紫金橋淺談現場總線
控制系統的發展以及現場總線的產生
隨著科學技術的快速發展，過程控制領域在過去的兩個世紀里發生了巨大的變革。150多年前出現的基于5－13psi的氣動信號標準（PCS，Pneumatic Control System氣動控制系統），標志著控制理論初步形成，但此時尚未有控制室的概念；20世紀50年代，隨著基于0－10mA或4－20mA的電流模擬信號的模擬過程控制體系被提出并得到廣泛的應用，標志了電氣自動控制時代的到來，三大控制論的確立奠定了現代控制的基礎，設立控制室、控制功能分離的模式也一直沿用至今；20世紀70年代，隨著數字計算機的介入，產生了“集中控制”的中央控制計算機系統，而信號傳輸系統大部分是依然沿用4－20mA的模擬信號，不久人們也發現了伴隨著“集中控制”，該系統存在著易失控、可靠性低的缺點，并很快將其發展為分布式控制系統（DCS，Distributed Control System分布式控制系統）；微處理器的普遍應用和計算機可靠性的提高，使分布式控制系統得到了廣泛的應用，由多臺計算機和一些智能儀表以及智能部件實現的分布式控制是其最主要的特征，而數字傳輸信號也在逐步取代模擬傳輸信號。隨著微處理器的快速發展和廣泛的應用，數字通信網絡延伸到工業過程現場成為可能，產生了以微處理器為核心，使用集成電路代替常規電子線路，實施信息采集、顯示、處理、傳輸以及優化控制等功能的智能設備。設備之間彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可維護性等都有更高的要求。由此，導致了現場總線的產生。
現場總線的實質和優點
1984年，現場總線的概念得到正式提出。IEC（International Electrotechnical Commission,國際電工委員會）對現場總線（Fieldbus）的定義為：現場總線是一種應用于生產現場，在現場設備之間、現場設備和控制裝置之間實行雙向、串形、多結點的數字通信技術。
不同的機構和不同的人可能對現場總線有著不同的定義，不過通常情況下，大家公認現場總線的本質 體現在以下六個方面：
現場通信網絡
用于過程自動化和制造自動化的現場設備或現場儀表互連的現場通信網絡。
現場設備互聯
依據實際需要使用不同的傳輸介質把不同的現場設備或者現場儀表相互關聯。
互操作性
用戶可以根據自身的需求選擇不同廠家或不同型號的產品構成所需的控制回路，從而可以自由地集成FCS。
分散功能塊
FCS 廢棄了DCS 的輸入/輸出單元和控制站, 把DCS 控制站的功能塊分散地分配給現場儀表, 從而構成虛擬控制站，徹底地實現了分散控制。
通信線供電
通信線供電方式允許現場儀表直接從通信線上攝取能量, 這種方式提供用于本質安全環境的低功耗現場儀表, 與其配套的還有安全柵。
開放式互聯網絡
現場總線為開放式互聯網絡，既可以與同層網絡互聯，也可與不同層網絡互聯，還可以實現網絡數據庫的共享。
從以上內容我們可以看到，現場總線體現了分布、開放、互聯、高可靠性的特點，而這些正是DCS系統的缺點。DCS通常是一對一單獨傳送信號，其所采用的模擬信號精度低，易受干擾，位于操作室的操作員對模擬儀表往往難以調整參數和預測故障，處于“失控”狀態，很多的儀表廠商自定標準，互換性差，儀表的功能也較單一，難以滿足現代的要求，而且幾乎所有的控制功能都位于控制站中。FCS則采取一對多雙向傳輸信號，采用的數字信號精度高、可靠性強，設備也始終處于操作員的遠程監控和可控狀態，用戶可以自由按需選擇不同品牌種類的設備互聯，智能儀表具有通信、控制和運算等豐富的功能，而且控制功能分散到各個智能儀表中去。由此我們可以看到FCS相對于DCS的巨大進步。
也正是由于FCS的以上特點使得其在設計、安裝、投運到正常生產都具有很大的優越性：首先由于分散在前端的智能設備能執行較為復雜的任務，不再需要單獨的控制器、計算單元等，節省了硬件投資和使用面積；FCS的接線較為簡單，而且一條傳輸線可以掛接多了設備，大大節約了安裝費用；由于現場控制設備往往具有自診斷功能，并能將故障信息發送至控制室，減輕了維護工作；同時，由于用戶擁有高度的系統集成自主權，可以通過比較靈活選擇合適的廠家產品；整體系統的可靠性和準確性也大為提高。這一切都幫助用戶實現了減低安裝、使用、維護的成本，最終達到增加利潤的目的。
現場總線的現狀
由于各個國家各個公司的利益之爭，雖然早在1984年國際電工技術委員會/國際標準協會（IEC/ISA）就著手開始制定現場總線的標準，至今統一的標準仍未完成。很多公司也推出其各自的現場總線技術，但彼此的開放性和互操作性還難以統一。目前現場總線市場有著以下的特點：
多種現場總線并存
目前世界上存在著大約四十余種現場總線，如法國的FIP，英國的ERA，德國西門子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，國際標準組織-基金會現場總線FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美國的DeviceNet與ControlNet等等。這些現場總線大都用于過程自動化、醫藥領域、加工制造、交通運輸、國防、航天、農業和樓宇等領域，大概不到十種的總線占有８０％左右的市場。
各種總線都有其應用的領域
每種總線大都有其應用的領域，比如FF、PROFIBUS-PA適用于石油、化工、醫藥、冶金等行業的過程控制領域；LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet適用于樓宇、交通運輸、農業等領域；DeviceNet、PROFIBUS-DP適用于加工制造業，而這些劃分也不是絕對的，每種現場總線都力圖將其應用領域擴大，彼此滲透。
每種現場總線都有其國際組織和支持背景
大多數的現場總線都有一個或幾個大型跨國公司為背景并成立相應的國際組織，力圖擴大自己的影響、得到更多的市場份額。比如PROFIBUS以Siemens公司為主要支持，并成立了PROFIBUS國際用戶組織WorldFIP以Alstom公司為主要后臺，成立了WorldFIP國際用戶組織。
多種總線成為國家和地區標準
為了加強自己的競爭能力，很多總線都爭取成為國家或者地區的標準，比如PROFIBUS已成為德國標準，WorldFIP已成為法國標準等。
設備制造商參與多個總線組織
為了擴大自己產品的使用范圍，很多設備制造商往往參與不止一個甚至多個總線組織。
各個總線彼此協調共存
由于競爭激烈，而且還沒有哪一種或幾種總線能一統市場，很多重要企業都力圖開發接口技術，使自己的總線能和其他總線相連，在國際標準中也出現了協調共存的局面。
工業自動化技術應用于各行各業，要求也千變萬化，使用一種現場總線技術也很難滿足所有行業的技術要求；現場總線不同于計算機網絡，人們將會面對一個多種總線技術標準共存的現實世界。技術發展很大程度上受到市場規律、商業利益的制約；技術標準不僅是一個技術規范，也是一個商業利益的妥協產物。而現場總線的關鍵技術之一是彼此的互操作性，實現現場總線技術的統一是所有用戶的愿望。
主流現場總線簡介
下面就幾種主流的現場總線做一簡單介紹。
1基金會現場總線（FoundationFieldbus 簡稱FF）
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。
CAN（ControllerAreaNetwork 控制器局域網）
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。
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。
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Open DeviceNet Vendor Association（開放式設備網絡供應商協會，簡稱“ODVA”）。
5PROFIBUS
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。
6HART
HART是Highway Addressable Remote Transducer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。
7CC-Link
CC-Link是Control&Communication Link（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。
8WorldFIP
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。
INTERBUS
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-Data A/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。
現場總線的發展和以太網
現場總線技術是控制、計算機、通訊技術的交叉與集成，幾乎涵蓋了所有連續、離散工業領域，如過程自動化、制造加工自動化、樓半自動化、家庭自動化等等。它的出現和快速發展體現了控制領域對降低成本、提高可靠性、增強可維護性和提高數據采集的智能化的要求。現場總線技術的發展體現為兩個方面：一個是低速現場總線領域的不斷發展和完善；另一個是高速現場總線技術的發展。而目前現場總線產品主要是低速總線產品，應用于運行速率較低的領域，對網絡的性能要求不是很高。從實際應用狀況看，大多數現場總線，都能較好地實現速率要求較低的過程控制。因此，在速率要求較低的控制領域，誰都很難統一整個市場。就目前而言，由于FF基金會幾乎集中了世界上主要自動化儀表制造商，其全球影響力日益增加，但其在中國市場營銷力度似乎不足，市場份額不是很高，LonWorks形成了全面的分工合作體系，在國內有一些實質性的進展，在樓宇自動化、家庭自動化、智能通信產品等方面，LonWorks則具有獨特的優勢。在離散制造加工領域，由于行業應用的特點和歷史原因，Profibus和CAN經在這一領域形成了自己的優勢，具有較強的競爭力。國內廠商的規模相對較小，研發能力較差，更多的是依賴技術供應商的支持，比較容易受現場總線技術供應商 (芯片制造商等)對國內的支持和市場推廣力度的影響。而且，還有一個不可忽視的一點就是在構建自動化管理系統時，選擇的上位機，比如組態軟件對總線設備的支持程度，有些監控組態軟件，比如紫金橋監控組態軟件或者InTouch等對一些主流的總線設備比如Lonworks、PROFIBUS、CAN等有著良好的支持，通過DDE、OPC或者直接連接等方式進行通訊，采集數據。這樣可以方便用戶的選擇，而一些組態軟件則支持的種類較少，是用戶選擇的范圍也隨之減少。
由于目前自動化技術從單機控制發展到工廠自動化FA，發展到系統自動化。工廠自動化信息網絡可分為以下三層結構：工廠管理級、車間監控級、現場設備級，而現場總線是工廠底層設備之間的通信網絡。這里先介紹一下以太網，本文特指工業以太網，工業以太網是作為辦公室自動化領域衍生的工業網絡協議，按習慣主要指IEEE 802.3協議，如果進一步采用TCP/IP協議族，則采用“以太網+TCP/IP”來表示，其技術特點主要適合信息管理、信息處理系統，并在IT業得到了巨大的成功。在工廠管理級、車間監控級信息集成領域中，工業以太網已有不少成功的案例，在設備層對實時性沒有嚴格要求場合也有許多應用。由于現場總線目前種類繁多，標準不一，很多人都希望以太網技術能介入設備低層，廣泛取代現有現場總線技術，施耐德公司就是該想法的積極倡導者和實踐者，目前已有一批工業級產品問世和實際應用。可是就目前而言，以太網還不能夠真正解決實時性和確定性問題，大部分現場層仍然會首選現場總線技術。由于技術的局限和各個廠家的利益之爭，這樣一個多種工業總線技術并存，以太網技術不斷滲透的現狀還會維持一段時間。用戶可以根據技術要求和實際情況來選擇所需的解決方案。
參考資料：《現場總線及其應用技術》 李正軍 編著 機械工業出版社 出版 2006年1月第一版
文章版權歸西部工控xbgk所有，未經許可不得轉載。
服務咨詢