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现场总线论

摘要

现场总线作为一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统，近年来得到了迅猛的发展和应用。

用于过程自动化、制造自动化、电力自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。

它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。

为此本文阐述了现场总线的发展和现场总线技术在各个代表性领域的应用。

关键词：

现场总线技术，发展，应用 

ABSTRACT

Fieldbusasanopen,all-digital,two-way,multi-stationcommunicationsysteminrecentyearshasbeentherapiddevelopmentandapplication.Forprocessautomation,manufacturingsiteinterconnectionofsmartdevicescommunicationsnetworkautomation,electricalautomation,buildingautomationandotherfields.Itasthebasisforplantdigitalcommunicationnetwork,communicationlinksandwithahigherlevelofcontrolandmanagementofproductionprocessesandbetweenthefield-levelcontroldevices.Thispaperdescribesthedevelopmentoffieldbusandfieldbustechnologyapplicationsinvariousfieldsforthisrepresentation.

Keywords:

Fieldbustechnology、Develop、Application

目录

摘要Ⅰ

目录1

第一章绪论2

1.1引言2

1.2现场总线技术3

1.2.1　现场总线技术定义3

1.2.2现场总线特征3

1.2.3现场总线的网络结构5

1.2.4现场总线的通讯协议6

1.2.5现场总线的种类8

1.2.6现场总线的优点14

1.3国内现场总线的发展趋势14

第二章现场总线的应用16

2.1现场总线在锅炉控制系统中的应用16

2.1.1工艺流程简介16

2.1.2控制系统的技术特点16

2.2现场总线在楼宇自动化中的应用17

2.2.1楼宇自动化中应用的主要现场总线技术17

2.3汽车制造中的应用18

第3章总结19

第一章绪论

1.1引言

　　对于每一个复杂的控制系统都是由各种各样的传感器、变送器等检测设备组成，以便及时地将现场设备的运行状态和被控对象的各种参数反应到控制器或控制计算机，从而实现整个系统的精确控制。

随着通信技术的发展，传送数字化信息的网络技术得到广泛应用。

与此同时，基于质量分析的维护管理、与安全相关系统的测试记录、环境监视需求的增加，都要求仪表能在当地处理信息，并在必要时允许被管理和访问，这些也使现场仪表与上级控制系统的通信量大增。

另外，从实际应用的角度出发，控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新需求。

由此，导致了现场总线的产生。

现场总线的出现，为数据采集和系统控制提供了一种新的手段。

现场总线就是用于现场智能化装置与控制室自动化系统之间的一个标准化的数字式通信链路，可进行全数字化、双向、多站总线式的信息数字通信，实现相互操作以及数据共享。

现场总线的主要目的是用于控制、报警和事件报告等工作。

现场总线通信协议的基本要求是响应速度和操作的可预测性的最优化。

现场总线是一个低层次的网络协议，在其之上还允许有上级的监控和管理网络，负责文件传送等工作。

1.2现场总线技术

1.2.1　现场总线技术定义

现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。

也就是说，现场总线是以单个分散的，数字化智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。

现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。

它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场级设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。

它不仅是一个基层网络，而且是一种开放式、新型全分布式的控制系统。

这项以智能传感、控制计算机、数据通信为主要内容的组合技术，已受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点，并将自动化系统结构与设备的深刻变革。

它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。

1.2.2现场总线特征

现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有以下几项技术特征。

（1）现场设备已成为以微处理器为核心的数字化设备，彼此通过传输媒体（双绘线、同轴电缆或光纤）以总线拓扑相连；

（2）网络数据通信采用基带传输（即数字数据数字传输），数据传输速率高（为Mbit/s或10Mbit/s级），实时性好，抗干扰能力强；

（3）废气了集散控制系统（DCS）中的I/O控制站，将这一级功能分配给通信网络完成； 

（4）分散的功能模块，便于系统维护、管理与扩展，提高可靠性； 

（5）开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互连设备与控制级网络或管理信息级网络相连； 

（6）互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需要的网络。

现场总线控制系统FCS（fieldbuscontrolsystem）作为新一代控制系统，一方而，突破了DCS（distributedcontrolsystem）系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能，同时把DCS集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。

可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。

1.2.3现场总线的网络结构

现场总线是集控制、计算机、通讯技术于一身的结果。

计算机与通讯的结合，产生了计算机网络。

计算机网络与控制设备的结合孕育了现场总线控制系统。

网络技术是现场总线控制系统的重要基础，网络化是自动化系统结构发展的方向。

现场总线的网络拓扑结构有：

环型、总线型、树型以及上述几种类型的混合。

环型拓扑结构中以令牌环形网最为典型，其优点是延时性较好，缺点是成本较高。

总线网的优点是站点接入方便，可扩充性较好，成本较低，在轻负载的网络基本上没有时延，但在站点多、通讯任务重时，延时明显加大。

缺点是时延的不确定性，对某些实时应用不利。

树型网是总线网的一种变型，其优点是可扩充性好，有较宽的频带，缺点是站点间通讯不方便。

总线网的争用使它不适于实时处理某些突发事件，令牌环形网中的令牌绕环一周的时间虽然有一个上限，但在轻负载时性能不太好，可靠性比总线网差些，综合这两种网的优点，在现场总线中采用了令牌总线网，即在物理上是一个总线网，在逻辑上是一个令牌网。

令牌总线网具有总线网接入方便、可靠性较好的优点，也具有令牌环形网“无冲突”和时延性好的优点。

从现场总线的数据存取、传送、操作方法来分可分为四种工作模式：

对等

（PeertoPeer）、主从（Cllent/Serverc/s）及网络计算结构（NetworkComputingArchitectureNCA）。

对等和主从工作模式发展较早，也获得了广泛应用。

在80年代发展c/s方式，90年代出现了NCA方式。

网络互连既是扩展现场总线地域、规模、功能的需要，也是不同结构、不同操作系统结构网互连的需要。

网络扩展与网络互连需要一个中间设备（或中间系统），ISO的术语称为中继（Relay）系统。

根据中继系统所在的不同网络层次有4种中继系统：

物理层中继系统，即中继器（Repeater）：

数据链路层中继系统，即网桥或桥接器（Bridge）：

网络层中继系统，即路由器（Router）：

网络层以上中继系统，即网关（Gateway）。

高层的中继系统比低层中继系统复杂，网关连接两个不同的异构网，不但要连接网络间数据传送的通道，而且还需要进行协议的转换，是最复杂的一种中继设备。

1.2.4现场总线的通讯协议

随着计算机应用日益普及，越来越多的用户要求把多个厂家的计算机系统联网运行。

为解决异种计算机互连运行的难题，人们迫切要求建立一系列的国际标准。

1978年，ISO建立了一个新的“开放系统互连”分技术委员会，起草了“开放系统互连基本参考模型”，1983年成为ISO7498正式国际标准，到1986年又对该标准进行了补充完善。

形成了为异种计算机互连所提供的一个共同的标准规范。

这就是ISO/OSI国际标准组织的开放系统互连模型。

网络协议是为了保证现场总线中各站点通过网络互相通讯的一套规则和约定。

网络协议具有层次结构，其优点是：

各层次独立、灵活，易于实现和维护，易于标准化。

开放系统互连模型是现场总线技术的基础，OSI按通信功能分为7个层次，从连接物理媒介的底层开始，其底3层完成通信传送功能，4--7层完成通讯处理功能。

应用层--表达层--会话层--传输层--网络层--数据链路层--物理层。

物理层为用户提供建立、保持和断开物理连接的功能，即提供同步和双向传输流在物理媒体上的传输手段。

但它并不包括物理媒体本身。

数据链路层用于保证信息的可靠传递，对互连开放系统的通路实行差错控制、数据成帧、同步控制等。

网络层规定了网络连接的建立、维护与拆除协议，利用链路传输功能，以及端口选择和串连功能，实现两个网络系统之间的连接。

传输层可完成开放互连系统端点之间的数据传送控制，数据接收确认以及传输差错恢复。

会话层的功能是按正确的顺序收发数据，进行各种对话。

表达层用于应用层信息内容的形式变换，把应用层提供的信息变为能够共同理解的形式。

应用层作为051模型的最高层，用于用户的应用服务提供信息交换，为应用接口提供操作标准。

现场总线网络互连模型既参照ISO/OSI模型，又具有自己的特点：

协议是分层的，但层次之间的调用关系不一定像OSI那样严格，层次也可简化，以提高协议的工作效率；既要遵循OSI模型体系结构原则，又要考虑FCS的特点，满足FCS的特殊要求：

在现场总线参数模型中，既遵循开放系统集成的原则，又充分体现FCS的特点和特殊要求。

1.2.5现场总线的种类

从20世纪90年代以后，现场总线技术得到了迅猛发展，出现了群雄并起、百家争鸣的局面。

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，其中最具有影响力的有5种，分别是FF、Lon Works、Profibus、CAN和HART。

1．FF（FoundationFieldbus）：

基金会现场总线

基金会现场总线FF（FoundationFieldbus）是针对过程自动化而设计，它是通过数字、串行、双向的通信方法来连接现场装置的。

FF通信不是简单的数字4-20mA信号，而是使用复杂的通信协议，它可连接能执行简单的闭环算法（如PID）的现场智能装置。

一个通信段可配置32个现场装置，通信速度为31。

25kb/s，每段最大通信距离为1900m。

基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。

H1的传输速率为31.25kbps，通信距离可达1900m（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。

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、光缆和无线发射，协议符合IECll58—2标准。

其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。

2．ProfiBUS（ProcessFieldBus）：

过程现场总线

ProfiBUS，是由以西门子为首的13家公司和5家科研机构在联合开发的项目中制定的标准化规范，1996年ProfiBUS成为德国国家标准DIN19245，同时又是欧洲标准EN50170，符合国际标准IEC61158-2。

ProfiBUS是功能强大、开放、稳定的现场总线，响应时间非常快。

目前的ProfiBUS有三种系列ProfiBUS-DP、ProfiBUS-PA和ProfiBUS-FMS。

PROFIBUS-DP用于设备级的高速数据传输，通过高速串行线CPU与分散的现场设备进行通信，大多数数据传输是周期性的，并保证总线循环时间比控制器循环时间短。

部分智能化现场设备还需要非周期性通信以进行配置、诊断与报警处理。

应用于现场级，实现分散的外围设备之间的高速数据传输，它采用RS-485传输。

PROFIBUS-DP具有开放性，可连接不同厂商的控制元件（带DP口），形成一个兼容、完善的控制系统，有利于提高系统的灵活性和可移植性，是业界用于现场级最快的总线标准。

Profibus主要由德国西门子公司支持，是按照ISO/OSI参考模型制订的现场总线德国国家标准。

Profibus由三部分组成，即Profibus-FMS、Profibus-DP及Profibus-PA。

其中，FMS主要用于非控制信息的传输，PA主要用于过程自动化的信号采集及控制，Profibus-DP是制造业自动化主要应用的协议内容，是满足用户快速通信的最佳方案，传输速度为12Mb/s。

扫描1000个I/O点的时间少于1ms。

3．LONWORKS（LocalOperatingNetwork）：

局部操作网络

LonWorks总线是美国ECHELON公司开发，并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场总线技术。

它采用了OSI参考模型全部的七层协议结构。

LonWorks技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron芯片。

Neuron芯片实现完整的LonWorks的LonTalk通信协议。

其上集成有三个8位CPU。

一个CPU完成OSI模型第一和第二层的功能，称为介质访问处理器。

一个CPU是应用处理器，运行操作系统与用户代码。

还有一个CPU为网络处理器，作为前两者的中介，它进行网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理等。

由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。

LonWorks支持多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活。

LonWorks应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。

 通信速率从3000bps至1.5Mbps不等，直接通信距离可达2700m（78kbps，双绞线），支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品。

4．CAN（Control1erAreaNetwork）：

控制局域网络

CAN总线，是德国Bosch公司及几个半导体集成电路制造商开发出来的用于汽车监测和控制部件之间的数据通信。

其总线规范现己被ISOTC22技术委员会国际标准组织制订为国际标准，广泛地应用于各行各业。

在现场总线中，它是唯一被批准为国际标准的现场总线。

CAN的通信速率为5kbps/l0km、1Mbps/40m。

CAN是所有总线中最为可靠的。

CAN总线可采用双绞线、同轴电缆或光纤作为传输介质，但不能用于防爆区。

通讯距离与波持率有关，最大通讯距离可达10km，最大通讯波持率可达1Mdps。

CAN总线仲裁用11位（CAN2.0A协议）和29位（CAN2.0B协议）标识和非破坏性位仲裁总线结构机制，可以确定数据块的优先级，保证在网络节点冲突时最高优先级点不需要冲突等待。

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

图1CAN的分层结构和功能

CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。

CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。

CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。

CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。

当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。

CAN支持多主方式工作，网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。

它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。

CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。

当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。

CAN支持多主方式工作，网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。

它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。

5．HART（HighwayAddressableRemoteTransducer）：

HART是HighwayAddressableRemoteTransduer的缩写。

最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。

这种被称为可寻址

远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。

HART通信模型由3层组成:

物理层、数据链路层和应用层。

物理层采用

FSK（FrequencyShiftKeying）技术在4～20mA模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用Bell202国际标准;数据传输速率为1200bps,逻辑“0”的信号频率为2200Hz，逻辑“1”的信号传输频率为1200Hz。

数据链路层用于按HART通信协议规则建立HART信息格式。

其信息构成包括开头码、显示终端与现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等。

其数据字节结构为1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位，1个终止位。

应用层的作用在于使HART指令付诸实现，即把通信状态转换成相应的信息。

它规定了一系列命令;按命令方式工作。

它有3类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备理解、执行的命令;第二类称为一般行为命令，它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现场设备的功能库;第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命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3类命令。

HART支持点对点主从应答方式和多点广播方式。

按应答应方式工作时的数据更新速率为2～3次/ｓ,按广播方式工作时的数据更新速率为3～4次/ｓ,它还可支持两个通信主设备。

总线上可挂设备数多达15个，每个现场设备可有256个变量，每个信息最大可包含4个变量。

最大传输距离3000m，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，可满足本安防爆要求。

1.2.6现场总线的优点

现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。

（1）、节省硬件数量与投资。

（2）、节省安装费用。

（3）、节省维护开销。

（4）、标准化的现场总线具有“开放”的通信接口，允许用户选用不同制造商生产的分散I/O装置和现场设备。

1.3国内现场总线的发展趋势

现场总线技术传入中国已经好几年了，前几年我们主要是了解学习和宣传，然后开始开发和应用。

由于中国经济正处于起飞阶段，市场潜力巨大，各种现场总线的主要支撑企业都看好中国市场，他们在中国展开了激烈的竞争。

竞争的集中体现是在国内引起现场总线协议的争论。

争论的焦点是哪种现场总线更好。

国内现场总线的发展趋势是：

①多种现场总线在国内展开激烈竞争，竞争的重点是应用工程；②国内自己开发的现场总线产品开始投入市场；③国内各行业的现场总线应用工程迅速发展。

国内企业要推广现场总线产品，目前的主要困难是：

①产品尚不成熟；②扩充和配齐品种规格所需的开发力量（资金和人才）不足；③市场开发的投入不足。

因此国内企业应欢迎国外企业在我国开发市场和推广应用。

现场总线的市场打开后，国内企业销售产品会轻松得多。

第二章现场总线的应用

2.1现场总线在锅炉控制系统中的应用 

我国的锅炉产业发展迅猛，但运行热效率低,浪费能源，污染环境，自动化改造的任务十分紧迫;我国工业锅炉控制系统发展大致经过五个阶段：

1）手工控制阶段； 

2）专用仪表控制阶段 ；

3）电动单元组合控制阶段；     

4）计算机控制阶段（分布式控制系统DCS）；  

5）现场总线控制阶段 。

经典的PID 控制往往不易达到最佳的控制状态采用更先进的控制策略势在必行。

2.1.1工艺流程简介

燃料和空气按一定比例进入锅炉内燃烧，生成热量传给蒸发系统产生饱和蒸汽，经过过热器使饱和蒸汽成为有一定温度和压力的过热蒸汽，并且汇集到过热联箱，经主气阀供负荷设备使用； 

燃烧过程中产生的烟气除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，通过省煤器预热锅炉的给水，通过烟道引导，经过除尘器和引风机处理，达到国家排放标准，最后通过烟囱进入大气。

2.1.2控制系统的技术特点

（1）由各子系统的计算机进行自动控制 ，降低了产品成本；  Ø 

（2）系统稳定、可靠、精度高、维护成本低、系统互换性； 

（3）采用现场总线技术，实现多级分层控制、集中管理、信息共享； Ø

（4）主、辅工作站集中在中央控制室，便于设备和人员的集中管理。

2.2现场总线在楼宇自动化中的应用

随着计算机、控制与通信技术的飞速发展，特别是近年来房地产业的持续升温，楼宇自动化系统（BAS）技术也在不断改善、更新。

楼宇自动化管理着建筑物内大量分散的机电设备，使大楼变得更加安全、经济与舒适。

一般而言，楼宇自动化系统由暖通空调、变配电、给排水、照明、保安及消防等子系统组成；对其它独立子系统，如电梯、广播、电缆电视等系统，则可根据需要将工作状态监视及紧急状态下越级控制权赋予BAS的监控中心。

我国现有的智能建筑中，楼宇自动化程度普遍不高。

国内绝大多数楼宇自动化系统一般由世界著名公司成套提供，包括传感器、阀门、执行器、控制器、上位机、监控软件等。

2.2.1楼宇自动化中应用的主要现场总线技术 

智能建筑中广泛使用的主要有两种：

BACnet和LonWorks。

1） BACnet：

 1987年，美国暖通空调工程师