现场总线技术发展及应用

1、现场总线技术的发展及应用专业：控制理论与控制工程 学号：132030032随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，20世纪80年代中期产生了 现场总线。根据国际电工委员会IEC1158定义，现场总线是“安装在生产过程区 域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种用行、数字式、 多点通信的数据总线”现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表， 使之数字化、智能化，采用可进行简单连接的双绞线等介质将位于现场的各种智 能设备及各种控制设备连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议进行数据传 输与信息交换。它突破了 DCS相对封闭的限制，将测控任务分散到现场设备中， 上位计算机只

2、负责监控以及一些复杂的优化和先进控制的功能。以现场总线技术为基础形成了一种新型的网络集成式全开放控制系统一现场总线控制系统 FCS(Fieldbus Control System),它适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能 化的发展方向，成为全球工业自动化领域的研究热点。.现场总线的体系结构现有各种现场总线的协议体系大多参照了国际标准化组织(ISO)的开放系统互联协议(OSI)七层模型，实现了其中的物理层、数据链路层和应用层，有些总 线还按照自己的需要进行了适当的扩充。以现场总线基金会FF制定的现场总线标准为例，它的体系结构包括了物理层、数据链路层和应用层，另外又在应用层 上增加了一层用户层

3、。(1)物理层该层规定了现场总线的传输介质、 传输速率、最大传输距离、拓扑结构及其 信号类型等。以FF现场总线为例，其传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤和无 线电等；传输速率有低速的H1现场总线和高速的H2现场总线。H1的传输速率 为31 kbps或25 kbps,传输距离为2001 900 m,总线最多可连接4台中继器。 H2的传输速率为1Mbps/750 m或2.5 Mbps/500 m。H1每段最多节点数为 32个, H2每段最多节点数为124个。(2)数据链路层该层FF规定所有连接到同一物理通道的应用进程都是通过数据链路层的 实时管理来协调的，采用集中式的管理方式减少了实时通信的时延，该

4、层将设备分为基础设备和链主设备两种。前者不能主动发起一次通信，只能接受查询，后 者则可以在得到令牌时发起一次通信。在每一网段中都有一个特殊的链主设备， 它能调度本网段各个设备的通信，称为LINKACTIVITYSCHEDULER(LAS) 。LAS 通过调度表指示一个设备发送周期数据，当没有周期性数据发送时，LAS循环地向所有链主设备发送令牌，使其获得发送非周期性数据的机会。止匕外，该层还 要完成两条总线间通信的桥路连接管理。(3)应用层该层主要定义现场总线的命令、响应、数据和事件。FF现场总线应用层可分为现场总线报文规范(FMS)和现场总线访问(FAS)子层，FAS与数据链路层连 接，可提供

5、发布/索取方式、客户机/服务器方式和报文分发3种类型服务，FMS 规定了用于向用户进程对象提供的服务及报文格式，通过调用FAS层的服务，在现场设备之间传送报文。(4)用户层该层是FF现场总线在OSI模型上增加的一层，用于规定一些标准的功能模 块供用户组构成系统。其中基本功能模块 10个，先进功能模块7个，计算功能 模块7个，辅助功能模块5个，这些功能模块由输入、输出、算法和参数等4部分构成，以满足不同的控制需求。为了支持不同厂商间功能模块的互操作性， FF定义了设备描述语言(DDL)和对象字典(OD)2个工具。DDL是一种解释语言， 用于描述应用进程对象的行为和操作接口；OD用于定义字典及设备

6、，功能模块的目录信息。.现场总线的特点由于现场总线系统采用智能设备，通过标准协议在一根总线上实现所有信号 的数字化传输。因此，现场总线系统具有如下特点：(1)开放，互操作性好。现场总线采用标准的通信协议，是开放式的互联 网络，用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系 统。(2)彻底的分散控制。现场总线将控制功能下放到作为网络节点的现场智 能仪表和设备中，做到彻底的分散控制，提高了系统的灵活性、自治性和安全可 靠性。(3)成本降低。由于现场总线完全采用数字通信，控制功能下放到现场。 由现场总线组成的FCS硬件相对简化，简化了控制系统内部的连接，节省了大 量的导线，成本减少

7、，同时系统的可靠性和抗干扰能力都会有很大的提高。(4)安装、维护、使用方便。正因为 FCS的互操作性和开放性好。使用现 场总线接口技术，无需用很多控制电缆连接各控制单元， 只需将各控制设备挂接 在总线上，显著减少连接导线，便于安装、维护和使用。(5)对现场环境的适应性高。工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的 现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、 红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并 可满足安全防爆要求等。.现场总线的主要形式现场总线技术是当今世界各国关注的热点课题，以现场总线为基础的全数字控制系统是21世纪自动化控制系统的主

8、流。世界各国的技术协会 (学会)、各大 公司、各国的标准化组织，还有国际电工委员会 (IEC)及国际标准化组织(ISO)对 于本项技术的标准化工作都给予了极大的关注，也使得目前现场总线国际标准化工作出现了复杂的局面。目前已开发出40多种现场总线，其中最具影响力的有4种，分别是 CAN总线、Lon Works Pro巾bus、和FF总线。CAN总线CAN (Control Area Network)即控制局域网络，由德国Bosch公司推出，用于 汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基 础上的，不

9、过，其模型结构只有三层，即只取 OSI底层的物理层、数据链路层 和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线，在 40m内的最高传输速率可达 1Mbps,传输速率降低为5kbps时的最高传输距离可达10km,可挂接设备最多 可达110个。Lon WorksLon Works由美国Echelon公司1991年推出，主要应用于楼宇自动化、工业 自动化和电力行业等。Lon Works采用全部7层协议，介质访问方式为P -PCSMA (预测P-坚持载波监听多路复用)，采用网络逻辑地址寻址方式，优先权机制保证 了通信的实时性，安全机制采用证实方式，其最大传输速率为115Mbps,传输距 离为2700m,传输介

10、质可以是双绞线、光缆、射频、红外线和电力线等，因此能 构建大型网络控制系统。由 Echelon公司推出的Neuron神经元芯片实质为网络 型微控制器，封装了 LonTalk协议在Neuron芯片中，内含3个8位微处理器， 分别负责介质访问控制、网络处理和应用处理 3。该芯片强大的网络通信处理 功能配以面向对象的网络通信方式，大大降低了开发人员在构造应用网络通信方 面所需花费的时间和费用，而可将精力集中在所擅长的应用层进行控制策略的编 制，因此业内许多专家认为 Lon works总线是一种很有希望的现场总线。ProfibusProfibus (Process Fieldbus)在已是欧洲首屈一指

11、的开放式现场总线系统，它已被全世界所接受。Profibus是德国于20世纪90年代初制定的国家工业现场总 线协议标准，代号DIN19245。1987年由13家大公司(如著名的SIEMENS、AGE、 ABB公司等)及5家研究所经过两年多的时间完成。Profibus遵循ISO/OSI模型, 包括Profibus-DP、Profibus -PA、Profibus -FMS三部分。其中DP协议主要用于 现场级的高速数据传输，最高传输速率可达15Mpbs。Profibus是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通讯与控制的现场总线技术，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通讯网络，

12、从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。FF总线现场总线基金会(Fieldbus Foundation,简称FF)是1994年由包括世界著 名的DCS和PLC厂商、研究机构和最终用户等120余个成员组成的一个非盈利 性非商业性的学术和标准化组织，它组织相关技术的发展、标准制定、试验工作、 信息的扩散和分布以及人员的教育培训。 FF结合IEC/ISA的现有标准以及其它 成熟技术，推出了 “现场总线基金会现场总线”标准。FF有如下四个最显著的特点：全数字化通信；完全分散式；可互操作性； 专门为过程控制而设计。.现场总线的发展趋势现场总线技术的产生促进了现场设备的数字化和网络化

13、，并使现场控制功能 更加强大。为了更好地适应过程工业控制的需要，现场总线技术的发展方向将体现在以下几个方面。(1)基于现场总线的一次仪表和二次仪表的研制：如采用开放式混合通信 协议，HART的优点为可以在局部进行系统升级，并且只涉及到需用HART智能 仪表装置的系统部分。(2)基于现场总线网络设备的软硬件开发：系统的开放性和通信问题是分 散控制系统的突出问题，它需要解决不同厂家软、硬件产品能否集中到一个系统 的问题，所以在进行网络设备研制时必须遵循某一现场总线接口的统一标准。(3)开放的组态技术研究：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

14、场总线非常熟悉，很 难将系统设置到最佳状态。所以研究开放的组态技术也是现场总线的发展趋势。(4)基于现场总线技术的全开放控制系统：自动化系统与设备将朝着现场 总线体系结构的方向发展，并且涉及的应用领域十分广阔，几乎覆盖了所有的过 程控制领域。(5)控制网络与数据网络的结合：如远程监控系统就是该体系在生产控制 领域内的应用之一。现场总线系统接入 Internet或以太网，在一定的条件下便可 通过网络监视并控制这些生产系统和现场设备的运行状况和各种参数。通过网络实现对远程被控对象的监控，可以节省大量的人力、物力和财力。总结现场总线自产生以来至今不过十几年时间， 但却在全世界范围内得到了非常 地重视，其应用范围之广已涉及到工业过程控制领域、制造业自动化领域、石油化工领域、能源领域、楼宇自动化领域等几乎每一个行业。在我国，90年代中期以来，国家有关部门已投入巨资用于现场总线技术及其产品