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现场总线的发展趋势 现场总线技术自70年代诞生至今，由于它在减少系统线缆，简化系统安装、维护和管理， 降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性，引起人们的广泛注意，得到大 范围的推广，导致了自动控制领域的一场革命。 一、现场总线的发展不会被计算机通信技术取代 在现场总线技术诞生的初期，它的主要功能是将当时的可编程逻辑控制器（program mable logic controller， PLC）以一种较简洁的方式连接起来。随着计算机技术引入PLC，计算机通信技术被引入现场总线；PLC功能的增强对现场总线提出了更高的要求，计算机通信技术的引入大大增强了现场总线的功能，成为现场总线技术发展的主要趋势。 在分散型控制系统（distribution control system， DCS）的发展历程中，较早地在站间通信中采用了局域网（local area netw ork， LAN）技术。随着电子技术的发展，许多站的功能已经可以在现场实现，因此通信也逐渐延伸到现场。 在过程控制领域，曾经采用过许多通信协议。随着商用计算机领域的局域通信逐步被以太网（ethernet）垄断，过程控制领域中上层的通信也逐步统一到以太网和快速以太网。由于因特网的快速发展，人们通过因特网访问控制系统，进行远程诊断、维护和服务的愿望越来越强烈，因此TCPIP协议也进入过程控制领域。实际上我们现在就可以看到通过因特网访问现场仪表的事例。 这里我们看到了两种趋势，第一是现场有越来越多的信息需要往上送，第二是计算机通信技术越来越向下延伸。人们不禁要问：包括Internet技术内的现代计算机通信技术是否会最终延伸到现场，并取代现场总线? 我们认为现代计算机通信技术有能力延伸到现场，现场总线技术中也会不断地融入计算机通信技术，但是计算机通信技术不会取代现场总线。因为现场总线与一般计算机通信在功能、要求和结构上有所不同。 1、功能 计算机通信的基本功能是可靠地传递信息。现场总线的功能是：经济、安全、可靠地传递信息；正确使用所传信息；及时处理所传信息。经济性要求现场总线在传递信息的同时，解决现场装置的供电问题，并要求传输介质较廉价。安全性要求现场总线解决防爆问题。可靠性要求现场总线解决环境适应性问题，包括电磁环境适应性（传输时不要干扰别人，也不要被别人干扰）、气候环境适应性（要耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（要耐冲击、耐振动）。 正确使用信息要求不同制造商生产的装置能相互理解所传信息，这就是现场总线的可互操作性要求。及时处理信息要求现场装置不要将信息过多地在网络上往返传递，要尽可能地就地处理信息。及时处理信息的要求主要是针对高层次现场总线和智能仪表的，但是这条要求最集中地体现了现场总线技术发展趋势-信息处理现场化。 2、要求 对计算机通信的主要要求是快。对现场总线不仅要求传输速度快，在过程控制领域还要求响应快，即实时性要求。这样“快”就有三种含义。 （1）传输速度快：指单位时间内传输的信息要多，通常用波特率来衡量。这条要求与普通计算机通信是一致的。 （2）响应时间短：指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。这个时间是由4个方面决定的： 仪表或执行器控制中断的能力；信息在通信协议的应用层与物理层之间的传输时间；等待网络空闲的时间；避免信息在网络上碰撞的时间。由于这个时间对大多数通信协议是一个随机数，因此大部分通信协议不给这个参数。过程控制系统通常并不要求这个时间达到最短，但它要求最大值是预先可知的，并小于一定值。 （3） 巡回时间短指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间。这个时间一般可由系统组态来调整。对那些单纯靠优先级解决实时性的抢先式通信系统，当高优先级事件发生比较频繁时，低优先级事件会长时间得不到响应；对这类通信协议，巡回时间是随机量，预先不可知。过程控制系统希望最长巡回时间是预先可知的，并小于一定值。 响应时间和巡回时间反映了实时性，而实时性与通信协议有很密切的关系。现场总线采用两种技术来实现实时性。 一种是简化技术。将网络形式简化成线形（实际上已经不成其为“网”了）；将通信模型简化为只有一、二层；将节点的信息简化到只有几比特。经过以上简化，节点的访问就非常快了。这也可以通过极大地提高通信传递速度来缩短节点访问时间，这时虽然理论上某些现场总线的节点访问时间还有某种不确定性，但是反复发生不确定事件的概率很低，可以在一些非关键部位使用这种现场总线。节点访问快了，就可以简化系统的管理；这时采用主-从方式轮询访问，只要限制网络轮询的规模，就可以将响应控制在指定的时间内。采用这种技术可大大降低总线的成本，大多数位式开关量现场总线采用这种技术。 另一种是采用网络管理和数据链路调度技术来实现实时性，这是一种很复杂的技术。一般认为，分时式实时系统的响应具有可预知性，但资源利用率低；抢先式实时系统资源利用率高，但往往响应具有不可预知性。现在的现场总线往往采用两者结合的方式进行管理和调度，以达到某种平衡。 随着多媒体计算机通信系统的不断发展，语音和图象的实时传输对网络的响应时间提出了新的要求。多媒体传输对实时性的要求是几十ms，过程控制对系统的实时性要求是几ms到十ms。多媒体对实时性的要求是“软”的，即只要大部分时间满足要求就行了，偶然几次不及时响应是没关系的。过程控制对实时性的要求是“硬”的，因为它往往涉及安全，必须在任何时间都及时响应，不允许有不确定性。 改善现场总线的实时性，减少响应时间的不确定性是现场总线的重要发展趋势。 3、结构 计算机通信系统的结构是网络状的，从一点到另外一点的通信路径可以是不固定的。 大部分现场总线的结构是线状的，虽然现场总线的拓扑结构可以是总线型、星型、环行、回路型等；但在大多数现场总线中，从一点到另外一点的通信路径是比较固定的。 线状结构的优点是：解决网络供电比较容易；解决本安防爆比较容易；使通信协议中可以舍去与路径有关的几层，有利于改善实时性。 很显然，在线状结构时一条现场总线支路的电源负载是确定的，沿总线电源电压的变化也是可以预料的。在网状结构中一定会出现多电源供电情况，各电源的负载平衡，以及网络中各节点处的电压下降，都比较难以预料。 我们目前的本安防爆主导理论还是认为，电缆的分布电感、电容是随着电缆的长度增加的，因此由于电磁感应产生的火花能量，也是随着电缆的长度而增加。在这种情况下，要解决网状结构的本安防爆问题是很难的。 本安防爆理论的现状对现场总线的推广应用限制极大。因为它限制电缆的长度和总线上负载的数量。现场总线的主要优点在这些限制下，大部分都消失了。因此现场总线要求本安防爆理论要有所发展，目前各国都在对现场总线本质安全概念（fieldbus intri nsical safety concept， FISCO）理论加强研究，争取有所突破。 克服本安防爆对现场总线的限制是现场总线在应用理论上的发展趋势。 现场总线的线状结构的优点在前面说明了，它的主要缺点是当一条总线支路的电缆断了，这条支路就瘫痪了。对于网状结构，断了一、二条支路，信息还能够通过其它路径传递；系统的性能会下降，但不会瘫痪。这个问题是现场总线至今未被用在最关键场合的主要原因之一，也是现场总线制造商们近期要研究解决的问题之一。 上述情况说明现场总线并不只是一项通信技术，它是通信技术、仪表智能化技术及自动控制技术的结合产物。虽然并不是所有的现场总线都满足了上述要求，但这些要求是用于过程控制的现场总线所追求的目标。虽然我们已经看到一些直接通过因特网访问现场仪表的例子，但这都是一些对控制和实时性没有严格要求的检测系统。我们认为计算机通信技术不会取代现场总线。 二、国内现场总线的发展趋势 国内现场总线的发展趋势是：多种现场总线在国内展开激烈竞争，竞争的重点是应用工程；国内自己开发的现场总线产品开始投入市场；国内各行业的现场总线应用工程迅速发展。 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。 我们认为，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。 对于目前的争论，我们的看法是： 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。 笔者认为，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。 国内企业要推广现场总线产品，目前的主要困难是：产品尚不成熟；扩充和配齐品种规格所需的开发力量（资金和人才）不足；市场开发的投入不足。因此国内企业应欢迎国外企业在我国开发市场和推广应用。现场总线的市场打开后，国内企业销售产品会轻松得多。 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。 我们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。 对于选哪种现场总线，我们建议选确实降低系统成本的现场总线。因为是否确实能降低系统成本是一种现场总线是否成熟、是否适合所针对对象的一个明显标志。 由于现在尚无全能的现场总线，因此我们建议在系统的不同部分选不同的现场总线，即在系统的每个部分都选最适合的现场总线。前面已经谈到，位式现场总线相当便宜，非常适合传递开关量信息。因此当过程控制系统中有较多的开关量时，应该在系统中增加一条位式现场总线。 三、现场总线应用工程的发展趋势 1、通过应用技术发挥现场总线的优势 现场总线系统的优越性很多，主要突出它的哪一种优点 我们认为首先要突出现场总线降低系统投资成本和减少运行费用的优点。这一点很重要，有了这一基本思想，在进行总线类型的选择和网络设计时，就会有明确的方向。 但是，现场总线的这项优点能否发挥，与应用者是否合理地使用现场总线、充分发挥它的潜能有关。 2、不同类型的现场总线组合更有利于降低成本 表1（略）列出了不同类型现场总线的简单比较，针对不同的情况选用不同的总线可以最大限度地降低系统成本。 从表1可以看到，位式总线的能力很有限，用位式总线作为大型系统的信息传输主体是不可能的。但是它在成本，速度等方面的优势又是其它高层次总线无法替代的。因此它常常与其它总线混合使用。 用户可能会担心，用了多种现场总线，会使整个系统的操作、管理变得复杂。实际现在一些通用的人-机界面软件，都支持多种现场总线，因此到人-机界面这一层，不同总线的区别对使用者来说是不大的。 3、现场总线的本质是信息处理现场化 一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线和智能仪表后，可以从现场得到更多的诊断、维护和管理信息。现场总线系统的信息量大大增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力、减少多余信息的传递。另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。 如果仅仅把现场总线理解为省掉了几根电缆，是没有理解到它的实质。信息处理的现场化才是智能化仪表和现场总线所追求的目标，也是现场总线不同与其它计算机通信技术的标志。 4、网络的设计 一般控制系统也有网络设计问题，网络设计的重点是从物理形态上考虑通信网络和输入、输出线缆网络的布置。 前面提到许多现场总线的网络形态是线形的，每一组网段上的节点数是有限制的。由于网段上的节点数较少，因此除考虑网络的物理布置之外，还要考虑减少信息在网络上的往返传递。 减少信息的往返传递是现场总线系统中网络设计和系统组态的一条重要原则。减少信息往返常常可带来改善系统响应时间的好处。因此，网络设计时应优先将相互间信息交换量大的节点，放在同一条支路里。例如多回路调节中，一个调节回路的节点应尽量放置在同一条支路里。 5、系统组态傻瓜化 现在一些带现场总线的现场仪表本身装了许多功能块，虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差别，但一个网络支路上有许多功能类同功能块的情况是客观存在的。选用哪一个现场仪表上的功能块，是系统组态要解决的问题。 考虑这个问题的原则是，尽量减少总线上的信息往返。一般可以选择与该功能有关的信息输出最多的那台仪表上的功能块。 目前现场总线系统的组态是比较复杂的，需要组态的参数多，各参数之间的关系比较复杂，如果不是对现场总线非常熟悉，很难将系统设置到最佳状态。显然，广大用户对这种状态不满意。现场总线系统的制造商也正在努力，以使系统组态逐步傻瓜化。 现场总线的发展很快，我国在现场总线的开发和应用方面都紧跟了世界潮流，其发展速度超出预料。我们希望政府和企业应拿出更多的资金，投入这一领域，这是大有希望的事业。 范铠（上海工业自动化仪表研究所） 现场总线种类及标准 现场总线是用于过程控制现场仪表与控制室之间的一个标准的、开放的、双向的多站数字通信系统。随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的发展，以全数字式现场总线（FIELDBUS）为代表的互联规范，正在迅猛发展和扩大。由于采用现场总线将使控制系统结构简单，系统安装费用减少并且易于维护；用户可以自由选择不同厂商、不同品牌的现场设备达到最佳的系统集成等一系列的优点，现场总线技术正越来越受到人们的重视。近十几年由于现场总线的国际标准不能建立，现场总线发展的种类较多，约有40余种：如德国西门子公司Siemens的ProfiBus，法国的FIP，英国的ERA，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemount公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与ControlNet等等。 现场总线的种类主要有：基金会现场总线FF；ProfiBus；WorldFIP；ControlNet/DeviveNet；CAN等 1、基金会现场总线FF 现场总线基金会包含100多个成员单位，负责制订一个综合IEC/ISA标准的国际现场总线。它的前身是可互操作系统协议ISP（InterperableSystemProtocol）-基于德国的ProfiBis标准，和工厂仪表世界协议WORLD （WorldFactoryInstrumentationProtocol）-基于法国的FIP标准。ISP和WORLDFIP于1994年6月合并成立了现场总线基金会。 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）。另外增加了用户层。 2、ProfiBus ProfiBus自1984年开始研制现场总线产品，现以成为欧洲首屈一指的开放式现场总线系统，欧洲市场占有率大于40%，广泛应用于加工自动化、楼宇自动化、过程自动化、发电与输配电等领域。1996年6月ProfiBus被采纳为欧洲标准EN50170第二卷。PNO为其用户组织，核心公司有：Siemens公司，E+H公司，Samson公司，Softing公司等。 ProfiBus技术特性：ProfiBus以ISO7498为基础，以开放式系统互联网络OSI（OpenSystemInterconnection）作为参考模型，定义了物理传输特性，总线存取协议和应用功能。ProfiBus家族包括ProfiBus-DP，ProfiBus-PA，ProfiBus-FMS。ProfiBus-DP（DecentralizedPeriphery）是一种高速和便宜的通信连接，用于自动控制系统和设备级分散的I/0之间进行通信。ProfiBus-FMS（FieldBusMessageSpecification）用来解决车间级通用性通信任务。与LLI（LowerLayerInterface）构成应用层，FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务，LLI协调了不同的通信关系并向FMS提供了不依赖设备访问数据链层。ProfiBus-PA（ProcessAutomation）专为过程自动化而设计的，它可使传感器和执行器接在一根共用的总线上。根据IEC61158-2国际标准，ProfiBus-PA可用双绞线供电技术进行数据通信，数据传输采用扩展的ProfiBus-DP协议和描述现场设备的PA行规。当使用电缆耦合器，ProfiBus-PA装置能很方便的连接到ProfiBus-DP网络。主要内容摘自“PROFIBUS-与现场总线国际标准”欧阳劲松梅恪 3、WorldFIP WorldFIP协会成立于1987年3月，以法国CEGELEC、SCHNEIDER等公司为基础开发了FIP（工厂仪表协议）现场总线系列产品。协会有100多个成员，产品在法国市场占有率大于60%，欧洲约25%。产品适用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输、地铁和过程自动化等领域。1996年6月WorldFIP被采纳为欧洲标准EN50170。WorldFIP是一个开放系统，不同系统、不同厂家生产的装置都可以使用WorldFIP，应用结构可以是集中型、分散型和主站-从站型。WorldFIP现场总线构成的系统可分为三级：过程级、控制级和监控级，这样用单一的WorldFIP总线就可以满足过程控制、工厂制造加工系统和各种驱动系统的需要了。 WorldFIP协议有物理层、数据链路层和应用层组成。应用层定义为两种：MPS定义和SubMMS定义。MPS是工厂周期/非周期服务，SubMMS是工厂报文的子集。 物理层的作用能够确保连接到总线上的装置间进行位信息的传递。介质是屏蔽双绞线或光纤。传输速度有31.25kb/s，1Mb/s和2.5Mb/s，标准速度是1Mb/s，使用光纤时最高可达5Mb/s。 WorldFIP的帧有三部分组成，即帧起始定界符（FSS），数据和检验字段，以及帧结束定界符。 应用层服务有三个不同的组：BAAS（Bus Arbitrator Application Services），MPS（Manufacturing Periodical / a Periodical Services），SubMMS（Subset of Messaging Services）。MPS服务提供给用户：本地读/写服务，远方读/写服务，参数传输/接收指示，使用信息的刷新等。 处理单元通过WorldFIP的通信装置（通信数据库和通信芯片组成）挂到现场总线上。通信芯片包括通信控制器和线驱动，通信控制器有FIPIU2，FIPCO1，FULLFIP2，MICROFIP等，线驱动器用于连接电缆（FIELDRIVE，CREOL）或光纤（FIPOPTIC/FIPOPTIC-TS）。通信数据库用于在通信控制器和用户应用之间建立链接。主要内容摘自“法国WorldFIP现场总线技术概况”缪学勤 4、ControlNet/DeviveNet ControlNet的基础技术是在RockwellAutomation企业于1995年10月公布。1997年7月成立了ControlNetInternational组织（），Rockwell转让此项技术给该组织。组织成员有50多个如ABBRoboties，HoneywellInc.，YokogawaCorp.，ToshibaInternational，Procter&Gamble，OmronElectronicsInc.等。DeviceNet的相关网址（/） 传统的工厂级的控制体系结构有五层即工厂层、车间层、单元层、工作站层、设备层组成。而Rockwell自动化系统简化为三层结构模式：信息层（Ethernet以太网），控制层（ControlNet控制网），设备层（DeviceNet设备网）。ControlNet层常传输大量的I/O和对等通讯信息，具有确定性和可重复性的，紧密联系控制器和I/O设备的要求。它具备如下特点：1）ControlNet在单根电缆上支持两种类型的信息传输：有实时性的控制信息和I/O数据传输，无时间苛求的信息发送和程序上/下载；2）ControlNet技术采取了一种新的通信模式，以生产者/客户模式取代了传统的源/目的模式它不仅支持传统的点对点通讯，而且允许同时向多个设备传递信息。生产者/客户模式使用时间片算法保证各节点实现同步，从而提高了带宽利用率；3）ControlNet使用同轴电缆可达6km，节点数99个，两个节点间距离最长达1000m，48个节点距离可长达250m，采用光纤和中继器后通讯距离可达几十公里。ControlNet应用于过程控制，自动化制造等领域。 5、CAN CAN(ControllerAreaNetwork)称为控制局域网，属于总线式通讯网络。CAN总线规范了任意两个CAN节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解释协议，CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。物理层决定了实际位传送过程中的电气特性，在同一网络中，所有节点的物理层必须保持一致，但可以采用不同方式的物理层。CAN的数据链路层功能包括帧组织形式，总线仲裁和检错、错误报告及处理，确认哪个信息要发送的，确认接收到的信息及为应用层提供了接口。CAN网络具有如下特点：CANBUS网络上任意一个节点均可在任意时刻主动向网络上的其它节点发送信息，而不分主从。通讯灵活，可方便地构成多机备份系统及分布式监测、控制系统。网络上的节点可分成不同的优先级以满足不同的实时要求。采用非破坏性总线裁决技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据。具有点对点，一点对多点及全局广播传送接收数据的功能。通讯距离最远可达10KM/5KBPS，通讯速率最高可达1MBPS/40M。网络节点数实际可达110个。每一帧的有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低。每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，数据出错率极低，可靠性极高通讯介质采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。在传输信息出错严重时，节点可自动切断它与总线的联系，以使总线上的其它操作不受影响。 现场总线标准 现场总线标准有如下种类： 丹麦国家标准DSF21906：P-Net 德国国家标准DIN19245（1-2）：ProfiBus-FMS 德国国家标准DIN19245（3）：ProfiBus-DP 德国国家标准DIN19245（4）：ProfiBus-PA 法国国家标准FIPC46601-607：WorldFIP 日本JEMA标准CC-Link 美国国家标准ANSI/NEMA以等同方式支持的ISA/IEC标准草案 1)ISA/IEC61158-1总论； 2)ISA/IEC61158-2物理层规范 3)ISA/IEC61158-3链路层服务定义1998/09/30未通过 4)ISA/IEC61158-4链路层规范；1998/09/30未通过 5)ISA/IEC61158-5应用层服务定义；1998/09/30未通过 6)ISA/IEC61158-6应用层规范；1998/09/30未通过 7)ISA/IEC61158-7管理系统 8)ISA/IEC61158-8一致性试验 9)ISA/IEC61804过程控制模块欧洲标准EN50170（CLC65CX） Vol.IP-Net Vol.IIProfiBus Vol.IIIWorldFIP Vol.IVFF,联合王国(UK)IEC国家委员会提议 Vol.VControlNet,联合王国(UK)IEC国家委员会提议 欧洲标准EN50254（CLC65CX） 1)ProfiBusDP 2)FIPDWF 3)Interbus 欧洲标准EN50295（CLCTC17B） 1)ASI 欧洲标准prEN50325 1)DeviceNet美国Rockwell 2)SDS美国Honeywell 国际标准ISO11898 1)德国CANbus; 2)美国DeviceNet; 3)特性接近ProfiBus; 国际标准IEC62026(IECSC65C) 1)ASI法国、德国 2)DeviceNet美国Rockwell 3)SDS美国Honeywell 现场总线的概念是随着微电子技术的发展，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能后，于1984年左右提出的。现场总线一般定义为：一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式，数字化，双向串行，多节点的通信总线。其主要特征： 1数字式通信方式取代设备级的模拟量（如4-20mA,0-5V等信号）和开关量信号； 2在车间级与设备级通信的数字化网络； 3现场总线是工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化革命； 4现场总线使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层。使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场； 5在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。 现场总线是工业控制系统的新型通讯标准，是基于现场总线的低成本自动化系统技术。现场总线技术的采用将带来工业控制系统技术的革命。采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。 作为连接生产现场的仪表、控制器等自动化装置的通讯网络，现场总线是九十年代在国际兴起的新一代全分布式控制系统的核心技术。伴随着数字化时代的来临，现场总线控制系统(Fieldbus Control System, FCS)必将成为工业自动化的主流。 现场总线控制系统有如下优点： 全数字化 将企业管理与生产自动化有机结合一直是工业界梦寐以求的理想，但只有在FCS出现以后这种理想才有可能高效、低成本地实现。在采用FCS的企业中，用于生产管理的局域网能够与用于自动控制的现场总线网络紧密衔接。此外，数字化信号固有的高精度、抗干扰特性也能提高控制系统的可靠性。 全分布 在FCS中各现场设备有足够的自主性，它们彼此之间相互通信，完全可以把各种控制功能分散到各种设备中，而不再需要一个中央控制计算机，实现真正的分布式控制。 双向传输 传统的420mA电流信号，一条线只能传递一路信号。现场总线设备则在一条线上即可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制信息。 自诊断 现场总线仪表本身具有自诊断功能，而且这种诊断信息可以送到中央控制室，以便于维护，而这在只能传递一路信号的传统仪表中是做不到的。 节省布线及控制室空间 传统的控制系统每个仪表都需要一条线连到中央控制室，在中央控制室装备一个大配线架。而在FCS系统中多台现场设备可串行连接在一条总线上，这样只需极少的线进入中央控制室，大量节省了布线费用，同时也降低了中央控制室的造价。 多功能仪表 数字、双向传输方式使得现场总线仪表可以摆脱传统仪表功能单一的制约，可以在一个仪表中集成多种功能，做成多变量变送器，甚至集检测、运算、控制与一体的变送控制器。 开放性 1999年底现场总线协议已被IEC 批准正式成为国际标准，从而使现场总线成为一种开放的技术。 互操作性 现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操作，这样就可以在一个企业中由用户根据产品的性能、价格选用不同厂商的产品，集成在一起，避免了传统控制系统中必须选用同一厂家的产品限制，促进了有效的竞争，降低了控制系统的成本。 智能化与自治性 现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至网络故障的情况下独立工作，大大提高了整个控制系统的可靠性和容错能力。 现场总线控制系统通常由以下部分组成： 现场总线仪表、控制器 现场总线线路 监控、组态计算机 这里的仪表、控制器、计算机都需要通过现场总线网卡、通信协议软件连接到网上。因此，现场总线网卡、通信协议软件是现场总线控制系统的基础和神经中枢。 现场总线控制系统是国家九五科技攻关的重点项目。现场总线技术发展新动向 世纪是信息经济的时代。随着计算机技术、信息技术的飞速发展，全球市场进一步形成，竞争也空前加剧，产品技术含量更高、换代时间更短。处于全球市场之中的工业生产为了适应市场竞争的需要，在追求竞争力的过程中逐渐形成了计算机集成制造系统。计算机集成制造系统采用系统集成、信息集成的观点组织生产，把市场、生产计划、制造过程、企业管理、售后服务看作要统一考虑的生产过程，并采用计算机、自动控制、网络通信等技术来实现整个过程的综合自动化，以改善生产加工、管理决策等。为了实现这个目标，必须要将企业内现场控制、过程监控、经营管理、市场管理等各层次智能设备互联成综合自动化网络，实现各层次的信息汇通和数据共享，即实现工业企业的“管控一体化”。为此，企业首先必须对各种企业资源建立完善的管理网络，使各方面资源充分调配、平衡和控制，最大限度地发挥其能力；其次，必须形成市场、经营、生产和研发之间紧密的协作链，提高市场反应的敏捷性和产品转型的灵活性，时刻保持产品高质量、多样化和领先性；再次，必须实现企业生产制造资源与其它资源管理的一体化集成，实现生产现场在线设备动态管理，降低成本。 所谓现场总线，按照国际电工委员会IECSC65C的定义，是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场控制系统(FCS)。 现场总线的产生是多方面因素共同作用的结果。 现场总线的产生首先反映了仪器仪表本身发展的需要。仪器仪表的发展经历了全模拟式仪表、智能仪表、具有通信功能的智能仪表、现场总线仪表等几个阶段。其中，全模拟式仪表是将传感器信号进行调理放大后，经过VI电路转换，输出420mA或05V的模拟信号，其后随着计算机技术的发展，微处理器在仪器仪表中得到了广泛应用，过程变量经调理放大、AD采样，转换为数字信号，并经过微处理器的运算、补偿等处理后，再通过DA、VI等电路，仍然以420mA或05V的模拟信号输出，这种智能仪表相对于全模拟仪表来讲，测量精度得到大大提高，但信号传输过程仍然容易受到外界电磁干扰，传输精度和可靠性都不高。于是，人们在仪器仪表中增加了通信接口(如RS232485等)，以数字通信的方式代替模拟信号传输。但由于这些通信标准只规定了物理层上的电气特性，而对于数据链路层及其以上各高层协议规范，则没有统一定义，致使不同生产厂家生产的仪器仪表由于通信协议的专有与不兼容而无法实现相互之间的信息互访。为解决这个问题，必须使这些网络的通信标准进行统一，组成开放互连系统，于是就产生了现场总线。其次，现场总线的产生也反映了企业管控一体化信息集成的要求。 因此，从20世纪80年代开始，各种现场总线相继产生，其中主要的有：基金会现场总线FF(Founda，tionFieldbus)、控制局域网络CAN(Controller Area Network)、局部操作网络Lon Works(Local OperatingNetwork)、过程现场总线PROFIBUS(Process FieldBus)和HART协议(Highway Addressable RemoteTransducer)以及DeviceNet、ControlNet、PNET等。 面对如此之多的现场总线，用户如何选择?为解决这个问题，国际电工委员会IEC在1984年就开始筹备制定单一现场总线国际标准。然而，由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，围绕着现场总线技术的标准进行了一场大战，最后经过多方妥协，于1999年年底通过了包含FF、Profibus等八种总线在内的IEC61158，没有实现制定单一标准的目标。这个结局表明，在今后相当长一段时间内多种现场总线将并存，控制网络的系统集成与信息集成会面临困难的复杂局面。无论是最终用户还是制造商，普遍都在关注现场总线技术的发展新动向，都在寻求高性能低成本的解决方案 基于现场总线技术的工厂Web 1 现场总线技术的发展 控制技术、计算机技术、通讯技术与网络技术的发展，使得自动化系统的结构发生了变革， 现场总线技术正是这种变革的产物。由于市场的驱动，世界各大控制系统厂家都相继开发了 各自的现场总线产品。为了规范其标准，IEC近期已通过了IEC61158现场总线国际标准，它 包括：IEC61158TS、ControlNet、Profibus、P-Net、FF-HSE、SwiftNet、WorldFIP、Inter bus、FF-H1等。 几种标准类型的现场总线，实际上也构成了几种现场总线控制系统体系结构，也都有多家控 制系统公司产品支持。由于各厂家对现场总线产品开发时还会要保护自己过去的投资利益， 因此各厂家现场总线产品也就各有其应用领域专长，这也使得我们在应用现场总线设备或系 统时，要充分考虑对象的实际特点，来合理选择系统，以最大限度地发挥其优势作用。 2 实际对象分析 本文讨论的对象是一个冶炼与烟气制酸过程，它包括锌沸腾焙烧、铅烧结，以及两个冶炼过 程的烟气混合后经Monsanto动力波洗涤再送Toposo WSA工艺制酸。其工艺流程较长，设备布 置的地域分布较广，虽然锌的焙烧过程、铅的烧结过程以及烟气的洗涤与制酸过程都有一定 的 内部控制要求，但由于是将两个冶炼过程的烟气混合后制酸，流程中哪一个工序的变化都会 对其他工序有密切影响，因此这是一个紧密联锁关系的长流程，流程中许多工序如动力波 洗涤和WSA制酸等，其内部设备的联锁保护与工艺参数密切相关，这要求电气设备控制 与工艺仪表监控必须统一考虑，基于上述的情形，可归纳为以下需求： 由于各工艺内部联锁控制与仪表参数控制的关系密切，因而要求工艺控制过程中电仪一体 化； 由于该流程是在老厂房内进行配置，许多设备或控制室的布置只能利用原厂区的空地或原 建筑物结构，使得主控室、操作室、配电室与工艺设备距离较远，且不规范，为布线工程的 考虑要求仪表控制和电气控制现场总线化； 由于整个工艺流程较长，且各工序间具有紧密联锁要求，因此要求整个控制和管理网络化 。 对于上述需求下的控制系统配置，显然用前节中所提及的任何一种现场总线结构都难以完全 满足要求，这就需要根据具体情况来作具体配置，我们对各现场总线国际标准系统结构和对 象需求进行分析和比较如下： 过程级现场总线类仪表，基于FF（H1）总线的产品相对较多，可选择的余地较大，我们选择FF现场 总线仪表；就电气设备而言，基于Profibus D/P总线、DeviceNet总线、以及Interbus总线 的产品相对较多，但智能型电气设备多集中于Profibus D/P总线和DeviceNet总线，考虑到P rofibus D/P总线上不仅可挂分散I/O、智能电气设备，而且能挂从站型的PLC，这样给系统 的配置带来了更大的灵活性，我们选择Profibus D/P总线作为电气控制总线。 控制功能的分配，将具有较复杂运算功能要求的模拟量监控或与工艺控制有关的状态信号， 由FF（H1）总线上的控制回路实现。对具有强联锁关系的电气设备控制，出于速度和可靠 性考虑，选择PLC作控制器进行控制，对于一些用于设备联锁或保护的模拟量信号也由PLC进 行控制。 尽可能地将回路控制功能分配到总线设备上，我们对总线输出设备（即阀门定位器）分配PI D功能，这就使得控制真正分散，对于少量分散的不具有总输入功能的设备，则选择第三方 厂家的具有FF（H1）总线接口的分散I/O来进行数据采集。 在Profbus D/P总线上，基于电气设备尽量接近动力电源的考虑，将PLC的分散I/O置于现场 配电间或主体设备处， 而将PLC主站置于主控室以便于通讯调试等。对自成体系的小系统或 设备，则使用PLC从站而置于主体设备处附近。 监控级 在这一级上可选的网络产品有：通用工业控制以太网、高速以太网HSE（尚无可选产品）、C ontrolNet网、以及Profibus-FMS网等。由于本对象地域分布较广，因而我们选择工业控制 以太网，对于Profibus D/P总线上的PLC主站控制器和FF（H1）总线上通讯控制器之间的通 讯，考虑因高速以太网尚无定型产品，出于对通用以太网处理高速通讯时在可靠性方面的考 虑，我们用Modbus（RTU）来实现两者间的通讯，同时采用客户机/服务器（Client/Server ）模式进行网络服务和管理，在考虑与信息层进行数据交换时，在服务器内配置了带OPC的 控制管理软件。 实际上，实现该对象的控制，是将几种现场总线国际标准结构进行合成，各取其长处，各发 挥其优势，如图1所示。 3 系统集成 从本对象的工艺流程及工艺设备与操作控制室的布置情况来看，系统构成时需按几段工序集 中站点考虑，即按Web站思路布局，系统总监控点在1700余点，系统FF设备近190台。控制系 统构筑如图2所示。这里我尝试且实现了多厂家控制设备与现场总线设备的集成。H1总线上 的总线设备主要采用了Emerson Procese Management 的3051压力或差压变送器，3244与848 T温度变送器，DVC5010F与DVC5030F阀门定位器，Smar的FY302阀门定位器，YOKOGAWA的EJA1 10A差压变送器，E+H的Pormag 53p电磁流量计等。电气控制采用Si emens的S7-300主站PLC， 配置Profibus DP总线。在Profibus DP总线上集成有Siemens的S7-300从站PLC、S7-200从站 PLC、HMI、智能分散I/O、6SE71智能变频器、以及ABB的ACS600智能变频器等。上位监控与 管理采用Emerson Procese Management的DeltaV来实现，Delta V总线控制器与S7-300PLC通 过Modbus(RTU)通讯，各控制站间的通讯采用工业以太网及12端口双速（10M/100M）光纤通 讯口Hub完成。多种控制产品的集成是通过操作站软件、现场总线装置数据库、以及相应的 应用软件等来实现，并用增强型专业工作站软件进行系统网络服务管理。这样除各子站之间 实现相互的联锁控制之外还可提供操作信息的相互浏览，由于大量采用现场总线设备，这使 得基础过程设备的参数可在操作站上实现透明的Web浏览和参数的互操作，同时还配有OPC远 程服务软件来实现与上层网络的通讯，向工厂的管理网提供过程操作与数据趋势的信息浏览服务。 系统的操作主要集中在4个控制室、对于监视站布置还考虑了2个分厂办公室。 沸腾炉控制室，主要监控沸腾焙烧过程、余热锅炉及收尘等流程，设置2台操作站，1台工程 师站，设置现场网络控制与管理站，PLC主站，对本控制站部分散的AI点从经济角度考虑， 采用Siemens分散AI模块，通过Profibus