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1、现场总线技术简介： 文章介绍了现场总线技术的进展过程， 分析了现场总 线技术的特点及其优点， 介绍了几种典型的总线技术， 并对总线 技术的进展趋势做了展望。关键字：现场总线 技术现场总线( Fieldbus )是 80 年代末、 90 年代初国际上进展 形成的，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操纵设备之间及其与更高操纵治理层次之 间的联系。它不仅是一个基层网络，而且依旧一种开放式、新型 全分布操纵系统。这项以智能传感、操纵、计算机、数字通讯等 技术为要紧内容的综合技术， 差不多受到世界范围的关注，
2、 成为 自动化技术进展的热点， 并将导致自动化系统结构与设备的深刻 变革。国际上许多实力、 有阻碍的公司都先后在不同程度上进行1 / 18了现场总线技术与产品的开发。 现场总线设备的工作环境处于过 程设备的底层， 作为工厂设备级基础通讯网络， 要求具有协议简 单、容错能力强、安全性好、成本低的特点 : 具有一定的时刻确 定性和较高的实时性要求 , 还具有网络负载稳定，多数为短帧传 送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络 结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。 一般把现场总线系统称为第五代操纵系统，也称作FCS现场总线操纵系统。人们一般把 50 年代前的气动信号操
3、纵系统 PCS称作第一代，把420mA等电动模拟信号操纵系统称为第二 代，把数字计算机集中式操纵系统称为第三代，而把 70 年代中 期以来的集散式分布操纵系统 DCS称作第四代。现场总线操纵系 统FCS作为新一代操纵系统，一方面，突破了 DCS系统采纳通信 专用网络的局限，采纳了基于公开化、标准化的解决方案，克服 了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合 的集散系统结构， 变成了新型全分布式结构， 把操纵功能完全下 放到现场。能够讲，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统 最显著的特征。现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始时期后， 尽管已有一定范围的磋商合并， 但至今
4、尚未形成完整统一的国际 标准。其中有较强实力和阻碍的有:FoudationFieldbus （FF）、 LonWorks、 Profibus 、 HART、 CAN、Dupline 等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成 了自己的优势。 本文将在简要描述现场总线技术特点的基础， 紧 扣系统的可靠性、有用性等，介绍现场总线网络结构、体系结构 等关键技术及目前较为流行的几种有实力的现场总线技术的现 状，最后阐述现场总线的进展趋势与技术展望。一、现场总线的技术特点1、系统的开放性。 开放系统是指通信协议公开， 各不同厂家 的设备之间可进行互连并实现信息交换， 现场总线开发者确实是 要致力于建立统
5、一的工厂底层网络的开放系统。 那个地点的开放 是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一 个开放系统，它能够与任何遵守相同标准的其它设备或系统相 连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的， 开放 系统把系统集成的权利交给了用户。 用户可按自己的需要和对象 把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。2、互可操作性与互用性， 那个地点的互可操作性， 是指实现 互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对 多点的数字通信。 而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的 设备可进行互换而实现互用。3、现场设备的智能化与功能自治性。 它将传感测量、 补偿计 算、工程量处理
6、与操纵等功能分散到现场设备中完成， 仅靠现场 设备即可完成自动操纵的差不多功能， 并可随时诊断设备的运行 状态。4、系统结构的高度分散性。 由于现场设备本身已可完成自动 操纵的差不多功能， 使得现场总线已构成一种新的全分布式操纵 系统的体系结构。从全然上改变了现有DCS集中与分散相结合的 集散操纵系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。5、对现场环境的适应性。 工作在现场设备前端， 作为工厂网 络底层的现场总线， 是专为在现场环境工作而设计的， 它可支持 双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强 的抗干扰能力， 能采纳两线制实现送电与通信， 并可满足本质安 全防爆要求等。二、现
7、场总线的优点由于现场总线的以上特点， 特不是现场总线系统结构的简化， 使操纵系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护， 都体现出优越性。1、节约硬件数量与投资。 由于现场总线系统中分散在设备前 端的智能设备能直接执行多种传感、操纵、报警和计算功能，因 而可减少变送器的数量，不再需要单独的操纵器、计算单元等， 也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及 其复杂接线，还能够用工控 PC机作为操作站，从而节约了一大 笔硬件投资，由于操纵设备的减少， 还可减少操纵室的占地面积。2、节约安装费用。 现场总线系统的接线十分简单， 由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电
8、缆、端子、槽 盒、桥架的用量大大减少， 连线设计与接头校对的工作量也大大 减少。当需要增加现场操纵设备时，无需增设新的电缆，可就近 连接在原有的电缆上，既节约了投资，也减少了设计、安装的工 作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60%以上。3、节约维护开销。 由于现场操纵设备具有自诊断与简单故障 处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往操纵 室，用户能够查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分 析故障缘故并快速排除。 缩短了维护停工时刻， 同时由于系统结 构简化，连线简单而减少了维护工作量。4、用户具有高度的系统集成主动权。 用户能够自由选择不同 厂商所提供的设备来集
9、成系统。 幸免因选择了某一品牌的产品被 “框死”了设备的选择范围，可不能为系统集成中不兼容的协 议、接口而一筹莫展， 使系统集成过程中的主动权完全掌握在用 户手中。5、提高了系统的准确性与可靠性。 由于现场总线设备的智能 化、数字化，与模拟信号相比，它从全然上提高了测量与操纵的 准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与 连线减少，现场仪表内部功能加强 : 减少了信号的往返传输，提 高了系统的工作可靠性。 此外， 由于它的设备标准化和功能模块 化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。三、典型现场总线简介1、基金会现场总线基金会现场总线，即FoudationFieldbus, 简称
10、FF,这是在过 程自动化领域得到广泛支持和具有良好进展前景的技术。 其前身 是以美国 Fisher-Rousemount 公司为首，联合 Foxboro 、横河、 ABB西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为 首，联合欧洲等地的150家公司制订的 WordFIP协议。屈于用户 的压力，这两大集团于 1994 年 9 月合并，成立了现场总线基金 会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。 它以 ISO/OSI 开 放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为 FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。基金会现场总线分低速 H1和高速H2两种通信速率。H1
11、的传 输速率为 3125Kbps, 通信距离可达 1900m （ 可加中继器延长 ）, 可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2 的传输速率为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离为 750m和500m 物理传输 介质可支持比绞线、 光缆和无线发射， 协议符合 IEC1158-2 标准。 其物理媒介的传输信号采纳曼彻斯特编码， 每位发送数据的中心 位置或是正跳变，或是负跳变。正跳变代表 0，负跳变代表 1 ， 从而使串行数据位流中具有足够的定位信息， 以保持发送双方的 时刻同步。接收方既可依照跳变的极性来推断数据的“ 1”、 “0”状态，也可依照数据的中心位置精确定位。为满足用户需要，H
12、oneywell、Ronan等公司已开发出可完成 物理层和部分数据链路层协议的专用芯片， 许多仪表公司已开发 出符合FF协议的产品，1总线已通过a测试和 B测试，完成了由 13 个不同厂商提供设备而组成的 FF 现场总线工厂试验系统。 2 总线标准也差不多形成。1996 年 10 月，在芝加哥进行的 ISA96 展览会上，由现场总 线基金会组织实施， 向世界展示了来自 40 多家厂商的 70 多种符 合 FF 协议的产品，并将这些分布在不同楼层展览大厅不同展台 上的 FF 展品，用醒目的橙红色电缆，互连为七段现场总线演示 系统，各展台现场设备之间可实地进行现场互操作， 展现了基金 会现场总线的
13、成就与技术实力。2、LonWorksLonWorks 是又一个有强劲实力的现场总线技术， 它是由美国 Ecelon 公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于 1990 年正式公布而形成的。它采纳了 ISO/OSI 模型的全部七层 通讯协议， 采纳了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，其通讯速率从300bps至15Mbps不等，直接通信距离可达到2700m（78kbps，双绞线）,支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发 相应的本安防爆产品，被誉为通用操纵网络。Lon Works技术所采纳的Lon Talk协议被圭寸装在称之为 Neuro n的芯片中并得以实现。集成芯片中有 3个8位CPU一个用于完8 / 18