縱橫交錯-九大最流行現(xiàn)場總線“叱咤”工控領(lǐng)域

　　現(xiàn)場總線（Fieldbus）是20世紀(jì)80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的，用于現(xiàn)場總線技術(shù)過程自動化、 制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通訊網(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)，已經(jīng)受到 世界范圍的關(guān)注，成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點，并將導(dǎo)致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。國際上許多實力、有影響的公司都先后在不同程度上進(jìn)行了現(xiàn)場總線技 術(shù)與產(chǎn)品的開發(fā)?，F(xiàn)場總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過程設(shè)備的底層，作為工廠設(shè)備級基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)，要求具有協(xié)議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點：具有 一定的時間確定性和較高的實時性要求，還具有網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定，多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上述特點，現(xiàn)場總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù)，都具 有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。

　　一般把現(xiàn)場總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng)，也稱作FCS——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。人們一般把50年代前的 氣動信號控制系統(tǒng)PCS稱作第一代，把4～20mA等電動模擬信號控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計算機集中式控制系統(tǒng)稱為第三代，而把70年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng)，一方面，突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開化、標(biāo) 準(zhǔn)化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。 可以說，開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線系統(tǒng)最顯著的特征。

　　現(xiàn)場總線技術(shù)展望與發(fā)展趨勢

　　現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展應(yīng)體現(xiàn)為兩個方面：一個是低速現(xiàn)場總線領(lǐng)域的繼續(xù)發(fā)展和完善；另一個是高速現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。

　　目前現(xiàn)場總線產(chǎn)品主要是低速總線產(chǎn)品，應(yīng)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(yīng)用狀況看，無論是FF和Profibus，還是其他一 些現(xiàn)場總線，都能較好地實現(xiàn)速率要求較慢的過程控制。因此，在速率要求較低的控制領(lǐng)域，誰都很難統(tǒng)一整個世界市場。而現(xiàn)場總線的關(guān)鍵技術(shù)之一是互操作性， 實現(xiàn)現(xiàn)場總線技術(shù)的統(tǒng)一是所有用戶的愿望。今后現(xiàn)場總線技術(shù)如何發(fā)展、如何統(tǒng)一，是所有生產(chǎn)廠商和用戶十分關(guān)心的問題。

　　高速現(xiàn)場總線主 要應(yīng)用于控制網(wǎng)內(nèi)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(shè)備，以及實現(xiàn)低速現(xiàn)場總線網(wǎng)橋間的連接，它是充分實現(xiàn)系統(tǒng)的全分散控制結(jié) 構(gòu)所必須的。目前這一領(lǐng)域還比較薄弱。因此，高速現(xiàn)場總線的設(shè)計、開發(fā)將是競爭十分激烈的領(lǐng)域，這也將是現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)統(tǒng)一的重要機會。而選擇什么樣的 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為高速現(xiàn)場總線的整體框架將是其首要內(nèi)容。

　　發(fā)展現(xiàn)場總線技術(shù)已成為工業(yè)自動化領(lǐng) 域廣為注的焦點課題，國際上現(xiàn)場總線的研究、開發(fā)，使測控系統(tǒng)沖破了長期封閉系統(tǒng)的禁錮，走上開放發(fā)展的征程，這對中國現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展是個極好的 機會，也是一次嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展的大趨勢，現(xiàn)場總線技術(shù)受計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響是十分深刻的。現(xiàn)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(xiàn)場總線技術(shù)之中，這些具有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線技術(shù)有；智能儀表與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)的軟硬件技術(shù)；組態(tài)抗術(shù)，包 括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shù)據(jù)操作與傳輸；人機接口、軟件技術(shù)；現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成技術(shù)。

　　由于目前自動化技術(shù)從單機控制發(fā)展到工廠自動化FA，發(fā)展到系統(tǒng)自動化。工廠自動化信息網(wǎng)絡(luò)可分為以下三層結(jié)構(gòu)：工廠管理級、車間監(jiān)控級、現(xiàn)場設(shè)備 級，而現(xiàn)場總線是工廠底層設(shè)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)是作為辦公室自動化領(lǐng)域衍生的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，按習(xí)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”來表示，其技術(shù)特點主要適合信息管理、信息處理系統(tǒng)， 并在IT業(yè)得到了巨大的成功。在工廠管理級、車間監(jiān)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(shè)備層對實時性沒有嚴(yán)格要求場合也有許多應(yīng)用。 由于現(xiàn)場總線目前種類繁多，標(biāo)準(zhǔn)不一，很多人都希望以太網(wǎng)技術(shù)能介入設(shè)備低層，廣泛取代現(xiàn)有現(xiàn)場總線技術(shù)，施耐德公司就是該想法的積極倡導(dǎo)者和實踐者，目 前已有一批工業(yè)級產(chǎn)品問世和實際應(yīng)用?？墒蔷湍壳岸?，以太網(wǎng)還不能夠真正解決實時性和確定性問題，大部分現(xiàn)場層仍然會首選現(xiàn)場總線技術(shù)。由于技術(shù)的局限 和各個廠家的利益之爭，這樣一個多種工業(yè)總線技術(shù)并存，以太網(wǎng)技術(shù)不斷滲透的現(xiàn)狀還會維持一段時間。用戶可以根據(jù)技術(shù)要求和實際情況來選擇所需的解決方 案。

　　現(xiàn)場總線技術(shù)的興起，開辟了工廠底層網(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)帶來新的效益，因而會得到廣泛的應(yīng)用，并推動自動化相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

　　市面上最等流行的九大現(xiàn)場總線

　　目前國際上有40多種現(xiàn)場總線，但沒有任何一種現(xiàn)場總線能覆蓋所有的應(yīng)用面，按其傳輸數(shù)據(jù)的大小可分為3類：傳感器總線（sensorbus），屬于位 傳輸；設(shè)備總線（devicebus），屬于字節(jié)傳輸；現(xiàn)場總線，屬于數(shù)據(jù)流傳輸。下面讓我一起去認(rèn)識這九種現(xiàn)再總線。

　　1、FF現(xiàn)場總線

　　FF現(xiàn)場總線基金會是由WORLDFIPNA（北美部分，不包括歐洲）和ISPFoundation于1994年6月聯(lián)合成立的，它是一個國際性的組 織，其目標(biāo)是建立單一的、開放的、可互操作的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)。這個組織給予了IEC現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)起草工作組以強大的支持。這個組織目前有l(wèi)00多成員單 位，包括了全世界主要的過程控制產(chǎn)品及系統(tǒng)的生產(chǎn)公司。1997年4月這個組織在中國成立了中國儀協(xié)現(xiàn)場總線專業(yè)委員會（CFC）。致力于這項技術(shù)在中國 的推廣應(yīng)用。FF成立的時間比較晚，在推出自己的產(chǎn)品和把這項技術(shù)完整地應(yīng)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(tǒng)協(xié)議）與WORLDFIPNA兩大組織合并而成的，因此這個 組織具有相當(dāng)實力：目前FF在IEC現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制訂過程中起著舉足輕重的作用。

　　現(xiàn)場總線基金會自成立以來，經(jīng)過十年的發(fā)展，已經(jīng)形 成了一個開放的、全數(shù)字化的工業(yè)通信系統(tǒng)，并在上世紀(jì)末開始進(jìn)入中國市場，推動了中國的工業(yè)自動化技術(shù)進(jìn)步，并開始了大型全區(qū)域系統(tǒng)集成的應(yīng)用。一個開放 式的總線協(xié)議，很重要的一點就是有多少設(shè)備支持這個協(xié)議。否則，這個協(xié)議的開放性就沒有意義了。

　　在無線和遠(yuǎn)程I/O管理方面，現(xiàn)場總線基金會發(fā)布了基金會遠(yuǎn)程運營管理初步規(guī)范。新的技術(shù)規(guī)范是基金會面向無線和遠(yuǎn)程I/O進(jìn)行遠(yuǎn)程運營管理解決方案的 一部分，面向遠(yuǎn)程運營管理設(shè)備定義了代表基金會HART設(shè)備的現(xiàn)場總線變送器模塊。該模塊可以顯示有線HART及無線HART設(shè)備。

　　此外，該規(guī)范還描述了通過基金會高速以太網(wǎng)（HSE）傳輸基本HART命令協(xié)議接觸HART設(shè)備進(jìn)行配置和資產(chǎn)管理的理想方法。規(guī)范也對在連接基金會遠(yuǎn)程運營管理設(shè)備的有線多觸點網(wǎng)絡(luò)和無線HART網(wǎng)絡(luò)中識別和維護(hù)HART設(shè)備狀態(tài)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定義。

　　新的變送器模塊規(guī)范將會使那些需要將HART和無線HART設(shè)備連入基金會現(xiàn)場總線、提升其與控制系統(tǒng)或者基金會設(shè)備的最終用戶受益，”現(xiàn)場總 線基金會技術(shù)開發(fā)總監(jiān)DaveGlanzer說道：“他們可能會需要對資產(chǎn)管理采用一種網(wǎng)絡(luò)化的方法，連接大量的HART和無線HART設(shè)備，進(jìn)行配置和 維護(hù)?！?/p>

　　在現(xiàn)場總線基金會架構(gòu)內(nèi)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(shù)據(jù)傳輸和傳輸 量?；饡h(yuǎn)程運營管理的開發(fā)，為有線及無線HSE主干網(wǎng)絡(luò)建立了一個開放式、非專利性的規(guī)范，可以通過接口將不同的基金會遠(yuǎn)程運營管理設(shè)備和無線現(xiàn)場設(shè) 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(shù)字和模擬現(xiàn)場I/O設(shè)備大幅度集中到控制室當(dāng)中。通過使用諸如智能遠(yuǎn)程終 端單元（RTU）這類HSE設(shè)備功能，這項技術(shù)可以將各種形式的傳統(tǒng)I/O輕而易舉的融入到自然的現(xiàn)場總線環(huán)境當(dāng)中。這一解決方案在同一個以太網(wǎng)絡(luò)上可以 同時支持?jǐn)?shù)字輸入、數(shù)字輸出、模擬輸入、模擬輸出和H1現(xiàn)場總線。

　　2、LonWorks現(xiàn)場總線

　　LonWorks現(xiàn)場總線是美國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化，但很快發(fā)展到工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)。LonWorks 技術(shù)為設(shè)計和實現(xiàn)可互操作的控制網(wǎng)絡(luò)提供了一套完整、開放、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(nèi)部裝有3個微處理器：MAC處理器完成介質(zhì)訪問控制;網(wǎng)絡(luò)處理器完成OSI的3～6層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議;應(yīng)用處理器完成用戶現(xiàn)場控制應(yīng)用。它們之間通過公用存儲 器傳遞數(shù)據(jù)。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(shè)置11個I/O口。這些I/O口可根據(jù)需求不同來靈活配置與外圍設(shè)備的接口，如 RS232、并口、定時/計數(shù)、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 一套完整的開發(fā)平臺。工業(yè)現(xiàn)場中的通信不僅要將數(shù)據(jù)實時發(fā)送、接收，更多的是數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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語言的編譯器，從而大大減少了開發(fā)時間。在這個編譯器中，提供了對11個I/O非常詳盡的庫函數(shù)。在通信方面，它也提出了一個全新 的概念——網(wǎng)絡(luò)變量。通過網(wǎng)絡(luò)變量，網(wǎng)絡(luò)上的通信只需將相關(guān)節(jié)點上的網(wǎng)絡(luò)變量連接一下即可。網(wǎng)絡(luò)變量是應(yīng)用程序定義的一個特殊靜態(tài)變量，可以是ANSIC 所定義的各種類型，也可以是自定義類型，還可以規(guī)定優(yōu)先級、響應(yīng)方式等。網(wǎng)絡(luò)變量被定義為輸入或輸出，當(dāng)定義為輸出的網(wǎng)絡(luò)變量被賦予新值時，與該輸出變量 相連的輸入網(wǎng)絡(luò)變量就會被立刻賦予同樣的新值。

　　另外，LonBuild還集成開發(fā)環(huán)境和編譯于一體，具備C調(diào)試器，可在多個仿真器上調(diào)試應(yīng)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，多種現(xiàn)場總線技術(shù)已逐漸形成其影響并在一些特定的應(yīng)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。例如基金會現(xiàn)場總線 （FF）是在過程自動化領(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(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場總線 標(biāo)準(zhǔn)。該系列有DP．FMS．PA三種型號，其中DP型適用于加工自動化領(lǐng)域；FMS型適用于紡織．樓宇自動化，可編程控制器．低壓開關(guān)等；PA型則用于 過程自動化。CAN最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。HART最早由ROSEmount公司開發(fā)并行到80多家 著名儀表公司的支持，是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號的通信。由于它們在各自范圍內(nèi)各自為政，不可避免地限制了整個系統(tǒng)的發(fā)展，不利于整個系統(tǒng)的系 統(tǒng)集成，而我公司開發(fā)出的Lonworks產(chǎn)品，分別在釀酒．電力．建筑．工業(yè)自動化和化工行業(yè)中應(yīng)用并取得良好的效果。

　　隨著我國社會 主義現(xiàn)代化建設(shè)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(xiàn)有的其他類現(xiàn)場總線所存在的固有局限性，使得它們在應(yīng)用時受到這樣那樣的約 束。LON總線則綜合了當(dāng)今現(xiàn)場總線的多種功能，同時具備了局域網(wǎng)的一些特點，使得它被廣泛地應(yīng)用于航空/航天，農(nóng)業(yè)控制、計算機/外圍設(shè)備、診斷/監(jiān) 控、電子測量設(shè)備、測試設(shè)備、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事/防衛(wèi)、辦公室設(shè)備系統(tǒng)、機器人、安全警衛(wèi)、保密、運動/游藝、電話通信、運輸設(shè)備等領(lǐng)域。其通用性表明，它 不是針對某一個特殊領(lǐng)域的總線，而是具有可將不同領(lǐng)域的控制系統(tǒng)綜合成一個以LONWORKS為基礎(chǔ)的更復(fù)雜系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

　　3、Profibu現(xiàn)場總線

　　Profibus是作為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲 標(biāo)準(zhǔn)prEN50170的現(xiàn)場總線。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(shè)間的高速傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控 制器、低壓開關(guān)等一般自動化，而PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。該項技術(shù)是由西門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(shù)據(jù)鏈路層，由這兩部分形成了其標(biāo)準(zhǔn)第一部分的子集，DP型隱去了3～7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用 戶接口，F(xiàn)MS型只隱去第3～6層，采用了應(yīng)用層，作為標(biāo)準(zhǔn)的第二部分。PA型的標(biāo)準(zhǔn)目前還處于制定過程之中，其傳輸技術(shù)遵從IEC1158-2（1）標(biāo) 準(zhǔn)，可實現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。

　　Porfibus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。主站具有對總線的控制權(quán)，可主動發(fā)送信息。對多主站系統(tǒng)來說，主站之間 采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點可在一個事先規(guī)定的時間內(nèi)擁有總線控制權(quán)，共事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長時間。按Profibus的通 信規(guī)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(quán)時，可以按主—從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實現(xiàn)點對點通信。主站可采取 對所有站點廣播（不要求應(yīng)答）或有選擇地向一組站點廣播。Profibus的傳輸速率為96～12kbps最大傳輸距離在12kbps時為 1000m，15Mbps時為400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個站點。