现场总线技术发展及应用

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/系统之间的一种串行、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。

1.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。

(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200~1 900 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。此外，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，功能模块

的目录信息。

2.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，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。

3.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、Profibus、和FF总线。

（1）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。

（2）Lon Works

Lon 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