现场总线：下放控制功能，降低成本与维护费用

20世纪80年代中期开始发展起来的现场总线已成为当今自动化领域技术发展的热点之一，它的出现，将给自动化领域带来又一次革命，标志着工业控制技术领域又一新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。

（1）什么是现场总线

在工业控制系统中，按控制系统的体系结构分，主要有三大系统，即PLC控制系统、集散控制系统（Distributed Control System，DCS）和现场总线控制系统（Fieldbus Control Sys-tem，FCS），而在FCS和DCS中也常有PLC的应用。FCS与PLC及DCS之间有千丝万缕的联系，又存在着本质的差异。

根据IEC61158的定义，现场总线是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、双向传输、多分支结构的通信网络。基金会现场总线（Founda-tion Fieldbus，FF）是目前最具发展前景、最具竞争力的现场总线之一。FF的现场总线控制系统体系结构如图7-36所示。它有两种应用方式，分别用代码H1和H2表示。H1方式主要用于代替直流0～10mA或4～20mA以实现数字传输，它的传输速度较低，每秒几千比特，但传输距离较远，可达1900m，称为低速方式；H2方式主要用于高性能的通信系统，它的传输速度高，达到1Mbit／s，传输距离一般不超过750m，称为高速方式。

FCS实质是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统。现场总线技术将通用或专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们具有数字计算和数字通信能力，采用一定的通信介质作为总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成适应实际需要的自控系统。简而言之，它把分散的测量控制设备变成网络结点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统。现场总线将控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。

图7-36 FF的现场总线控制系统体系结构

（2）现场总线的国际标准

1984年IEC（国际电工委员会）开始制定现场总线国际标准，最后于2000年1月4日IEC／TC65（负责工业测量和控制的第65标准化技术委员会）通过了8种类型的现场总线作为新的IEC61158国际标准。

1）类型1 IEC技术报告（即FF的H1）；

2）类型2 ControlNet（美国Rockwell公司支持）；

3）类型3 Profibus（德国Siemens公司支持）；

4）类型4 P－Net（丹麦Process Data公司支持）；

5）类型5 FF HSE（即原FF的H2，Fisher－Rosemount等公司支持）；

6）类型6 SwiftNet（美国波音公司支持）；

7）类型7 WorldFIP（法国Alstom公司支持）；(www.xing528.com)

8）类型8 Interbus（德国Phoenix Conact公司支持）。

加上IEC TC17B通过的3种现场总线国际标准，即SDS（Smart Distributed System）、ASI（Actuator Sensor Interface）和DeviceNet。此外，ISO还有一个ISO 11898的CAN（Control Area Network），所以一共有12种之多。

（3）现场总线的发展现状

1）多种总线共存。现场总线国际标准IEC61158中采用了8种协议类型和其他一些现场总线。每种总线都有其产生的背景和应用领域。不同领域的自动化需求各有其特点，因此在某个领域中产生的总线技术一般对本领域的满足度高一些，应用多一些，适用性好一些。

2）总线应用领域不断拓展。每种总线都力图拓展其应用领域，以扩张其势力范围。在一定应用领域中已取得良好业绩的总线，往往会进一步根据需要向其他领域发展。如Profi-bus在DP的基础上又开发出PA，以适用于流程工业。

3）总线国际组织。大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中创造影响，以取得更多方面的支持，同时也想显示出其技术是开放的，如WorldFIP国际用户组织、FF基金会、Profibus国际用户组织、P－Net国际用户组织及ControlNet国际用户组织等。

4）每种总线都以企业为支撑。各种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关，如Profibus以Siemens公司为主要支持，ControlNet以Rockwell公司为主要背景，WorldFIP以Alstom公司为主要后台。

5）一个设备制造商参加多个总线组织。大多数设备制造商都积极参加不止一个总线组织，有些公司甚至参加2～4个总线组织。道理很简单，装置是要挂在系统上的。

6）各种总线相继成为自己国家或地区标准。每种总线大多将自己作为国家或地区标准，以加强自己的竞争地位。现在的情况是：P－Net已成为丹麦标准，Profibus已成为德国标准，WorldFIP已成为法国标准。上述3种总线于1994年成为并列的欧洲标准EN50170。其他总线也都成为各地区的技术规范。

7）在竞争中协调共存。协调共存的现象在欧洲标准制定时就出现过，欧洲标准EN50170在制定时，将德、法、丹麦3个标准并列于一卷之中，形成了欧洲的多总线的标准体系，后又将ControlNet和FF加入欧洲标准的体系。各重要企业，除了力推自己的总线产品之外，也都力图开发接口技术，将自己的总线产品与其他总线相连接，如施耐德公司开发的设备能与多种总线相连接。在国际标准中，也出现了协调共存的局面。

（4）现场总线的发展趋势

虽然现场总线的标准统一还有种种问题，但现场总线控制系统的发展却已经是一个不争的事实。随着现场总线思想的日益深入人心，基于现场总线的产品和应用的不断增多，现场总线控制系统体系结构日益清晰。具体发展趋势表现在以下几个方面：

1）网络结构趋向简单化。早期的MAP模型由7层组成，现在Rockwell公司提出了3层结构自动化，Fisher Rosemount公司提出了2层自动化，还有的公司甚至提出1层结构，由以太网一通到底。目前比较达成共识的是3层设备、2层网络的3＋2结构。3层设备是位于底层的现场设备，如传感器／执行器以及各种分布式I／O设备等；位于中间的控制设备，如PLC、工业在制计算机、专用控制器等；位于上层的是操作设备，如操作站、工程师站、数据服务器、一般工作站等。2层网络是现场设备与控制设备之间的控制网，以及控制设备与操作设备之间的管理网。

2）大量采用成熟、开放和通用的技术。在管理网的通信协议上，越来越多的企业采用最流行的TCP／IP协议加以太网，操作设备一般采用工业PC甚至普通PC，控制设备一般采用标准的PLC或者工业控制计算机等，而控制网络就是各种现场总线的应用领域。

由此可见，新型的现场总线控制系统与传统的控制系统（如DCS、PLC）之间并不是完全取而代之的关系，而是继承、融合、提高的关系。