现场总线及通讯协议

现场总线及通讯协议
现场总线的现状和未来发展
一、引言
计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统（DCS）后，今后将朝着现场总线控制系统的方向发展。

现场总线(field bus)是指现场仪表和数字控制系统输入输出之间的全数字化、双向、多站的通讯系统。

二、现场总线的产生
纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大外因的推动下占领市场的主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生也不例外。

1、模拟仪表控制系统
模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。

其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。

2、集中式数字控制系统
集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。

采用单片机、PLC、SLC 或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。

集中式数字控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制机时的选择上可以统一调度和安排；不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。

3、集散控制系统（DCS）
集散控制系统（DCS）于八、九十年代占主导地位。

其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。

因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。

在集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技
术的发展和应用，遗憾的是，不同的DCS厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层Intranet、Internet信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系统且DCS造价昂贵。

在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的迫切要求。

4、现场总线控制系统（FCS）
FCS正是顺应以上潮流而诞生，它用现场总线这一开放的，具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。

因此，FCS实质是一种开放的、具可互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为21世纪控制系统的主流产品。

三、现场总线及现场总线控制系统
1、现场总线的概念
现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络，遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。

FCS则是用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统
2、现场总线与局域网的区别
（1）按功能比较，现场总线连接自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备，网线上传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传输速率低，但实时性高。

简而言之，现场总线是一种实时控制网络。

局域网用于连接局域区域的各台计算机，网线上传输的是大批量的数字信息，如文本、声音、图像等，传输速率高，但不要求实时性。

从这个意义而言，局域网是一种高速信息网络。

（2）按实现方式比较现场总线可采用各种通讯介质，如双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等，实现成本低。

局域网需要专用电缆，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。

3、现场总线的特点
在传统的DCS中，体现的是集中管理与分散控制的思想。

其结构体系可描述为“三站一线”，即工程师站、操作员站、I/O站和通信网络。

工程师站负责系统管理、控制组态、系统生成与下装；操作员站实现控制系统的控制操作、过程状态显示、历史数据的收集、报警状态显示以及趋势显
示和报表生成打印等；现场I/O站实现各种信号的采集和处理、回路的运算和控制结果输出等；通信网络负责提供各种功能站之间的数据通信和联络。

现场总线的突出特点在于它克服了DCS系统中通信由封闭的专用网络系统实现中所产生的缺陷，把基于封闭专用的解决方案变成基于公开标准化的解决方案；同时把集中与分散相结合的DCS集散控制结构，变成新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。

现场总线的特点主要表现在以下几个方面：（1）以数字信号完全取代传统DCS的4～20mA模拟信号，且双向传输信号。

一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大为减少，连线设计与接头校对工作量也大为减少。

同时，通信总线延伸到现场传感器、变送器、控制器和伺服机构，操作人员在控制室就能实现主控系统对现场设备的在线监视、诊断、校验和参数整定, 从而提高了系统的精度、可监视性和抗干扰能力，节省了硬件数量与投资。

（2）相对于传统的DCS三层结构而言，现场总线在结构上只有现场设备和操作管理站两个层次，将传统DCS的I/O控制站并入现场智能设备，取消了I/O模件，现场仪表都是内装微处理器的，它们各自进行采样、A/D 转换、线性化或校正运算处理、报警判断以及控制算法功能等，输出的结果直接送到邻近的调节阀上，完全不需要经过控制室主控系统，从根本上改变了传统DCS集中与分散相结合的结构体系，实现了结构上的彻底分散。

（3）总线网络系统是开放的。

将系统集成的权力交给用户，用户可以按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成规模各异的系统。

因而现场总线称为自动化领域的开放互连系统，其开放性和互操作性体现在可以用不同厂家的现场仪表去替换出现故障的另一厂家的现场仪表，更换后通信能够恢复正常，同时又可以查询新的现场仪表的自身信息。

四、现场总线的未来
（1）能否出现全世界统一的现场总线标准
（2）现场总线能否全面取代现时风靡世界的DCS系统。

五、现场总线的发展现状
现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。

目前已开发出有40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，较流行的有5种，分别是FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks（性能对照见表1）
表1 5种现场总线性能对照表
在现场总线标准的研究制订过程中，出现过多种企业集团或组织，通过不断的竞争，到1994年在国际上基本上形成了两大阵营，一个以
Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议；另一个以Honeywell公司为首，联合欧洲150家公司制订的World FIP协议。

这两大集团于1994年合并，成立现场总线基金会(Fieldbus Foundation,FF)，致力于开发国际上统一的现场总线协议。

FF的体系结构参照ISO/OSI模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链路层和应用层，另外增加了用户层。

FF提供两种物理标准：H1和H2。

H1
为用于过程控制的低速总线，速率为31.25kbps,传输距离为200m、400m、1200m和1900m四种。

H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。

物理传输介质可支持双绞线、同轴电缆和光纤，协议符合IEC1158-2标准。

（2）Profibus现场总线
它是作为德国国家标准和欧洲国家标准的现场总线标准。

该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。

它采用OSI模型的物理层、数据链路层。

分散化的外围设备(DP)型隐去了第3层至第7层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口；现场总线信息规范(FMS)型则只隐去第三至第六层，采用了应用层。

过程自动化(PA)型的标准目前还处于制定过程之中。

其最大传输速率为12Mbps,传输距离为100m和400m，传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。

（3）LonWork(Local Operating Network局部操作网)现场总线
它是由美国Echelon公司于1990年正式推出的。

它采用ISO/OSI模型的全部7层协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其最大传输速率为1.5Mbps,传输距离为2700m，传输介质可以是双绞线、光缆、射频、红外线和电力线等。

采用的LonTalk 协议被封装在Neuron芯片中，内含三个8位微处理器，一个负责介质访问控制，一个负责网络处理，一个负责应用处理。

（4）控制局域网(Control Area Network，CAN)控制网络
最早由德国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。

CAN结构模型取ISO/OSI模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链路层和应用层。

通信速率最高可达1Mbps，通信距离最远可达10000m。

物理传输介质可支持双绞线，最多可挂接设备110个。

CAN在我国的应用较早，我国华控技术公司基于CAN协议开发了SDS智能分布式系统；和利时公司开发的HS2000系统的内部网络就是应用CAN［3］。

（5）HART（Highway Addressable Remote Tranducer可寻址远程传感器数据通路）美国Rosemount公司1989年推出，主要应用于智能变送器。

HART为一过渡性标准，它通过在4-20mA电源信号线上叠加不同频率的正弦波（2200HZ表“0”，1200HZ表“1”）来传送数字信号，从而保证了数字系统和传统模拟系统的兼容性，其数字通信由于采用调制/解调方式，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强的竞争力，得到了较快的发展。

预计其生命周期为最近20年。

HART通讯协议简介
HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。

HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过10多年的发展，HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。

HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbps。

由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。

在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4-20mA传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。

HART通信采用的是半双工的通信方式，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。

HART 规定了一系列命令，按命令方式工作。

它有三类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、都执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备（尽管不是全部）中实现，这类命令包括最常用的的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便于工作在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。

在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。

HART采用统一的设备描述语言DDL。

现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。

但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。

HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。