现场总线的发展趋势

1、现场总线的发展趋势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 (programmablelogiccontroller, 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

2、为现场总线技术发展的主要趋势。在分散型控制系统(distributioncontrolsystem , DCS)的发展 历程中，较早地在站间通信中采用了局域网(localareanetwork, 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TCP/IP协议也进入过程控制领域。实际上我们现在

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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(万eldbusintrinsicalsafetyconcept , 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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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O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

17、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

18、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

19、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。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。

20、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

21、 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 ProcessDat泌司的 P-net, PeterHans 公司的 F-Mux , 以及 ASI (A

22、ctraturSensorInterface), 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 (InterperableSystemP

23、rotocol)-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、ProfiBusProfiBus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ProfiBu

24、s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

25、/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

26、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“PROFIBUg现场总线国际标准”欧阳劲松 梅恪3、WorldFIPWorldFIP 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

27、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

28、时最高可达5Mb/s oWorldFIP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( BusArbitratorApplicationServices ), MPS(ManufacturingPeriodical/aPeriodicalServices ) , SubMMS (SubsetofMessagingService。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

29、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/DeviveNetControlNet 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 (http:/www.controlnet.

30、org ), Rockwell 转让此项技术给该组织。组织成员有 50多个如 ABBRobotiesHoneywe川nc.,YokogawaCorp., Toshibalnternational, Procter2)美国 DeviceNet;3) 特性接近Pro万Bus;国际标准IEC6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-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(FieldbusControlSystem,FCS)

31、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。止匕外，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4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

32、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

33、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，