现场总线技术的发展与应用

1、现场总线技术的发展与应用摘要： 现场总线作为一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系 统，近年来得到了迅猛的发展和应用。 为此本文阐述了现场总线的发 展和多现场总线技术的应用。关键字： 现场总线 自动化控制系统1 概述在计算机自动控制系统急速发展的今天， 特别是考虑到现场总线 已经普遍地渗透到自动控制的各个领域的现实， 现场总线必将成为电 工自动控制领域主要的发展方向之一。 现场总线技术一直是国际上各 大公司激烈竞争的领域；并且国外大公司已经在大力拓展中国市场，发展我国的现场总线产品已经刻不容缓。 现场总线对自动化技术 的影响意义深远。 当今可以认为现场总线是提高自动化系统整体水平 的基础技术

2、，对国民经济影响重大。因此，要在自动化领域中推广应 用和发展现场总线。现场总线是近年来自动化领域中发展很快的互连通信网络， 具有 协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频 繁交换等特点。目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。较著名的有基金会现场总线（FF）、 HART现场总线、CAN现场总线、LONWORKS场总线、PROFIBU现场总线、 MODBUSPHEOND公司的 INTERBUS AS- INTERFAC总线等。自动化控制系统就是通信网络把众多的带有通信接口的控制设 备、检测元件、 执行器件与主计算机连接起来，由计算机进行智能化 管理

3、，实现集中数据处理、 集中监控、集中分析和集中调度的新型生 产过程控制系统。从目前国内外自动化控制系统所应用的现场总线来看，主要有PROFIBUSMODBUSLONWORKST、HART CAN等现场总线。以上系统基本上都是采用单一的现场总线技术， 即整个自动化控制系统中只 采用一种现场总线，整个系统构造比较单一。现场总线已不仅仅是一个新技术领域或新技术问题， 在研究它的 同时，我们发现它已经改变了我们的观念；如何去看待现场总线，要 比研究它的技术细节更为重要。1.1 现场总线是一个巨大的商业机会一项权威报告声称现场总线的应用将使控制系统的成本下降67；巨大的商业利益直接导致产生一个巨大的市场

4、， 并且促使传统 市场萎缩，从而引发技术进步。这些对于我们行业来说都很重要，因 为我们正处在新旧市场交替的关口。1.2. 现场总线是一场技术革命现场总线带来了观念的变化， 我们以往开发新产品， 往往只注意 产品本身的性能指标， 对于新产品与其它相关产品的关联就考虑比较 少一点。 这样对于电工行业这样一个比较保守的行业来说， 新产品就 不那么容易地被用户接收。 而现场总线产品却恰恰相反， 它是一个由 用户利益驱动的市场， 用户对新产品应用的积极性比生产商更高。 然 而，现场总线新产品的开发也与传统产品不同； 它是从系统构成的技 术角度来看问题， 它注重的是系统整体性能的提高， 不强求局部最优，

5、而是整体的配合。 这种配合在主控计算机软件运行下能使控制系统应 用新的理论来发挥最大的效能； 这一点是传统产品很难做到的。 现场 总线的“负跨越 （指在技术水平提高的同时， 掌握和应用这项新技术 的难度却降低了）”的特性使它的推广更加容易。2. 现场总线的发展2.1 自动控制领域的发展过程2.1.150 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， Pneumatic Control System ）。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。2.1.2 第二代过程控制体系（模拟式或ACS,Analog ControlSystem）是

6、基于010mA或4 20mA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。2.1.3 第三代过程控制体系 (CCS，Computer Control System).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 Computer Control System)。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，

7、 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4-20mA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)。2.1.4 第四代过程控制体系( DCS， Distributed Control System 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

8、(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 4 -20mA勺模拟信号，而逐渐地以数字信号来取代模拟信号。2.1.5 第五代过程控制体系（ FCS，Fieldbus Control System 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

9、的发展空间。2.2 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（Highway Addressable Remote Transducer,可寻址远程传感器数据通路），主要是在 4 20mA的DC 信号上叠加 FSK（ Frepuency Shift Keying, 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DS

10、C的发展的重点落在了现场总线上， 开始了被称 为第五代过程控制体系（ FCS， Fieldbus Control System 现场总线 控制系统）的时代。FCS是从DCS发展而来，有一个量变到质变的过程。从表面上来 看，FCS与 DCS%别仅仅在于从“分散控制”发展到“现场控制”； 数据的传输从“点到点”采用“总线”方式。 其实不然， 当时系统论 的观点已被广泛地接受， 人们开始以大系统的概念来看待整个过程控 制体系。系统的增大，导致了网络的通讯技术急剧发展；于是科技界充分认识到在计算机系统的发展中起过重要作用的总线技术可以大 大地推进控制系统的发展。整个控制系统就象是一台巨大的“计算机”按

11、总线方式运行，这样资源的共享成了 FCS的主要发展空间，于 是现场总线应运而生，并且以前所未有的激烈程度展开了市场竞争。2.3 现场总线的技术基础：现场总线以数字信号取代模拟信号，在 3C 技术即计算机(Computer)、控制(Co ntrol )、通信(Commu nication)的基础上， 大量现场检测与控制的信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控 制功能从控制室移至现场设备， 一大批数字化、 智能化的高新技术产 品应运而生，自动化仪表与控制系统以崭新的面貌呈现在广大用户面 前。一般认为“现场总线是一种全数字化、双向、多站的通信系统， 是用于工业控制的计算机系统的工业总线。按照国际电

12、工委员会 IEC61158 的标准定义：“安装在制造和过程区域的现场装置与控制 室内的自动控制装置之间的数字式、 串行、 多点通信的数据总线称为 现场总线。从现场总线控制系统(FCS Fieldbus Control System)的角度 来看，它的通讯网络结构将是ISO的通讯模型的七层结构(一般简化 为三层，物理层、数据链路层、应用层)。2.4 各种现场总线与标准2.4.1 IEC 1984 年提出现场总线国际标准的草案。 1993 年才通 过了物理层的标准 IEC11582。2.4.2 SP50 IEC/ISA SP50 国际总线规范由 Honeywell 等公司共 同开发。1984 年美

13、国仪表协会 ISA( Instrument Society of America) 下属的标准实施( Standard and Practice )第 50 组，简称 ISA/SP50 开始制定现场总线标准，1992年IEC批准了 SP50的物理层标准。2.4.3 Profibus, 过程现场总线， 1987年德国联邦科技部集中了Siemens等13家公司的5个研究所成立了一个专门委员会开始制定Profibus。1991年4月完成了制定工作，在 DIN19245中发表，对其 进行了论述从而正式为德国现场总线的国家标准，现在是欧洲标准 pr ENS50170的三个组成部分之一。被工业界称为“德国

14、派”。2.4.4 ISP 和 ISPF 1992 年 由 Siemens,Foxboro,Rosemount,Fisher,Yokogawa,ABB 等公司成立 ISP 组织( Interoperable System Project, 可互操作系统规划)，是一 个以 Profibus 为基础制定的现场总线， 1993 年成立 ISPF(ISP Foundation,ISP 基金会)。2.4.5 World FIP 工 厂 仪 表 世 界 协 议 ，1993 年 由Honeywell,Bailey 等公司牵头成立 FI P (Facto ry InstrumentationProtocol )

15、， 120 家公司加盟，以法国标准 46602/603/604/606 为 基础制定. 该标准与德国的 Profibus 同时在欧洲投票通过为欧洲标 准 pr EN50170, 成为三个组成部分之一。被工业界称为“法国派”。2.4.6 FF （Fielbdus Foundation, 现场总线基金会） 1994 年 6 月ISPF和World FIP握手言和成立了 FF,总部设在美国Texas州的 Austin ，有会员 120 家，它是一个非商业化的公正的国际标准化组织 和协会组织，无专利许可要求，供任何人使用（ World FIP 的欧洲部 分在1995年3月才参加）。低速总线H1已进入实

16、用阶段。FF发展 的主要障碍来自 Profibus 的商业利益。2.5 几种有影响的现场总线2.5.1 CAN 由德国 Robert Basch 以及几个集成电路制造商一起开发，最初是专门为汽车工业设计，后来推广到各个领域 . 目前已由 ISO/TC22技术委员会批准为 ISO11898 （通信速率小于 IMbpS和 £011519（通信速率小于等于125kbps）。CAN是现场总线中唯一被 批准为国际标准的现场总线。 值得注意的是一些微处理器的生产商也 在微处理器芯片中附加CAN的接口，并且成为一种潮流。而其他现场 总线的协议芯片基本上是以专用的芯片来供应，这样CAN在低成本方面优

17、势明显，此外CAN技术在抗干扰技术方面颇有特色。2.5.2 L0N works （ Local 0peration Network ）局部操作网络； 1991 年 3 月由美国的 Echelon 公司推出，是一种“智能网”，核心 技术是节点由神经元芯片（含三个 CPU构成，带有OSI的七层网模 型，适应面最广，开发工具约 10 30 万，价格较贵。据统计产品的 40用于工业控制， 30用于楼宇自动化。2.5.3 Hart 和HCF 1986年由Rosemount提出的通讯协议 HART （Highway Addressable Remote Transducer, 可寻址远程传感器数据 通路）

18、，主要是在 420mA的DC言号上叠加FSK（Frequency Shift Keying ,频率调制键控）数字信号，是现场总线的过渡性协议，它对 于现场总线的形成有重大影响，但是在电器行中发展的可能性很小。2.5.4 一些可能对电器行业产生影响的低层次的现场总线：如：Bitbus,Interbus,AS Interface,DEVICE Net,VXL 等等。3. 多现场总线技术目前，在一些工程中通常的做法是在某种现场总线的基础上开发 能连接其他公司现场总线的接口产品。 由于现场总线国际标准尚未建 立，多种类型的现场总线枚不胜数， 需要开发大量的接口产品才能满 足不同工程需要。 如果仅以 F

19、F、CAN、LONWOR、KPSROFIBUSDP、MODBUS 五种著名现场总线为例， 要使它们中任意两种不同现场总线能统一于 一个智能化配电系统中， 仅是协议转换器这种接口产品就要有二十种 之多，如果一个系统中有三种或三种以上不同现场总线产品， 那麻烦 则更大。不少企业， 包括一些国际上的大公司为了解决来自不同厂家 的产品兼容性问题，都投入了巨大的精力和财力，但成效甚微。随着自动化技术和通信技术的发展，带有通信接口的产品应用 量越来越大，而且随着用户对智能化控制系统可靠性和灵活性的更高 要求，加上各现场总线本身的特点以及相关的产品品种繁多， 因此在 智能化配电系统工程设计中， 采用一种现场

20、总线总线的智能化产品往 往不能满足应用的全面要求， 多现场总线产品共存于一个智能化控制 系统已成为一个现实的问题。由于多现场总线系统中不同类型的产品均配专用的通信协议， 有 的厂家还专门为自己的产品开发了专用的通信卡、 通信控制器等专用 设备，因此，整个系统中的产品由于通信协议不同无法直接和主控单 元进行通信，这严重防碍智能自动化控制系统设计中对智能设备的选 择。对应用而言 , 如果在一个智能化控制系统中每一种智能化产品均 选择其专用的通信卡或通信控制器， 一个智能化控制系统将变得支离 破碎，组态性和灵活性均较差，使得系统的性能价格比不高，而且在 系统进行改造或升级时，将要花费用户更多的时间和

21、费用。因此，多 现场总线技术在一个智能化控制系统中的应用已成为一个重要的研 究课题。对于智能化自动化控制领域来说，它的现场总线有一定的特殊 性。同时它又不能完全脱离上层现场总线。 对于智能化控制系统的现 场总线网络，特别是过程自动化系统将不得不面对几个现场总线其原 因是：3.1 实际上过程自动化控制系统和高中压电网控制系统存在各种 不同的现场总线。3.2 建筑自动化系统在推广 Lonworks 现场总线，用于智能大厦。3.3FF 有国家的大力支持，也许是重要的发展方向。3.4CAN的价格优势对低压电器有很大的吸引力。3.5Profibus 已经有了不少应用。这是一个需要认真考虑的现实。智能化召

22、开系统现场总线网络是个多层次的网络 , IEC62026 本 身就包含各种现场总线。 IEC62026 明确表示了高层的工业通讯网络 由IEC/SC65C考虑。FCS现场总线控制系统的一个重要的发展方向 是多层次的网络结构； 向下连接低层次的现场总线， 智能化控制系统 现场总线网络需要多层次的网络。 而智能设备需要非常灵活地与各种 总线、控制对象等的配合控制和交换信息。 实现各种总线相互间的转 换也是解决现场总线之争的途径之一。目前，在一些工程设计中通常的做法是在某种现场总线的基础上 开发能连接其他公司现场总线的接口产品。 由于现场总线国际标准尚 未建立，多种类型的现场总线枚不胜数， 需要开发

23、大量的接口产品才 能满足不同工程需要。 如果仅以 FF、CAN、LONWOR、KSPROFIBUSDP、 MODBU五种著名现场总线为例，要使它们中任意两种不同现场总线 能统一于一个智能化配电系统中， 仅是协议转换器这种接口产品就要有二十种之多，如果一个系统中有三种或三种以上不同现场总线产 品，其技术复杂程度和管理、维护、扩展等因素都是影响现场总线在 智能化控制系统中推广应用， 国际上的个大公司为了解决来自不同厂 家的产品兼容性问题，都投入了巨大的精力和财力，但成效甚微。针对上述在智能化控制系统开发中遇到的实际问题， 在工程中的 解决方案是做一个统一而简单的子网： 一个简单的子网可能解决自动

24、化控制系统的大部分控制问题。 各智能化设备的各种现场总线接口的 配合可以通过相应的协议芯片来解决。 统一的子网可能使整个行业的 开发成本最低， 开发速度最快。 为此提出了通用型现场总线协议控制 器这种全面的解决方案， 通过硬件和软件的方法共同对现场总线协议 进行处理， 解决智能化控制系统中多现场总线的兼容性问题， 其目的 是为了能将不同现场总线的产品和谐地融入一个系统中， 充分发挥不 同产品的长处，为那些希望使用不同厂家优质产品的用户提供更大的 灵活性。通用型现场总线协议控制器是现场级的通用通信管理设备， 由它 把各个现场设备连成网络，并负责现场设备与上位机之间的信息传 递。由于其是通用性的，

25、只需通过相应的CPU及接口电路和软件就可 以完成多种现场总线协议的转换， 实现与不同厂家的现场设备进行通 信。4. 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

26、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。5. 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