现场总线

现场总线技术的简单介绍课程名称：现场总线技术的简单介绍任课教师：许善祥所在学院：信息技术学院专业：电气工程及其自动化班级：08级电气（3）班学生姓名：徐月玲学号：20084073331中国·大庆2011 年11 月现场总线技术的简单介绍1.概述随着计算机技术、网络技术及智能传感器技术的长足发展,在20世纪80年代中后期到90年代初,一种新型的控制技术—现场总线技术(Fieldbus)出现在工业控制领域。

什么是现场总线呢?根据国际电工委员会(IEC)和美国仪表协会(ISA)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,它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。

现场总线技术是一种数字化的串行双向通信系统,这一技术可将所有的现场设备(如传感器、执行机构、驱动器等)与控制器用一根电缆连接在一起,形成现场设备级、车间级的数字化通信网络,实现对现场设备状态的监测、控制、远程传输等功能。

现场总线技术使现场级设备的信息作为整个企业信息网的基础,使企业信息的采集控制直接延伸到生产现场。

使用现场总线技术不但提高了通信能力和系统运行的可靠性,而且节其先进性、实用性、可靠性、开放性的优点，必然成为未来自动化技术发展的主流。

2.现场总线技术的现状目前，国内、外的现场总线有60几种之多，由于这一新技术所具有的潜在而巨大的市场前景，在商业利益的驱动下，导致了近年来制订现场总线国际标准大战。

在市场和技术发展需要统一的国际标准的呼声下，修改后的IEC 61158.3～6标准最终于2000年1月4日获得通省了系统安装时的布线费用和硬件费用,并更加容易对系统进行管理和维护。

现场总线技术以过。

该标准包括了8种类型的现场总线子集，它们分别是：①基金会现场总线FF（原有的技术规范IEC 61158）；②Control Net；③Profibus；④P—Net；⑤FF HSE；⑥Swift Net；⑦Word FIP；⑧Intferbus。

这8种现场总线中，④、⑥是用于有限领域的专用现场总线；②、③、⑦、⑧是由PLC为基础的控制系统发展而来，本质上以远程I/O总线技术为基础，通常不具备通过总线向现场设备供电和本征安全性能；①、⑤则由传统DCS控制系统发展而来，具有总线供电和本征安全功能；①、⑧属于现场设备级总线，②、⑤属于监控级现场总线；③、⑦则是包括两个层次的现场总线。

以上8种类型的现场总线采用完全不同的通信协议，例如：Profibus采用的是令牌环和主/从站方式；FFHSE是CSMA/CD方式；WordFIP是总线裁决方式。

因此，要这8种现场总线实现相互兼容和互操作几无可能。

面对这种多总线并存的局面，系统集成将面临更为复杂的任务，系统集成技术也将会有很大的发展。

其他具有代表性的现场总线目前流行的现场总线系统还有CAN、HART、LonWorks、Modbus、CC-Link等,它们也广泛分布于各个自动化应用的现场。

3.现场总线技术的特点及存在的问题现场总线是从控制室连接到现场设备的双向全数字通信总线，简单理解就是通信总线一直延伸到现场设备。

它是一个开放互联模型，可与以太网结合，通过Internet实现远程监视、控制、调试、诊断等。

现场总线是计算机、通信、控制技术的融合，优点来源于三大特点：一是数字化，意味着数据传输更为便利，信息传输量增加，提供数据的可共享性；二是标准统一开放，利于共享，为不同网络互联扫清道路，提供互操作性；三是控制分散，简化网络体系结构，使互联更加便利。

信号传输数字化是所有现场总线的基本特点，它使系统精度提高；现场设备的信息增加几十倍，可用于自诊断、系统调试和管理，提高系统的有效性；同一电缆挂接多台现场设备，可节省电缆70％～90％及施工量。

但节省电缆只不过是现场总线技术表层的优点，因为DCS／PLC远程I／O也可达到类似效果，而从现场设备获得丰富的信息才是现场总线技术独有的本质优越性。

标准统一开放是所有现场总线必需的特点，也是它与许多原来“专有”的通信总线的关键区别之一。

它给用户带来的本质优点是打破了个别厂商的垄断，给技术以强大的支持群体，促进公平竞争，促进技术进步。

DCS只做到操作站以上开放，控制层不可能开放，而FCS则做到系统从上到下全开放。

不同总线开放的程度和难度都有所区别，简单的I ／O总线开放的难度较低，而控制用的系统总线的开放互操作就很难。

控制彻底分散是现场总线具有的突出特点。

它给用户带来的实质优点是由高度智能的现场设备来分散完成DC S控制器的功能，弱化甚至省去了集中控制器的层次，可降低设备费用，使控制风险彻底分散，提高系统控制的自治性和可靠性。

当然，现场总线也有难以发挥其优势的场合。

在很长时期内，包括DCS／PLC在内的许多控制系统和现行标准都会与现场总线共存，这和DCS 出现后乃至今天许多原有控制设备依然存在的局面相似。

目前现场总线技术在我国的应用已取得很大进展，但也存在一些问题，制约了其推广。

在工程应用方面，工程投资比较大。

虽然各种现场总线都把节省费用当成自己的主要优点，但在实际应用中现场总线的投资比传统控制系统要大。

一是试用的系统规模太小；二是试用的系统并不分散或者是利用原有布线的改造项目，因此无法充分发挥现场总线节省电缆的优势。

其次，调试和运行维护比较难。

由于现阶段熟练掌握现场总线的应用技术和开发技术的人才少，企业在调试和运行时经常会遇到困难。

因此，企业在选择系统集成商时，应选择技术力量比较强，比较有经验的单位。

再者，与传统控制系统相比优点不明显。

以智能化现场仪表为基础的现场总线系统与传统系统相比，其优点不仅在于控制方面，更多的在于自诊断、自校正等自动管理方面。

但是，目前国内用的系统大多数太小，没有把管理自动化和远程诊断功能纳入系统，因此无法发挥现场总线系统降低运行维护费用的优势。

在技术方面，当总线切断时，系统有可能产生不可预知的后果，用户希望这时系统的效能可以降低，但不能崩溃，这一点目前许多现场总线不能保证；现有的防爆规定限制了总线长度和总线上所挂设备的数量，也就限制了现场总线节省电缆优点的发挥；系统组态参数过分复杂，不容易掌握。

但组态参数设定得好坏，对系统性能影响很大。

在应用中，现场总线的开放、互联性及互操作性决定了与之俱来的不可避免的安全问题。

外部网是一个由现场总线实现的自动化系统，是和企业的Intranet 紧密结合在一起的，存在着与In ternet普通应用相同的种种威胁，包括窃听、盗取资料、非法获取控制权、进行破坏、阻碍通信等。

要解决这些问题，必须建立起一套适合企业的针对现场总线应用的安全策略。

在Intranet内部，人们容易放松警惕。

由于现场总线多应用于化工、电气及楼宇自动化控制中，这些场合都要求系统连续运行，因此现场总线可能受到的攻击时间与普通应用相比长得多。

基于安全情况，可以考虑将各子系统设计得较为独立，使一个子系统受到破坏不会影响到整个系统；采用通信控制器将总线与以太网相联，改善通信控制器的功能，可以起到一定程度的安全防范作用，包括拒绝非法访问，危险时将总线与以太网隔离等；进行合理的冗余设计，以提高系统稳定性。

综上所述，现场总线并不是为解决传统控制系统不能解决的问题而出现的，它的主要优点是更灵活、更开放，并为采用新型系统维护方式和企业管理模式提供了可能。

但对于以价格为首选条件的场合，系统规模较小、控制对象分布比较集中的场合，以及没有扩展设备智能诊断和管理要求的场合，现场总线并不一定是最佳选择。

4.现场总线技术的发展前景长期以来的标准之争，实际上已延缓了现场总线的发展速度。

为了加快新一代系统的发展，人们开始寻求新的出路，一个新的动向是从现场总线转向Ethernet，用以太网作为高速现场总线框架的主传。

以太网是计算机应用最广泛的网络技术，在IT领域已被使用多年，已有广泛的硬、软件开发技术支持，更重要的是启用以太网作为高速现场总线框架，可以使现场总线技术和计算机网络技术的主流技术很好地融合起来。

为了促进Ethernet在工业领域的应用，国际上成立了工业以太网协会，开展工业以太网关键技术的研究。

此外，开发设备网供应商协会（ODV A）已经发布了在工厂现场使用以太网的全球性标准——以太网/IP标准。

该标准使用户在采用开放的工业应用层网络的同时，能利用可买到的现成的以太网物理介质和组件，也即由多个供应商所提供的可互操作的以太网产品。

随着网络技术的发展，以太网应用于工业领域所要面对的网络可确定性问题、环境适应性问题、包括总线供电和本征安全问题都会迅速得到解决。

现场总线技术的发展应体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的继续发展和完善；另一个是高速现场总线技术的发展。

目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。

从应用状况看，无论是FF和Profibus，还是其他一些现场总线，都能较好地实现速率要求较慢的过程控制。

因此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个世界市场。

而现场总线的关键技术之一是互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。

今后现场总线技术如何发展、如何统一，是所有生产厂商和用户十分关心的问题。

高速现场总线主要应用于控制网内的互连，连接控制计算机、PLC等智能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接，它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。

目前这一领域还比较薄弱。

因此，高速现场总线的设计、开发将是竞争十分激烈的领域，这也将是现场总线技术实现统一的重要机会。

而选择什么样的网络技术作为高速现场总线的整体框架将是其首要内容。

发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程，这对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战。

自动化系统的网络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。

现在网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中，这些具有发展前景的现场总线技术有；智能仪表与网络设备开发的软硬件技术；组态抗术，包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等；网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输；人机接口、软件技术；现场总线系统集成技术。

总体说来，自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。

既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼宇自动化、家庭自动化等等。