率等。在与IEC61158第一类型的连接方面，WorldFIP 做得最好，走在世界前列。
此外较有影响的现场总线还有丹麦公司Process-Data A/S 提出的P-Net ，该总线主要应用于农业、林业、水利、食品等行业；SwiftNet 现场总线主要使用在航空航天等领域，还有一些其他的现场总线这里就不再赘述了。
第五章 发展趋势
7
从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势： 一是寻求统一的现场总线国际标准 ；二是Industrial Ethernet走向工业控制网络 ；统
一、开放的TCP/IP Ethernet是20多年来发展最成功的网络技术 ，过去一直认为，Ethernet 是为IT 领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA 技术（Ethernet for Process Automation ）也取得了很大的进展。随着FF HSE的成功开发以及PROFInet 的推广应用，可以预见Ethernet 技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。
第六章 国内现场总线的发展趋势
6.1 国内现场总线的发展趋势
6.1.1 多种现场总线在国内展开激烈竞争，竞争的重点是应用工。。
6.1.2 国内自己开发的现场总线产品开始投入市场.
6.1.3 国内各行业的现场总线应用工程迅速发展。
6.2 关于现场总线的争论
6.2.1 争论焦点
现场总线技术传入中国已经好几年了，前几年我们主要是了解学习和宣传，然后开始开发和应用。由于中国经济正处于起飞阶段，市场潜力巨大，各种现场总线的主要支撑企业都看好中国市场，他们在中国展开了激烈的竞争。竞争的集中体现是在国内引起现场总线协议的争论。争论的焦点是哪种现场总线更好。
6.2.2 个人观点
本人认为，这种争论在初期对宣传现场总线是有好处的，它促使更多的人了解现场总线，为今后现场总线的推广做了很好的准备。但是要想通过这种争论来搞清楚到底哪种现场总线更好，那是不可能的。
8
对于目前的争论，本人的看法是：
从国内标准化的角度讲，我们应该紧跟国际标准化的潮流，加大对IEC 标准的学习、宣传力度，使更多的人了解国际现场总线发展的趋势。
从现场总线产品的开发角度讲，应把有限的资金集中在有限的目标上，不宜搞太多的现场总线。对一个企业来讲，已经投资在哪种总线上，应坚持做下去；不宜过多地变换目标。
从现场总线的应用角度讲，我们支持各种现场总线在我国的推广应用。多种总线的竞争，有利于降低产品价格，有利于加快现场总线在我国的推广。
也有人认为，每种现场总线有自己的适用范围，在它自己的适用范围内，它是最好的，出了这个范围它就不是最好的。同时，现场总线是一种正在发展中的技术，迄今尚未有一种现场总线可称是完美的。每一种现场总线都处在不断地完善过程中，今天存在的问题明天可能就克服了。
从“九五”起，我国政府开始投资支持现场总线的开发。这期间国家机械工业局、教育部和中科院组织力量对HART 、FF 等现场总线展开研究和开发。到现在已经取得了阶段性成果，HART 仪表已经开始批量试用，FF 仪表也即将投入试用。此外还有一些企业自筹资金开发现场总线。但是总的来说暂时还不能满足广大用户的要求。
现在要使用现场总线，客观地说不得不用外国的产品。但是关于总线的无休止争论使用户无法判断到底应该用哪一种现场总线。因此现在这种争论已经开始阻碍现场总线在我国的发展。
本人认为推动我国现场总线发展的捷径是，供助外国公司的力量，大力推动现场总线的应用。
第七章 总结
现场总线作为自动化领域的一次革命，它的意义和产生的效益是非常巨大的。积极开展各种现场总线技术的研究和应用，特别是加强对于一些已有成功经验的现场总线在智能化控制系统中的开发与应用，对于电气设备制造厂家来说可 9
以避免很多弯路和资源浪费，是适合我国国情的一个实用的发展途径。
参考文献
[1] 阳宪惠. 工业数据通信与控制网络. 北京：清华大学出版社，2003
[2] 李旭. 数据通信技术教程. 北京：机械工业出版社，2000
[3] 阳宪惠. 现场总线技术及其应用. 北京：清华大学出版社，1999
[4] 刘暾东. 现场总线技术及其应用. 厦门大学自动化系
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现场总线技术发展及应用
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development
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姓 名
2012年11月
摘要
现场总线作为一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统，近年来得
到了迅猛的发展和应用。用于过程自动化、制造自动化、电力自动化、楼宇自
动化等领域的现场智能设备互联通信网络。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为此
本文阐述了现场总线的应用领域及现场总线的发展。
关键词： 现场总线；应用领域；发展
Abstract
Field bus is a kind of open, full digital, bidirectional, multistation communication system, in recent years has been the rapid development and application of. For process automation, manufacturing automation, power automation, building automation and other fields of field intelligent device interconnection communication network. It as the plant the basis of digital communication network, communication during the production site and between the control device and the management level this paper expounds the relation between the field bus the application fields and the development of the field bus.
Key words: field bus; application; development
I
目录
摘
要……………………………………………………………………………………ǀ Abstract ………………………………………………………………………………
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引言 …………………………………………………………………………………1
第一章 现场总线技术概述…………………………………………………………1
1.1 现场总线技术的产生………………………………………………………1
1.2 现场总线技术的发展历程…………………………………………2
1.3 现场总线的主要分类……………………………………………………2
第二章 现场总线的技术特点………………………………………………………2
2.1 系统的开放性………………………………………………………………2
2.2 互用性………………………………………………………………………3
2.3现场设备的智能化与功能自治性 …………………………………………3
2.4 系统结构的高度分散性……………………………………………………3
2.5 对现场环境的适应性………………………………………………………3
第三章 现场总线的特点……………………………………………………………3
3.1 节省硬件数量与投资………………………………………………………4
3.2 节省安装费用………………………………………………………………4
3.3 节省维护开销………………………………………………………………4
3.4 用户具有高度的系统集成主动权…………………………………………4
3.5 提高了系统的准确性与可靠性……………………………………………4
第四章 几种主流现场总线介绍 …………………………………………………5
4.1基金会现场总线 ……………………………………………………………5
4.2 CAN……………………………………………………………………………5
4.3 Lonworks ……………………………………………………………………5 II
4.4 DeviceNet …………………………………………………………………6
4.5 PROFIBUS ……………………………………………………………………6
4.6 HART………………………………………………………………………6
4.7 CC-Link……………………………………………………………………7
4.8 WorldFIP……………………………………………………………………7
第五章 发展趋势…………………………………………………………………7
第六章 国内现场总线的发展趋势………………………………………………8
6.1 国内现场总线的发展趋势………………………………………………8
6.2 关于现场总线的争论……………………………………………………8
第七章 总结………………………………………………………………………9 参考文献……………………………………………………………………………10 III
引言
计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是考虑到现场总线已经普遍地渗透到自动控制的各个领域的现实，现场总线必将成为电工自动控制领域主要的发展方向之一。现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域；并且国外大公司已经在大力拓展中国市场，发展我国的现场总线产品已经刻不容缓。现场总线对自动化技术的影响意义深远。当今可以认为现场总线是提高自动化系统整体水平的基础技术，对国民经济影响重大。因此，要在自动化领域中推广应用和发展现场总线。现场总线是近年来自动化领域中发展很快的互连通信网络，具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点。目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。较著名的有基金会现场总线（FF ）、HART 现场总线、CAN 现场总线、LONWORKS 现场总线、PROFIBUS 现场总线、MODBUS 、PHEONIX 公司的
INTERBUS 、AS －INTERFACE 总线等。 现场总线是现场仪表与控制室系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统，主要用于工厂低层设备(传感器及传动装置等) 的数据通信。现场总线已不仅仅是一个新技术领域或新技术问题，在研究它的同时，我们发现它已经改变了我们的观念；如何去看待现场总线，要比研究它的技术细节更为重要。
第一章 现场总线技术概述
1.1 现场总线技术的产生
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， 1
并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点 :具有一定的时间确定性和较高的实时性要求, 还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。
1.2 现场总线技术的发展历程
一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS ——现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS 称作第一代，把4～20mA 等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS 称作第四代。现场总线控制系统FCS 作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS 系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS 的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。
1.3 现场总线的主要分类
现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。其中有较强实力和影响的有 :FoudationFieldbus（FF ）、LonWorks 、Profibus 、HART 、CAN 、Dupline 等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势。
第二章 现场总线的技术特点
2.1 系统的开放性。
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开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。
2.2 互用性
互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
2.3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。
2.4 系统结构的高度分散性。
由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。
2.5 对现场环境的适应性。
工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
第三章 现场总线的特点
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 3
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。
3.1 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。
3.2 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。
3.3 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。
3.4 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。
3.5 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 4
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。
第四章 几种主流现场总线介绍
4.1基金会现场总线
（FoundationFieldbus 简称FF ）这是以美国Fisher-Rousemount 公司为首的联合了横河、ABB 、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP 协议和以Honeywell 公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP 协议于1994年9月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。 基金会现场总线采用国际标准化组织ISO 的开放化系统互联OSI 的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。FF 分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m ，可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mbit/秒和
2.5Mbit/秒，通信距离为750m 和500m ，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。FF 的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。
4.2 CAN（ControllerAreaNetwork 控制器局域网）
最早由德国BOSCH 公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO 国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel 、Motorola 、NEC 等公司的支持。CAN 协议分为二层：物理层和数据链路层。CAN 的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。CAN 支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M /1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN 协议的通信芯片。
4.3 Lonworks
它由美国Echelon 公司推出，并由Motorola 、Toshiba 公司共同倡导。 5
它采用ISO/OSI模型的全部７层通讯协议，采用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。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距离可达2700m （78Kbit/s），被誉为通用控制网络。Lonworks 技术采用的LonTalk 协议被封装到Neuron （神经元）的芯片中，并得以实现。采用Lonworks 技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。
4.4 DeviceNet
DeviceNet 是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案，有着开放的网络标准。DeviceNet 具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DebiceNet 基于CAN 技术，传输率为125Kbit/s至500Kbit/s,每个网络的最大节点为64个，其通信模式为：生产者/客户（Producer/Consumer），采用多信道广播信息发送方式。位于DeviceNet 网络上的设备可以自由连接或断开，不影响网上的其他设备，而且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet 总线的组织结构是Open DeviceNet Vendor Association （开放式设备网络供应商协会，简称“ODVA ”）。
4.5 PROFIBUS
PROFIBUS 是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。由PROFIBUS--DP 、PROFIBUS －FMS 、PROFIBUS －PA 系列组成。DP 用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA 用于过程自动化的总线类型，服从IEC1158－２标准。PROFIBUS 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。PROFIBUS 的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m ，在12Mbit/s小为200m ，可采用中继器延长至10km ，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点。
4.6 HART
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HART 是Highway Addressable Remote Transducer 的缩写，最早由Rosemount 公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层，支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和，难以开发通用的通信接口芯片。HART 能利用总线供电，可满足本质安全防爆的要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。
4.7 CC-Link
CC-Link 是Control&Communication Link（控制与通信链路系统）的缩写，在1996年11月，由三菱电机为主导的多家公司推出，其增长势头迅猛，在亚洲占有较大份额。在其系统中，可以将控制和信息数据同是以10Mbit/s高速传送至现场网络，具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题，同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link 是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。2005年7月CC-Link 被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。
4.8 WorldFIP
WorkdFIP 的北美部分与ISP 合并为FF 以后，WorldFIP 的欧洲部分仍保持独立，总部设在法国。其在欧洲市场占有重要地位，特别是在法国占有率大约为60%。WorldFIP 的特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求，而且没有任何网关或网桥，用软件的办法来解决高速和低速的衔接。WorldFIP 与FFHSE 可以实现“透明联接”，并对FF 的H1进行了技术拓展，如速率等。在与IEC61158第一类型的连接方面，WorldFIP 做得最好，走在世界前列。
此外较有影响的现场总线还有丹麦公司Process-Data A/S 提出的P-Net ，该总线主要应用于农业、林业、水利、食品等行业；SwiftNet 现场总线主要使用在航空航天等领域，还有一些其他的现场总线这里就不再赘述了。
第五章 发展趋势
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从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势： 一是寻求统一的现场总线国际标准 ；二是Industrial Ethernet走向工业控制网络 ；统
一、开放的TCP/IP Ethernet是20多年来发展最成功的网络技术 ，过去一直认为，Ethernet 是为IT 领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA 技术（Ethernet for Process Automation ）也取得了很大的进展。随着FF HSE的成功开发以及PROFInet 的推广应用，可以预见Ethernet 技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。
第六章 国内现场总线的发展趋势
6.1 国内现场总线的发展趋势
6.1.1 多种现场总线在国内展开激烈竞争，竞争的重点是应用工。。
6.1.2 国内自己开发的现场总线产品开始投入市场.
6.1.3 国内各行业的现场总线应用工程迅速发展。
6.2 关于现场总线的争论
6.2.1 争论焦点
现场总线技术传入中国已经好几年了，前几年我们主要是了解学习和宣传，然后开始开发和应用。由于中国经济正处于起飞阶段，市场潜力巨大，各种现场总线的主要支撑企业都看好中国市场，他们在中国展开了激烈的竞争。竞争的集中体现是在国内引起现场总线协议的争论。争论的焦点是哪种现场总线更好。
6.2.2 个人观点
本人认为，这种争论在初期对宣传现场总线是有好处的，它促使更多的人了解现场总线，为今后现场总线的推广做了很好的准备。但是要想通过这种争论来搞清楚到底哪种现场总线更好，那是不可能的。
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对于目前的争论，本人的看法是：
从国内标准化的角度讲，我们应该紧跟国际标准化的潮流，加大对IEC 标准的学习、宣传力度，使更多的人了解国际现场总线发展的趋势。
从现场总线产品的开发角度讲，应把有限的资金集中在有限的目标上，不宜搞太多的现场总线。对一个企业来讲，已经投资在哪种总线上，应坚持做下去；不宜过多地变换目标。
从现场总线的应用角度讲，我们支持各种现场总线在我国的推广应用。多种总线的竞争，有利于降低产品价格，有利于加快现场总线在我国的推广。
也有人认为，每种现场总线有自己的适用范围，在它自己的适用范围内，它是最好的，出了这个范围它就不是最好的。同时，现场总线是一种正在发展中的技术，迄今尚未有一种现场总线可称是完美的。每一种现场总线都处在不断地完善过程中，今天存在的问题明天可能就克服了。
从“九五”起，我国政府开始投资支持现场总线的开发。这期间国家机械工业局、教育部和中科院组织力量对HART 、FF 等现场总线展开研究和开发。到现在已经取得了阶段性成果，HART 仪表已经开始批量试用，FF 仪表也即将投入试用。此外还有一些企业自筹资金开发现场总线。但是总的来说暂时还不能满足广大用户的要求。
现在要使用现场总线，客观地说不得不用外国的产品。但是关于总线的无休止争论使用户无法判断到底应该用哪一种现场总线。因此现在这种争论已经开始阻碍现场总线在我国的发展。
本人认为推动我国现场总线发展的捷径是，供助外国公司的力量，大力推动现场总线的应用。
第七章 总结
现场总线作为自动化领域的一次革命，它的意义和产生的效益是非常巨大的。积极开展各种现场总线技术的研究和应用，特别是加强对于一些已有成功经验的现场总线在智能化控制系统中的开发与应用，对于电气设备制造厂家来说可 9
以避免很多弯路和资源浪费，是适合我国国情的一个实用的发展途径。
参考文献
[1] 阳宪惠. 工业数据通信与控制网络. 北京：清华大学出版社，2003
[2] 李旭. 数据通信技术教程. 北京：机械工业出版社，2000
[3] 阳宪惠. 现场总线技术及其应用. 北京：清华大学出版社，1999
[4] 刘暾东. 现场总线技术及其应用. 厦门大学自动化系
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