工业现场总线体系介绍

1.现场总线概述
现场总线（Field bus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。

由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。

它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。

简单说，现场
总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。

现场总线应用行业：现场总线的产生对工业的发展起着非常重要的作用，对国民经济的增长有着非常重要的影响。

现场总线主要应用于石油、化工、电力、医药、冶金、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域。

现场总线是应用在生产现场与微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点通信的系统也称为开放式．全数字化．多点通信的底层控制网络。

①现场总线的定义：
现场总线是用于现场仪表与控制室之间的一种“全数字化，双向．多变量，多点多站的通信系统”其本质含义表现在以下六个方面：现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分散功能模块和开放式互连网络
②现场总线的优点：
实现了全数字化通信，不同厂家产品互操作；实现了真正的分布式控制(分散式控制)：可以传送多个过程变量的同时可将仪表标识符和简单诊断信息一并传送，可以产生最先进的现场仪表，多变量变送器；提高了测试精度；增强了系统的自治性。

现场总线特征
(1) 全数字化通信
(2) 开放型的互联网络
(3) 互可操作性与互用性
(4) 现场设备的智能化
(5) 系统结构的高度分散性
(6) 对现场环境的适应性
现场总线特点及缺陷
现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。

通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。

功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。

控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。

现场总线总线优点
现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；
一对双绞线上可挂接多个控制设备，便于节省安装费用；
节省维护开销；
提高了系统的可靠性；
为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。

现场总线总线缺点
网络通信中数据包的传输延迟，通信系统的瞬时错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，使得控制系统的分析与综合变得更复杂，使控制系统的性能受到负面影响。

现场总线总线本质
不同的机构和不同的人可能对现场总线有着不同的定义，不过通常情况下，大家
公认在以下六个方面：
现场总线通信网络
用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。

现场总线设备互联
依据实际需要使用不同的传输介质把不同的现场设备或者现场仪表相互关联。

现场总线互操作性
用户可以根据自身的需求选择不同厂家或不同型号的产品构成所需的控制回路，从而可以自由地集成FCS。

现场总线分散功能块
FCS 废弃了DCS 的输入/输出单元和控制站, 把DCS 控制站的功能块分散地分配给现场仪表, 从而构成虚拟控制站，彻底地实现了分散控制。

现场总线通信线供电
通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量, 这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表, 与其配套的还有安全栅。

现场总线开放式互联网
现场总线为开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。

从以上内容我们可以看到，现场总线体现了分布、开放、互联、高可靠性的特点，而这些正是DCS系统的缺点。

DCS通常是一对一单独传送信号，其所采用的模拟信号精度低，易受干扰，位于操作室的操作员对模拟仪表往往难以调整参数和预测故障，处于“失控”状态，很多的仪表厂商自定标准，互换性差，仪表的功能也较单一，难以满足现代的要求，而且几乎所有的控制功能都位于控制站中。

FCS则采取一对多双向传输信号，采用的数字信号精度高、可靠性强，设备也始终处于操作员的远程监控和可控状态，用户可以自由按需选择不同品牌种类的设备互联，智能仪表具有通信、控制和运算等丰富的功能，而且控制功能分散到各个智能仪表中去。

由此我们可以看到FCS相对于DCS的巨大进步。

也正是由于FCS的以上特点使得其在设计、安装、投运到正常生产都具有很大的优越性：首先由于分散在前端的智能设备能执行较为复杂的任务，不再需要单独的控制器、计算单元等，节省了硬件投资和使用面积；FCS的接线较为简单，而且一条传输线可以挂接多个设备，大大节约了安装费用；由于现场控制设备往往具有自诊断功能，并能将故障信息发送至控制室，减轻了维护工作；同时，由于用户拥有高度的系统集成自主权，可以通过比较灵活选择合适的厂家产品；整体系统的可靠性和准确性也大为提高。

这一切都帮助用户实现了减低安装、使用、维护的成本，最终达到增加利润的目的。

现场总线发展趋势
从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势：
一、是寻求统一的现场总线国际标准。

二、是Industrial Ethernet走向工业控制网络。

EPA即以太网过程自动化技术。

统一、开放的TCP/IP Ethernet是20多年来发展最成功的网络技术，过去一直认为，Ethernet（以太网）是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。

事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA技术（Ethernet for Process Automation）也取得了很大的进展。

随着FF HSE的成功开发以
及PROFInet的推广应用，可以预见Ethernet技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。

国际上形成的工业以太网技术的四大阵营：
主要用于离散制造控制系统的是：
1）Modbus-IDA工业以太网
2)Ethernet/IP工业以太网
3）PROFInet工业以太网
主要用于过程控制系统的是：
4)Foundation Fieldbus HSE工业以太网
随着科学技术的快速发展，过程控制领域在过去的两个世纪里发生了巨大的变革。

150多年前出现的基于5－13psi的气动信号标准（PCS，Pneumatic Control System气动控制系统），标志着控制理论初步形成，但此时尚未有控制室的概念；20世纪50年代，随着基于0－5V或4－20mA的电流模拟信号的模拟过程控制体系被提出并得到广泛的应用，标志了电气自动控制时代的到来，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础，设立控制室、控制功能分离的模式也一直沿用至今；20世纪70年代，随着数字计算机的介入，产生了“集中控制”的中央控制计算机系统，而信号传输系统大部分是依然沿用4－20mA的模拟信号，不久人们也发现了伴随着“集中控制”，该系统存在着易失控、可靠性低的缺点，并很快将其发展为分布式控制系统（DCS，Distributed Control System分布式控制系统）；微处理器的普遍应用和计算机可靠性的提高，使分布式控制系统得到了广泛的应用，由多台计算机和一些智能仪表以及智能部件实现的分布式控制是其最主要的特征，而数字传输信号也在逐步取代模拟传输信号。

随着微处理
器的快速发展和广泛的应用，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，产生了以微处理器为核心，使用集成电路代替常规电子线路，实施信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。

设备之间彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更高的要求。

由此，导致了现场总线的产生。

2.国际标准发展历程
1984年美国Inter公司提出一种计算机分布式控制系统-位总线（BITBUS），它主要是将低速的面向过程的输入输出通道与高速的计算机总线多（MULTIBUS）分离，形成了现场总线的最初概念。

80年代中期，美国Rosemount 公司开发了一种可寻址的远程传感器（HART）通信协议。

采用在4～20mA模拟量叠加了一种频率信号，用双绞线实现数字信号传输。

HART协议已是现场总线的雏形。

1985年由Honeywell和Bailey等大公司发起，成立了World FIP制定了FIP协议。

1987年，以Siemens，Rosemount，横河等几家著名公司为首也成立了一个专门委员会互操作系统协议（ISP）并制定了PROFIBUS协议。

后来美国仪器仪表学会也制定了现场总线标准IEC/ISA SP50。

随着时间的推移，世界逐渐形成了两个针锋相对的互相竞争的现场总线集团：一个是以Siemens、Rosemount，横河为首的ISP集团；另一个是由Honeywell、Bailey等公司牵头的WorldFIP集团。

1994年，两大集团宣布合并，融合成现场总线基金会（Fieldbus Foundation）简称FF。

对于现场总线的技术发展和制定标准，基金委员会取得以下共识：共同制定遵循IEC/ISA SP50协议标准；商定现场总线技术发展阶段。

1999年底IEC TC65(负责工业测量和控制的第65标准化委员会)通过了8种类型的现场总线作为IEC61158国际标准。

2003年4月，IEC61158 Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准，规定10种类型的现场总线：TS61158现场总线、ControlNet和Ethernet/IP现场总线、Profibus现场总线、P-NET现场总线、FF HSE现场总线、SwiftNet现场总线、World FIP现场总线、Interbus现场总线、FF H1现场总线、PROFInet 现场总线。

国内工业总线EPA，G-link,Symotion与NCUC-BUS
现场总线总线现状
由于各个国家各个公司的利益之争，虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA）就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍未完成。

很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。

现场总线总线并存
世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的FIP，英国的ERA，德国西门子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemount公司的HART，CarloGavazzi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。

这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有80%左右的市场。

工业总线网络可归为三类：485网络、HART网络、FieldBus现场总线网络。

485网络：RS485/MODBUS是现在流行的一种工业组网方式，其特点是实施简单方便，而且支持RS485的仪表又特别多。

仪表商也纷纷转而支持RS485/MODBUS，原因很简单，RS485的转换接口不仅便宜而且种类繁多。

至少在低端市场上，RS485/MODBUS仍将是最主要的工业组网方式。

HART网络：HART是由艾默生提出的一个过渡性总线标准，主要特征是在4-20毫安电流信号上面叠加数字信号，但该协议并未真正开放，要加入他的基金会才能拿到协议，而加入基金会要一定的费用。

HART技术主要被国外几家大公司垄断，近些年国内也有公司在做，但还没有达到国外公司的水平。

有很多智能仪表带有[HART圆卡]，支持HART通讯功能。

但从国内情况来看，还没有真正用到这部分功能来进行设备联网监控，最多只是利用手操器对其进行参数设定。

从长远来看，由于HART通信速率低、组网困难等原因，HART仪表的应用将呈下滑趋势。

FieldBus现场总线网络：现场总线是当今自动化领域的热点技术之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。

它的出现标志着自动化控制技术又一个新时代的开始。

现场总线是连接控制现场的仪表与控制室内的控制装置的数字化、串行、多站通信的网络。

其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字化通信。

现
场总线技术成为国际上自动化和仪器仪表发展的热点，它的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化，使自控系统朝着“智能化、数字化、信息化、网络化、分散化”的方向进一步迈进，形成新型的网络通信的全分布式控制系统——现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)。

然而，现场总线还没有形成真正统一的标准，ProfiBus、CANbus、CC-Link等多种标准并行存在，并且都有自己的生存空间。

何时统一，遥遥无期。

支持现场总线的仪表种类还比较少，可供选择的余地小，价格又偏高，用量也较小。

现场总线注意事项
现场总线逐渐在工业现场推广，不少设备不但具有传统仪表的功能，而且还具备现场总线的功能、在DCS中，现场总线被广泛应用。

现场总线在使用中需要注意以下几个问题：1）通信距离。

现场总线的通信距离一般有一定的要求，例如，PROFIBUS/DP在12Mbps速率时，采用标准电缆，可以达到200m，如果采用187.5kbps速率，可以达到1 000m。

通信距离有两层含义，第一个，是两个节点之间不通过中继器能够实现的距离，一般来说，距离和通信速率成反比；另一个，是整个网络最远的两个节点之间的距离。

往往在厂家的介绍材料中对于此类的描述不够清楚，在实际使用中，必须考虑整个网络的范围，电磁波信号在电缆中传递是需要时间的，特别在—些高速的现场总线中，如果增大距离，就必须对一些通信参数进行修改；2）线缆选择。

现场的环境决定现场总线的通信速度和通信介质。

一般而言，现场总线采用电信号传递数据，在传输的过程中不可避免地收到周围电磁环境的影响。

大多数现场总线采用屏蔽双绞线。

必须注意的是，不同种类现场总线要求的屏蔽双绞线可能是不同的。

现场总线的开发者一般规定一种特制的线缆，在正确使用这种线缆的条件下才能实现规定的速率和
传输距离。

在电磁条件极度恶劣的条件下，光缆是合理的选择，否则局部的干扰，可能影响整个现场总线网络的工作；3）隔离。

一般来说，现场总线的电信号与设备内部是电气隔离的。

现场总线电缆分布在车间的各个角落，一旦发生高电压串入，会造成整个网段所有设备的总线收发器损坏。

如果不加以隔离，高电压信号会继续将设备内部其他电路损坏，导致严重的后果；4）屏蔽。

现场总线采用的屏蔽电缆的外层必须在一点良好接地，如果高频干扰严重，可以采用多点电容接地，不允许多点直接接地，避免产生地回路电流；5）连接器。

现场总线一般没有对连接器做严格的规定，但是如果处理不当，会影响整个系统通信。

例如，现场总线一般采用总线型菊花链连接方式，在连接每一个设备时，必须注意如何不影响在现有通信的条件下，实现设备插入和摘除，这对连接器就有一定的要求；6）终端匹配。

现场总线信号和所有电磁波信号一样具有反射现象，在总线每一个网段的两个终端，都应该采用电阻匹配，第一个作用可以吸收放射，第二个作用是在总线的两端实现正确的电平，保证通信。

因此，现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，它的出现和快速发展体现了控制领域对降低成本、提高可靠性、增强可维护性和提高数据采集的智能化的要求。

现场总线应用领域
每种总线大都有其应用的领域，比如FF、PROFIBUS-PA适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域；LonWorks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet 适用于楼宇、交通运输、农业等领域；DeviceNet、PROFIBUS-DP适用于加工制造业，而这些划分也不是绝对的，每种现场总线都力图将其应用领域扩大，彼此渗透。

现场总线背景
大多数的现场总线都有一个或几个大型跨国公司为背景并成立相应的国际组织，力图扩大自己的影响、得到更多的市场份额。

比如PROFIBUS以Siemens公司为主要支持，并成立了PROFIBUS国际用户组织。

WorldFIP以Alstom公司为主要后台，成立了WorldFIP国际用户组织。

现场总线地区标准
为了加强自己的竞争能力，很多总线都争取成为国家或者地区的标准，比如PROFIBUS已成为德国标准，WorldFIP已成为法国标准等。

现场总线制造商
为了扩大自己产品的使用范围，很多设备制造商往往参与不止一个甚至多个总线组织。

现场总线协调
由于竞争激烈，而且还没有哪一种或几种总线能一统市场，很多重要企业都力图开发接口技术，使自己的总线能和其他总线相连，在国际标准中也出现了协调共存的局面。

工业自动化技术应用于各行各业，要求也千变万化，使用一种现场总线技术也很难满足所有行业的技术要求；现场总线不同于计算机网络，人们将会面对一个多种总线技术标准共存的现实世界。

技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约；技术标准不仅是一个技术规范，也是一个商业利益的妥协产物。

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

现场总线市场态势
现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，几乎涵盖了所有连续、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。

现场总线技术的发展体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的不断发展和完善；另一个是高速现场总线技术的发展。

而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。

从实际应用状况看，大多数现场总线，都能较好地实现速率要求较低的过程控制。

因此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个市场。

由于FF基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商，其全球影响力日益增加，但其在中国市场营销力度似乎不足，市场份额不是很高，LonWorks形成了全面的分工合作体系，在国内有一些实质性的进展，在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面，LonWorks 则具有独特的优势。

在离散制造加工领域，由于行业应用的特点和历史原因，Profibus和CAN经在这一领域形成了自己的优势，具有较强的竞争力。

国内厂商的规模相对较小，研发能力较差，更多的是依赖技术供应商的支持，比较容易受现场总线技术供应商(芯片制造商等)对国内的支持和市场推广力度的影响。

而且，还有一个不可忽视的一点就是在构建自动化管理系统时，选择的上位机，比如组态软件对总线设备的支持程度，有些监控组态软件，比如紫金桥监控组态软件或者InTouch等对一些主流的总线设备比如Lonworks、PROFIBUS、CAN 等有着良好的支持，通过DDE、OPC或者直接连接等方式进行通讯，采集数据。

这样可以方便用户的选择，而一些组态软件则支持的种类较少，是用户选择的范围也随之减少。

3.常用现场总线介绍
OPC工业标准
OPC(OLE for Process Control, 用于过程控制的OLE)是一个工业标准，管理这个标准国际组织是OPC基金会，OPC基金会现有会员已超过220家。

遍布全球，包括世界上所有主要的自动化控制系统、仪器仪表及过程控制系统的公司。

基于微软的OLE(现在的Active X)、COM (部件对象模型)和DCOM (分布式部件对象模型)技术。

OPC包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统。

OPC全称是OLE for Process Control，它的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。

在过去，为了存取现场设备的数据信息，每一个应用软件开发商都需要编写专用的接口函数。

由于现场设备的种类繁多，且产品的不断升级，往往给用户和软件开发商带来了巨大的工作负担。

通常这样也不能满足工作的实际需要，系统集成商和开发商急切需要一种具有高效性、可靠性、开放性、可互操作性的即插即用的设备驱动程序。

在这种情况下，OPC标准应运而生。

OPC标准以微软公司的OLE技术为基础，它的制定是通过提供一套标准的OLE/COM接口完成的，在OPC技术中使用的是OLE 2技术，OLE 标准允许多台微机之间交换文档、图形等对象。

工业以太网总线
由于自动化技术从单机控制发展到工厂自动化FA，发展到系统自动化。

工厂自动化信息网络可分为以下三层结构：工厂管理级、车间监控级、现场设备级，而现场总线是工厂底层设备之间的通信网络。

这里先介绍一下以太网，本文特指工业以太网，工业以太网是作为办公室自动化领域衍生的工业网络协议，按习惯主要指IEEE 802.3协议，如果进一步采用TCP/IP协议族，则采用“以太网+TCP/IP”来表示，其技术特点主要适合信息管理、信息处理系统，并在IT业得到了巨大的成功。

在工厂管理级、车间监控级信息集成领域中，工业以太网已有不少成功的案例，在设备层对实时性没有严格要求场合也有许多应用。

由于现场总线种类繁多，标准不一，很多人都希望以太网技术能介入设备低层，广泛取代现有现场总线技术，施耐德公司就是该想法的积极倡导者和实践者，已有一批工业级产品问世和实际应用。

以太网还不能够真正解决实时性和确定性问题，大部分现场层仍然会首选现场总线技术。

由于技术的局限和各个厂家的利益之争，这样一个多种工业总线技术并存，以太网技术不断渗透的现状还会维持一段时间。

用户可以根据技术要求和实际情况来选择所需的解决方案
CAN
CAN(Control Area Network控制器局域网)由德国BOSCH公司推出用于汽车内部测量与执行部门之间的数据通信。

国内在三表系统及楼宇自控系统中得到应用。

最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被
ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。

CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。

CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。

CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M /1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。

已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。

FF H1
基金会现场总线（FoundationFieldbus 简称FF）
这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。

该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。

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），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。

FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。

后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。

FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。

(1)IEC技术报告(即FF的H1)。

现场总线基金会(FF) 成立以来进展比较快, 推动了现场总线的研究和产品开发。

在现场。