什么是現場總線

現場總線（Fieldbus）是近年來迅速發展起來的一種工業數據總線，它主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。由于現場總線簡單、可靠、經濟實用等一系列突出的優點，因而受到了許多標準團體和計算機廠商的高度重視。

它是一種工業數據總線，是自動化領域中底層數據通信網絡。簡單說，現場總線就是以數字通信替代了傳統4-20mA模擬信號及普通開關量信號的傳輸，是連接智能現場設備和自動化系統的全數字、雙向、多站的通信系統。

現場總線主要特點

1.系統的開放性

傳統的控制系統是個自我封閉的系統，一般只能通過工作站的串口或并口對外通信。在現場總線技術中，用戶可按自己的需要和對象，將來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統。

2.可操作性與可靠性

現場總線在選用相同的通信協議情況下，只要選擇合適的總線網卡、插口與適配器即可實現互連設備間、系統間的信息傳輸與溝通，大大減少接線與查線的工作量，有效提高控制的可靠性。

3.現場設備的智能化與功能自治性

傳統數控機床的信號傳遞是模擬信號的單向傳遞，信號在傳遞過程中產生的誤差較大，系統難以迅速判斷故障而帶故障運行。而現場總線中采用雙向數字通信，將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，可隨時診斷設備的運行狀態。

4.對現場環境的適應性

現場總線是作為適應現場環境工作而設計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線及電力線等，其具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現送電與通信，并可滿足安全及防爆要求等。

現場總線優缺點

優點：

（1）節省硬件數量與投資

由于分散在現場的智能設備能直接執行多種傳感、測量、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數量，不再需要單獨的調節器、計算單元等，也不再需要DCS系統的信號調理、轉換、隔離等功能單元及其復雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節省了一大筆硬件投資，并可減少控制室的占地面積。

（2）節省安裝費用

現場總線系統的接線十分簡單，一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場控制設備時，無需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節省了投資，又減少了設計、安裝的工作量。據有關典型試驗工程的測算資料表明，可節約安裝費用60％以上。

（3）節省維護開銷

現場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數字通信將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護停工時間，同時由于系統結構簡化，連線簡單而減少了維護工作量。

（4）用戶具有高度的系統集成主動權

用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設備來集成系統。避免因選擇了某一品牌的產品而限制了使用設備的選擇范圍，不會為系統集成中不兼容的協議、接口而一籌莫展，使系統集成過程中的主動權牢牢掌握在用戶手中。

（5）提高了系統的準確性與可靠性

現場設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差。簡化的系統結構，設備與連線減少，現場設備內部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。

此外，由于它的設備標準化，功能模塊化，因而還具有設計簡單，易于重構等優點。

缺點：

網絡通信中數據包的傳輸延遲，通信系統的瞬時錯誤和數據包丟失，發送與到達次序的不一致等都會破壞傳統控制系統原本具有的確定性，使得控制系統的分析與綜合變得更復雜，使控制系統的性能受到負面影響。

現場總線控制系統的組成

1、現場總線控制系統

它的軟件是系統的重要組成部分，控制系統的軟件有組態軟件、維護軟件、仿真軟件、設備軟件和監控軟件等。首先選擇開發組態軟件、控制操作人機接口軟件MMI。通過組態軟件，完成功能塊之間的連接，選定功能塊參數，進行網絡組態。在網絡運行過程中對系統實時采集數據、進行數據處理、計算。優化控制及邏輯控制報警、監視、顯示、報表等。

2、現場總線的測量系統

其特點為多變量高性能的測量，使測量儀表具有計算能力等更多功能，由于采用數字信號，具有高分辨率，準確性高、抗干擾、抗畸變能力強，同時還具有儀表設備的狀態信息，可以對處理過程進行調整。

3、設備管理系統

可以提供設備自身及過程的診斷信息、管理信息、設備運行狀態信息（包括智能儀表）、廠商提供的設備制造信息。例如Fisher—Rosemoune公司，推出AMS管理系統，它安裝在主計算機內，由它完成管理功能，可以構成一個現場設備的綜合管理系統信息庫，在此基礎上實現設備的可靠性分析以及預測性維護。將被動的管理模式改變為可預測性的管理維護模式AMS軟件是以現場服務器為平臺的T型結構，在現場服務器上支撐模塊化，功能豐富的應用軟件為用戶提供一個圖形化界面。

4、總線系統計算機服務模式

以客戶機/服務器模式是較為流行的網絡計算機服務模式。服務器表示數據源（提供者），應用客戶機則表示數據使用者，它從數據源獲取數據，并進一步進行處理。客房機運行在PC機或工作站上。服務器運行在小型機或大型機上，它使用雙方的智能、資源、數據來完成任務。

5、數據庫

它能有組織的、動態的存儲大量有關數據與應用程序，實現數據的充分共享、交叉訪問，具有高度獨立性。工業設備在運行過程中參數連續變化，數據量大，操作與控制的實時性要求很高。因此就形成了一個可以互訪操作的分布關系及實時性的數據庫系統，市面上成熟的供選用的如關系數據庫中的Oracle，sybas，Informix，SQL Server；實時數據庫中的Infoplus，PI，ONSPEC等。

6、網絡系統的硬件與軟件

網絡系統硬件有：系統管理主機、服務器、網關、協議變換器、集線器，用戶計算機等及底層智能化儀表。網絡系統軟件有網絡操作軟件如：NetWarc，LAN Mangger，Vines，服務器操作軟件如Lenix，os/2，Window NT。應用軟件數據庫、通信協議、網絡管理協議等。

現場總線技術的九大種類

1、基金會現場總線

這是以美國Fisher-Rousemount公司為首的聯合了橫河、ABB、西門子、英維斯等80家公司制定的ISP協議和以Honeywell公司為首的聯合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協議于1994年9月合并的。該總線在過程自動化領域得到了廣泛的應用，具有良好的發展前景。基金會現場總線采用國際標準化組織ISO的開放化系統互聯OSI的簡化模型（1，2，7層），即物理層、數據鏈路層、應用層，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安全防爆環境。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、光纜和無線發射，協議符號IEC1158-2標準。FF的物理媒介的傳輸信號采用曼切斯特編碼。

2、CAN

最早由德國BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領域，其總線規范已被ISO國際標準組織制定為國際標準，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協議分為二層：物理層和數據鏈路層。CAN的信號傳輸采用短幀結構，傳輸時間短，具有自動關閉功能，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，通過設置優先級來避免沖突，通訊距離最遠可達10KM/5Kbps/s，通訊速率最高可達40M/1Mbp/s，網絡節點數實際可達110個。目前已有多家公司開發了符合CAN協議的通信芯片。

3、Lonworks

它由美國Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡導。它采用ISO/OSI模型的全部7層通訊協議，采用面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線等多種通信介質，通訊速率從300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距離可達2700m（78Kbit/s），被譽為通用控制網絡。Lonworks技術采用的LonTalk協議被封裝到Neuron（神經元）的芯片中，并得以實現。采用Lonworks技術和神經元芯片的產品，被廣泛應用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統、辦公設備、交通運輸、工業過程控制等行業。

4、DeviceNet

DeviceNet是一種低成本的通信連接也是一種簡單的網絡解決方案，有著開放的網絡標準。DeviceNet具有的直接互聯性不僅改善了設備間的通信而且提供了相當重要的設備級陣地功能。DebiceNet基于CAN技術，傳輸率為125Kbit/s至500Kbit/s，每個網絡的最大節點為64個，其通信模式為：生產者/客戶（Producer/Consumer），采用多信道廣播信息發送方式。位于DeviceNet網絡上的設備可以自由連接或斷開，不影響網上的其他設備，而且其設備的安裝布線成本也較低。DeviceNet總線的組織結構是OpenDeviceNetVendorAssociation（開放式設備網絡供應商協會，簡稱“ODVA”）。

5、PROFIBUS

PROFIBUS是德國標準（DIN19245）和歐洲標準（EN50170）的現場總線標準。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA系列組成。DP用于分散外設間高速數據傳輸，適用于加工自動化領域。FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。PA用于過程自動化的總線類型，服從IEC1158-2標準。PROFIBUS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。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。其特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信，屬于模擬系統向數字系統轉變的過渡產品。其通信模型采用物理層、數據鏈路層和應用層三層，支持點對點主從應答方式和多點廣播方式。由于它采用模擬數字信號混和，難以開發通用的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本質安全防爆的要求，并可用于由手持編程器與管理系統主機作為主設備的雙主設備系統。

7、CC-Link

CC-Link是Control&CommunicationLink（控制與通信鏈路系統）的縮寫，在1996年11月，由三菱電機為主導的多家公司推出，其增長勢頭迅猛，在亞洲占有較大份額。在其系統中，可以將控制和信息數據同是以10Mbit/s高速傳送至現場網絡，具有性能卓越、使用簡單、應用廣泛、節省成本等優點。其不僅解決了工業現場配線復雜的問題，同時具有優異的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一個以設備層為主的網絡，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被中國國家標準委員會批準為中國國家標準指導性技術文件。

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構來適用不同的應用領域的需求，而且沒有任何網關或網橋，用軟件的辦法來解決高速和低速的銜接。WorldFIP與FFHSE可以實現“透明聯接”，并對FF的H1進行了技術拓展，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。

此外較有影響的現場總線還有丹麥公司Process-DataA/S提出的P-Net，該總線主要應用于農業、林業、水利、食品等行業;SwiftNet現場總線主要使用在航空航天等領域，還有一些其他的現場總線這里就不再贅述了。

9、INTERBUS現場總線

INTERBUS是德國Phoenix公司推出的較早的現場總線，2000年2月成為國際標準IEC61158。INTERBUS采用國際標準化組織ISO的開放化系統互聯OSI的簡化模型（1，2，7層），即物理層、數據鏈路層、應用層，具有強大的可靠性、可診斷性和易維護性。其采用集總幀型的數據環通信，具有低速度、高效率的特點，并嚴格保證了數據傳輸的同步性和周期性；該總線的實時性、抗干擾性和可維護性也非常出色。INTERBUS廣泛地應用到汽車、煙草、倉儲、造紙、包裝、食品等工業，成為國際現場總線的領先者。

此外較有影響的現場總線還有丹麥公司Process-DataA/S提出的P-Net，該總線主要應用于農業、林業、水利、食品等行業；SwiftNet現場總線主要使用在航空航天等領域。