毕业设计（论文）-现场总线技术及其应用研究.doc

成都纺专电气083方尧毕业论文 现场总线技术及其应用研究目录1现场总线技术概述61.1现场总线的定义：61.2 现场总线技术产生的意义61.3 现场总线技术的发展现状与展望61.3.1 现场总线技术的发展现状61.3.2 现场总线技术的应用展望82现场总线的种类92.1基金会现场总线92.2 lonworks92.3 profibus102.4 can112.5 hart112.6 rs-485123各种现场总线的特点和应用领域133.1 profibus现场总线134.现场总线控制系统的发展154.1现场总线控制系统体系结构154.2自动控制领域的发展过程154.2.1第一代过程控制体系154.2.2第二代过程控制体系154.2.3第三代过程控制体系154.2.4第四代过程控制体系164.2.5第五代过程控制体系164.3现场总线协议控制器164.4智能化配电系统164.5现场总线崛起的过程174.6现场总线的技术基础174.7多现场总线技术174.8 现场总线的技术特点194.8.1 系统的开放性194.8.2 互可操作性与互用性194.8.3 现场设备的智能化与功能自治性194.8.4 系统结构的高度分散性194.8.5 对现场环境的适应性194.9现场总线控制系统与其他控制系统的比较204.9.1 模拟仪表控制系统204.9.2 集中式数字控制系统214.9.3 集散控制系统（dcs）214.9.4 现场总线控制系统（fcs）215现场总线技术的优势225.1现场总线的优点225.1.1节省硬件数量与投资225.1.2节省安装费用225.1.3节省维护开销225.1.4用户具有高度的系统集成主动权225.1.5提高了系统的准确性与可靠性235.2现场总线系统与传统的dcs相比，具有以下技术特点和优势。245.2.1 全数字通信245.2.2 控制分散245.2.3 开放性、互操作性245.2.4 多分支结构255.2.5 现场设备状态可控255.2.6 降低了系统及工程成本255.3基于现场总线的自动化监控及信息集成系统主要优点255.3.1增强了现场级信息集成能力255.3.2开放式、互操作性、互换性、可集成性255.3.3系统可靠性高、可维护性好265.3.4降低了系统及工程成本266现场总线的发展趋势276.1现场总线的发展不会被计算机通信技术取代276.1.1现场总线与一般计算机通信在功能上的不同276.1.2现场总线与一般计算机通信在要求上的不同276.1.3现场总线与一般计算机通信在结构上的不同286.2国内现场总线的发展趋势297工业以太网317.1前言317.2工业以太网的研究现状317.2.1以太网集线器317.2.2在以太网的协议中加入实时功能327.2.3工业以太网的研究课题327.3工业以太网的应用实例327.4现场总线与工业以太网的区别338结束语33现场总线技术及其应用研究中文摘要:现场总线技术自70年代诞生至今，由于它在多方面的优越性，得到大范围的推广，导致了自动控制领域的一场革命。本文从多个方面介绍了现场总线技术的种类、现状、应用领域及前景。现场总线ff（field bus）的概念起源于70年代，当时主要考虑将操作室的现场信号和到控制仪器的控制信号由一组总线以数字信号形式传送，不必每个信号都用一组信号线。随着仪表智能化和通讯数字化技术的发展，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，由全数字现场控制系统代替数字与模拟分散型控制系统已成为工业化控制系统发展的必然趋势。 现场总线已经发展成为集计算机网络、通信技术、现场控制、生产管理等内容为一体的现场总线控制系统fcs（field-bus control system）。它将通信线一直延伸到生产现场生产设备，用于过程和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络，将传统的dcs三层网络结构变成两层网络结构，降低了成本，提高了可靠性，实现了控制管理一体化的结构体系。english summary :fieldbus technology since the 70 birth date, because of its superiority in many ways to get a wide range of promotion, led to a revolution in the field of automatic control. this article describes several aspects of the types of field bus technology, status, applications and prospects.fieldbus ff (field bus) concept originated in the 70s, the main consideration was the operating room on-site signals and control signals to control the instrument by a team bus to the digital signal is transmitted, each signal having a set of signal lines are used . intelligent instrumentation and communication with the digital technology, digital communication network extends to the field of industrial process possible, by the all-digital on-site instead of digital and analog control system distributed control system industrial control systems have become an inevitable trend.fieldbus has developed into computer networks, communication technology, field control, production management, etc. as one of the field bus control system fcs (field-bus control system). communication line will extend to the production site has been producing equipment for process and manufacturing automation equipment or field instrument field-site communication network interconnection, the traditional dcs network structure into a two-tier network architecture, reduce costs, improve the reliability, control and management to achieve the integration of architecture.关键词：现场总线技术、自动控制、发展趋势致谢: 本课题在选题及研究过程中得到刘萍老师的悉心指导，刘老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓思路，精心点拨热忱鼓励。刘老师一丝不苟的作风严谨求实的态度踏踏实实的精神不仅授我以文，而且教我做人，对刘老师的感激之情是无法用言语表达的！感谢萧申昕老师、杨彦老师、李林老师等对我的教育培养，他们细心指导我的学习，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬！许多同学及朋友为我提供了良好的研究条件和精确资料，谨向各位同仁表示诚挚的敬意和谢忱！感谢我的父母，焉得湲草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿！在论文即将完成之际，我的心情无法平静。从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友、给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！前 言现场总线（fieldbus）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，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控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。现场总线控制系统（fcs）是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替420ma模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录）的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。控制专家们纷纷预言：fcs将成为21世纪控制系统的主流。1现场总线技术概述1.1现场总线的定义：目前，公认的现场总线技术概念描述如下：现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。其中，生产过程包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。1.2 现场总线技术产生的意义（1）现场总线（fieldbus）技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替4-20ma/24vdc信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。（2）传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的、4-20ma/24vdc信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的信息孤岛，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。（3）基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络， 构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。在cims系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。 1.3 现场总线技术的发展现状与展望1.3.1 现场总线技术的发展现状从20世纪90年代以后，现场总线技术得到了迅猛发展，出现了群雄并起、百家争鸣的局面。目前已开发出有40多种现场总线，如interbus、bitbus、devicenet、modbus、arcnet、p-net、fip、isp等，其中最具有影响力的有5种，分别是ff、lon works、profibus、can和hart。fcs（filedbus control system）则是基于现场总线的自动控制系统，即以现场总线作为工厂底层网络，通过网络集成而构成的自动控制系统网络，按照公开、规范的通讯协议在智能设备之间、智能设备与远程计算机之间实现数据传输和信息交换，从而实现控制与管理一体化的综合自动控制系统。纵观控制系统的发展过程，任何一种新的控制系统的出现都是针对旧的控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，并在用户需求和市场竞争等外部因素的推动下占据主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生和发展也经历了同样的过程。 早期的控制系统主要是模拟仪表控制系统，设备之间传输的信号为15v或420ma的直流模拟信号，信号的精度较低，传输过程中易受干扰。随着电子技术和计算机技术的发展，以单片机、计算机和可编程序控制器（plc）为控制器的集中数字控制系统逐步取代了模拟仪表控制系统，集中数字控制系统中控制器内部传输的是数字信号，克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度较低的缺点，提高了系统的抗干扰能力。但是集中数字控制系统对控制器的要求很高，必须具有足够的处理能力和很高的可靠性，当系统任务增加时控制器的效率和可靠性会下降。以集中管理、分散控制为核心思想的集散控制系统（dcs）在20世纪末期逐步占据了主导地位。在集散控制系统中管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，多台下位机下放分散到现场实现分布式控制功能，上下位机之间以控制网络互联以实现相互之间的信息传递，克服了集中数字控制系统对控制器的的处理能力和可靠性要求很高的缺点。在集散控制系统中分布式控制功能的实现正是得益于网络技术的发展和应用，然而，由于不同的dcs厂家出于垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用专用的封闭形式，不同厂家的dcs 系统之间以及dcs与上层的intranet、internet之间难以实现网络互联和信息共享，因此dcs 系统实质上是一种专用封闭的、不能互联的分布式控制系统，且dcs价格昂贵，用户对此提出了开放性和降低成本的迫切要求。现场总线控制系统fcs正是顺应了上述的用户要求，采用了现场总线这一开放的、可互连的网络技术将现场的各种控制器和仪表设备相互连接，把控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此fcs系统实质上是一种开放的、可以互连的、彻底分散的分布式控制系统。1984年，美国仪表协会（isa）下属的标准与实施工作组中的isa/sp50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会决定由proway working group负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；1986年，德国开始制定过程现场总线（process fieldbus）标准，简称为profibus，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。1992年，由siemens，rocemount，abb，foxboro，yokogawa等80家公司联合，成立了isp（interoperable system protocol）组织，着手在profibus的基础上制定现场总线标准。1993年，以honeywell，bailey等公司为首，成立了world fip（factory instrumentation protocol）组织，有120多个公司加盟该组织，并以法国标准fip为基础制定现场总线标准。1994年，isp和world fip的北美分部合并成立了现场总线基金会（fieldbus foundation简称ff），推动了现场总线标准的制定和产品开发，并于1996年第一季度颁布了低速总线h1的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合ff规范的设备互连构成控制系统和通讯网络，使h1低速总线开始步入实用阶段。与此同时，在不同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准。它们大都在某些公司标准的基础上逐渐形成，并得到其他公司、厂商、用户及国际组织的支持。如德国bosch公司推出的can（control area network），美国echelon公司推出的lonworks等。预计在今后的一段时期内，会出现几种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。但是发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放的互连系统，将是现场总线技术的发展趋势。 现场总线技术是工业控制领域出一种新兴的控制技术，它是计算机技术，通信技术，集成电路技术及智能传感技术几种技术的结合，是当今自动控制技术发展的热点，代表了工业控制 领域今后的一种发展方向。它的出现，将使传统的控制系统无论在结构上还是在性能上出现巨大的飞跃，可以说现场总线是控制领域的一场革命，它代表了一种有突破意义的新的控制思想，它将开辟一个新的时代。现场总线出现于80年代中后期，从本质上来说，它是一种数字通信协议，是一种应用于生产现场、在智能化控制设备之间实行双向串行通信、多节点的数字通信的系统，是一种开放的、数字化的、多点通信的低层控制网络。它使得自控系统和设备有了通信能力。现场总线控制系统fcs（fieldbus control system）是继基地式气动仪表控制系统，电动单元组合式模拟仪表控制系统，集中实式数字控制系统集散式控制系统dcs后的新一代控制系统。现代工业控制思想的核心是“分散控制，集中监控”使得“危险分散，控制分散”，但即使是现在流行的dcs 控制，其与工业过程打交道的过程控制站仍然还是集中的，现场信号的检测、传输和控制还是采用的420ma的模拟信号，这正是对分散控制，集中监控思想的违背。而fcs 控制系统真正做到了这一点，把控制彻底地下放到现场，现场的智能仪表就能完成诸如数据采集，数据处理，控制运算和数据输出大部分现场功能，只有一些现场仪表无法完成的高级控制功能才由上位机来完成。而且现场节点之间可以相互通信实现互操作，现场节点也可以把自己的诊断数据传送给上位机，有益于设备管理。1.3.2 现场总线技术的应用展望 现场总线技术的产生促进了现场设备的数字化和网络化，使现场控制的功能更加强大。由于采用了现场总线技术而带来了过程控制系统的开放性，使得系统成为具有测量、控制、执行和过程诊断等综合能力的控制网络。为更好适应工业过程控制的需要，今后现场总线技术会从以下几个方面发展：(1)基于现场总线的一次仪表和二次仪表的研制 现在，生产自动化仪表的厂家必须向现场总线靠拢，开发出具有现场总线结构的一次及二次仪表。检测、变换、补偿、控制、告警、趋势分析等功能可以分散在现场解决，简化上层系统，彻底实现分散控制、集中管理以提高系统的可靠性和稳定性。(2)基于现场总线网络设备的软、硬件开发 系统的开放性和通信问题是分散控制系统的突出问题，它需要解决不同厂家软、硬件产品能否集中到一个系统的问题。如lon works总线技术的产品，只要遵循lon talk标准，几百家不同产品均可连接在一个系统中，所以要进行网络设备的研制必须遵循现场总线的统一标准。(3)开放的组态技术研究 目前现场总线系统的组态是比较复杂的，需要组态的参数多，各参数之间的关系比较复杂，所以研究开放的组态技术也是现场总线的发展趋势。开放的组态技术的研究主要还包括网络拓扑结构、网络设备、网段互联等。在异构网连接的网关路由的开发方面，lon works具有独特的优势。(4)网络设计与网络管理技术的增强 网络设计的重点是从物理形态上考虑通信网络和输入、输出线缆网络的布置，减少信息的往返传递是现场总线系统中网络设计和系统组态的一条重要原则。因此，网络设计时应优先将相互间信息交换量大的节点放在同一条支路里。网络管理技术主要还包括网络管理软件、网络数据操作与传输。现场总线的出现形成了低层网络，应同时提供与企业网、国际互联网相连接的可能性。(5)基于现场总线技术的全开放控制系统集成技术的开发 自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向发展，并且涉及的应用领域十分广阔，几乎覆盖了所有的过程控制领域。(6)控制网络与数据网络的结合 实现internet-intranet-infranet体系结构，对于人们的生产和生活有着重要的意义。如远程监控系统就是该体系在生产控制领域内的应用之一。现场总线系统接入internet，在一定的条件下便可通过internet监视，并控制这些生产系统和现场设备的运行状况和各种参数3。2现场总线的种类从20世纪90年代以后，现场总线技术得到了迅猛发展，出现了群雄并起、百家争鸣的局面。目前已开发出有40多种现场总线，如interbus、bitbus、devicenet、modbus、arcnet、p-net、fip、isp等，其中最具有影响力的有5种，分别是ff、lon works、profibus、can和hart。2.1基金会现场总线基金会现场总线，即foudationfieldbus,简称ff，这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。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用曼彻斯特编码，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间同步。接收方既可根据跳变的极性来判断数据的“1”、“0”状态，也可根据数据的中心位置精确定位。为满足用户需要，honeywell、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总线已通过测试和测试，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总线标准也已经形成。1996年10月，在芝加哥举行的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成就与技术实力。2.2 lonworkslonworks是又一具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。它采用了iso/osi模型的全部七层通讯协议，采用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，被誉为通用控制网络。lonworks技术所采用的lontalk协议被封装在称之为neuron的芯片中并得以实现。集成芯片中有3个8位cpu;一个用于完成开放互连模型中第12层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理;第二个用于完成第36层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等;第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现cpu之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。如motorola公司生产的神经元集成芯片mc143120e2就包含了2kram和2keeprom。lonworks技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本(每片价格约59美元)，而芯片的低成本又返过来促进了lonworks技术的推广应用，形成了良好循环，据ecelon公司的有关资料，到1996年7月，已生产出500万片神经元芯片。lonworks公司的技术策略是鼓励各oem开发商运用lonworks技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了lonworks技术:1000多家公司已经推出了lonworks产品，并进一步组织起lonwark互操作协会，开发推广lonworks技术与产品。它被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。为了支持lonworks与其它协议和网络之间的互连与互操作，该公司正在开发各种网关，以便将lonworks与以太网、ff、modbus、devicenet、profibus、serplex等互连为系统。另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，lonworks神经元芯片也具有独特的优势。lonworks技术已经被美国暖通工程师协会asre定为建筑自动化协议bacnet的一个标准。根据刚刚收到的消息，美国消费电子制造商协会已经通过决议，以lonworks技术为基础制定了eia-709标准。这样，lonworks已经建立了一套从协议开发、芯片设计、芯片制造、控制模块开发制造、oem控制产品、最终控制产品、分销、系统集成等一系列完整的开发、制造、推广、应用体系结构，吸引了数万家企业参与到这项工作中来，这对于一种技术的推广、应用有很大的促进作用。2.3 profibusprofibus是作为德国国家标准din19245和欧洲标准pren50170的现场总线。iso/osi模型也是它的参考模型。由profibus-dp、profibus-fms、profibus-pa组成了profibus系列。dp型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。fms意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化，而pa型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从iec1158-2标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了osi模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子集，dp型隐去了37层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口，fms型只隐去第36层，采用了应用层，作为标准的第二部分。pa型的标准目前还处于制定过程之中，其传输技术遵从iec1158-2(1)标准，可实现总线供电与本质安全防爆。porfibus支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，共事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播(不要求应答),或有选择地向一组站点广播。profibus的传输速率为9612kbps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。2.4 cancan是控制网络controlareanetwork的简称，最早由德国bosch公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被iso国际标准组织制订为国际标准，得到了motorola、intel、philips、siemens、nec等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。can协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有3层，只取osi底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达1mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/kbps,可挂接设备最多可达110个。can的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。can支持多主方式工作，网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。已有多家公司开发生产了符合can协议的通信芯片，如intel公司的82527，motorola公司的mc68hc05x4，philips公司的82c250等。还有插在pc机上的can总线接口卡，具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。2.5 harthart是highwayaddressableremotetransduer的缩写。最早由rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了hart通信基金会。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是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，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。hart通信模型由3层组成:物理层、数据链路层和应用层。物理层采用fsk(frequencyshiftkeying)技术在420ma模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用bell202国际标准;数据传输速率为1200bps,逻辑“0”的信号频率为2200hz，逻辑“1”的信号传输频率为1200hz。数据链路层用于按hart通信协议规则建立hart信息格式。其信息构成包括开头码、显示终端与现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等。其数据字节结构为1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位，1个终止位。应用层的作用在于使hart指令付诸实现，即把通信状态转换成相应的信息。它规定了一系列命令;按命令方式工作。它有3类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备理解、执行的命令;第二类称为一般行为命令，它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，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命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支持点对点主从应答方式和多点广播方式。按应答应方式工作时的数据更新速率为23次/,按广播方式工作时的数据更新速率为34次/,它还可支持两个通信主设备。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。最大传输距离3000m，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，可满足本安防爆要求。2.6 rs-485尽管-485不能称为现场总线，但是作为现场总线的鼻祖，还有许多设备继续沿用这种通讯协议。采用rs-485通讯具有设备简单、低成本等优势，仍有一定的生命力。以rs-485为基础的opto-22命令集等也在许多系统中得到了广泛的应用。3各种现场总线的特点和应用领域3.1 profibus现场总线 1996年3月15日批准为欧洲标准，即din 50170 v.2。profibus产品在世界市场上已被普遍接受，市场份额占欧洲首位，年增长率25%。目前支持profibus标准的产品超过1500多种，分别来自国际上250多个生产厂家。在世界范围内已安装运行的profibus设备已超过200万台，到1998年5月，适用于过程自动化的profibus-pa仪表设备在19个国家的40个用户厂家投入现场运行。 1985年组建了profibus国际支持中心；1989年12月建立了profibus用户组织（pno）。目前在世界各地相继组建了20个地区性的用户组织，企业会员近650家。1997年7月组建了中国现场总线（profibus）专业委员会，并筹建现场总线profibus产品演示及认证的实验室。 profibus主要应用领域有：.制造业自动化：汽车制造（机器人、装配线、冲压线等）、造纸、纺织。.过程控制自动化：石化、制药、水泥、食品、啤酒。.电力：发电、输配电。.楼宇：空调、风机、照明。.铁路交通：信号系统3.2 ff现场总线 1994年由isp 基金会和world fip(北美)两大集团合并成立ff基金会，其宗旨在于开发出符合iec和iso标准的、唯一的国际现场总线（fundation fieldbus）。低速总线（h1）协议已于1996年发表。已完成开发的高速总线（h2）拟于1998年内发表。1997年5月建立了中国现场总线（ff）专业委员会，并筹建ff现场总线产品认证中心。 目前，ff现场总线的应用领域以过程自动化为主。如：化工、电力厂实验系统、废水处理、油田等行业。3.3 lonworks总线 lonworks现场总线全称为lonworks networks,即分布式智能控制网络技术，希望推出能够适合各种现场总线应用场合的测控网络。目前longworks应用范围广泛，主要包括工业控制、楼宇自动化、数据采集、scada系统等。国内主要应用于楼宇自动化方面。3.4 canbus现场总线 canbus现场总线已由iso/tc22技术委员会批准为国际标准ios 11898（通讯速率小于1mbps）和iso 11519（通讯速率小于125kbps）。canbus主要产品应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型i/o。另外在电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。3.5 worldfip现场总线 9091年fip现场总线成为法国国家安全标准。96年成为欧洲标准（en 50170 v.3）。下一步目标是靠近iec标准，现在技术上已做好充分准备。worldfip国际组织在北京设有办事处，即worldfip中国信息中心，负责中国的技术支持。 worldfip现场总线采用单一总线结构来适应不同应用领域的需求，不同应用领域采用不同的总线速率。过程控制采用31.25kbit/s,制造业为1m bit/s,驱动控制为1-2.5mbit/s。采用总线仲裁器和优先级来管理总线上（包括各支线）的各控制站的通信。可进行1对1、1对多点（组）、1对全体等多重通信方式。在应用系统中，可采用双总线结构，其中一条总线为备用线，增加了系统运行的安全性。 worldfip现场总线适用范围广泛，在过程自动化、制造业自动化、电力及楼宇自动化方面都有很好的应用。3.6 p-net现场总线 p-net现场总线筹建于己于1983年。1984年推出采用多重主站现场总线的第一批产品。1986 年通信协议中加入了多重网络结构和多重接口功能。1987年推出p-net的多重接口产品。1987年p-net标准成为开放式的完整标准，成为丹麦的国家标准。1996年成为欧洲总线标准的一部分（en 50170 v.1）。1997年组建国际p-net用户组织，现有企业会员近百家，总部设在丹麦的siekeborg，并在德国、英国、葡萄牙和加拿大等地设有地区性组织分部。 p-net现场总线在欧洲及北美地区得到广泛应用，其中包括石油化工、能源、交通、轻工、建材、环保工程和制造业等应用领域。4.现场总线控制系统的发展4.1现场总线控制系统体系结构现场总线控制系统通常由现场智能仪表、控制器，现场总线系统，监控、组态计算机三部分组成。它由三层网络组成: 最底层(即i/o 端)为低速现场总线(如ff的h1, device net或profibus的pa)连成的控制网络cnet，连接各种智能仪表(包括压力变送器、温度变送器、流量测量仪表及调节阀等)，各控制器节点下放到现场, 构成一种彻底的分布式控制体系结构；中间一层采用中速网(如ff 的h2 或profibus的dp)连接控制器、数据集中器、远程i/o及智能i/o设备，形成系统网络snet；最上一层即决策支持层mnet，采用高速以太网连接各控制器与站级计算机。现场总线控制系统是一个实现电气传动控制、仪表控制和计算机控制一体化的系统结构，它的网络拓扑结构可采用线形、总线形、星形、环形等。一般情况下采用线形结构,通讯介质可用双绞线、光导纤维电缆、同轴电缆、电力线、无线、红外线等各种形式。4.2自动控制领域的发展过程4.2.1第一代过程控制体系50多年前第一代过程控制体系是基于513psi的气动信号标准（气动控制系统pcs，pneumaticcontrolsystem）。简单的就地操作模式，控制理论初步形成，尚未有控制室的概念。 4.2.2第二代过程控制体系第二代过程控制体系（模拟式或acs,analogcontrolsystem）是基于010ma或420ma的电流模拟信号，这一明显的进步，在整整25年内牢牢地统治了整个自动控制领域。它表征了电气自动控制时代的到来。控制理论有了重大发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础；控制室的设立，控制功能分离的模式一直沿用至今。4.2.3第三代过程控制体系第三代过程控制体系（ccs，computercontrolsystem）.70年代开始了数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量，模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代过程控制体系（ccs，computercontrolsystem）。这个被称为第三代过程控制体系是自动控制领域的一次革命，它充分发挥了计算机的特长，于是人们普遍认为计算机能做好一切事情，自然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制计算机系统，需要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿用420ma的模拟信号，但是时隔不久人们发现，随着控制的集中和可靠性方面的问题，失控的危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统瘫痪。所以它很快被发展成分布式控制系统（dcs）。4.2.4第四代过程控制体系第四代过程控制体系（dcs，distributedcontrolsystem分布式控制系统）：随着半导体制造技术的飞速发展，微处理器的普遍使用，计算机技术可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代过程控制体系（dcs，或分布式数字控制系统），它主要特点是整个控制系统不再是仅仅具有一台计算机，而是由几台计算机和一些智能仪表和智能部件构成一个了控制系统。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一个重要的发展是它们之间的信号传递也不仅仅依赖于420ma的模拟信号，而逐渐地以数字信号来取代模拟信号。4.2.5第五代过程控制体系第五代过程控制体系（fcs，fieldbuscontrolsystem现场总线控制系统）：fcs是从dcs发展而来，就象dcs从ccs发展过来一样，有了质的飞跃。“分散控制”发展到“现场控制”；数据的传输采用“总线”方式。但是fcs与dcs的真正的区别在于fcs有更广阔的发展空间。4.3现场总线协议控制器通用型现场总线协议控制器是采用模块化结构和多cpu工作方式来设计的，因为模块化的结构可以使系统有较强的扩展能力，为系统将来的升级换代带来便利。通用型现场总线协议控制器主要由底板和插卡组成，其中底板带有电源以及扩展槽、固定支架、系统总线、信号线构成。插卡分三种，分别为主控板、协议板、接口板，其中主控板和协议板带cpu。主控板负责管理整个系统以及与上位机的通信，通用型现场总线协议控制器通过rs232接口与上位机连接，主控板通过它与上位机进行信息交换，主要包括：管理系统总线，给协议板和接口板分配系统资源，与协议板进行信息交换，对来自协议板的数据进行处理，等待上位机提取。协议板是通用型现场总线协议控制器的关键部分，所有与现场设备的通信都由它完成。协议板可以提供多种现场总线协议，一般一块协议板只能进行一种现场总线协议的通信。接口板从属于某一协议板，为协议板提供通信接口。用户可以根据实际情况进行选择，接口种类有rs232、rs422、rs485等。通用型现场总线协议控制器与上位机以及与现场设备的通信都采用串行方式，而通信控制器内部各插卡之间通过系统总线来完成。其中主控板与各协议板的通信采用主从式。主控板通过系统总线分别与协议板进行通信，各协议板之间不能进行通信。通信过程如下：主控板在系统总线上，通过广播方式发送协议板号来呼叫与之通信的协议板，每块协议板上有协议板号识别电路，只有与发送的协议板号相符的协议板才响应主控板，从而实现主控板与协议板的通信。当用户增加新的协议设备时，不必改动硬件，只需在增加的新的协议板上设置好协议板号，并在上位机的组态中添加相应的系统信息存入计算机即可。协议板和接口之间的信息传递通过系统中的局部总线来完成。4.4智能化配电系统智能化配电系统由配各种智能化开关柜的硬件系统和软件系统两部分组成。硬件包括各种智能化开关柜、通用型现场总线协议控制器、上位控制计算机。软件由主控程序、通讯界面和人机界面三部分组成。根据以上硬件设备的配置情况，在上位机上输入系统配置信息，通过串行口传递给控制器主板。主控板将系统配置信息分类传递给各协议板，各协议板收到系统信息后与所属硬件设备进行通信，将采集到的数据经主控板传送到上位机，并通过主控板接受上位机命令。4.5现场总线崛起的过程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。1986年由rosemount提出的通讯协议hart（highwayaddressableremotetransducer,可寻址远程传感器数据通路），主要是在420ma的dc信号上叠加fsk（frepuencyshiftkeying,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dsc的发展的重点落在了现场总线上，开