1、现场总线技术及应用内容提要内容提要 5.1 概述概述 5.2 现场总线的网络协议模式与标准现场总线的网络协议模式与标准 5.3 典型的现场总线典型的现场总线 5.4 基于现场总线的智能传感变送器基于现场总线的智能传感变送器 5.5 现场总线的应用现场总线的应用5.1概述 现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题，所以现场总线既是通信网络，又是自控网络 现场总线控制系统（Fieldbus Control System,FCS）是由现场总线和现场设备组成的控制系统，
2、这是继电式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS后的新一代控制系统现场总线对自动化领域的变革现场总线对自动化领域的变革现场总线对当今的自动化领域带来的变革是：用一对通信线连接多台数字仪表取代一对信号线只能连接一台仪表；用多变量、双向、数字通信方式取代单变量、单向、模拟传输方式；用多功能的现场数字仪表取代单功能的现场模拟仪表；用分散式的虚拟控制站代替集中式的控制站；用现场总线控制系统FCS代替传统的分散控制系统DCS；变革传统的信号标准、通信标准和系统标准；变革传统的自动化系统体系结构、设计方法和安装调试方法。FCSFCS对对 DCSDCS的变革
3、的变革FCS的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互连。FCS的系统结构为全分散式，它废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制。FCS的现场设备具有互操作性，彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性，使不同厂商的现场设备既可互连也可互换，还可统一组态。FCS的通信网络为开放式互连网络，用户可非常方便地共享网络数据库，使同层网络可以互连，也可以使不同网络互连。FCS的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人
4、使用。采用“操作站数字式智能现场仪表”两层式结构，现场设备均为智能数字仪表，见下图：传统DCS 的结构示意图 FCS的结构示意图 FCS对DCS的变革 现场总线的实质 现场总线的定义 ISA SP50（美国仪表协会标准）中对现场总线的定义 现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备（即场地级设备）之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系 国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统基于现场总线的控制系统被
5、称为现场总线控制系统(Fieldbus Control System FCS)。基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统(Fieldbus Control System FCS)。1、开放的控制系统 2、由三类部件组成的实时连续反馈系统 被控过程（或环境）数据融合机制 传感器和执行器 现场总线技术的特点:1、全数字化通信2、一对N结构3、高可靠性4、可控状态5、互换性6、互操作性7、综合功能8、分散控制9、统一组态10、开放式系统系统的分散性系统的开放性产品的互操作性环境的适应性使用的经济性维护的简易性系统的可靠性 现场总线的体系结构 现场通信网
6、络 现场设备互联 互操作性 分散功能块 通信线供电 开放式互联网络现场总线的体系结构（1 1）现场通信网络现场通信网络 用于过程以及制造自动化的用于过程以及制造自动化的现场设备或现场设备或现场仪表互连现场仪表互连的通信网络。的通信网络。（2 2）现场设备互连现场设备互连 传感器、变送器和执行器传感器、变送器和执行器等，这些设备等，这些设备通过一对传输线互连。通过一对传输线互连。（3 3）互操作性互操作性 现场设备或现场仪表种类繁多，互相连现场设备或现场仪表种类繁多，互相连接接不同制造商的产品不同制造商的产品是不可避免的。性能价是不可避免的。性能价格比最优的产品，并将其格比最优的产品，并将其集成
7、集成在一起，实现在一起，实现 “即接即用即接即用”;用户希望对不同品牌的现场设用户希望对不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路。备统一组态，构成所需要的控制回路。（4 4）分散功能块分散功能块 FCSFCS废弃了废弃了DCSDCS的输入的输入/输出单元和控制站，输出单元和控制站，把把DCSDCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成现场控制站从而构成现场控制站。例如：例如：流量变送器流量变送器不仅具有不仅具有流量信号变换、补流量信号变换、补偿和累加输入模块偿和累加输入模块，而且有，而且有PIDPID控制和运算功控制和运算功能块能块。调节阀调节阀
8、的的基本功能基本功能是是信号驱动和执行信号驱动和执行，还内含还内含输出特性补偿输出特性补偿模块，也可以有模块，也可以有PIDPID控制控制和运算和运算模块，甚至有阀门特性模块，甚至有阀门特性自检验和自诊断自检验和自诊断功能。由于功能块分散在多台现场仪表中，并功能。由于功能块分散在多台现场仪表中，并可统一组态，供用户灵活选用各种功能块，构可统一组态，供用户灵活选用各种功能块，构成所需的控制系统，成所需的控制系统，实现彻底的分散控制实现彻底的分散控制。（5 5）通信线供电通信线供电 通信线供电方式允许通信线供电方式允许现场仪表直接从通信现场仪表直接从通信线上获取能量线上获取能量，对于要求，对于要求
9、本征安全本征安全的低功耗的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式。现场仪表，可采用这种供电方式。（6 6）开放式互连网络开放式互连网络 既可与同层网络互连，也可与不同层网络既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连互连，还可以实现，还可以实现网络数据库的共享网络数据库的共享。不同。不同制造商的网络实现互连，用户通过网络对现制造商的网络实现互连，用户通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂商的网场设备和功能块统一组态，把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的络及设备融为一体，构成统一的FCSFCS。现场总线的发展趋势现场总线的发展趋势(1)多种总线共存。多种总线共存。(2)每种总线都力图拓展其应
10、用领域，以扩张其势力范每种总线都力图拓展其应用领域，以扩张其势力范围。围。(3)大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中扩大影响。商和用户中扩大影响。(4)每种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公每种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关。司的利益与总线的发展息息相关。Profibus西门子公司；西门子公司；ControlNet罗克韦尔；罗克韦尔；WorldFIP法国法国Alstom。(5)大多数设备制造商都积极参加不止一个总线组织，大多数设备制造商都积极参加不止一个总线组织，有些公司甚至参加有些公司甚
11、至参加24个总线组织。个总线组织。(6)在激烈的竞争中出现了协调共存的前景。在激烈的竞争中出现了协调共存的前景。(7)以太网的引入成为新的热点。以太网的引入成为新的热点。几乎所有远程几乎所有远程I/O接口技术的供货商均提供一个支接口技术的供货商均提供一个支持持TCP/IP的以太网接口，如西门子、罗克韦尔自动化、的以太网接口，如西门子、罗克韦尔自动化、Echelon等公司，他们销售各自的等公司，他们销售各自的PLC产品，但同时提产品，但同时提供与远程供与远程I/O和基于和基于PC的控制系统相连接的接口。的控制系统相连接的接口。新一代控制系统的优势新一代控制系统的优势 现场总线控制系统是全面数字化
12、、网络化的控制现场总线控制系统是全面数字化、网络化的控制系统系统 位于现场的传感器位于现场的传感器/执行器一级也全部实现数字执行器一级也全部实现数字化、智能化。化、智能化。现场总线控制系统的网络结构向简单的方向发展现场总线控制系统的网络结构向简单的方向发展 目前比较达成共识的是三层设备、两层网络的目前比较达成共识的是三层设备、两层网络的 3十十2结构结构。三层设备三层设备1、位于底层的现场设备：、位于底层的现场设备：如传感器如传感器/执行器，以及各种分布式执行器，以及各种分布式I/O设备等；设备等；2、位于中间的控制设备：、位于中间的控制设备：如如PLC、工业控制计算机、专用控制器等；、工业控
13、制计算机、专用控制器等；3、位于上层的是操作设备：、位于上层的是操作设备：如操作站、工程师站、数据服务器、一般工作站等。如操作站、工程师站、数据服务器、一般工作站等。两层网络两层网络1、现场设备与控制设备之间的控制网络、现场设备与控制设备之间的控制网络2、控制设备与操作设备之间的管理网、控制设备与操作设备之间的管理网现场总线的研究方向现场总线的研究方向(1)基于现场总线的基于现场总线的智能化智能化仪表的研制。仪表的研制。“智能智能”指的是：指的是：1、能够随外界条件的变化自动地做出正确行为的能力，、能够随外界条件的变化自动地做出正确行为的能力，智能化应包括理解、推理、判断与分析等一系列功能；智
14、能化应包括理解、推理、判断与分析等一系列功能；2、能适应被测参数的变化，在线联机改变量程；、能适应被测参数的变化，在线联机改变量程；3、自动检测自身工作状态并传递信息，进行异常处理，、自动检测自身工作状态并传递信息，进行异常处理，自动进行指标判断与分选；自动进行指标判断与分选；4、进行逻辑操作、定量控制与程序控制，实现多参数、进行逻辑操作、定量控制与程序控制，实现多参数测量，进行数字信号处理等。测量，进行数字信号处理等。(2)基于现场总线的网络设备的软、硬件研制。基于现场总线的网络设备的软、硬件研制。(3)组态技术组态技术的研究，包括网络拓扑结构、网络设的研究，包括网络拓扑结构、网络设备配置、
15、不同网段互连等技术的研究。备配置、不同网段互连等技术的研究。(4)网络管理技术网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据，包括网络管理软件、网络数据操作与传输。操作与传输。(5)基于现场总线技术的全开放控制系统的集成技基于现场总线技术的全开放控制系统的集成技术。术。现场总线的协议 现场总线一般采用国际标准组织ISO的开放系统互联（OSI）协议，OSI协议是为计算机联网而制定的7层参考模型，OSI参考模型建立的，OSI参考模型共分7层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表达层和应用层，只要网络中所有要处理的要素都是通过共同的路径进行通信的，那么不管它是不是计算机网络都可以使用该协议 各厂
16、家在实际制定自己的通信协议时，往往依据侧重点的不同，仅实现该7层协议的子集,现场总线网络结构是将上述7层简化为3层，分别由OSI参考模式的第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层组成，并增加了用户层5.2 现场总线的网络协议模式与标准IEC（International Electrotechnical Commission国际电工技术委员会）定义现场总线的结构模型为层，分别为物理层、数据链路层和应用层。其原因是：在现场总线实际应用中，不需要选择等功能，传送信息通常也不会提交给高层网络，从实际需要出发，可以减少层次。但是，现有的传输层不支持广播式或多点式寻址，现有的会话层和表示层均不具备周期
17、性服务的功能。为此，美国仪表学会制定的ISA/SPSO现场总线结构模型规定，增加新的用户层。这样，现场总线结构模型统一为层，即：物理层、数据链路层、应用层和用户层。物理层 传输介质：铜导线、无线电和电缆传输速率和距离：31.25Kbps,1900m（可加中继延长)网络拓扑：总线型、树型、点对点型 网络设备数量：一个通信段可连接32台设备，使用中断器可接240台设备支持总线供电：总线上既传送数字信号，又要为现场设备提供电源能量。数字信号以31.25Hz的频率调制到932V的直流供电电压上 数据链路层（Data link layer）规定了物理层与应用层之间的接口，如数据结构，从总线上传送数据的规
18、则，传输差错识别处理，噪音检测、多主站使用规范等。该层通过每帧数据校验来保证信息的正确性、完整性，为应用层透明与可靠的传输和处理做准备。概括的讲，其主要任务是解决通信过程中数据的链接任务，具体表现在确定总线存取规则、令牌传送、申请立即响应，总线时间调度等规则。现场总线网络存取控制方式有3种：令牌传送：一个站必须持有令牌，才能开始一次对话，完成信息传送后即将令牌交还链路活动调度器LAS，LAS根据预先的组态或调度算法将令牌送交给下一个令牌申请者 立即响应：主战给一站一个机会来应答一次信息 申请令牌：一个站在每回答响应中允许立即发给令牌 在网络中的装置均要有不冲突的站地址。现场总线系统中有两类信息
19、：1、工作信息：装置之间传送的数据，如过程变量。2、背景信息：装置和操作台之间传送的数据。如：组态和诊断信息。数据链路层的任务：保证数据的完整性和决定对话的时间和对象。数据链路帧格式：格式控制格式控制目标地址目标地址源地址源地址参数参数数据数据校验校验 应用层（Application layer）:应用层提供设备之间，及网络要求的数据服务，用以对现场控制进行支持。为给用户提供一个简单的接口，该层大部分工作内容是定义信息语法、传输信息的方法、网络初始化的管理操作；出错统计；控制网络运行并检查有无新站挂网或老站退出，系统连续询问各可能的站地址以寻找新站。该层利用对信息或命令的格式及读写规定，使通信
20、双方或多方互相理解其内容、数据格式，并可完成纠错判断。应用层为应用进程定义了特定的关系模型与规范，包括：1、Publisher/Subscriber（发布/索取）2、Client/Server（客户/服务器）用户层 规定标准的功能块供用户组态成系统 有10个基本功能块如AI、AO、DI、DO、PID等，19个附加的算术功能块 现场总线系统组成 从物理结构来看，现场总线系统有两个主要组成部分：现场设备和传输介质，其中现场设备由现场微处理芯片及外围电路构成，传输介质可以使用双绞线、同轴电缆、光纤等 现场总线的拓扑结构有很多种，如总线型、环型、树型、星型等FCS的体系结构的体系结构 现场总线的发展概
21、况 现场总线是综合自动化的发展需要 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础 现场总线将朝着开放系统、统一标准的方向发展 在过程控制领域：在过程控制领域：从从2020世纪世纪5050年代至今的信号标准：年代至今的信号标准：4-2OmA 4-2OmA（0-0-5V5V）的模拟信号）的模拟信号。2020世纪世纪7070年代，年代，数字式计算机数字式计算机引入到测控系统中，引入到测控系统中，进行进行集中式集中式控制处理。控制处理。2020世纪世纪8080年代，年代，微处理器微处理器在控制领域得到应用，在控制领域得到应用，嵌入到各种仪器设备嵌入到各种仪器设备，形成，形成分布式分布式控制系统。控制系统。随着微
22、处理器的发展和广泛应用，产生了以随着微处理器的发展和广泛应用，产生了以ICIC代替常规电子线路代替常规电子线路，以，以微处理器为核心，实施微处理器为核心，实施信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能的智能设备能的智能设备。一些具有专家辅助推断分析与。一些具有专家辅助推断分析与决策能力的决策能力的数字式智能化仪表数字式智能化仪表产品，其本身具产品，其本身具备了诸如自动量程转换、自动调零、自校正、备了诸如自动量程转换、自动调零、自校正、自诊断等功能，还能提供故障诊断、历史信息自诊断等功能，还能提供故障诊断、历史信息报告、状态报告、趋势图等功能。报告、状态报
23、告、趋势图等功能。通信技术通信技术的发展，促使的发展，促使传送数字化信息的网络技传送数字化信息的网络技术术开始得到广泛应用。与此同时，基于质量分析开始得到广泛应用。与此同时，基于质量分析的维护管理、与安全相关系统的测试记录、环境的维护管理、与安全相关系统的测试记录、环境监视需求的增加，都监视需求的增加，都要求仪表能在当地处理信息要求仪表能在当地处理信息，并在必要时允许被管理和访问，这些也使并在必要时允许被管理和访问，这些也使现场仪现场仪表与上级控制系统的通信量大增表与上级控制系统的通信量大增。从实际从实际应用性能应用性能的角度出发，控制界也不断在控的角度出发，控制界也不断在控制精度、制精度、可
24、操作性、可维护性、可移植性可操作性、可维护性、可移植性等方面等方面提出新需求。由此，提出新需求。由此，导致了现场总线的产生导致了现场总线的产生。现场总线的优点(优越性)（1）FCS实现全数字化通信 DCS采用层次化的体系结构，通信网络分布于各层并采用数字通信方式，唯有生产现场层的常规模拟仪表仍然是一对一模拟信号(如420 mA DC)传输方式，DCS是一个“半数字信号”系统。FCS采用全数字化、双向传输的通信方式。从最底层的传感器、变送器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直到最高层均为通信网络互联。多条分支通信线延伸到生产现场，用来连接现场数字仪表，采用一对N连接。（2）FCS实现彻底的全分
25、散式控制 在DCS中，生产现场的多台模拟仪表集中接于输入输出单元，而与控制有关的输入、输出、控制、运算等功能块都集中于DCS的控制站内。DCS只是一个“半分散”系统。FCS废弃了DCS的输入输出单元，由现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，功能块分散地分配给现场总线上的数字仪表，实现彻底的分散控制。（3）FCS实现不同厂商产品互联、互操作 DCS系统的现场级设备都是各制造商自行研制开发的，不同厂商的产品由于通信协议的专有与不兼容，彼此难以互联、互操作。而FCS的现场设备只要采用同一总线标准，不同厂商的产品既可互联也可互换，并可以统一组态，从而彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性
26、。具有很好的可集成性。（4）FCS增强系统的可靠性、可维护性 FCS采用总线连接方式替代传统的DCS一对一的I/O连线，对于大规模的I/O系统来说，减少了DCS由接线点造成的不可靠因素。同时，数字化的现场设备替代模拟仪表，FCS具有现场设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、参数修改等工作，因而增强系统的可维护性。（5）FCS降低系统工程成本 FCS对于大范围、大规模分布式控制系统来说，节省了电缆、I/O装置及电缆敷设费用。以每23台现场仪表接到一根电缆计算，平均可减少1/2到2/3的输入输出卡、输入输出柜和隔离器等。因此，现场总线仪表与控制室间的电缆连接和安装等费用
27、估计可节约50。现场总线标准的制定 标准化的重要性：标准化是经济建设、科技进步、国际贸易和社会发展的重要技术基础。它不仅与人民生活和工农业生产密切相关，也与国际贸易和科技合作的开展密切相关，标准化是实现现代化大规模生产的重要保证，是规范市场秩序，连接国内外市场的重要手段。因此，现场总线的标准，特别是国际标准受到了大家的重视。一、制订标准的机构(一)世界上 国际标准化组织ISO(International Standard Organization)国际电工委员会IEC(International Electrotechnical Commission)及国际电信联盟ITU（Internatio
28、nal Telegraphy Union）欧洲电工标准化委员会CENELEC（欧洲标准EN）(二)国内 制订国家标准GB的组织是全国标准化委员会二、制订现场总线标准的机构(一)IEC/TC65/SC65C/WG6(1)IEC/TC65是国际电工委员会第65分技术委员会，它成立于1969年。其工作任务是制订有关连续和批量过程的工业过程测量和系统的元件的标准，协调影响测量和控制系统匹配的相关元件特性的标准化工作。(2)SC65C是IEC/TC65下的分委员会(SC是SubCommittee的缩写，而SC65C是SC65下边的一个组织)，负责测量和控制系统的数字数据通信的标准化工作。(3)WG6是S
29、C65C下的工作组(WG是Working Group的缩写，WG6是第6工作组)，成立于1988年，负责工业过程计算机子系统间的通信的标准化工作。现场总线技术标准化的具体工作是由WG6来负责的。(二)IEC/TCl7/SCl7B IEC/TCl7是分管电器的标准化委员会，其下的SCl7B是负责低压电器的分委员会，也制订了与之有关的现场总线的标准。(三)IEC/TC22是分管电力电子的标准化委员会三、制订现场总线的程序和阶段三、制订现场总线的程序和阶段 现场总线标准的制订需经历若干阶段(l)NP阶段:相当于国内标准制定过程中的上计划阶段;(2)CD阶段:相当于国内的征求意见阶段;(3)CDV阶段
30、:相当于国内送审阶段;(4)FDIS阶段:相当于国内报批阶段。四、有关投票表决的规定(1)参加投票表决的国家有两类，即有投票权资格的国家称为P成员国;及有观察员资格的国家称为O成员国。(2)投票表决需要有75%以上的赞成率方能通过(只计P成员国)。(3)若反对率超过25%(计P与0成员国)则反对有效，标准不能通过。五、制订国际标准的历程(1)1983年现场总线的概念首先在欧洲兴起。(2)1984年IEC就开始制订现场总线的国际标准，稍后即成立了推广及试用的组织IFC。(3)1989年Profibus成为德国国家标准。(4)1990年FIP成为法国国家标准。(5)1992年ISP成立。ISP是可
31、互操作系统协议(Interoperable System Protocol)的简称。(6)1993年IEC61158-2物理层规范通过表决成为国际标准，但关键的链路层因与Profibus有分歧，遭到德国与欧洲一些小国的抵制而未获通过。(7)1993年WorldFIP成立。WorldFIP是世界工厂仪表协议(World Factory Instrumentation protocol)简称。它基于法国的FIP,它也有100多家公司参加,由Honeywell公司牵头。(8)1994年6月，ISP与WorldFIP感到二大阵营旗鼓相当，谁也胜不了谁，于是握手言和，合并成为现场总线基金会 FF(Fie
32、ldbusFoundation)，它推出的基金会现场总线(FoundationFieldbus)也简称FF。但前者代表一个组织;而后者代表现场总线。当时，WorldFIP的北美部分参加了现场总线基金会FF，但WorldFIP的欧洲部分仍保持独立。(9)1994年因FF已成立，IFC解散了。(10)1996年12月30日，对经过改进后的链路层又进行了一次投票表决，但还是因为与Profibus不一致而遭到德国和一些欧洲小国家的反对，投票结果是赞成率为75，理应通过;但反对率为27，超过了25，又不能通过。对数据链路层标准进行重新表决，投票截止日期为1997年10月31日。1998年2月20日由执委
33、会的15个成员国投票表决，这样就便链路层及应用层的4个规范及服务定义(IEC61158-3-6)进人了FDIS阶段，如果这次表决成功，就成为国际标准了。(11)1998年9月30日经过投票表决，结果是68赞成，32反对，由于反对率又超过25,因此又被否决了。1998年10月在IEC/TC65于美国休斯敦召开的年会上，IEC/SC65/WG6组长RHCaro以投反对票中的6个国家(丹麦、波兰、斯洛伐克、罗马尼亚、卢森堡与捷克)所附的意见为非技术性意见为由，要求TEC在统计最终投票表决结果时，不计入上述6国的反对票。(12)1999年6月15日IEC执委会作出决议，即修改现有技术报告包括构筑不同框
34、架的协议以及其所需的服务，并且至少应包括一种其他协议，在4个月内作为FDIS递交投票。执委会同意省略CDV阶段以满足目标设定时间，并提出若4个月后有可能准备不好文件，或在投票阶段最后投票失败，现有的技术报告(指FF的HI)将转化为IEC标准。(13)2000年7月SC65/WG6在加拿大渥太华召开了现场总线标准制定工作会议，会议决定保留IEC技术报告并作为类型1，其他行规将按照技术报告的格式作为类型2-8加入IEC61158。(14)2000年底对IEC61158进行了投票表决。根据2000年1月4日IEC中央办公室公布投票表决的结果，显示经过修改后的IEC61158己正式获得通过。投票情况如
35、下:P成员国投票99个，95票赞成，4票反对，1票弃权。长达15年之久的，环绕着国际标准的现场总线大战以妥协而告终，结果是出现了多种标准。1.5 1.5 现场总线的现状现场总线的现状（1）多种总线共存（2）每种总线各有其应用领域（3）每种总线各有其国际组织（4）每种总线均有其支持背景（5）设备制造商参加多个总线组织（6）多种总线均作为国家和地区标准（7）协调共存（8）工业以太网引入工业领域八八.多种现场总线标准并存带来的问题多种现场总线标准并存带来的问题 现场总线自出现以来，一直以开放性、全数字化、互可操作性、智能化等特点著称，用户对现场总线的应用与推广充满信心。而现场总线标准的门户之争日见白
36、热化，多种现场总线互不兼容，不同协议的产品之间无法实现高速的实时数据传输，“自动化孤岛现象并未真正得到解决。而且近20年的标准之争和市场大战最终形成了多种标准共存的局面，这种情况无论在技术层面还是市场层面都给用户带来了疑问和困惑。（1）多标准共存与现场总线的开放性相背离 一般认为DCS和PLC属于封闭性系统，而FCS是开放性系统，所以它一出现就受到用户的肯定。但实际上FCS的开放性是针对自己来说是开放的，异种现场总线之间却不是开放的。因此，多种标准现场总线的共存使得现场总线事实上并不具备开放性的特点。（2）多标准共存难以体现现场总线的互操作性 现场设备种类繁多，一个制作商不可能提供生产过程的全
37、部设备，同时，用户也不希望受制于某一个制作商。现场总线的主要特点之一互可操作性无疑受到用户青睐，但现有的10种现场总线国际标准中，不同种类的现场级现场总线之间是不能进行互操作的。虽说可以通过网关（Gateway）通信或通过OPC协议进行互操作，但这种互操作不能直接在现场仪表间进行，而且不能满足系统对实时性的要求。（3）多标准共存阻碍现场总线技术的推广 目前的现场总线国际标准IEC61158 Ed3规定中7类经典现场总线，它们各具特点，但又都有不足之处，没有一种能覆盖所有的应用范围。因此，可以说多标准形同无标准，在这种情况给仪表制造商、设计部门和用户带来了很大不便。用户要随时注意国际上各种现场总
38、线及相关技术的动态，承担着由国际标准的变化给用户带来的风险，这种态势使得一些打算进行技术改造的企业处于观望状态，这样势必影响现场总线技术的推广。几种流行的现场总线几种流行的现场总线基金会现场总线（基金会现场总线（FF）过程现场总线（过程现场总线（Process Field Bus-Profibus）局部操作网络（局部操作网络（Local Operating work-LON）控制器局域网（控制器局域网（Controller Area Network-CAN）设备网（设备网（DeviceNet）控制网（控制网（ControlNet）基金会现场总线，即基金会现场总线，即Foudation Fiel
39、dbus,简称简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国景的技术。其前身是以美国Fisher-Rousemount公司为公司为首，联合首，联合Foxboro、横河、横河、ABB、西门子等、西门子等80家公司制家公司制订的订的ISP协议和以协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的家公司制订的WordFIP协议。屈于用户的压力，这协议。屈于用户的压力，这两大集团于两大集团于1994年年9月合并，成立了现场总线基金会，月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国
40、际上统一的现场总线协议。它以致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。上增加了用户层。基金会现场总线（基金会现场总线（FF）基金会现场总线分低速基金会现场总线分低速H1和高速和高速H2两种通信速率。两种通信速率。H1的传输速率为的传输速率为 31.25Kbps，通信距离可达，通信距离可达 1900m(可可加中继器延长加中继器延长)，可支持总线供电，支持本质安全防爆，可支持总线供电，支持本质安
41、全防爆环境。环境。H2的传输速率为的传输速率为 1Mbps和和 2.5Mbps两种，其通两种，其通信距离为信距离为750m和和500m。物理传输介质可支持双绞线、。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。其物理媒标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心介的传输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变，或是负跳变。正跳变代表位置或是正跳变，或是负跳变。正跳变代表0，负跳变，负跳变代表代表1，从而使串行数据位流中具有足够的定位信息，从而使串行数据位流中具有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。接收方既
42、可根据跳变的极以保持发送双方的时间同步。接收方既可根据跳变的极性来判断数据的性来判断数据的“1”、“0”状态，也可根据数据的中心状态，也可根据数据的中心位置精确定位。位置精确定位。LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国是由美国Ecelon公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于共同倡导，于1990年正式公布而形成的。年正式公布而形成的。它采用了它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议，采用了模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简面向对象的设计方法，通
43、过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通讯速率从化为参数设置，其通讯速率从300bps至至15Mbps不等，直不等，直接通信距离可达到接通信距离可达到2700m(78kbps，双绞线，双绞线)，支持双绞线、，支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为通用控制网络。质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为通用控制网络。LonWorks LonWorks技术所采用的技术所采用的LonTalk协议被封装在称之协议被封装在称之为为Neuron的芯片中并得以实现。集成芯片中有的芯片中并得以实现。集成芯片
44、中有3个个8位位CPU；一个用于完成开放互连模型中第；一个用于完成开放互连模型中第 1 2层的功能，层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用于完成第第二个用于完成第36层的功能，称为网络处理器，进层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管理，并负责网络通信控制、收择、软件计量时、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务发数据包等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。
45、芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。如如Motorola公司生产的神经元集成芯片公司生产的神经元集成芯片MC143120E2就包就包含了含了2KRAM和和2KEEPROM。LonWorks技术的不断推广促成了神经元芯片的低成技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本本(每片价格约每片价格约 59美元美元)，而芯片的低成本又返过来促，而芯片的低成本又返过来促进了进了LonWorks技术的推广应用，形成了良好循环，据技术的推广应用，形成了良好循环，据Ecelon
46、公司的有关资料，到公司的有关资料，到1996年年7月，已生产出月，已生产出 500万万片神经元芯片。片神经元芯片。LonWorks公司的技术策略是鼓励各公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用开发商运用LonWorks技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有称目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技术，技术，1000多家公司已经推出了多家公司已经推出了LonWorks产品，并进一产品，并进一步组织起步组织起LonWark互操作协会，开发推广互操作协会，开发推广LonWorks技术技术与产品。与产品。它
47、被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系它被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。为了统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。为了支持支持LonWorks与其它协议和网络之间的互连与互操作，与其它协议和网络之间的互连与互操作，该公司正在开发各种网关，以便将该公司正在开发各种网关，以便将LonWorks与以太网、与以太网、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互连为系等互连为系统。统。另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，LonWorks神经元芯片也具有独特的优势
48、。神经元芯片也具有独特的优势。LonWorks技技术已经被美国暖通工程师协会术已经被美国暖通工程师协会ASRE定为建筑自动化协议定为建筑自动化协议BACnet的一个标准。根据刚刚收到的消息，美国消费电的一个标准。根据刚刚收到的消息，美国消费电子制造商协会已经通过决议，以子制造商协会已经通过决议，以LonWorks技术为基础制技术为基础制定了定了EIA-709标准。标准。Profibus Profibus是作为德国国家标准是作为德国国家标准DIN 19245和欧洲标准和欧洲标准prEN 50170的现场总线。的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模型。模型也是它的参考模型。由由Profibu
49、s-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA组成了组成了Profibus系列。系列。DP型用于分散外设间的高速传输，适合型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范，适意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化，而般自动化，而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从遵从IEC1158-2标准。该项技术是由西门子公司为主的十标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。几家德国公司、研究
50、所共同推出的。针对不同的应用场合，Profibus分为3个系列：Profibus-DP（Decentralized Periphery）：用于传感器和执行器级的高速数据传输，传输速率可达12Mb/s，一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环数据传送方式工作 Profibus-PA（Process Automation）：用于安全性要求较高的场合，它具有本质安全特性，是Profibus的过程自动化解决方案，将自动化系统和过程控制系统与现场设备连接起来，代替了420mA模拟信号传输技术 Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification）：用于车间级智能主站间通
