现场总线技术浅谈

一、现场总线技术概述

现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向多节点、总线式的全数字通讯，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、造价低廉、维护成本低等特点。现场总线技术自20世纪90年代出现以来已成为世界范围内自动化技术发展的热点之一，广泛用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系，被誉为“自动化仪表与控制系统的一次变革”。

二、现场总线技术特征

（一）可靠地数据传输，快速的数据响应，强大的抗干扰能力。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；

（二）现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、流量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

（三）分散的功能模块，便于系统维护、管理与扩展，提高可靠性。

（四）开放式互连结构，现场总线技术通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。

（五）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。

三、现场总线技术的现状

发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为关注的焦点课题，世界各国的学术组织、各大公司、标准化组织都对现场总线技术的标准化工作极其重视，目前已经开发出40多种现场总线技术，比较有影响力的有下列技术：

（一）Profibus（Process Fieldbus）。主要由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同研究推出的，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。Profibus的传输速率为96～12kbps最大传输距离在12kbps时为1000m，15Mbps时为400m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接 127个站点。广泛应用于纺织、可编程控制器、低压开关、过程自动化等领域。

（二）地方基金会现场总线（FoudationFieldbus）。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。是由成立于1994年的现场总线基金会开发推出的。基金会现场总线分低速和高速两种通信速率。低速传输速率为 3125Kbps，通信距离可达 1900m，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。高速传输速率为 1Mbps和 2.5Mbps两种，其通信距离为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射。基金会现场总线是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。

（三）CANBUS（Controller Area Network）：是由德国Bosch公司开发的一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络。1993年11月，ISO正式颁布了控制器局域网CAN国际标准（ISO11898），CAN总线的通讯介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维。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。

（四）HART（ HighwayAddressableRemoteTransduer，可寻址远程传感高速通道的开放通信协议）。最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，其特点是在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，因而在当前具有较强的市场竞争能力。最大传输距离3000m。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。HART能利用总线供电，可满足本安防爆要求。

（五）ControlNet，主要由美国Rockwell公司支持，具有非常高的实时性能，在相同的通信链路上提供了适合于I/O控制设备的带宽、实时联锁响应、对等信息和程序传输，为断续和连续过程控制系统应用提供了确定性和重复；并且允许多控制器处理I/O控制设备，提供了输入数据和对等数据两者之间的多点传送、通信传输媒体的冗余和本征安全的选择、灵活的网络拓扑结构选择（总线、树型、星型）和媒体传输介质（同轴电缆、光纤等）。

（六）Leo Works总线，由美国ECHELON公司于1991年推出，它采用了OSI参考模型全部的七层协议结构。其最大传输速率为1.5Mbps，传输距离为2700m。Lon Works支持多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活。Lon Works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。

四、结束语

综上所述，当前各种形式的现场总线协议并存于控制领域，在一段时间内，会出现几种现场总线共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面，无论是最终用户和制造商都在关注现场总线技术的新动向，但发展规范统一的标准是大势所趋。它将促进企业网络的快速发展，为企业带来新的效益。现场总线技术是当今自动化领域技术发展的热点之一，我国的自动化行业应该抓住这个良好的机遇，提高我国的工业自动化水平，推出拥有自主知识产权的工业化产品和标准。