市面上流行的九大現場總線技術

      導讀：現場總線(Fieldbus)是20世紀80年代末、90年代初國際上發展形成的，用于現場總線技術過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通訊網絡。前國際上有40多種現場總線，但沒有任何一種現場總線能覆蓋所有的應用面，按其傳輸數據的大小可分為3類。
　　
　　現場總線(Fieldbus)是20世紀80年代末、90年代初國際上發展形成的，用于現場總線技術過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通訊網絡。它作為工廠數字通信網絡的基礎，溝通了生產過程現場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯系。它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統。這項以智能傳感、控制、計算機、數字通訊等技術為主要內容的綜合技術，已經受到世界范圍的關注，成為自動化技術發展的熱點，并將導致自動化系統結構與設備的深刻變革。國際上許多實力、有影響的公司都先后在不同程度上進行了現場總線技術與產品的開發。現場總線設備的工作環境處于過程設備的底層，作為工廠設備級基礎通訊網絡，要求具有協議簡單、容錯能力強、**性好、成本低的特點：具有一定的時間確定性和較高的實時性要求，還具有網絡負載穩定，多數為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上述特點，現場總線系統從網絡結構到通訊技術，都具有不同上層高速數據通信網的特色。
　　
　　一般把現場總線系統稱為第五代控制系統，也稱作FCS——現場總線控制系統。人們一般把50年代前的氣動信號控制系統PCS稱作**代，把4～20mA等電動模擬信號控制系統稱為**代，把數字計算機集中式控制系統稱為第三代，而把70年代中期以來的集散式分布控制系統DCS稱作第四代。現場總線控制系統FCS作為新一代控制系統，一方面，突破了DCS系統采用通信專用網絡的局限，采用了基于公開化、標準化的解決方案，克服了封閉系統所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場。可以說，開放性、分散性與數字通訊是現場總線系統*顯著的特征。
　　
　　現場總線技術展望與發展趨勢
　　
　　現場總線技術的發展應體現為兩個方面：一個是低速現場總線領域的繼續發展和完善；另一個是高速現場總線技術的發展。
　　
　　目前現場總線產品主要是低速總線產品，應用于運行速率較低的領域，對網絡的性能要求不是很高。從應用狀況看，無論是FF和Profibus，還是其他一些現場總線，都能較好地實現速率要求較慢的過程控制。因此，在速率要求較低的控制領域，誰都很難統一整個世界市場。而現場總線的關鍵技術之一是互操作性，實現現場總線技術的統一是所有用戶的愿望。今后現場總線技術如何發展、如何統一，是所有生產廠商和用戶十分關心的問題。
　　
　　高速現場總線主要應用于控制網內的互連，連接控制計算機、PLC等智能程度較高、處理速度快的設備，以及實現低速現場總線網橋間的連接，它是充分實現系統的全分散控制結構所必須的。目前這一領域還比較薄弱。因此，高速現場總線的設計、開發將是競爭十分激烈的領域，這也將是現場總線技術實現統一的重要機會。而選擇什么樣的網絡技術作為高速現場總線的整體框架將是其首要內容。
　　
　　發展現場總線技術已成為工業自動化領域廣為注的焦點課題，國際上現場總線的研究、開發，使測控系統沖破了長期封閉系統的禁錮，走上開放發展的征程，這對中國現場總線控制系統的發展是個極好的機會，也是一次嚴峻的挑戰。自動化系統的網絡化是發展的大趨勢，現場總線技術受計算機網絡技術的影響是十分深刻的。現在網絡技術日新月異，發展十分迅猛，一些具有重大影響的網絡新技術必將進一步融合到現場總線技術之中，這些具有發展前景的現場總線技術有；智能儀表與網絡設備開發的軟硬件技術；組態抗術，包括網絡拓撲結構、網絡設備、網段互連等；網絡管理技術，包括網絡管理軟件、網絡數據操作與傳輸；人機接口、軟件技術；現場總線系統集成技術。
　　
　　由于目前自動化技術從單機控制發展到工廠自動化FA，發展到系統自動化。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、現場設備級，而現場總線是工廠底層設備之間的通信網絡。這里先介紹一下以太網，本文特指工業以太網，工業以太網是作為辦公室自動化領域衍生的工業網絡協議，按習慣主要指IEEE802.3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、信息處理系統，并在IT業得到了巨大的成功。在工廠管理級、車間監控級信息集成領域中，工業以太網已有不少成功的案例，在設備層對實時性沒有嚴格要求場合也有許多應用。由于現場總線目前種類繁多，標準不一，很多人都希望以太網技術能介入設備低層，廣泛取代現有現場總線技術，施耐德公司就是該想法的積極倡導者和實踐者，目前已有一批工業級產品問世和實際應用。可是就目前而言，以太網還不能夠真正解決實時性和確定性問題，大部分現場層仍然會優選現場總線技術。由于技術的局限和各個廠家的利益之爭，這樣一個多種工業總線技術并存，以太網技術不斷滲透的現狀還會維持一段時間。用戶可以根據技術要求和實際情況來選擇所需的解決方案。
　　
　　現場總線技術的興起，開辟了工廠底層網絡的新天地。它將促進企業網絡的快速發展，為企業帶來新的效益，因而會得到廣泛的應用，并推動自動化相關行業的發展。
　　
　　市面上*等流行的九大現場總線
　　
　　目前國際上有40多種現場總線，但沒有任何一種現場總線能覆蓋所有的應用面，按其傳輸數據的大小可分為3類：傳感器總線(sensorbus)，屬于位傳輸；設備總線(devicebus)，屬于字節傳輸；現場總線，屬于數據流傳輸。下面讓我一起去認識這九種現場總線。
　　
　　1、FF現場總線
　　
　　FF現場總線基金會是由WORLDFIPNA(北美部分，不包括歐洲)和ISPFoundation于1994年6月聯合成立的，它是一個國際性的組織，其目標是建立單一的、開放的、可互操作的現場總線國際標準。這個組織給予了IEC現場總線標準起草工作組以強大的支持。這個組織目前有l00多成員單位，包括了全世界主要的過程控制產品及系統的生產公司。1997年4月這個組織在中國成立了中國儀協現場總線專業委員會(CFC)。致力于這項技術在中國的推廣應用。FF成立的時間比較晚，在推出自己的產品和把這項技術完整地應用到工程上相對于PROFIBUS和WORLDFIP要晚。但是正由于FF是1992年9月成立的，是以FisherRosemount公司為核心的ISP(可互操作系統協議)與WORLDFIPNA兩大組織合并而成的，因此這個組織具有相當實力：目前FF在IEC現場總線標準的制訂過程中起著舉足輕重的作用。
　　
　　現場總線基金會自成立以來，經過十年的發展，已經形成了一個開放的、全數字化的工業通信系統，并在上世紀末開始進入中國市場，推動了中國的工業自動化技術進步，并開始了大型全區域系統集成的應用。一個開放式的總線協議，很重要的一點就是有多少設備支持這個協議。否則，這個協議的開放性就沒有意義了。
　　
　　在無線和遠程I/O管理方面，現場總線基金會發布了基金會遠程運營管理初步規范。新的技術規范是基金會面向無線和遠程I/O進行遠程運營管理解決方案的一部分，面向遠程運營管理設備定義了代表基金會HART設備的現場總線變送器模塊。該模塊可以顯示有線HART及無線HART設備。
　　
　　此外，該規范還描述了通過基金會高速以太網(HSE)傳輸基本HART命令協議接觸HART設備進行配置和資產管理的理想方法。規范也對在連接基金會遠程運營管理設備的有線多觸點網絡和無線HART網絡中識別和維護HART設備狀態的結構進行了定義。
　　
　　“新的變送器模塊規范將會使那些需要將HART和無線HART設備連入基金會現場總線、提升其與控制系統或者基金會設備的*終用戶受益，”現場總線基金會技術開發總監DaveGlanzer說道：“他們可能會需要對資產管理采用一種網絡化的方法，連接大量的HART和無線HART設備，進行配置和維護。”
　　
　　在現場總線基金會架構內部，H1和HSE可以提供分布式功能模塊的能力，與HSE一起形成容量更大的通道，加快數據傳輸和傳輸量。基金會遠程運營管理的開發，為有線及無線HSE主干網絡建立了一個開放式、非**性的規范，可以通過接口將不同的基金會遠程運營管理設備和無線現場設備網絡進行集成。
　　
　　使用高速HSE連接，可以高效的將模塊化的數字和模擬現場I/O設備大幅度集中到控制室當中。通過使用諸如智能遠程終端單元(RTU)這類HSE設備功能，這項技術可以將各種形式的傳統I/O輕而易舉的融入到自然的現場總線環境當中。這一解決方案在同一個以太網絡上可以同時支持數字輸入、數字輸出、模擬輸入、模擬輸出和H1現場總線。
　　
　　2、LonWorks現場總線
　　
　　LonWorks現場總線是美國Echelon公司1992年推出的局部操作網絡,*初主要用于樓宇自動化,但很快發展到工業現場網。LonWorks技術為設計和實現可互操作的控制網絡提供了一套完整、開放、成品化的解決途徑。LonWorks技術的核心是神經元芯片(NeuronChip)。該芯片內部裝有3個微處理器:MAC處理器完成介質訪問控制;網絡處理器完成OSI的3～6層網絡協議；應用處理器完成用戶現場控制應用。它們之間通過公用存儲器傳遞數據。在控制單元中需要采集和控制功能，為此，神經元芯片特設置11個I/O口。這些I/O口可根據需求不同來靈活配置與外圍設備的接口,如RS232、并口、定時/計數、間隔處理、位I/O等。
　　
　　LonWorks提供的不僅僅是一套高性能的神經元芯片,更重要的是，它提供了一套完整的開發平臺。工業現場中的通信不僅要將數據實時發送、接收，更多的是數據的打包、拆包、流量處理、出錯處理。這使控制工程師不得不在數據通信上投入大量精力。LonWorks在這方面提供了非常友好的服務，提供了一套完整的建網工具——LonBuild。
　　
　　首先，它提供了一套C語言的編譯器,從而大大減少了開發時間。在這個編譯器中，提供了對11個I/O非常詳盡的庫函數。在通信方面，它也提出了一個全新的概念——網絡變量。通過網絡變量，網絡上的通信只需將相關節點上的網絡變量連接一下即可。網絡變量是應用程序定義的一個特殊靜態變量,可以是ANSIC所定義的各種類型，也可以是自定義類型，還可以規定優先級、響應方式等。網絡變量被定義為輸入或輸出，當定義為輸出的網絡變量被賦予新值時，與該輸出變量相連的輸入網絡變量就會被立刻賦予同樣的新值。
　　
　　另外，LonBuild還集成開發環境和編譯于一體，具備C調試器，可在多個仿真器上調試應用程序，并具備網絡協議分析和通信分析的功能。
　　
　　自80年代末以來，多種現場總線技術已逐漸形成其影響并在一些特定的應用領域顯示了自己的優勢。它們各有優勢，顯示出較強的生命力。例如基金會現場總線(FF)是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發展前景的技術。PROFIBUS是德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現場總線標準。該系列有DP．FMS．PA三種型號，其中DP型適用于加工自動化領域；FMS型適用于紡織．樓宇自動化，可編程控制器．低壓開關等；PA型則用于過程自動化。CAN*早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。HART*早由ROSEmount公司開發并行到80多家有名儀表公司的支持，是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號的通信。由于它們在各自范圍內各自為政，不可避免地限制了整個系統的發展，不利于整個系統的系統集成，而我公司開發出的Lonworks產品，分別在釀酒．電力．建筑．工業自動化和化工行業中應用并取得良好的效果。
　　
　　隨著我國社會主義現代化建設進程的不斷推進，我國在智能化領域的需求日益劇增。而國際上現有的其他類現場總線所存在的固有局限性，使得它們在應用時受到這樣那樣的約束。LON總線則綜合了當今現場總線的多種功能，同時具備了局域網的一些特點，使得它被廣泛地應用于航空/航天，農業控制、計算機/外圍設備、診斷/監控、電子測量設備、測試設備、醫療衛生、**/防衛、辦公室設備系統、機器人、**警衛、保密、運動/游藝、電話通信、運輸設備等領域。其通用性表明，它不是針對某一個特殊領域的總線，而是具有可將不同領域的控制系統綜合成一個以LONWORKS為基礎的更復雜系統的網絡技術。
　　
　　3、Profibu現場總線
　　
　　Profibus是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準prEN50170的現場總線。ISO/OSI模型也是它的參考模型。由Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA組成了Profibus系列。DP型用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動化領域的應用。FMS意為現場信息規范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等一般自動化，而PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC1158-2標準。該項技術是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層，由這兩部分形成了其標準**部分的子集，DP型隱去了3～7層，而增加了直接數據連接擬合作為用戶接口，FMS型只隱去第3～6層，采用了應用層，作為標準的**部分。PA型的標準目前還處于制定過程之中，其傳輸技術遵從IEC1158-2(1)標準，可實現總線供電與本質**防爆。
　　
　　Porfibus支持主—從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式。主站具有對總線的控制權，可主動發送信息。對多主站系統來說，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點可在一個事先規定的時間內擁有總線控制權，共事先規定好令牌在各主站中循環一周的*長時間。按Profibus的通信規范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行方向進行傳遞。主站在得到控制權時，可以按主—從方式，向從站發送或索取信息，實現點對點通信。主站可采取對所有站點廣播(不要求應答)或有選擇地向一組站點廣播。Profibus的傳輸速率為96～12kbps*大傳輸距離在12kbps時為1000m，15Mbps時為400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質可以是雙絞線，也可以是光纜，*多可掛接127個站點。
　　
　　4、CAN現場總線
　　
　　CAN是控制網絡ControlAreaNetwork的簡稱，*早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。其總線規范現已被ISO國際標準組織制訂為國際標準，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應用在離散控制領域。CAN協議也是建立在國際標準組織的開放系統互連模型基礎上的，不過，其模型結構只有3層，只取OSI底層的物理層、數據鏈路層和頂上層的應用層。其信號傳輸介質為雙絞線，通信速率*高可達1Mbps/40m，直接傳輸距離*遠可達10km/kbps，可掛接設備*多可達110個。
　　
　　CAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當節點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能以切斷該節點與總線的聯系，使總線上的其它節點及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。CAN支持多主方式工作，網絡上任何節點均在任意時刻主動向其它節點發送信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收/發送數據。它采用總線仲裁技術，當出現幾個節點同時在網絡上傳輸信息時，優先級高的節點可繼續傳輸數據，而優先級低的節點則主動停止發送，從而避免了總線沖突。已有多家公司開發生產了符合CAN協議的通信芯片，如Intel公司的82527，Motorola公司的MC68HC05X4，Philips公司的82C250等。還有插在PC機上的CAN總線接口卡，具有接口簡單、編程方便、開發系統價格便宜等優點。
　　
　　5、Devicenet現場總線
　　
　　Devicenet是一種低成本的通訊總線。它將工業設備(如：限位開關，光電傳感器，閥組，馬達啟動器，過程傳感器，條形碼讀取器，變頻驅動器，面板顯示器和操作員接口)連接到網絡，從而消除了昂貴的硬接線成本。直接互連性改善了設備間的通訊，并同時提供了相當重要的設備級診斷功能，這是通過硬接線I/O接口很難實現的。
　　
　　Devicenet是一種簡單的網絡解決方案，它在提供多供貨商同類部件間的可互換性的同時，減少了配線和安裝工業自動化設備的成本和時間。DeviceNet不僅僅使設備之間以一根電纜互相連接和通訊，更重要的是它給系統所帶來的設備級的診斷功能。該功能在傳統的I/O上是很難實現的。
　　
　　Devicenet是一個開放的網絡標準。規范和協議都是開放的，供貨商將設備連接到系統時，無需為硬件，軟件或授權付費。任何對DeviceNet技術感興趣的組織或個人都可以從開放式DeciceNet供貨商協會(ODVA)獲得DeviceNet規范，并可以加入ODVA，參加對DeviceNet規范進行增補的技術工作組。
　　
　　Devicenet的許多特性沿襲于CAN，CAN總線是一種設計良好的通信總線，它主要用于實時傳輸控制數據。DeviceNet的主要特點是：短幀傳輸，每幀的*大數據為8個字節；無破壞性的逐位仲裁技術；網絡*多可連接64個節點；數據傳輸波特率為125kb/s、250kb/s、500kb/s；點對點、多主或主/從通信方式；采用CAN的物理和數據鏈路層規約。
　　
　　6、HART現場總線
　　
　　HART是HighwayAddressableRemoteTransduer的縮寫。*早由Rosemout公司開發并得到80多家有名儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會。這種被稱為可尋址遠程傳感高速通道的開放通信協議，其特點是現有模擬信號傳輸線上實現數字通信，屬于模擬系統向數字系統轉變過程中工業過程控制的過渡性產品，因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較好的發展。
　　
　　HART通信模型由3層組成：物理層、數據鏈路層和應用層。物理層采用FSK(FrequencyShiftKeying)技術在4～20mA模擬信號上迭加一個頻率信號，頻率信號采用Bell202國際標準；數據傳輸速率為1200bps，邏輯0的信號頻率為2200Hz，邏輯1的信號傳輸頻率為1200Hz。數據鏈路層用于按HART通信協議規則建立HART信息格式。其信息構成包括開頭碼、顯示終端與現場設備地址、字節數、現場設備狀態與通信狀態、數據、奇偶校驗等。其數據字節結構為1個起始位，8個數據位，1個奇偶校驗位，1個終止位。應用層的作用在于使HART指令付諸實現控制工程網版權所有，即把通信狀態轉換成相應的信息。它規定了一系列命令；按命令方式工作。它有3類命令，**類稱為通用命令，這是所有設備理解、執行的命令；**類稱為一般行為命令，它所提供的功能可以在許多現場設備(盡管不是全部)中實現，這類命令包括*常用的現場設備的功能庫；第三類稱為特殊設備命令，以便在某些設備中實現特殊功能，這類命既可以在基金會中開放使用，又可以為開發此命令的公司所獨有。在一個現場設備中通常可發現同時存在這3類命令。
　　
　　HART支持點對點主從應答方式和多點廣播方式。按應答應方式工作時的數據更新速率為2～3次/s，按廣播方式工作時的數據更新速率為3～4次/s，它還可支持兩個通信主設備。總線上可掛設備數多達15個，每個現場設備可有256個變量，每個信息*大可包含4個變量。*大傳輸距離3000m，HART采用統一的設備描述語言DDL。現場設備開發商采用這種標準語言來描述設備特性，由HART基金會負責登記管理這些設備描述并把它們編為設備描述字典，主設備運用DDL技術，來理解這些設備的特性參數而不必為這些設備開發專用接口。但由于這種模擬數字混信號制，導致難以開發出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本安防爆要求。
　　
　　7、CC-Link現場總線
　　
　　CC-Link是Control&CommunicationLink(控制與通信鏈路系統)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，目前在歐洲和北美發展迅速。在其系統中，可以將控制和信息數據同時以10Mbit/s高速傳送至現場網絡，具有性能**、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復雜的問題，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制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。
　　
　　CC-Link的技術在不斷的進步和發展過程中，CLPA在2002年推出CC-Link家簇下端產品和協議CC-Link/LT，主要用于開關量數據的傳輸和通信，使CC-Link在整個結構上更加完善和豐滿，并且其成本將更加降低。2003年初，CLPA宣布推出CC-LinkV2.0版本，是原來的系統通信量擴大了8倍。
　　
　　總之，CC-Link是一個技術先進、性能**、應用廣泛、使用簡單、成本較低的開放式現場總線，其在中國的技術發展和應用有著廣闊的前景。
　　
　　8、WorldFIP現場總線
　　
　　WORLDFIP是法國FIP公司在1988年*先推出的現場總線技術。實際上，WORLDFIP*早提供了現場總線網絡的基本結構，使現場總線系統初步具有了信息化的技術特征。
　　
　　WorkdFIP的北美部分與ISP合并為FF以后，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”，并對FF的H1進行了技術拓展，如速率等。在與IEC61158**類型的連接方面，WorldFIP做得*好，走在世界前列。
　　
　　WorldFIP融合了控制技術和信息技術，是一種先進而開放的現場總線。在協議的設計上，一開始就把滿足各種環境下對生產控制的要求和工業用戶的實際需要放在首位，并且考慮了相關技術，尤其是信息技術發展所帶來的影響。開發出的WorldFIP在一條總線上，在單一協議的框架內，在有調度的訪問控制下，既傳輸實時數據、又傳輸隨機信息，兩者之間互不影響，從而既是實時的可預測性的，又是面向未來的可與Internet連接的現場總線。
　　
　　WorldFIP現場總線采用曼徹斯特編碼方式并利用磁性變壓器隔離，具有良好的抗電磁干擾能力，根據測試，在級干擾條件下，能保證正常通信。因此，非常適用于電磁干擾比較強的場合。
　　
　　目前開發WorldFIP產品具有很多有利條件，如他的技術成熟、資料完整并易獲得、現成產品種類齊全、基礎期間容易得到等。此外還有各種實際應用可供參考。只需不多的投入，在較短的時間內即可完成產品的開發。
　　
　　9、INTERBUS現場總線
　　
　　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的開放化系統互聯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，并嚴格保證了數據傳輸的同步性和周期性；該總線的實時性、抗干擾性和可維護性也非常出色。INTERBUS廣泛地應用到汽車、**、倉儲、造紙、包裝、食品等工業，成為國際現場總線的**者。
　　
　　此外較有影響的現場總線還有丹麥公司Process-DataA/S提出的P-Net，該總線主要應用于農業、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。