下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
现场总线原本是指现场设备之间公用的信号传输线。根据IEC/ISA定义，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、多分支的通信网络。在过程控制领域内，它就是从控制室延伸到现场测量仪表、变送器和执行机构的数字通信总线。它取代了传统模拟仪表单一的4～20mA传输信号，实现了现场设备与控制室设备间的双向、多信息交换。控制系统中应用现场总线，一是可大大减少现场电缆以及相应接线箱、端子板、I/O卡件的数量；二是为现场智能仪表的发展提供了必需的基础条件；三是大大方便了自控系统的调试以及对现场仪表运行工况的监视管理，提高系统运行的可靠性。
现场总线将当今网络通信与管理的概念带入控制领域，代表了今后自动化控制体系结构发展的一种方向。2003年4月，IEC 61158第3版现场总线标准正式成为国际标准，规定10种类型的现场总线。
· Type 1 TS61158现场总线。
· Type 2 ControlNet和Ethernet/IP现场总线。
· Type 3 Profibus现场总线。
· Type 4 P-NET现场总线。
· Type 5 FF HSE现场总线。
· Type 6 SwiftNet现场总线（在2007年的IEC 61158 Ed.4被撤销）。
· Type 7 World FIP现场总线。
· Type 8 Interbus现场总线。
· Type 9 FF H1现场总线。
· Type 10 PROFInet现场总线。
根据最新的2007年的IEC 61158第4版本，已经有20种现场总线国际标准，可见标准之多。
现场总线是以ISO的OSI模型为基本框架的，并根据实际需要进行简化了的体系结构系统，它一般包括物理层、数据链路层、应用层、用户层。物理层向上连接数据链路层，向下连接介质。物理层规定了传输介质（双绞线、无线和光纤）、传输速率、传输距离、信号类型等。在发送期间，物理层对来自数据链路层的数据流进行编码并调制。在接收期间，它用来自介质的控制信息将接收到的数据信息实现解调和解码，并送给链路层。数据链路层负责执行总线通信规则，处理差错检测、仲裁、调度等。应用层为最终用户的应用提供一个简单接口，它定义了如何读、写、解释和执行一条信息或命令。用户层实际上是一些数据或信息查询的应用软件，它规定了标准的功能块、对象字典和设备描述等一些应用程序，给用户一个直观简单的使用界面。现场总线除具有一对N结构、互换性、互操作性、控制功能分散、互连网络、维护方便等优点外，还具有如下特点：
（1）网络体系结构简单：其结构模型一般仅有4层，这种简化的体系结构具有设计灵活、执行直观、价格低廉、性能良好等优点，同时还保证了通信的速度。
（2）综合自动化功能：把现场智能设备分别作为一个网络节点，通过现场总线来实现各节点之间、节点与管理层之间的信息传递与沟通，易于实现各种复杂的综合自动化功能。
（3）容错能力强：现场总线通过使用检错、自校验、监督定时、屏蔽逻辑等故障检测方法，大大提高了系统的容错能力。
（4）提高了系统的抗干扰能力和测控精度：现场智能设备可以就近处理信号并采用数字通信方式与主控系统交换信息，不仅具有较强的抗干扰能力，而且其精度和可靠性也得到了很大的提高。
现场总线的这些特点，不仅保证了它完全可以适应目前工业界对数字通信和传统控制的要求，而且为综合自动化系统的实施打下了基础。
在现场总线系统中，人们通常按通信帧的长短，把数据传输总线分为传感器总线、设备总线和现场总线。传感器总线的通信帧长度只有几个或十几个数据位，属于位级的数据总线，典型的传感器总线就是ASI总线。设备总线的通信帧长度一般为几个到几十个字节，属于字节级的总线，如CAN总线就属于设备级总线。
1.基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）
基金会现场总线是国际上几家现场总线经过激烈竞争后形成的一种现场总线，由现场总线基金会推出，已经被列入IEC 61158标准。FF是为适应自动化系统，特别是过程自动化系统在功能、环境与技术上的需求而专门设计的。FF适合在流程工业的生产现场工作，能适应安全防爆的要求，还可以通过通信总线为现场设备提供电源。为了适应离散过程与间歇过程控制的要求，近年来还扩展了新的功能块。
FF核心技术之一是数字通信。为了实现通信系统的开放性，其通信模型参照了ISO的OSI模型，并在此基础上根据自动化系统的特点进行演变后得到的。FF的参考模型具备ISO/OSI参考模型中的三层，即物理层、数据链路层和应用层，并按照现场总线的实际要求，把应用层划分为两个子层—总线范围子层与总线报文规范子层。此外，FF增加了用户层，因此可以将通信模型看作是四层。物理层规定了信号如何发送；数据链路层规定如何在设备间共享网络和调度通信；应用层规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式；用户层用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能块、设备描述，实现网络管理、系统管理等。
FF总线提供了H1和H2两种物理层标准。H1是用于过程控制的低速总线，传输速率为31.25Kbps，传输距离为200m、450m、1200m、1900m四种，支持本质安全设备和非本质安全总线设备。H2为高速总线，其传输速率为1Mbps（此时传输距离为750m）或2.5Mbps（此时传输距离为500m）。H1和H2每段节点数可达32个，使用中继器后可达240个，H1和H2可通过网桥互连。
2. 过程现场总线Profibus
Profibus是Process Fieldbus的缩写，是由Siemens公司提出并极力倡导，已先后成为德国国家标准DIN19245、欧洲标准EN50170和国际标准之一，是一种开放而独立的总线标准，在制造业自动化、流程工业自动化、楼宇自动化、交通监控、电力自动化等领域得到广泛应用。Profibus传输速度可在9.6Kbps～12Mbps范围内选择且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。
Profibus-DP（Decentralized Periphery）和Profibus-PA（Process Automation ）是目前最常用的两种类型现场总线。它们主要使用主-从方式，通常周期性地与总线设备进行数据交换。Profibus的通信参考模型是根据ISO 7498国际标准，以开放式系统互联网络OSI作为参考模型的。
（1）Profibus-DP—这是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。基本特性同FF的H2总线，可实现高速传输，适用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传输，用于连接Profibus-PA和加工自动化。定义了第一、二层和用户接口。第三层到第七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同Profibus-DP设备的设备行为。Profibus-DP采用RS-485作为物理层的连接接口，网络的物理连接采用屏蔽单对双绞铜线的A型电缆。
（2）Profibus-PA—专为过程自动化设计，可使传感器（变送器）和执行机构连在一根总线上。其基本特性同FF的H1总线，十分适合防爆安全要求高、通信速度低的过程控制场合，可以提供总线供电。该协议定义了第一、二、七层，第三层到第六层未加描述。Profibus-PA采用IEC61158-2标准，通信速率固定为31.25Kbps。数据传输采用扩展的Profibus-DP协议。
3.LonWorks
LonWorks是Echelon公司开发的数字通信协议，是一种全面的测控网络，采用数字式、双向多分支结构的组网方式。LonWorks控制网络的基本组成单元是网络节点，网络节点具备独立的工作能力，使测控设备具备了数字计算和数字通信能力，通过多种通信介质以一个公共的、基于消息的控制协议与其他网络节点通信，通信网络是Pear to Pear对等通信形式，以提高信号的测量、传输和控制精度。
LonWorks以其独特的技术优势，将计算机技术、网络技术和控制技术融为一体，在控制系统中引入了网络的概念，可以方便的实现更高效、更灵活、更易于维护和扩展分布式测控网络系统，其独特性具体表现为：
（1）协议的开放性和互操作性：LonWorks通信协议LonTalk支持OSI的所有七层模型，任何制造商的产品都可以实现互操作，而且对任何用户都是对等、开放的。
（2）网络的兼容性：可采用通信介质包括双绞线、电力线、无线、红外线、光缆等，并且支持多种介质在同一网络中混合使用。
（3）网络拓扑的多样性：支持总线形、星形、环形和自由形式等网络拓扑，也可以自由组合。
（4）网络节点的独立性：基于功能强大的Neuron芯片设计的网络节点既能独立管理网络通信，同时也具备输入、输出以及控制等能力，增强了网络控制系统的可靠性。
（5）强大的开发工具平台：LonBuilder和NodeBuilder帮助用户短期内完成网络节点的开发和网络建立。
（6）专用的网络操作系统：LNS（LonWorks Network Services）是用于LonWorks技术开发和应用的网络操作系统，采用面向对象的管理方法，与LON网构成Client/Server结构，为网络管理和HMI建立提供了有效的手段。
LonWorks核心技术包括LonWorks节点和路由器、LonTalk协议、LonWorks收发器、以及节点开发工具等。
LonTalkLon协议是LonWorks技术的核心。该协议提供一套通信服务，装置中的应用程序能在网上对其他装置发送和接收报文而无需知道网络拓扑、名称、地址或其他装置的功能。LonTalk协议能有选择地提供端到端的报文确认、报文证实和优先级发送功能，以便设定有界事务处理时间。对网络管理业务的支持使远程网络管理工具能通过网络和其他装置相互作用，包括网络地址和参数的重新配置，下载应用程序，报告网络问题和节点应用程序的起始、终止和复位。
4. CAN
CAN是Controller Area Network的缩写，中文称为控制局域网。它是德国Bosch公司在1986年为解决现代汽车中众多测量与控制部件之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线，已成为ISO国际标准ISO 11898。虽然该技术最初是服务于汽车工业，但由于其在技术与性价比方面的优势，在众多领域得到了应用。
CAN总线规范了任意两个CAN节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解释协议。CAN协议分为两层：物理层和数据链路层。物理层决定了实际传送过程中的电气特性，在同一网络中，所有节点的物理层必须保持一致，但可以采用不同方式的物理层。CAN的数据链路层功能包括帧组织形式，总线仲裁和检错、错误报告及处理，确认哪个信息要发送，确认接收到的信息以及为应用层提供接口等。
CAN在可靠性、实时性与灵活性方面具有独特的优势，主要表现在以下7个方面：
（1）CAN总线网络上的任意一个节点均可在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息，而不分主从。
（2）CAN采用载波监听多路访问、逐位仲裁的非破坏性总线仲裁技术。一是先听再说，二是当多个节点同时向总线发送报文而引起冲突时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线仲裁时间。
（3）通信灵活，可方便地构成多机备份系统及分布式监测、控制系统。
（4）网络上的节点可分成不同的优先级以满足不同的实时要求。采用非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据。
（5）具有点对点，一点对多点及全局广播传送接收数据的功能。通信距离最远可达10km（速率为5Kbps），在400m通信距离内，通信速率最高可达1Mbps。网络节点数实际可达110个。
（6）每一帧的有效字节数为8，这样传输时间短，受干扰的概率低；每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低，可靠性极高。在传输信息出错严重时，节点可自动切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。
（7）通信介质可采用双绞线、同轴电缆或光纤。
5. HART
HART（Highway Addressable Remote Transducer，可寻址远程传感器）协议是由位于美国Austin的通信基金会制定的总线标准。它可使用工业现场广泛存在的4～20mA模拟信号导线传送数字信号。HART最早是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议，它采用半双工的通信方式，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品，因而适应了市场的需求，在全美国范围得到了较快发展，并已成为全球过程自动化仪表的工业标准和使用最广泛的总线设备。目前多数过程自动化仪表都支持HART通信，多数DCS的过程I/O接口卡件也支持与仪表的HART通信。
HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4～20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通信，数据传输速率为1.2Mbps。由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4～20mA传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。
HART协议参考ISO/OSI（开放系统互连模型 ），采用了它的简化三层模型结构，即第一层物理层，第二层数据链路层和第七层应用层。物理层规定了信号的传输方法、传输介质，以实现模拟通信和数字通信同时进行而又互不干扰。通信介质的选择视传输距离长短而定。通常采用双绞同轴电缆作为传输介质时，最大传输距离可达到1500m。线路总阻抗应在230～1100Ω之间。数据链路层规定了HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能。HART协议根据冗余检错码信息，采用自动重复请求发送机制，消除由于线路噪音或其他干扰引起的数据通讯出错，实现通讯数据无差错传送。现场仪表要执行HART指令，操作数必须合乎指定的大小。每个独立的字符包括1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位和一个停止位。由于数据的有无和长短并不恒定，所以HART数据的长度也是不一样的，最长的HART数据包含25个字节。 应用层为HART命令集，用于实现HART指令。按命令方式工作，有3类HART命令：第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、都执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备（尽管不是全部）中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便于工作在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这3类命令。
HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。