现场总线技术的现状与发展趋势

1现场总线技术的现状与发展趋势荣应超摘要：现场总线技术是当今自动化领域技术发展的热点之一，它是现场控制技术与现代电子、计算机、通讯技术结合的产物，现场设备的智能化及可互连和互操作性，有助于现场总线控制系统进一步向分散化、智能化、网络化方向发展。本文介绍了现场总线技术产生的背景及现状，现场总线的标准和未来的发展趋势。关键词：现场总线现状趋势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。它是工业控制的底层网络，与执行器、传感器等直接打交道，属于局域网的范畴。一、现场总线技术产生的背景随着计算机、信息技术的发展，以及全球化市场的逐渐形成，导致竞争力更加剧烈。工业生产必须加快新产品的开发，改善质量，降低成本，并不断的完善售前售后服务，才能在剧烈的竞争中立于不败之地。于是，计算机集成制造系统也就应运而生，它把市场、生产计划、制造过程、企业管理、售后服务看作要统一的生产过程，并采用计算机、自动化、通信等技术来实现整个过程的综合自动化，以改善生产和管理的决策。要实现计算机集成制造系统，就是要把整个过程各个环节之间的信息交换，一是要使用大量的电缆，成本高，二是信号在传输过程中会产生电磁干扰，影响环境温度，产生粉尘、有害气体等，影响信号传输的可靠性。要实现企业的信息集成和实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的，可靠性强、造价低廉的通信系统，形成工业底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需要的驱动下应运而生的，它应用现场总线技术将现场各控制器及智能仪表设备互联，构成现场总线控制系统。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线就是顺应这一形式发展起来的新技术。二、现场总线标准由于市场的驱动，世界各大控制系统厂家都相继开发了各自的现场总线产品，现场总线标准繁多。要想达到开放、兼容、互操作和各总线间互联的目的，就必须实行大家都遵守的国际标准。国际IEC/TC65标准化组织为统一现场总线通信协议，在10多年工作中，通过争论与妥协，于1999年12月底通过了8种总线标准的折中方案。这8种总线的类型是：IEC技术报告（FF即H1）、CONTROLNET、PROFIBUS、P-NET、FF、HSE、SWIFTNET、WOLDFIP、INTERBUS，再加上IECTC17B通过的3种现场总线国际标准，即SDS、ASI与DeviceNet，还有ISO11898的CAN，共有12种之多。IEC/TC65负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作的SC65C/WG6，是最先开始现场总线标准化工作的组织。1、基金会现场总线（FoundationFieldbus简称FF）2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。2、CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域网）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。3、Lonworks它由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部7层通讯协议，采用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。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距离可达2700m（78Kbit/s），被誉为通用控制网络。Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron（神经元）的芯片中，并得以实现。采用Lonworks技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。三种种典型的现场总线（协议）性能对照表----------------------------------------------------------------------------------------------------------现场总线类型-----------------------------------------------------------------FFCANLonWorks----------------------------------------------------------------------------------------------------------应用范围仪表汽车楼与自动化OSI网络层次12,3,81,2,71~7通信介质双绞线、电缆双绞线双绞线、电力线光纤光纤光纤3介质访问方式令牌、位仲裁P-PCSMA主从纠错方式CRCCRCCRC通信速率（Mbps）2.511.25最大节点数321102的48次方优先级有有有保密性———本安性是是是开发工具有有有------------------------------------------------------------------------------------------------------------三、发展趋势从现场总线技术本身分析，具有两个明显发展趋势。一是寻求统一的现场总线国际标准。二是IndustrialEthernet走向工业控制网络统一、开放的TCP/IPEthernet是20多年来发展最成功的网络技术，过去一直认为，Ethernet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（EthernetforProcessAutomation）也取得了很大的进展。随着FFHSE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。四、体会（1）现场总线技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。（2）传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的、4-20mA/24VDC信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的信息孤岛，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。（3）基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络，构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。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。