1 导言
跟着计算机、操控、通讯、网络等技能的开展，作为工业操控数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线（FieldBus）技能也得到了开展迅速、影响巨大，引起了工程技能界的遍及爱好与注重，使计算机操控体系逐渐从集散操控体系（Distributed Control System DCS）走向以现场总线位根底的分布式现场总线操控体系（Fieldbus Control System,FCS），被誉为工业主动化范畴具有革命性的新技能。现场总线是当今主动化范畴技能开展的热门之一。
2 被誉为主动化范畴的计算机局域网
2．1 现场总线及其特色
（1）什么是现场总线？
依据世界电工委员会（IEC）和美国外表协会(ISA)的界说：现场总线是衔接智能现场设备和主动化体系的数字、双向传输、多分支结构的通讯网络，它的要害标志是能支撑双向多节点、总线式的全数字通讯，具有可靠性高、稳定性好、抗搅扰才干强、通讯速率快、体系安全、造价低价、保护本钱低一级特色。
世界电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求：
（1）同一数据链上进程操控单元（PCU）、PLC等与数字1/0设备互连；
（2）现场总线操控器可对总线上的多个操作站、传感器及履行机构等进行数据存取；
（3）通讯媒体设备费用较低。
SP50委员会提出的两种现场总线结构模型是：
●星型总线用短间隔、廉价、低速率电缆替代模拟信号传输线
●总线型总线数据传输间隔长、速率高，选用点对点、点对多点和播送式通讯方法
2．2 现场总线技能特征
现场总线完好地完结了操控技能、计算机技能与通讯技能的集成，具有以下几项技能特征。
（1）现场设备已成为以微处理器为中心的数字化设备，互相经过传输媒体（双绘线、同轴电缆或光纤）以总线拓扑相连；
（2）网络数据通讯选用基带传输（即数字数据数字传输），数据传输速率高（为Mbit/s或10Mbit/s级），实时性好，抗搅扰才干强；
（3）废气了集散操控体系（DCS）中的I/O操控站，将这一级功用分配给通讯网络完结；
（4）涣散的功用模块，便于体系保护、办理与扩展，进步可靠性；
（5）敞开式互连结构，既可与同层网络相连，也可经过网络互连设备与操控级网络或办理信息级网络相连；
（6）互操作性，在恪守同一通讯协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产品一致组态，构成所需求的网络。
3 现场总线操控技能
3．1 现场总线操控体系
现场总线操控体系FCS是集当今计算机技能、网络技能和操控技能为一体的今世最先进的计算机操控技能，是一种全涣散、全数字、全敞开的操控体系。它适用于工业进程操控、制造业及楼宇主动化等范畴，将成为现代计算机操控体系的干流。
3．2 FCS对计算机操控体系的影响
传统的计算机操控体系一般选用DCS结构。在DCS中，对现场信号需求进行点对点的衔接，并且I/0端子与PLC或主动化外表一同被放在操控柜中，而不是放在现场。这就需求铺设很多的信号传输电缆，布线杂乱，既费料又费时，信号简略衰减并简略被搅扰，并且又不方便保护。DCS一般由操作员站、操控站等组成，结构杂乱，本钱高。并且DCS不是敞开体系，互操作性差，难以完结数据同享。而根据FCS的操控体系则彻底克服了这些缺陷。
（1）FCS借助于现场总线技能，一切的I/O模块均放在工业现场，并且一切的信号经过分布式智能I/O模块在现场被转换成规范数字信号，只需一根电缆（两线或四线）就可把一切的现场子站衔接起来，进而把现场信号十分简捷地传送到操控室监控设备上，减低了本钱，又便于设备和保护，一起数字化的数据传输使体系具有很高的传输速度和很强的抗搅扰才干。
（2）FCS具有敞开性。在FCS中，软件和硬件都遵照相同的规范，互换性好，更新换代简略。程序规划选用IEC11314五种世界规范编程言语，编程和开发东西是彻底敞开的，一起还能够运用PC丰厚的软硬件资源。
（3）体系的功率高。在FCS中，一台PC可一起完结本来要用两台设备才干完结的PLC和NC/CNC使命。在多使命的Windows NT操作体系下，PC中的软PLC能够一起履行多达十几个PLC使命，既进步了功率，又降低了本钱。且PC上的PLC具有在线调试和仿真功用，极大地改进了编程环境。
（4）在FCS中，体系的根本结构为：工控机或商用PC、现场总线主站接口卡、现场总线输入/输出模块、PLC或NC/CNC实时多使命操控软件包、组态软件和运用软件。上位机的首要功用包含体系组态、数据报表组态、前史库组态、图形组态、操控算法组态、数据报表组态、实时数据显现、前史数据显现、图形显现、参数列表、数据打印输出、数据输入及参数修正、操控运算调理、报警处理、毛病处理、通讯操控和人机接口等各个方面，并真实完结操控会集、风险涣散、数据同享、彻底敞开的操控要求。
3．3 IEC61158世界规范规则的8种总线及其特色
（1）Profibus首要由德国西门子公司支撑，是依照ISO/OSI参阅模型拟定的现场总线德国国家规范。Profibus由三部分组成，即Profibus-FMS、Profibus-DP及 Profibus-PA。其间，FMS首要用于非操控信息的传输，PA首要用于进程主动化的信号收集及操控，Profibus-DP是制造业主动化首要运用的协议内容，是满意用户快速通讯的最佳计划，传输速度为12Mb/s。扫描1000个I/O点的时刻少于1ms。
（2）基金会现场总线FF（H1，IEC技能陈述）是针对进程主动化而规划，它是经过数字、串行、双向的通讯方法来衔接现场设备的。FF通讯不是简略的数字4-20mA信号，而是运用杂乱的通讯协议，它可衔接能履行简略的闭环算法（如PID）的现场智能设备。一个通讯段可装备32个现场设备，通讯速度为31。25kb/s ，每段最大通讯间隔为1900m。
（3）Interbus首要由德国Phoenix Contact公司支撑，其网络简略，且易于设备与装备。网上的节点相似简略的移位寄存器，位流经过节点则产生翻转。Interbus-S发动网络并主动装备，不需求节点地址。运用一根电缆，契合IEEE802.5的规则。一个网络上最多可有64个设备，速度可达500K/s，最长间隔为25600m，移动节点间间隔为400m。
（4）ControlNet首要由美国Rockwell公司支撑，具有十分高的实时功用，界于设备级总线（像DeviceNet）与工厂级总线（一般根据Ethernet）之间。在相同的通讯链路上供给了适合于I/O操控设备的带宽、实时联锁呼应、对等信息和程序传输，为断续和接连进程操控体系运用供给了确认性和重复性功用；并且答应多操控器处理I/O操控设备，供给了输入数据和对等数据两者之间的多点传送、通讯传输媒体的冗余和本征安全的挑选、灵敏的网络拓扑结构挑选（总线、树型、星型）和媒体传输介质（同轴电缆、光纤等）。
（5）WorldFIP首要由法国的Alstom公司支撑，支撑两层冗余总线运转方法，总线上能够衔接PLC、I/O现场设备、操控器、HMI体系等。经过两层冗余总线，能够彻底确保操控体系不会由于操控电缆损坏等原因构成其他操控体系被逼停机的事端。
别的还有三种：首要由Fisher-Rosemount公司支撑的FF HSE，美国波音公司支撑的swift Net以及由丹麦Process。
3．4 其他几种被工业操控范畴广泛选用的几种总线
（1）CANBUS（Controller Area Network）：是德国Bosch公司于1983年为轿车运用而开发的一种能有用支撑分布式操控和实时操控的串行通讯网络，归于现场总线（FieldBus）的范畴。1993年11月，ISO正式公布了操控器局域网CAN世界规范（ISO11898），CAN总线的通讯介质可选用双绞线，同轴电缆和光导纤维。通讯间隔与波持率有关，最大通讯间隔可达10km，最大通讯波持率可达1Mdps。CAN总线裁定用11位（CAN2.0A协议）和29位（CAN2.0B协议）标识和非破坏性位裁定总线结构机制，能够确认数据块的优先级，确保在网络节点抵触时最高优先级点不需求抵触等候。CAN结构模型取ISO/OSI模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链层和运用层。CAN总线选用了多主竞赛式总线结构，具有多主站运转和涣散裁定的串行总线以及播送通讯的特色。CAN总线上恣意节点可在恣意时刻主动地向网络上其他节点发送信息而不分主次，因而可在各节点之间完结自在通讯。CAN总线协议已被世界规范化安排认证，技能比较老练，操控的芯片现已商品化，性价比高，特别适用于分布式测控体系之间的数通讯。
（2）CC-Link是Control&Communication Link(操控与通讯链路体系)的简称，是三菱电机于1996年推出的敞开式现场总线，其数据容量大，通讯速度多级可挑选，并且它是一个复合的、敞开的、适应性强的网络体系，能够适用于较高的办理层网络到较低的传感器层网络的不同规模。CC-Link是一个以设备层为主的网络，一般情况下，CC-Link整个一层网络可由一个主站和六十四个从站组成。CC-Link具有高速的数据传输速度，最高可达10Mbps，其底层通讯协议遵照RS-485。2 CC-Link的数据通讯方法可分为2种方法：循环通讯和瞬时传送。信息从主站传递到从站，信息数据将以150字节为单位切割，并以每批150字节传递。若从站传递到主站或其他从站，每批信息数据最大为34字节。瞬时传送需求由专用指令来完结。瞬时传送不会影响循环通讯的时刻。
（3）Leo Works总线：是美国ECHELON公司开发，并与Motorola和东芝公司一起倡议的现场总线技能。它选用了OSI参阅模型悉数的七层协议结构。Lon Works技能的中心是具有通讯和操控功用的Neuron芯片。Neuron芯片完结完好的Lon Works的Lon Talk通讯协议。其上集成有三个8位CPU。一个CPU完结OSI模型第一和第二层的功用，称为介质拜访处理器。一个CPU是运用处理器，运转操作体系与用户代码。还有一个CPU为网络处理器，作为前两者的中介，它进行网络变量寻址、更新、途径挑选、网络通讯办理等。由神经芯片构成的节点之间能够进行对等通讯。Lon Works支撑多种物理介质并支撑多种拓扑结构，组网方法灵敏。Lon Works运用规模首要包含楼宇主动化、工业操控等，在组成分布式监控网络方面有较优胜的功用。
3．5 现场总线操控体系的通讯规范
FCS选用ISO的OSI模型7层体系结构中的第1、2、7层，即物理层（Physical Layer），链路层（Data Link Layer），运用层（Application Layer），外加一个第八层，用户层（User Layer）构成其总线通讯规范。用户层是现场总线规范在OSI层模型之外添加的一层，它使该规范超越一项通讯规范而成为一项体系规范，是FCS敞开性与互操作性的要害。用户层界说了29个规范功用模块，用于数据处理和组成操控算法，规范功用模块的数量少于一般的DCS，它答应用户自己界说算法模块，别的还界说了两个东西，即设备描述言语DDL（Device Description Language）和目标字典OD(Object Dictionary)，用以挂号网络上的”可见目标”，以完结可互操作性。
4 小结
当时，各种形式的现场总线协议并存于操控范畴。在楼宇自控范畴，Lon works 和CAN具有必定的优势；在进程主动化范畴，首要有CAN、基金会现场总线FF以及PROFIBUS协议。考虑到一致的敞开式现场总线协议规范拟定的长期性和艰巨性，传统DCS的退出将是一个渐进进程。在一段时刻内，会呈现几种现场总线共存、同一出产现场有几种异构网络互连通讯的局势。可是，开展一起遵照的一致的规范规范，真实构成敞开式互连体系，是大势所趋。
