[转帖]现场总线──跨世纪的自控新技术

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             现场总线──跨世纪的自控新技术
什么是现场总线？有人把现场总线定义为应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行数字通信的系统，也有人把它称为开放式、数字化、多点通信技术，可被广泛应用于制造业、流程工业、楼宇、交通等处的自动化系统中。
现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。它们分别通过普通双绞线等多种途径进行信息传输联络，把多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统，把公开、规范的通信协议，在位于生产控制现场的多个微机化自控设备之间、以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。它给自动化领域带来的变化，如计算机网络、如互联网给单台计算机带来的变化。如果说，计算机网络把人类引入到信息时代，那么现场总线则使自控系统与设备加入到信息网络的行列，成为企业信息网络的底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。因此把现场总线技术出现说成是标志着一个自动化新时代的开端并不过分。
现场总线技术的开发始于80年代。随着微处理器与计算机功能的不断增强、价格急剧降低、计算机与计算机网络系统得到迅速发展，信息沟通联络的范围不断扩大。而处于企业生产过程基层的测控自动化系统，由于仍在通过开关、阀门、传感测量仪表间的一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或者只能采用某种自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”，严重制约了其本身的发展。要实现企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、可靠性高、实时性强、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信、实现底层现场设备之间、以及自动化与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。国际标准化组织、北美、欧洲等许多国家的仪表控制界，陆续开始着手现场总线标准制定与技术开发。由于行业、地域、经济利益等多种原因，本应是统一标准、开放互连的控制通信网络目前已经在不同领域形成了颇具影响的几大总线系列。人们正期待着统一的国际标准形成。
现场总线是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术的产物。它把微处理器置入现场自控设备、使设备具有数字计算和数字通信能力，这一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制信息的内容，实现其远程传送创造了条件。在现场总线的环境下，借助现场总线网段以及与之有通信连接的其它网段，实现异地远程自动控制，如操作远在数百公里之外的电气开关等。现场总线设备与传统自控设备相比，拓宽了信息内容，提供传统仪表所不能提供的如阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态。由于现场总线强调遵循公开统一的技术标准，因而有条件实现设备的互操作性和互换性。也就是说，用户可以把不同厂家、不同品牌的产品集成在同一个系统内，并可在同功能的产品之间进行相互替换，使用户具有了自控设备选择、集成的主动权。
现场总线可采用多种途径传送数字信号，如用普通电缆、双绞线、光导纤维、红外线、甚至电力传输线等，因而可因地制宜，就地取材，构成控制网络。一般在由两根普通导线制成的双绞线上，可挂接几十个自控设备，与传统的设备间一对一的接线方式相比，可节省大量线缆、槽架、连接件，同时，由于所有的连线都变得简单明了，系统设计、安装、维护的工作量也随之大大减少。另外，现场总线还支持总线供电，即两根导线在为多个自控设备传送数字信号的同时，还为这些设备传送工作电源。可以看到，采用现场总线具有诸多好处，可以为企业节省开支，创造经济效益。
现场总线既是通信网络，又是自控系统。它作为通信网络，不同于日常用于声音、图像、文字传送的网络，它所传送的是接通、关断电源，开关阀门的指令与数据，直接关系到处于运行操作过程之中的设备、人身的安全，要求信号在粉尘、噪声、电磁干扰等较为恶劣的环境下能够准确、及时到位，同时还具有节点分散、报文简短等特征，它作为自动化系统，在系统结构上发生了较大变化，其显著特征是通过网络信号的传送联络，可由单个节点、也可由多个网络节点共同完成所要求的自动化功能，是一种由网络集成的自动化系统。
由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。该项技术的开发，可带动整个工业控制、楼宇自动化、仪表制造、工业控制、计算机软硬件等行业的技术、产品的更新换代。它的出现，为我国自动化仪表行业和自控领域提供了良好的机遇，也提出了严峻的挑战。

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                 现场总线的概念及特征
现场总线的概念是随着微电子技术的发展，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能后，于1984年左右提出的。现场总线一般定义为：一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式，数字化，双向串行，多节点的通信总线。其主要特征：
1．数字式通信方式取代设备级的模拟量（如4-20mA,0-5V等信号）和开关量信号；
2．在车间级与设备级通信的数字化网络；
3．现场总线是工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化革命；
4．现场总线使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层。使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场；
5．在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。
现场总线是工业控制系统的新型通讯标准，是基于现场总线的低成本自动化系统技术。现场总线技术的采用将带来工业控制系统技术的革命。采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。
作为连接生产现场的仪表、控制器等自动化装置的通讯网络，现场总线是九十年代在国际兴起的新一代全分布式控制系统的核心技术。伴随着数字化时代的来临，现场总线控制系统(Fieldbus Control System, FCS)必将成为工业自动化的主流。
现场总线控制系统有如下优点：
全数字化
将企业管理与生产自动化有机结合一直是工业界梦寐以求的理想，但只有在FCS出现以后这种理想才有可能高效、低成本地实现。在采用FCS的企业中，用于生产管理的局域网能够与用于自动控制的现场总线网络紧密衔接。此外，数字化信号固有的高精度、抗干扰特性也能提高控制系统的可靠性。
全分布
在FCS中各现场设备有足够的自主性，它们彼此之间相互通信，完全可以把各种控制功能分散到各种设备中，而不再需要一个中央控制计算机，实现真正的分布式控制。
双向传输
传统的4~20mA电流信号，一条线只能传递一路信号。现场总线设备则在一条线上即可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制信息。
自诊断
现场总线仪表本身具有自诊断功能，而且这种诊断信息可以送到中央控制室，以便于维护，而这在只能传递一路信号的传统仪表中是做不到的。
节省布线及控制室空间
传统的控制系统每个仪表都需要一条线连到中央控制室，在中央控制室装备一个大配线架。而在FCS系统中多台现场设备可串行连接在一条总线上，这样只需极少的线进入中央控制室，大量节省了布线费用，同时也降低了中央控制室的造价。
多功能仪表
数字、双向传输方式使得现场总线仪表可以摆脱传统仪表功能单一的制约，可以在一个仪表中集成多种功能，做成多变量变送器，甚至集检测、运算、控制与一体的变送控制器。
开放性
1999年底现场总线协议已被IEC 批准正式成为国际标准，从而使现场总线成为一种开放的技术。
互操作性
现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操作，这样就可以在一个企业中由用户根据产品的性能、价格选用不同厂商的产品，集成在一起，避免了传统控制系统中必须选用同一厂家的产品限制，促进了有效的竞争，降低了控制系统的成本。
智能化与自治性
现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至网络故障的情况下独立工作，大大提高了整个控制系统的可靠性和容错能力。
现场总线控制系统通常由以下部分组成：
现场总线仪表、控制器
现场总线线路
监控、组态计算机
这里的仪表、控制器、计算机都需要通过现场总线网卡、通信协议软件连接到网上。因此，现场总线网卡、通信协议软件是现场总线控制系统的基础和神经中枢。

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                      现场总线国际标准化概况
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。目前世界发达国家的自动化仪表公司都投入了巨大的人力、财力，全方位地进行着技术研究和实际应用，期待着成为市场的主宰者。
由于现场总线是以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替0～10mA或4～20mA的现场仪表，以实现全数字化的控制系统，因此在开发及应用过程中的现场总线标准化是本课题的重点。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。
世界各主要现场总线标准协议介绍
现场总线的开发和应用，起源于欧洲，如法国的WORLDFIP、德国的PROFIBUS、丹麦的P-NET等，后来由于美国ROSEMOUNT、HONEYWELL、FOXBORO等著名大公司的参与。使得有强大经济和技术作后盾的美国，在现场总线技术上独领风骚，现场总线基金会的FF协议就是其代表。为了开发应用以及迅速占领相应市场的需要。各国在开发研究的过程中均同步制订了各自的国家标准（或协会标准）．同时投入大量精力，迅速将自己的协议标准转化成各区域标准化组织的标准（如：欧洲标准CENELEC），并用各种标准化手段在强大资金和 技术支持下，对IEC国际现场总线标准的制订进行强有力的技术渗透，以期将自己的协议标准引人IEC标准草案中。从而最终达到使自己的技术、产品占领整个世界市场的目的。
WORLDFIP概况
WORLDFIP协会成立于1987年3月，是以法国几个跨国公司（CEGELEC、GEC-ALSTHOM、施耐德电气公司等）为基础的跨国、跨行业的技术协会，其宗旨是研究、推广FIP（工厂仪表协议）现场总线系列产品和技术。
到目前为止，WORLDFIP协会已拥有100多个成员，生产300多个WORLDFIP现场总线产品。其产品在法国的市场占有率大约60%，在欧洲市场占有大约25%（根据WORLDFIP提供的资料〕的份额。这些产品广泛用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输、地铁等过程自动化领域。 WORLDFIP是一个开放的系统，不同领域都可以使用，不同厂家生产的装置可以实现互连，当然这必须以WORLDFIP协议标准作为基础。 WORLDFIP协议是一个完整的标准，1996年6月WORLDFIP被采纳为欧洲标准EN 5017O－3。WORLDFIP产品已有多年应用经验，技术相当成熟，准备在中国建立WORLDFIP技术维护中心。
PROFIBUS概况
1984年，德国慕尼黑大学的一位教授提出了PROFIBUS的技术构想，从这以后，联邦德国科技部组织十几家生产自动化控制系统的公司和研究院所。根据ISO 7489标准以开放系统互联网络作为参考模型，开始制订现场总线的德国国家标准，并同时研制PROFIBUS现场总线产品。1991年PROFIBUS德国国家标准DIN 19245…（1-4）发布。
经过10多年的开发、生产和应用，PROFIBUS现场总线已形成系列产品，并在各个自动化控制领域得到广泛应用。到目前为止，PROFIBUS用户协会PNO已拥有605个成员，他们遍布于欧洲、美洲、亚洲、非洲和澳大利亚。这些成员中的150多家生产厂生产800多个PROFIBUS产品。PROFIBUS在欧洲市场的占有率大约40％（根据PROFIBUS提供的资料）。
PROFIBUS是一个开放的现场总线标准，是一种不依赖于厂家的开放式现场总线标准，它可广泛应用于制造加工和建筑等自动化领域。采用PROFIBUS标准系统，不同厂商所生产的设备不须对其接口进行特别调整就可通信，PROFIBUS可用于高速并对时间苛求的数据传输，也可用于大范围的复杂通信场合。
P-NET
这种总线技术是由丹麦的几家自动化系统公司、大学与"美国物理学会"（APS）在丹麦联合开发的。随后这项技术在丹麦逐渐成熟，并且投入实际运行。为了使这项技术迅速推向世界，在丹麦成立?quot;美国物理学会国际P-NET用户组织"，由这个组织负责此项技术的标准化和技术推广工作。经过"美国物理学会国际P-NET用户组织"的全力工作，P-NET协议也于1996年成为了欧洲标准EN 50170一1，从而确立了这项技术的国际地位。
据了解，P-NET技术主要应用在农业灌溉和水厂自动化系统中。
欧洲现场总线标准EN 50170
鉴于来自自动化系统用户的强大压力：总线技术必须标准化，德国、法国、丹麦等国为了使本国的现场总线产品迅速占领更多的市场份额，它们分别对国际电工委员会（IEC）和欧洲电工标准化委员会（CEN-ELEC）展开了强大的技术"公关"工作。在国际IEC现场总线标准迟迟不能发布的情况下，欧洲电工标准化委员会经过艰难的协调，终于在1996年6月推出了欧洲标准EN 50170（1-3）。
但是，EN 50170实际上是欧洲三大总线协议：德国的PROFIBUS、法国的WORLDFIP，和丹麦的P-NET的文件汇编。EN 50170无论从技术内容上，还是从文本格式上都完全保留了三项协议的原始体系，实际上没有解决现场总线协议的国际化统一。这正是国际现场总线产品"多极化"发展的一个缩影。
FF（Fieldbus Foundation）概况
FF现场总线基金会是由WORLDFIP NA（北美部分，不包括欧洲）和ISP Foundation于1994年6月联合成立的，它是一个国际性的组织，其目标是建立单一的、开放的、可互操作的现场总线国际标准。这个组织给予了IEC现场总线标准起草工作组以强大的支持。这个组织目前有l00多成员单位，包括了全世界主要的过程控制产品及系统的生产公司。1997年4月这个组织在中国成立了中国仪协现场总线专业委员会（CFC）。致力于这项技术在中国的推广应用。
FF成立的时间比较晚，在推出自己的产品和把这项技术完整地应用到工程上相对于PROFIBUS和WORLDFIP要晚。但是。正由于FF是1992年9月成立的，是以Fisher Rosemount公司为核心的ISP（可互操作系统协议）与WORLDFIP NA两大组织合并而成的，因此这个组织具有相当实力：目前FF在IEC现场总线标准的制订过程中起着举足轻重的作用。

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为促进CAN以及CAN协议的发展，1992在欧洲成立了CiA(CAN in Automation)。在CiA的努力推广下，CAN技术在汽车电子控制系统、电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等方面均得到了广泛的应用。现已有400多家公司加入了CiA，CiA已成为全球应用CAN技术的权威。 在组网和通信功能上的优点以及它的高性能价格比决定了它在许多领域都有广阔的应用前景和发展潜力。大型仪器设备系统复杂，对多种信息进行采集、处理、控制、输出等操作。如医疗器械CT断层扫描仪，为保证其可靠工作，在数据通信上要求功能块间可随意进行数据交换、通信能以广播方式进行、简单经济的硬件接口、通信线尽量少、抗干扰能力强、可靠性高并能自动进行故障识别和自动恢复。但是，这些要求长时间未能得到很好的解决，直至CAN总线技术出现才提供了一个较好的解决方法。测控系统中离不开传感器，由于各类传感器的工作原理不同，其最终输出的电量形式也各不相同，为了便于系统连接，通常要考虑将传感器的输出变换成标准电压或电流信号。即便是这样，在与计算机相连时，必须增加A/D环节。如果传感器能以数字形式输出，就可以方便地与计算机直接相连，从而简化系统结构，提高精度。这种传感器与计算机相连的总线可称为传感器总线。实际上传感器总线仍属于现场总线，关键的问题在于如何将总线接口与传感器一体化。在广泛的工业控制领域，CAN总线可作为现场设备级的现场总线，与其它总线相比，具有很高的可靠性和性价比。这必将是CAN技术开发应用的一个主要方向。在以往的国内测控领域，由于没有更好的选择，大多采用BITBUS或RS-485作为通信总线。其不足主要有：一主多从，无冗余；数据通信为命令响应，传输率低；错误处理能力弱。采用CAN总线技术后即可解决上述问题。CAN网络上任何一个节点均可作为主节点主动地与其它节点交换数据；CAN网络节点的信息帧可以分出优先级，这对于有实时性要求的控制提供了方便；CAN的物理层及数据链路层有独特的设计技术，使其在抗干扰以及错误检测等方面的性能均大大提高。CAN的上述特点使其成为诸多工业测控领域中首选的现场总线之一。
根据国内外资料报道，CAN技术已应用于家用电器和智能楼宇以及小区建设中。如安防系统、抄表系统、家电控制等。它投资少，每个节点可以随机访问，通信速度完全满足要求，且在这类应用中数据交换量都很少。适当的网关如CAN与TCP/IP协议的转换，可以使一个居室或一栋大楼的现场CAN信息转变为Internet的形式外传，或反过来通过这类网关把外部网传来的信息转换为CAN的形式，此即实现了所谓的远程控制。

sxf539

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peterthegreatlu

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grhuizl

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chengmin

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acc4444

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