現場總線技術

分類：技術教程日期：2006-06-27 00:00:00

[定義] 現場總線是指計算機網絡與生產過程專用網絡，或工業控制網絡與生產現場基層的自動化測控設備之間傳送信息的共同通路。

[相關技術]自動控制技術；儀器儀表；計算機技術；通信技術；微電子技術；網絡技術

[技術難點]

　　基于現場總線技術的全開放分散控制系統是自動控制技術、自動化儀表、工業技術、計算機技術、網絡技術、通信技術的交叉與集成，因此現場總線技術需要在以下幾個方面加大研究、開發力度：

　　基于現場總線的智能化、自動化儀表、現場儀表是信息獲取的工具，是信息工業的源頭。智能化應包括理解、推理、判斷與分析等一系列功能，能適應被測參數的變化，在線聯機改變量程，自動檢測自身工作狀態并傳遞信息，進行異常處理，自動進行指標判斷與分選，進行邏輯操作，定量控制與程序控制，實現多參數測量，進行數字信號處理等。

　　基于現場總線的網絡設備的軟、硬件控制系統從模擬儀表到集中監督控制系統，進而到分散控制系統(DCS)，可以說取得了很大的進展，但系統的開放性和通信問題仍未解決，系統的開放性是要解決不同廠家軟、硬件產品可集中到一個系統中，如LonWorks總線技術產品，只要遵循LonMARK標準，幾百家的不同產品均可連在一個系統上，所以要進行網絡設備的研制必須遵循現場總線的標準進行開發。

　　組態技術包括網絡拓撲結構、網絡設備、網段互連等。

　　網絡管理技術包括網絡管理軟件、網絡數據操作與傳輸。現場總線的出現形成了低層網絡，同時提供與企業、企業網(Intranet)、國際互聯網(Internet)相連接的可能性，所以搞網絡企業也需拓寬到這一層次。

　　基于現場總線技術的全開放控制系統的集成技術總體來說，自動化系統與設備將朝著現場總線體系結構的方向發展，并且涉及的應用領域十分廣泛，幾乎覆蓋了所有連續、離散工業領域，涉及到電力、冶金、石油、化工、建材、輕工、造紙、樓宇自動化和家庭自動化等，如何將系統集成，并應用于這些領域，是需要解決的難點之一。

[國外概況]

　　1984年美國Inter公司提出一種計算機分布式控制系統-位總線（BITBUS），它主要是將低速的面向過程的輸入輸出通道與高速的計算機總線多（MULTIBUS）分離，形成了現場總線的最初概念。80年代中期，美國Rosemount 公司開發了一種可尋址的遠程傳感器（HART）通信協議。采用在4～20mA模擬量疊加了一種頻率信號，用雙絞線實現數字信號傳輸。HART協議已是現場總線的雛形。1985年由Honeywell和Bailey等大公司發起，成立了WorldFIP制定了FIP協議。1987年，以Siemens，Rosemount，橫河等幾家著名公司為首也成立了一個專門委員會互操作系統協議（ISP）并制定了PROFIBUS協議。后來美國儀器儀表學會也制定了現場總線標準IEC/ISA SP50。隨著時間的推移，世界逐漸形成了兩個針鋒相對的互相競爭的現場總線集團：一個是以Siemens、Rosemount,橫河為首的ISP集團；另一個是由Honeywell、Bailey等公司牽頭的WorldFIP集團。1994年，兩大集團宣布合并，融合成現場總線基金會（Fieldbus Foundation）簡稱FF。對于現場總線的技術發展和制定標準，基金委員會取得以下共識：共同制定遵循IEC/ISA SP50協議標準；商定現場總線技術發展階段時間表。

　　重要階段性成果：

　　目前國際上有40多種現場總線，但沒有任何一種現場總線能覆蓋所有的應用面，按其傳輸數據的大小可分為3類：傳感器總線（sensor bus)，屬于位傳輸；設備總線（device bus)，屬于字節傳輸；現場總線，屬于數據流傳輸。目前應用比較多的有基金會現場總線（FF）、LonWorks、Profibus、WorldFIP及CAN。

　　國際組織本來打算在1998年完成對現場總線的標準化工作，但在1998年9月30日對現場總線國際標準最終草案（FDIS）進行投票表決，表決結果68％贊成，但32％反對，超過了25％，因此，國際標準化工作再次遭到措折，要在3年以后才可能成為國際標準。

　　現有水平及發展趨勢：

　　國際上現有40多種現場總線，但影響較大的主要有FF、Profibus、CAN、lonWorks等。圍繞著現場總線技術的標準化，世界上各大廠商展開了激烈競爭，并主要形成了FF和Profibus兩大陣營，都希望能夠統一整個世界市場。

　　目前現場總線產品主要是低速總線產品，應用于運行速率較低的領域，對網絡的性能要求不是很高。從應用狀況看，無論是FF和Profibus，還是其他一些現場總線，都能較好地實現速率要求較慢的過程控制。因此，在速率要求較低的控制領域，誰都很難統一整個世界市場。而現場總線的關鍵技術之一是互操作性，實現現場總線技術的統一是所有用戶的愿望。今后現場總線技術如何發展、如何統一，是所有生產廠商和用戶十分關心的問題。

　　高速現場總線主要應用于控制網內的互連，連接控制計算機、PLC等智能程度較高、處理速度快的設備，以及實現低速現場總線網橋間的連接，它是充分實現系統的全分散控制結構所必須的。目前這一領域還比較薄弱。因此，高速現場總線的設計、開發將是競爭十分激烈的領域，這也將是現場總線技術實現統一的重要機會。而選擇什么樣的網絡技術作為高速現場總線的整體框架將是其首要內容。

　　現場總線技術的發展應體現為兩個方面：一個是低速現場總線領域的繼續發展和完善；另一個是高速現場總線技術的發展。

　　作為新一代控制系統的體系結構，現場總線技術將具有如下技術指標：

　　實現系統的全分散控制；系統的開放性；現場設備的智能化與功能自治性；

　　互操作與互用性；對現場環境的適應性；

[影響]

　　現場總線的應用有如下特點：

　　低成本

　　由于現場總線的通信是全數字式的且它的控制功能完全由現場設備去執行，因此不需要輸入、輸出及其它控制板；而且現場裝置可直接與操作臺相連，不再需要用于聯接各控制板的"數據高速公路"，上述各部分的冗余在現場總線系統里自然也就不再需要了。現場總線系統只保留集散控制系統（DCS）中的現場設備及操作站，操作站已不再是系統的關鍵部分。

　　現場總線設備可以執行多種測量、控制和計算，因此減少了變送器的數量，不再需要單回路調節器和計算元件，從而節省了費用。

　　組態簡單

　　由于所有儀表都引入了功能模塊，組態變得非常相似或簡單，不需要因為自動化設備種類不同或組態方法的不同而進行培訓或學習編程語言。所有的生產廠商都使用相同的現場總線功能模塊。功能模塊是以用戶自定義的標識符和標準參數為基礎的，用戶可以根據標識符來指定某一設備，毋需考慮設備地址、存儲記憶地址和比特編號等。組態可通過計算機編輯，然后下裝至現場自動化設備。

　　由于不同廠商、不同型號的儀表的校準、量程設定和診斷等的操作程序是一致的，使得培訓操作員簡單化和設備的更新。

　　現場總線已有大量的功能模塊，且新的功能模塊仍在不斷增加。

　　查索更多的信息及診斷狀況

　　數字通信使用戶從控制室中查索所有設備的數據、組態、運行和診斷信息成為現實。而且現場總線的多變量特性為儀表及其它自動化設備的革新提供了更廣闊的天地。

　　現場設備的自診斷功能使故障可以及時地被報告，使檢修人員在事故發生之前可及時確定潛在事故地點并進行維修。硬件（如傳感器、執行器和記憶單元）故障，軟件方面（如組態和校準）的問題都能夠被及時報告。

　　操作人員毋需把變送器送去檢測就可獲得所需信息，從而大大節省了時間和成本。

　　安裝、運行、維修簡便

　　由于現場儀表是并行連接，端子接頭核對的工作量大大減少了，所以接線簡單，一條電纜通常可連接20個設備。

　　現場總線設備能夠模擬輸入值、輸出值或狀態。這使得操作員在控制室內便能夠測試系統對故障及過程狀況的反應。

　　現場總線可以存儲有用的信息以便于維修，信息不會丟失。大量的有用信息也被存儲于自動化設備中，這些既可以從手持終端獲取，又可從操作站獲取。

　　自由選擇不同品牌設備

　　所有現場總線產品采用統一的標準，這使用戶可以自由選擇不同制造商所提供的設備。