现场总线技术的应用与发展前景

（武昌理工学院信息工程学院，湖北武汉430223）

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。为此本文阐述了现场总线的发展和多现场总线技术的应用。

关键词：现场总线；总线协议控制器；智能自动化控制系统

中图分类号：TP273文献标识码：A

1．概述

现场总线对自动化技术的影响意义深远，是提高自动化系统整体水平的基础技术，对国民经济影响重大。现场总线技术一直是国际上激烈竞争的领域，我国也不例外。发展我国的现场总线技术与产品已经刻不容缓。因此，要积极在自动化领域中推广应用和发展现场总线技术。近年来发展最快的现场总线网络，因为具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点而受青睐。目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。从目前国内外自动化控制系统所应用的现场总线来看，有基金会现场总线（FF），法国的WorldFIP现场总线，德国的CAN现场总线、PROFIBUS现场总线，美国的Lonworks现场总线、ControlNet和DeviceNet现场总线等等。基于现场总线的自动化控制系统就是通过网络把众多的带有通信接口的控制设备、检测元件、执行器件与主计算机连接起来，由计算机进行智能化管理，实现集中数据处理、集中监控、集中分析和集中调度的新型生产过程控制系统。一项权威报告声称现场总线的应用将使控制系统的成本下降67％。巨大的商业利益直接导致产生一个巨大的市场，从而推进技术进步。现场总线带来了观念的变化，以往开发新产品，往往只注意产品本身的性能指标，对于新产品与其它相关产品的关联考虑比较少。这样，对于一个比较保守的行业来说，新产品就不那么容易地被用户接收。而现场总线产品却恰恰相反，它是一个由用户利益驱动的市场，用户对新产品应用的积极性比生产商更高。然而，现场总线新产品的开发也与传统产品不同；它是从系统构成的技术角度来看问题，它注重的是系统整体性能的提高，不强求局部最优，而是整体的配合最优。这种配合在主控计算机软件运行下能使控制系统应用新的理论来发挥最大的效能；这一点是传统产品很难做到的。现场总线在技术水平提高的同时，掌握和应用这项新技术的难度却降低了，这样，推广使用就更加容易。

2．现场总线的发展

2.1 现场总线的产生

上世纪80年代，微处理器及其相关技术的不断发展，使得数据传送环节成为DCS发展的瓶颈。1982年，现场总线的概念首先在欧洲提出，两年后于1984年各国开始进行现场总线标准的研究和制定。1985年由美国Rosemount公司提出的通讯协议HART（Highway Addressable Remote Transducer,可寻址远程传感器数据通路），主要是在4－20mA的DC信号上叠加FSK（Frepuency Shift Keying,频率调制键控）数字信号，结果取得了很好的效果，同时Interbus等简单的现场总线也都取得了成功。这样DCS的发展的重点落在了现场总线上，开始了被称为第五代过程控制体系（FCS，Fieldbus Control System现场总线控制系统）的时代。

FCS是从DCS发展而来，从表面上来看，像DCS与FCS区别仅仅在于从“集散控制”发展到“现场控制”。数据的传输从“点到点”到采用“总线”方式。然而实际情况却不是如此。由于当时系统论的观点已被广泛地接受，人们开始以大系统的概念来看待整个过程控制体系。系统的增大，导致了网络通讯技术急剧发展，于是人们认识到在计算机系统的发展中起过重要作用的总线技术可以大大地推进控制系统的发展。可以想象整个控制系统就象是一台巨大的“计算机”按总线方式运行，这样资源的共享成了FCS的主要发展空间，于是现场总线应运而生，并且以前所未有的激烈程度展开了市场竞争。

2.2 现场总线的技术基础

现场总线以数字信号取代模拟信号，在3C技术即计算机（Computer）、控制（Control）、通信（Communication）的基础上，大量现场检测与控制的信息就地采集、就地处理、就地使用。许多控制功能从控制室移至现场设备。一大批数字化、智能化的高新技术产品应运而生，自动化仪表与控制系统以崭新的面貌呈现在广大用户面前。按照国际电工委员会IEC61158的标准定义：“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线”。从通信网络体系结构协议来看，一般简化为三层结构，即物理层、数据链路层、应用层。

2.3 几种有影响的现场总线

2.3.1 CAN总线

德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行通信协议。后来推广到各个领域。目前已由ISO/TC22技术委员会批准为ISO11898（通信速率小于1Mbps）和ISO11519（通信速率小于125kbps）。CAN是现场总线中唯一被批准为国际标准的现场总线。值得注意的是一些微处理器的生产商也在微处理器芯片中附加CAN总线的接口，并且成为一种潮流。而其他现场总线的协议芯片基本上是以专用的芯片来供应，这样CAN在低成本方面优势明显，此外，CAN总线技术在抗干扰方面颇有特色。

2.3.2 LonWorks总线

1991年由美国的Echelon公司推出的一种基于嵌入式神经元芯片的现场总线技术。它被广泛地应用在楼宇自动化、保安系统、办公设备、工业过程控制、飞机、火车等领域。LonWorks采用OSI参考模型的全部七层通信协议，这在工业控制网络中是非常少见的。所以它被称为通用的控制网络系统，适应面最广。

2.3.3 ControlNet和DeviceNet总线

20世纪90年代中期由美国Rockwell公司下属的Allen-Bradley公司开发出的两种现场总线。其中ControlNet属于控制层的现场总线技术，已被列为现场总线国际标准IEC61158中的Type3。DeviceNet属于设备级的现场总线技术，2000年6月已被列为现场总线国际标准IEC62026-3。

2.3.4 PROFIBUS总线

以其技术的成熟性、完整性和应用的可靠性等多方面优秀的表现，使其在现场总线技术领域中成为国际市场上的领导者。经过激烈的竞争，在1996年12月了欧洲现场总线的标准EN50170。2006年10月，PROFIBUS总线被批准为中华人民共和国国家标准---GB/T20540-2006，它是目前中国唯一的现场总线国家标准。

3．多现场总线技术

目前，由于现场总线国际标准尚未建立，多种类型的现场总线是数不胜数，需要开发大量的接口产品才能满足不同工程需要。如果仅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS、MODBUS五种著名现场总线为例，要使它们中任意两种不同现场总线能统一于一个智能化配电系统中，仅是协议转换器这种接口产品就要有二十种之多，如果一个系统中有三种或三种以上不同现场总线产品，那麻烦则更大。不少企业，包括一些国际上的大公司为了解决来自不同厂家的产品兼容性问题，都投入了巨大的精力和财力，但收效甚微。随着自动化技术和通信技术的发展，带有通信接口的产品越来越多，而且用户对智能化控制系统可靠性和灵活性有着更高要求，因此在智能化配电系统工程设计中，采用一种现场总线的智能化产品往往不能满足要求，多现场总线产品共存于一个智能化控制系统已成为一个现实的问题。