控製係統的發展以及現場總線的產生

　　 隨著科學技術的快速發展
，過程控製領域在過去的兩個世紀裏發生了巨大的變革。150多年前出現的基於5－13psi的氣動信號標準（PCS
，Pneumatic Control System氣動控製係統），標誌著控製理論初步形成，但此時尚未有控製室的概念；20世紀50年代，隨著基於0－10mA或4－20mAdedianliumonixinhaodemoniguochengkongzhitixibeitichubingdedaoguangfandeyingyong，biaozhiledianqizidongkongzhishidaidedaolai
，sandakongzhilundequelidiandinglexiandaikongzhidejichu，shelikongzhishi、控製功能分離的模式也一直沿用至今；20世紀70年代

，隨著數字計算機的介入，產生了“集中控製”的中央控製計算機係統，而信號傳輸係統大部分是依然沿用4－20mA的模擬信號
，不久人們也發現了伴隨著“集中控製”
，該係統存在著易失控、可靠性低的缺點
，並很快將其發展為分布式控製係統（DCS
，Distributed Control System分布式控製係統）
；微(wei)處(chu)理(li)器(qi)的(de)普(pu)遍(bian)應(ying)用(yong)和(he)計(ji)算(suan)機(ji)可(ke)靠(kao)性(xing)的(de)提(ti)高(gao)
，使(shi)分(fen)布(bu)式(shi)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)得(de)到(dao)了(le)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)

，由(you)多(duo)台(tai)計(ji)算(suan)機(ji)和(he)一(yi)些(xie)智(zhi)能(neng)儀(yi)表(biao)以(yi)及(ji)智(zhi)能(neng)部(bu)件(jian)實(shi)現(xian)的(de)分(fen)布(bu)式(shi)控(kong)製(zhi)是(shi)其(qi)最(zui)主(zhu)要(yao)的(de)特(te)征(zheng)，而(er)數(shu)字(zi)傳(chuan)輸(shu)信(xin)號(hao)也(ye)在(zai)逐(zhu)步(bu)取(qu)代(dai)模(mo)擬(ni)傳(chuan)輸(shu)信(xin)號(hao)。隨(sui)著(zhe)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)的(de)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)和(he)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)，數(shu)字(zi)通(tong)信(xin)網(wang)絡(luo)延(yan)伸(shen)到(dao)工(gong)業(ye)過(guo)程(cheng)現(xian)場(chang)成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)，產(chan)生(sheng)了(le)以(yi)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)為(wei)核(he)心(xin)，使(shi)用(yong)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)代(dai)替(ti)常(chang)規(gui)電(dian)子(zi)線(xian)路(lu)，實(shi)施(shi)信(xin)息(xi)采(cai)集(ji)
、顯示
、處理

、傳輸以及優化控製等功能的智能設備。設備之間彼此通信、控製，在精度、可操作性以及可靠性
、可維護性等都有更高的要求。由此
，導致了現場總線的產生。

　　 現場總線的實質和優點

　　 1984年，現場總線的概念得到正式提出。IEC（International Electrotechnical Commission,國際電工委員會）對現場總線（Fieldbus）的定義為：現場總線是一種應用於生產現場
，在現場設備之間、現場設備和控製裝置之間實行雙向
、串形、多結點的數字通信技術。

　　 不同的機構和不同的人可能對現場總線有著不同的定義，不過通常情況下，大家公認現場總線的本質　　 體現在以下六個方麵：

　　 現場通信網絡
　　 用於過程自動化和製造自動化的現場設備或現場儀表互連的現場通信網絡。

　　 現場設備互聯
　　 依據實際需要使用不同的傳輸介質把不同的現場設備或者現場儀表相互關聯。

　　 互操作性
　　 用戶可以根據自身的需求選擇不同廠家或不同型號的產品構成所需的控製回路
，從而可以自由地集成FCS。

　　 分散功能塊
　　 FCS 廢棄了DCS 的輸入/輸出單元和控製站, 把DCS 控製站的功能塊分散地分配給現場儀表, 從而構成虛擬控製站，徹底地實現了分散控製。

　　 通信線供電
　　 通信線供電方式允許現場儀表直接從通信線上攝取能量, 這種方式提供用於本質安全環境的低功耗現場儀表, 與其配套的還有安全柵。

　　 開放式互聯網絡
　　 現場總線為開放式互聯網絡
，既可以與同層網絡互聯
，也可與不同層網絡互聯，還可以實現網絡數據庫的共享。

　　 從以上內容我們可以看到，現場總線體現了分布、開放、互聯
、高可靠性的特點，而這些正是DCS係統的缺點。DCStongchangshiyiduiyidanduchuansongxinhao，qisuocaiyongdemonixinhaojingdudi
，yishouganrao
，weiyucaozuoshidecaozuoyuanduimoniyibiaowangwangnanyitiaozhengcanshuheyuceguzhang
，chuyu“失控”狀態，很多的儀表廠商自定標準，互換性差，儀表的功能也較單一，難以滿足現代的要求，而且幾乎所有的控製功能都位於控製站中。FCS則采取一對多雙向傳輸信號，采用的數字信號精度高、可靠性強，設備也始終處於操作員的遠程監控和可控狀態，用戶可以自由按需選擇不同品牌種類的設備互聯，智能儀表具有通信、控製和運算等豐富的功能
，而且控製功能分散到各個智能儀表中去。由此我們可以看到FCS相對於DCS的巨大進步。

　　 也正是由於FCS的以上特點使得其在設計
、安裝、投運到正常生產都具有很大的優越性：首先由於分散在前端的智能設備能執行較為複雜的任務，不再需要單獨的控製器、計算單元等
，節省了硬件投資和使用麵積；FCS的接線較為簡單，而且一條傳輸線可以掛接多了設備
，大大節約了安裝費用；由於現場控製設備往往具有自診斷功能，並能將故障信息發送至控製室，減輕了維護工作；同時
，由於用戶擁有高度的係統集成自主權
，可以通過比較靈活選擇合適的廠家產品；整體係統的可靠性和準確性也大為提高。這一切都幫助用戶實現了減低安裝、使用、維護的成本，最終達到增加利潤的目的。

　　 現場總線的現狀

　　 由於各個國家各個公司的利益之爭，雖然早在1984年國際電工技術委員會/國際標準協會（IEC/ISA）就jiu著zhe手shou開kai始shi製zhi定ding現xian場chang總zong線xian的de標biao準zhun，至zhi今jin統tong一yi的de標biao準zhun仍reng未wei完wan成cheng。很hen多duo公gong司si也ye推tui出chu其qi各ge自zi的de現xian場chang總zong線xian技ji術shu，但dan彼bi此ci的de開kai放fang性xing和he互hu操cao作zuo性xing還hai難nan以yi統tong一yi。目mu前qian現xian場chang總zong線xian市shi場chang有you著zhe以yi下xia的de特te點dian：

　　 多種現場總線並存
　　 目前世界上存在著大約四十餘種現場總線，如法國的FIP，英國的ERA，德國西門子公司Siemens的ProfiBus
，挪威的FINT
，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus
，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux

，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，國際標準組織-基金會現場總線FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus
，美國的DeviceNet與ControlNet等等。這些現場總線大都用於過程自動化、醫藥領域、加工製造、交通運輸、國防、航天、農業和樓宇等領域，大概不到十種的總線占有８０％左右的市場。

　　 各種總線都有其應用的領域
　　 每種總線大都有其應用的領域

，比如FF、PROFIBUS-PA適用於石油、化工

、醫藥

、冶金等行業的過程控製領域；LonWrks
、PROFIBUS-FMS、DevieceNet適用於樓宇、交通運輸


、農業等領域

；DeviceNet、PROFIBUS-DP適用於加工製造業，而這些劃分也不是絕對的，每種現場總線都力圖將其應用領域擴大，彼此滲透。

　　 每種現場總線都有其國際組織和支持背景
　　 大多數的現場總線都有一個或幾個大型跨國公司為背景並成立相應的國際組織，力圖擴大自己的影響、得到更多的市場份額。比如PROFIBUS以Siemens公司為主要支持，並成立了PROFIBUS國際用戶組織WorldFIP以Alstom公司為主要後台，成立了WorldFIP國際用戶組織。

　　 多種總線成為國家和地區標準
　　 為了加強自己的競爭能力，很多總線都爭取成為國家或者地區的標準，比如PROFIBUS已成為德國標準
，WorldFIP已成為法國標準等。

　　 設備製造商參與多個總線組織
　　 為了擴大自己產品的使用範圍
，很多設備製造商往往參與不止一個甚至多個總線組織。

　　 各個總線彼此協調共存
　　 youyujingzhengjilie，erqiehaimeiyounayizhonghuojizhongzongxiannengyitongshichang，henduozhongyaoqiyedoulitukaifajiekoujishu，shizijidezongxiannengheqitazongxianxianglian


，zaiguojibiaozhunzhongyechuxianlexietiaogongcundejumian。

　　 工業自動化技術應用於各行各業

，要求也千變萬化，使用一種現場總線技術也很難滿足所有行業的技術要求；現場總線不同於計算機網絡
，人們將會麵對一個多種總線技術標準共存的現實世界。技術發展很大程度上受到市場規律、商業利益的製約；技ji術shu標biao準zhun不bu僅jin是shi一yi個ge技ji術shu規gui範fan，也ye是shi一yi個ge商shang業ye利li益yi的de妥tuo協xie產chan物wu。而er現xian場chang總zong線xian的de關guan鍵jian技ji術shu之zhi一yi是shi彼bi此ci的de互hu操cao作zuo性xing，實shi現xian現xian場chang總zong線xian技ji術shu的de統tong一yi是shi所suo有you用yong戶hu的de願yuan望wang。

　　 主流現場總線簡介

　　 下麵就幾種主流的現場總線做一簡單介紹。

　　 1基金會現場總線（FoundationFieldbus 簡稱FF）

這是以美國Fisher-Rousemount公司為首的聯合了橫河、ABB、西門子、英維斯等80家公司製定的ISP協議和以Honeywell公司為首的聯合歐洲等地150餘家公司製定的WorldFIP協議於1994年9月合並的。該總線在過程自動化領域得到了廣泛的應用，具有良好的發展前景。

　　 基金會現場總線采用國際標準化組織ISO的開放化係統互聯OSI的簡化模型（1，2
，7層），即物理層、數據鏈路層、應用層
，另外增加了用戶層。FF分低速H1和高速H2兩種通信速率

，前者傳輸速率為31.25Kbit/秒，通信距離可達1900m，可支持總線供電和本質安全防爆環境。後者傳輸速率為1Mbit/秒和2.5Mbit/秒
，通信距離為750m和500m，支持雙絞線
、光纜和無線發射
，協議符號IEC1158-2標準。FF的物理媒介的傳輸信號采用曼切斯特編碼。

　　 CAN（ControllerAreaNetwork 控製器局域網）
　　 最早由德國BOSCH公司推出，它廣泛用於離散控製領域，其總線規範已被ISO國際標準組織製定為國際標準
，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協議分為二層：物理層和數據鏈路層。CAN的信號傳輸采用短幀結構，傳輸時間短，具有自動關閉功能
，具有較強的抗幹擾能力。CAN支持多主工作方式
，並采用了非破壞性總線仲裁技術
，通過設置優先級來避免衝突
，通訊距離最遠可達10KM/5Kbps/s，通訊速率最高可達40M /1Mbp/s
，網絡節點數實際可達110個。目前已有多家公司開發了符合CAN協議的通信芯片。

　　 Lonworks
　　 它由美國Echelon公司推出，並由Motorola、Toshiba公司共同倡導。它采用ISO/OSI模型的全部７層通訊協議，采用麵向對象的設計方法
，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線等多種通信介質
，通訊速率從300bit/s至1.5M/s不等
，直接通信距離可達2700m（78Kbit/s），被譽為通用控製網絡。Lonworks技術采用的LonTalk協議被封裝到Neuron（神經元）的芯片中
，並得以實現。采用Lonworks技術和神經元芯片的產品
，被廣泛應用在樓宇自動化、家庭自動化
、保安係統、辦公設備、交通運輸、工業過程控製等行業。

　　 DeviceNet
　　 DeviceNet是一種低成本的通信連接也是一種簡單的網絡解決方案，有著開放的網絡標準。DeviceNet具有的直接互聯性不僅改善了設備間的通信而且提供了相當重要的設備級陣地功能。DebiceNet基於CAN技術，傳輸率為125Kbit/s至500Kbit/s,每個網絡的最大節點為64個
，其通信模式為：生產者/客戶（Producer/Consumer），采用多信道廣播信息發送方式。位於DeviceNet網絡上的設備可以自由連接或斷開，不影響網上的其他設備，而且其設備的安裝布線成本也較低。DeviceNet總線的組織結構是Open DeviceNet Vendor Association（開放式設備網絡供應商協會
，簡稱“ODVA”）。

　　 5PROFIBUS

　　 PROFIBUS是德國標準（DIN19245）和歐洲標準（EN50170）的現場總線標準。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS－FMS

、PROFIBUS－PA係列組成。DP用於分散外設間高速數據傳輸，適用於加工自動化領域。FMS適用於紡織、樓宇自動化
、可編程控製器、低壓開關等。PA用於過程自動化的總線類型，服從IEC1158－２標準。PROFIBUS支持主-從係統、純主站係統
、多主多從混合係統等幾種傳輸方式。　　 PROFIBUS的傳輸速率為9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大傳輸距離在9.6Kbit/s下為1200m，在12Mbit/s小為200m，可采用中繼器延長至10km，傳輸介質為雙絞線或者光纜，最多可掛接127個站點。

　　 6HART

　　 HART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫，最早由Rosemount公司開發。其特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信
，屬於模擬係統向數字係統轉變的過渡產品。其通信模型采用物理層
、數據鏈路層和應用層三層，支持點對點主從應答方式和多點廣播方式。由於它采用模擬數字信號混和，難以開發通用的通信接口芯片。HART能利用總線供電
，可滿足本質安全防爆的要求，並可用於由手持編程器與管理係統主機作為主設備的雙主設備係統。

　　 7CC-Link

　　 CC-Link是Control&Communication Link（控製與通信鏈路係統）的縮寫，在1996年11月，由三菱電機為主導的多家公司推出
，其增長勢頭迅猛，在亞洲占有較大份額。在其係統中，可以將控製和信息數據同是以10Mbit/s高速傳送至現場網絡，具有性能卓越、使用簡單、應用廣泛
、節省成本等優點。其不僅解決了工業現場配線複雜的問題，同時具有優異的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一個以設備層為主的網絡，同時也可覆蓋較高層次的控製層和較低層次的傳感層。2005年7月CC-Link被中國國家標準委員會批準為中國國家標準指導性技術文件。

　　 8WorldFIP

　　 WorkdFIP的北美部分與ISP合並為FF以後
，WorldFIP的歐洲部分仍保持獨立
，總部設在法國。其在歐洲市場占有重要地位

，特別是在法國占有率大約為60%。WorldFIP的特點是具有單一的總線結構來適用不同的應用領域的需求
，而且沒有任何網關或網橋，用軟件的辦法來解決高速和低速的銜接。WorldFIP與FFHSE可以實現“透明聯接”，並對FF的H1進行了技術拓展，如速率等。在與IEC61158第一類型的連接方麵，WorldFIP做得最好，走在世界前列。

　　 INTERBUS
　　 INTERBUS是德國Phoenix公司推出的較早的現場總線，2000年2月成為國際標準IEC61158。INTERBUS采用國際標準化組織ISO的開放化係統互聯OSI的簡化模型（1，2，7層），即物理層、數據鏈路層、應用層，具有強大的可靠性、可診斷性和易維護性。其采用集總幀型的數據環通信，具有低速度
、高效率的特點，並嚴格保證了數據傳輸的同步性和周期性；該總線的實時性、抗幹擾性和可維護性也非常出色。INTERBUS廣泛地應用到汽車、煙草、倉儲、造紙、包裝、食品等工業，成為國際現場總線的領先者。

此外較有影響的現場總線還有丹麥公司Process-Data A/S 提出的P-Net
，該總線主要應用於農業、林業、水利、食品等行業；SwiftNet現場總線主要使用在航空航天等領域，還有一些其他的現場總線這裏就不再贅述了。

　　 現場總線的發展和以太網

　　 現場總線技術是控製、計算機、通訊技術的交叉與集成，幾乎涵蓋了所有連續
、離散工業領域，如過程自動化
、製造加工自動化、樓半自動化

、家庭自動化等等。它的出現和快速發展體現了控製領域對降低成本、提高可靠性、增強可維護性和提高數據采集的智能化的要求。現場總線技術的發展體現為兩個方麵：一個是低速現場總線領域的不斷發展和完善；另(ling)一(yi)個(ge)是(shi)高(gao)速(su)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)。而(er)目(mu)前(qian)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)產(chan)品(pin)主(zhu)要(yao)是(shi)低(di)速(su)總(zong)線(xian)產(chan)品(pin)，應(ying)用(yong)於(yu)運(yun)行(xing)速(su)率(lv)較(jiao)低(di)的(de)領(ling)域(yu)，對(dui)網(wang)絡(luo)的(de)性(xing)能(neng)要(yao)求(qiu)不(bu)是(shi)很(hen)高(gao)。從(cong)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)狀(zhuang)況(kuang)看(kan)，大(da)多(duo)數(shu)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)
，都(dou)能(neng)較(jiao)好(hao)地(di)實(shi)現(xian)速(su)率(lv)要(yao)求(qiu)較(jiao)低(di)的(de)過(guo)程(cheng)控(kong)製(zhi)。因(yin)此(ci)，在(zai)速(su)率(lv)要(yao)求(qiu)較(jiao)低(di)的(de)控(kong)製(zhi)領(ling)域(yu)，誰(shui)都(dou)很(hen)難(nan)統(tong)一(yi)整(zheng)個(ge)市(shi)場(chang)。就(jiu)目(mu)前(qian)而(er)言(yan)，由(you)於(yu)FF基金會幾乎集中了世界上主要自動化儀表製造商，其全球影響力日益增加，但其在中國市場營銷力度似乎不足，市場份額不是很高
，LonWorks形成了全麵的分工合作體係

，在國內有一些實質性的進展

，在樓宇自動化、家庭自動化、智能通信產品等方麵，LonWorks則具有獨特的優勢。在離散製造加工領域，由於行業應用的特點和曆史原因，Profibus和CANjingzaizheyilingyuxingchenglezijideyoushi，juyoujiaoqiangdejingzhengli。guoneichangshangdeguimoxiangduijiaoxiao，yanfanenglijiaocha，gengduodeshiyilaijishugongyingshangdezhichi，bijiaorongyishouxianchangzongxianjishugongyingshang (芯片製造商等)對(dui)國(guo)內(nei)的(de)支(zhi)持(chi)和(he)市(shi)場(chang)推(tui)廣(guang)力(li)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)。而(er)且(qie)，還(hai)有(you)一(yi)個(ge)不(bu)可(ke)忽(hu)視(shi)的(de)一(yi)點(dian)就(jiu)是(shi)在(zai)構(gou)建(jian)自(zi)動(dong)化(hua)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)時(shi)
，選(xuan)擇(ze)的(de)上(shang)位(wei)機(ji)，比(bi)如(ru)組(zu)態(tai)軟(ruan)件(jian)對(dui)總(zong)線(xian)設(she)備(bei)的(de)支(zhi)持(chi)程(cheng)度(du)，有(you)些(xie)監(jian)控(kong)組(zu)態(tai)軟(ruan)件(jian)，比(bi)如(ru)紫(zi)金(jin)橋(qiao)監(jian)控(kong)組(zu)態(tai)軟(ruan)件(jian)或(huo)者(zhe)InTouch等對一些主流的總線設備比如Lonworks、PROFIBUS
、CAN等有著良好的支持
，通過DDE、OPChuozhezhijielianjiedengfangshijinxingtongxun
，caijishuju。zheyangkeyifangbianyonghudexuanze，eryixiezutairuanjianzezhichidezhongleijiaoshao，shiyonghuxuanzedefanweiyesuizhijianshao。

　　 由於目前自動化技術從單機控製發展到工廠自動化FA，發展到係統自動化。工廠自動化信息網絡可分為以下三層結構：工廠管理級、車間監控級
、現(xian)場(chang)設(she)備(bei)級(ji)，而(er)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)是(shi)工(gong)廠(chang)底(di)層(ceng)設(she)備(bei)之(zhi)間(jian)的(de)通(tong)信(xin)網(wang)絡(luo)。這(zhe)裏(li)先(xian)介(jie)紹(shao)一(yi)下(xia)以(yi)太(tai)網(wang)
，本(ben)文(wen)特(te)指(zhi)工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)，工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)是(shi)作(zuo)為(wei)辦(ban)公(gong)室(shi)自(zi)動(dong)化(hua)領(ling)域(yu)衍(yan)生(sheng)的(de)工(gong)業(ye)網(wang)絡(luo)協(xie)議(yi)，按(an)習(xi)慣(guan)主(zhu)要(yao)指(zhi)IEEE 802.3協議
，如果進一步采用TCP/IP協議族，則采用“以太網+TCP/IP”來表示，其技術特點主要適合信息管理、信息處理係統
，並在IT業得到了巨大的成功。在工廠管理級
、chejianjiankongjixinxijichenglingyuzhong，gongyeyitaiwangyiyoubushaochenggongdeanli
，zaishebeicengduishishixingmeiyouyangeyaoqiuchangheyeyouxuduoyingyong。youyuxianchangzongxianmuqianzhongleifanduo
，biaozhunbuyi，henduorendouxiwangyitaiwangjishunengjierushebeidiceng，guangfanqudaixianyouxianchangzongxianjishu
，shinaidegongsijiushigaixiangfadejijichangdaozheheshijianzhe

，muqianyiyouyipigongyejichanpinwenshiheshijiyingyong。keshijiumuqianeryan，yitaiwanghaibunenggouzhenzhengjiejueshishixinghequedingxingwenti，dabufenxianchangcengrengranhuishouxuanxianchangzongxianjishu。youyujishudejuxianhegegechangjiadeliyizhizheng，zheyangyigeduozhonggongyezongxianjishubingcun
，yitaiwangjishubuduanshentoudexianzhuanghaihuiweichiyiduanshijian。yonghukeyigenjujishuyaoqiuheshijiqingkuanglaixuanzesuoxudejiejuefangan。

參考資料：《現場總線及其應用技術》　李正軍　編著　機械工業出版社　出版　2006年1月第一版