现场总线控制系统：设备互联的高效解决方案

1.现场总线的定义

现场总线的技术基础是一种全数字化、双向、多站的通信系统，是应用于各种计算机控制领域的工业总线。用现场总线将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。

IEC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、多分支结构的通信网络。

IEC1158定义：安装在制造或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。

2.现场总线控制系统的结构及特点

国际电工委员会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求：同一数据链路上过程控制单元（PCU）、PLC等与数字I/O设备互连；现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取；通信媒体安装费用较低。现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（即现场级设备）与更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系。现场总线控制系统主要包括一些实际应用的设备，如PLC、扫描器、电源、输入输出站、终端电阻等。其他系统也可以包括变频器、智能仪表、人机界面等。

系统中的主控器（Host）可以是PLC或PC，通过总线接口对整个系统进行管理和控制。其总线接口，有时可以称为扫描器，可以是分离的卡件，也可以集成于PLC中。总线接口作为网络管理器和作为主控器到总线的网关，管理来自总线节点的信息报告，并且转换为主控器能够读懂的某种数据格式传送到主控器。总线接口的默认地址通常设为“0”电源，是网络上每个节点传输和接收信息所必需的。通常输入通道与内部芯片所用电源为同一个电源，习惯称为总线电源。而输出通道使用独立的电源，称为辅助电源。

系统中的输入输出节点虽然有许多不同的类型，但在应用中最常用的是24V直流的2线、3线传感器或机械触点。该节点具有IP67的防护等级，有防水、防尘、抗振动等特性，适合于直接安装在现场。另一个节点是端子式节点，独立的输入/输出端子块安装在DIN导轨上，并连接着一个总线偶合器。该总线直流偶合器是连接总线的网关。这种类型的节点是开放式的结构，其防护等级为IP20，它必须安装在机箱中。端子式输入/输出系统包含有许多种开关量与模拟量输入/输出模块，以及串行通信、高速计数与监控模块。端子式输入/输出系统可以独立使用也可以结合使用。而节点地址连接一个辅助电源，该电源用于驱动电磁阀和其他的电器设备。通过将辅助电器与总线电源分开可以极大地降低在总线信号中的噪声。另外大部分总线节点可以诊断出电器设备中的短路状态并且报告给主控器，即使发生短路也不会影响整个系统的通信。普通传感器等现场装置可以通过输入输出模块连接到现场总线系统工程中，也可以单独装入总线通信接口，连接到总线系统中。

总线电缆一般分为主干缆和分支电缆。各种总线协议对于总线电缆的长度都有所规定，不同的通信波特率对应不同的总线电缆长度。同时，分支电缆的长度也是有所限制的。网络的最后部分是终端电阻。在一些总线系统中，这个终端电阻只是连接到两数据线的简单电阻，用来吸收网络信号传输过程中的剩余能量。

3.IEC61158国际标准规定的8种总线及其特点简介

（1）Profibus

主要由德国西门子公司支持，是按照ISO/OSI参考模型制订的现场总线德国国家标准。Profibus由三部分组成，即Profibus-FMS、Profibus-DP及Profibus-PA。其中，FMS主要用于非控制信息的传输，PA主要用于过程自动化的信号采集及控制，DP是制造业自动化主要应用的协议内容，是满足用户快速通信的最佳方案，传输速度为12Mbit/s。扫描1000个I/O点的时间少于1ms。

（2）基金会现场总线（FF，H1，IEC技术报告）

它是针对过程自动化而设计的，是通过数字、串行、双向的通信方法来连接现场装置的。FF通信不是简单的数字4～20mA信号，而是使用复杂的通信协议，它可连接能执行简单的闭环算法（如PID）的现场智能装置。一个通信段可配置32个现场装置，通信速度为31.25kbit/s，每段最大通信距离为1900m。

（3）Interbus

主要由德国Phoenix Contact公司支持，其网络简单，且易于安装与配置。网上的节点类似简单的移位寄存器，位流经过节点则发生翻转。Interbus-S启动网络并自动配置，不需要节点地址。使用一根电缆，符合IEEE802.5的规定。一个网络上最多可有64个装置，速度可达500kbit/s，最长距离为25600m，移动节点间距离为400m。

（4）ControlNet

由美国Rockwell公司支持，具有非常高的实时性能，界于设备级总线（像DeviceNet）与工厂级总线（通常基于Ethernet）之间。在相同的通信链路上提供了适合于I/O控制设备的带宽、实时联锁响应、对等信息和程序传输，为断续和连续过程控制系统应用提供了确定性和重复性功能；并且允许多控制器处理I/O控制设备，提供了输入数据和对等数据两者之间的多点传送、通信传输媒体的冗余和本质安全的选择、灵活的网络拓扑结构选择（总线、树型、星型）和媒体传输介质（同轴电缆、光纤等）。

（5）WorldFIP

主要由法国的Alstom公司支持，支持双重冗余总线运行方式，总线上可以连接PLC、I/O现场设备、控制器、HMI系统等。通过双重冗余总线，能够完全确保控制系统不会因为控制电缆损坏等原因造成其他控制系统被迫停机的事故。

另外还有三种：主要由Fisher—Rosemount公司支持的FF HSE，美国波音公司支持的Swift Net以及由丹麦Process Data公司支持的P-net。

4.有影响的几种现场总线

（1）基金会现场总线（FF）

基金会现场总线（Foudation Fieldbus，FF）于1994年由美国Fisher—Rosemount和Honeywell为首成立。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H1和H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25kbit/s，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。H2的传输速率为1Mbit/s和2.5Mbit/s两种，其通信距离为750m和500m。

（2）LonWorks

由美国Echelon公司推出，它采用ISO/OSI模型的全部7层通信协议，采用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。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，并开发了本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。采用Lon-Works技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。

（3）PROFIBUS

PROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。由PROFIBUS—DP、PROFIBUS—FMS、PROFIBUS—PA组成。DP用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程序控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型，服从IEC 61158—2标准。

（4）CAN

CAN是控制局域网络的简称，由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域。CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。

CAN总线与其他总线相比有如下特点：

1）它是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行通信。

2）CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等项工作。

3）CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制。

4）数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令，工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。

5）CAN协议采用CRC检验，并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。(www.xing528.com)

（5）HART

HART（Highway Addressable Remote Transducer，可寻址远程传感器高速通道），协议是美国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。HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信。HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆的要求，并可用于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。经过10多年的发展，HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。

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，数据传输率为1.2Mbit/s。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模拟信号传送，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的主要不足在于其属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。由于它采用模拟数字信号混合，难以开发通用的通信接口芯片。

5.现场总线控制仪表的优势

如果现场总线通信协议国际标准化后，不同厂家生产的现场仪表都可挂在现场总线上，通过现场总线连接到控制室内的主系统（或计算机），实现现场信息的数字化传送，现场总线的这种结构，将给控制系统带来相当大的益处。

（1）一对N结构

一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号，这使得接线简单、工程周期短、安装费用低、接线容易。如果增加现场设备或现场仪表，只须并行挂接到电缆上，无须架设新的电缆。

（2）可靠性高

数字信号传输抗干扰能力强、准确度高，无须采用抗干扰和提高准确度的措施，从而减少了成本。

（3）提高了准确度

现场仪表把生产过程中的物理量或直接编码成数字量或把非电量转换出来的模拟量立即经A/D转换器转换成数字量，然后经高性能微处理器和通信芯片，把控制室主系统所需信息传送过去，数字信号传输准确度一般比模拟信号传输高10倍。所以控制系统的控制准确度会显著提高。

（4）增强了控制的实时性

现场总线所连的现场仪表都是内装微处理器的，它们各自进行采样、A/D转换、线性化或校正补偿运算处理以及报警判断，有的还具有PID运算功能。它们的输出结果直接送到临近控制阀上，完全不需经过控制室主系统，信号传输路径极短，既减少了干扰，又增强了控制的实时性，使控制系统的控制准确度大为提高。

（5）可控状态

操作员在控制室既可了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对其参数进行调整，还可预测或寻找故障，始终处于操作员的远程监控和可控状态，提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。

（6）互换性

用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优的现场设备或现场仪表，并将不同品牌的仪表互连。即使某台仪表故障，换上其他品牌的同类仪表照常工作，实现“即接即用”。

（7）取消I/O转换

由于现场仪表通过现场总线直接与控制室进行数字通信，因此，不再需要I/O转换，可取消端子相互连接的I/O卡，甚至I/O子系统功能。当智能全部下放到现场时（少数高级而复杂的算法控制，在现场总线应用初期会有困难，但可依靠控制室计算机来解决），也可取消DCS的控制柜，这样，传统的DCS将彻底消失，不但节约了大笔系统投资，而且还减少了大量的安装工程量。

（8）综合功能

现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能。实现一表多用，不仅方便了用户，也节省了成本。

（9）节约信号电缆

在传送4～20mA模拟信号时，信道为一对一，即一对导线只能传输一个4～20mA信号，且只能单向传输。一台300MW火力发电机组，大约有2000点这样的信号，需要大量的信号电缆进入控制室。有了现场总线以后，一根现场总线预计可挂多达256台现场仪表。因此，可节约大量信号电缆，实现了变千百根电缆为一根的设想。

（10）双向通信

现场总线可以双向传递信号，不但把工艺参数、阀门开度、设备诊断等信号由现场传送至控制室主系统（或主计算机），而且还能把设定、组态和补偿参数等信号由控制室主系统（或主计算机）送至现场。例如，当一台阀门的行程超过一定距离（如累计行程达2km）时，腐蚀性介质流过阀门一定数量（如2000Ukgal，约为9092L）时，运行时间超过一定期限（如两年）时，阀门已经损坏时。只要运行操作员在控制室得到了4个信息中的一个时，就应该采取措施修理阀门了。这样的设备维修预告信号，只有采用了现场总线才能获得，因而，现场总线将扩大运行操作人员的视野，使控制更加灵活。

（11）多变量变送器

有了现场总线后，多变量变送器就会出现，例如“三合一”变送器，即一台变送器可同时测量压力、温度和流量，输出三个独立信号，这样可减少变送器的数量，进一步节约了工程投资。

（12）降低了通信负载

由于控制功能被下放到现场，使控制更加分散，许多用于实时控制的周期性传送至控制室的信号变成了非周期性的通报信号，因而大大减少了现场总线上的通信负载。

（13）统一组态

由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念，所有厂商都使用相同的功能块，并统一组态方法。这样就使得组态非常简单，用户不需要因为现场设备或仪表种类不同带来组态方法的不同，而进行培训或学习组态方法及编程语言。

（14）开放式系统

现场总线为开放式互联网络，所有技术和标准都是公开的，所有企业都必须遵循。这样用户可以自由集成不同企业的通信网络，既可与同层网络互联，又可与不同层网络互联；另外，用户可极其方便地共享数据库。

总之，现场总线的优势是强大的，它将给工业生产带来巨大效益。