现场总线控制系统配置指南

1.现场总线概念

总线，英文叫“BUS”，原意为“公共汽车”。对计算机，是CPU、内存、输入、输出设备传递数据的公用通道。对PLC网络或DCS，它是各站点物理连接后传递数据的公用通道。前者传递数据多为同时传送多位数据，为并行总线，而后者传递数据为一位位数据顺序传送，为串行总线。

现场总线（Fieldbus）是用在现场的总线技术，把现场的操作器、仪表及其他设备与控制器进行物理连接、实施通信的串行总线。现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）是基于现场总线的分布式控制系统，是继PLC、DCS（集散控制系统）之后出现的又一种新型的用于离散生产过程、连续生产过程及楼宇控制的自动化系统。根据国际电工委员会（IEC）标准和现场总线基金会（FF）的定义：现场总线是“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”。现场总线把自动控制系统和设备带进了信息网络之中，形成企业信息网络的底层，从而为实现企业信息集成和企业综合自动化提供了更多可能。图3-3所示为传统的控制器与被控设备之间接线。

图3-3 传统的控制器与被控设备之间接线

从图知，传统的控制系统其控制器与传感器或执行器之间的接线是并联的。如果传感器或执行器用的是开关量，则用连线传送ON/OFF信号；如果传感器或执行器用的是模拟量，则连线传送（如4～20mA等），标准模拟信号。当控制器所控制的电器元件数量达到数十个甚至数百个时，整个系统的接线就显得十分复杂，容易搞错，施工和维护都十分不便。

图3-4所示为一种基于现场总线的控制系统结构简图。

从图知，现场总线控制系统其控制器与传感器或执行器之间的接线是串联的。通过通信接口、通信介质实现它们之间的物理连接。同时，不管传感器或执行器用的是开关量，还是模拟量，都是用数字通信传送这些数据。这样，当控制器所控制的电器元件数量即使再多，整个系统的接线也比较简单，施工和维护也十分方便。

把图3-4与图3-1比较可知，现场总线与PLC远程I/O系统都是通过通信传送数据。但它们之间还是有很大区别的。相比之下现场总线具有以下一些特点：

（1）设备智能化

如果现场设备的接入是通过从站终端，那与当地的没有区别，不要求其智能化。而现场设备要单独接入，则要求设备要智能化。首先要有接入网络的接口；其次如果设备使用的是模拟量，还要能实现数模相互转换；再就是最好能进行信息处理以至于完成简单的回路控制。有了这样的现场设备才可将其单独接入网络，成为网络的一个站点。这样把一些简单的控制功能下放到现场，还可使控制系统具备高度的分散性，进而减低系统集中控制的风险。

（2）分布分散化

PLC远程I/O系统的从站数有限，规模也较大，多与主站点类似，只是没有自身的CPU。而现场总线从站数很多，规模多较小，甚至一个设备一个站点。完全可以是分散化的分布。正是这样的分布分散化，站点间又具有通信功能，更便于构成工厂底层控制网络。

（3）网络标准化

现场总线为开放式互连网络。其网络协议是公开的，有相应的国际或区域标准可依。只要按这些标准生产的产品就很容易接入该标准的网络，因而可接入的产品就会越来越多。这就给用户提供更多的选择不同品牌产品的机会，同时还不必为集成不同品牌产品而在硬件或软件上花费力气或增加额外投资。此外，由于使用的产品是按标准生产的，增加了互换性，为维修提供方便。

（4）效益最大化

由于有以上3个特点，引申之后就有这个效益最大化的特点。这里首先是，简化、节省与方便系统接线，降低系统的硬件成本。其次，可提高系统等可靠性，减少故障损失及系统维修费用。再就是，便于实现控制的网络化、信息化，从而带来附加效益。最后是系统便于重组，更能适应技术不断更新的要求。图3-5所示为使用Profibus现场总线系统与传统的系统对比的费用图表实例，说明使用现场总线可带来的效益。

图3-4 基于现场总线的控制系统结构简图

2.现场总线标准

现场总线的理念新、设想好，但要付诸实现，能够使相应地的工业设备能互连、互通及互操作，其前提是，要有被大家接受的标准。入网的产品都能按标准设计及制造。所以，制定现场总线标准是推进现场总线技术的关键。

由于商业利益的考虑，谁都想把自身已有的技术成为标准，所以，在形成这个标准中的竞争是很激烈的。以至于经过10多年的争论与妥协诞生了多个国际标准，具体是：

（1）IEC61158（IEC/TC65/SC65C）标准

它是国际电工委员会第65技术委员会下设的SC65C分会制定的。制订时间超过12年，先后经过9次投票，到了1999年，才制定出IEC61158标准第一版。后来又几经修改。最后，为了把已被工业自动化系统广泛采用的实时以太网（Real Time Ethernet，RTE）也纳入这个标准，诞生了IEC61158Ed4版本，有效期到2012年。该标准共推荐了经过市场考验的20种现场总线。表3-1示出了这20种总线。其中的实时以太网EPA（Ethernet for Plant Au-tomation）是我国提出的。(www.xing528.com)

图3-5 Profibus现场总线系统与传统 系统的费用对比实例

表3-1 IEC61158Ed4推荐的现场总线

（2）IEC62026（IEC/TC17/SC17B）标准

它是供低压开关设备与控制设备使用的控制器电气接口标准，于2000年6月通过。它包含以下几个总线标准：

1）IEC62026-1：一般要求；

2）IEC62026-2：执行器传感器接口AS-i（Actuator Sensor Interface）；

3）IEC62026-3：设备网络DN（DeviceNetwork）；

4）IEC62026-4：Lonworks（Local Operating Networks）总线的通信协议LonTalk；

5）IEC62026-5：灵巧配电（智能分布式）系统SDS（Smart Distributed System）；

6）IEC62026-6：串行多路控制总线SMCB（Serial Multiplexed Control Bus）。

（3）CAN总线标准

它是在IEC61158和62026之前，唯一被批准为国际标准的现场总线。CAN由ISO/TC22技术委员会批准为国际标准ISO11898（通信速率<1Mbit/s）和ISO11519（通信速率≤125Kbit/s）。CAN总线得到了计算机芯片商的广泛支持，它们纷纷推出直接带有CAN接口的微处理器（MCU）芯片。带有CAN的MCU芯片总量已经达到1.3亿片（不一定全部用于CAN总线），可见在接口芯片技术方面CAN已经遥遥领先于其他所有现场总线。

CAN总线同时是IEC62026-2电器网络DeviceNetwork（DN）和IEC62026-5灵巧配电系统Smart distributed system（SDS）的物理层，它是IEC62026最主要的技术基础。

（4）所推荐的这些现场总线标准有如下特点

1）每一现场总线标准都有一到多家有实力的公司支持，并都有受这些公司支持的独立厂商组织，负责管理这个总线的规范及支持在全球范围发展的推广，都力求推进自身的系统。

2）每一现场总线标准都已在一定领域得到实际应用，已成为该领域的主导现场总线。

3）推荐的标准虽多，但其中也有交叉，即也有技术相互借用的部分。如DeviceNet用到了CAN的底层技术等。

4）国际标准推荐的总线虽多，但有的与PLC关系不大。与PLC有关的可用于实现PLC与现场设备通信，也可用于PLC之间通信，有的还可用于PLC与计算机通信。这意味着PLC的设备网、控制网及信息网都可用到现场总线技术。

5）计算机及PLC网络技术还在发展，所以，标准内容还在增加，争论也不可能停止。事实上，那么多标准推荐的那么多现场总线，也只是一时的妥协，或对各自应用领域的划分，远不是真正的国际统一的技术标准。

6）面对现场总线多标准的现实，不少厂家也改变了执行单一标准的策略，而是设计与制造可执行多个标准的不同产品，使自身的产品能与多种现场总线接轨，为自身产品开拓更大的应用空间。