现场总线技术综述.pdf

第 l 期 2 0 0 4年 2月 文章编 号 1 6 7 12 5 1 X 2 0 0 4 0 1 工矿 自 动 化 I nd u s t r y a n d M i n e Aut o ma t i o n 0 0 2303 NO． 1 Fe b．2 0 0 3 现场总线技术综述 吴新 忠 ， 乔 宏颖 ， 任 子晖 1 ． 中国矿业 大学 信 电学 院 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 江苏 省机 电研 究所 有 限责任 公 司 ， 江苏 徐 州 2 2 1 0 0 6 摘要 从现 场 总线的 产 生、 含 义、 特点 和组 成 出发 ， 阐述 了现 场 总线的概 念 。鉴 于 目前现 场 总线的标 准 尚 未统一 ， 且 短期 内不 可能 统一 的特点 ， 介绍 了 目前流行 的 5种典 型的现 场 总线标 准。 分析 了为迎接 现 场总 线 这 场 自控 领域 内的技 术 变革应 采取 的对 策。 关键 词 现 场 总线 ；控 制 系统 ；集散 控 制 ；通信 协议 中图分类 号 T P 3 3 6 文献 标识码 B Ov e r v i e w o f Fi e l d b u s Te c h n o l o g y W U Xi n z h o n g ， QI AO Ho n g y i n g ， RE N Z i h u i 。 1 ． C o l l e g e o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g ，CUMT． ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a 、 2 ． J i a n g s u El e c t r o me c h a n i c a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 6，Ch i n a Ab s t r a c t Th e o c c u r r e n c e，m e a ni n g，c h a r a c t e r i s t i c a n d s t r u c t u r e o f f i e l d b u s we r e e x p ou n d e d i n t h i s p a p e r ． Be c a u s e t h e r e c a n n o t c o me t o a s t a n d a r d o n FCS n o w a n d r e c e n t l y，f i v e p op u l a r a nd t yp i c a l f i e l d b u s s t a n d a r d s we r e i nt r o d u c e d．At l a s t ，t h e s t r a t e g y on h o w t o s a l u t e t h e c u r r e nt t e c h ni q u e r e v o l ut i o n o n f i e l d b u s wa s a n a l y z e d． Ke y wo r d s f i e l d b u s ，c o n t r o l s y s t e m ，DCS，c o mmun i c a t i o n pr o t o c o l 0 引言 8 0年 代末期 ， 集 散控 制 系统 D C S 逐 渐 占主导 地位 ， 其核心 思想 是 集 中 管理 、 分散 控 制 ， 即管 理 与 控 制相 分离 ， 上位 机用于 集 中监视 管理功 能 ， 若 干 台 下位机下放分散到现场实现分布式控制 ， 各上下位 机之 间用 控 制 网 络 互 连 以 实现 相 互 之 间 的信 息 传 递 。 现 场 总线控 制 系统 F C S 是 利用 开放 的 、 可互操 收 稿 日期 2 0 0 30 90 9 作者简介 吴新忠， 男， 中国矿业大学信电学院硕士研究生 ， 研究 方 向为检测技术与 自动化装置 。 作 的现 场总 线 网络将现 场控 制器 和现场 智能 仪表设 备连接 起来 ， 构成 新一 代实 时 网络控制 系统 。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量 控制 仪表 ， 使 它们 各 自都具 有 了数 字 计算 和 数 字 通 信 能 力 ， 成 为能独 立承 担某些 控制 、 通信 任 务的 网络 节点 。它们 通过普 通 双绞线 等多 种途径 进行 信息 传 输 ， 把多个测量控制仪表 、 计算机等作为节点连接成 网络 系统 ， 通 过公 开 、 规 范 的通 信协 议 ， 在位 于 生 产 控 制现场 的 多个 微机 化 白控 设 备之 间 、 以及 现 场 仪 表与 用作监 控 、 管 理 的远程 计算 机之 间 ， 实现 数据 传 输 与信 息共 享 ， 形 成 各 种适 应 实 际 需 要 的 自动 控 制 系统 。 6 控 制理 论应 用 的研 究 现 实 生活 中很 多实 际 的 系统都 具 有 非线 性 、 不 确定性 、 时变性 或 多变量 强耦合 等 特征 ， 为此必 须开 展 各种先 进 的智能 控 制 理 论及 其 应 用 的研 究 ， 以便 开发 出新 的实 用 的控 制方 法 。 3 结语 现代 自动化 是 多 种 技 术 相 融 合 的交 叉 技 术 学 科 ， 其 发展方 向是综 合 自动 化 。现 代 自动化 作 为 代 表先进 生产 力的 先进 生 产 方 式 ， 随 着社 会 需 求 的提 高以及科 技 的不 断进 步 ， 不论 在 形 式 上 、 内容上 、 功 能 上也 要不 断地更 新 与提 高。特 别是在 信息 经济 社 会 的发展 中， 我 国制定 的 以信 息 化 带 动工 业 化 发展 的国策 ， 为现 代 自动化 的发展 带来 新 的机遇 ， 提供 广 阔的发展空间， 只要充分发挥积极探索 的创新精神 和团队精神， 必将迎来 自动化发展的新高潮。 维普资讯 2 4 工 矿 自动 化 2 0 0 4年 2月 1 现 场总 线 系统 的主 要特 征和优 点 1 ． 1 现场 总 线的主要 特征 1 数 字式 通信方 式取 代设 备级 的模 拟量 如 4 ～ 2 0 mA， 0 ～5 V等信号 和开关量信号 ； 2 现场 总线 是工 厂 自动化 过程 中现场 级通 信 的一次数字化革命 ， 是车间级与设备级通信的数字 化 网络 ； 3 在 C I MS系 统 中， 现 场 总 线 使 自控 系统 与 设备 加入 工厂 信息 网络 ， 成 为 企业信 息 网络底 层 ， 是 支撑 现场 级与车 间级 信 息集 成 的技 术 基础 ， 使 企业 信 息沟通 的覆 盖范 围一 直延 伸到生 产现 场 。 1 ． 2现场 总线控 制 系统的优 点 现场 总线是工 业控 制 系统 的新 型通 信标 准 。采 用 现场 总线技术可 以促 进现场仪 表的智 能化 、 控制 功 能分散化 、 控制 系统 开放 化 ， 符 合工 业 控制 系统 领 域 的技术发展趋势 。现场总线控制 系统有如下优点 1 全数 字 化 将 企业 管 理 与生 产 自动 化 有 机 结合一直是工业界梦寐 以求的理想， 但只有在 F C S 出现 以后 这 种 理 想 才 有 可 能 高效 、 低 成 本 地 实 现 。 在采用 F C S的企业 中， 用 于生 产 管理 的局域 网能 够 与用 于 自动 控制 的现 场 总 线 网络 紧 密 衔 接 。此 外 ， 数字化信号固有的高精度 、 抗干扰特性也能提高控 制 系统 的可 靠性 。 2 全分布 式 在 F C S中各 现 场 设备 有 足 够 的 自主性 ， 它 们彼此 之 间相互通 信 ， 完全 可 以把 各 种控 制功 能分散 到各 种设 备 中 ， 而不 再 需 要 一个 中央 控 制计 算机 ， 实现 真正 的分布 式控 制 。 3 双 向传输 传 统 的 4 ～2 0 mA 电 流信 号 ， 一 条线只能传递一路信号。现场总线设备则在一条线 上既可以向上传递传感器信号 ， 也可 以向下传递控 制 信息 。 4 自诊 断 现 场 总 线 仪 表 本 身具 有 自诊 断 功 能 ， 而且这 种诊 断信 息可 以送 到 中央控 制 室 ， 以便于 维 护 。 5 节 省布线 及控 制 室 空 间 在 F C S中 多 台现 场设备 可 串行连 接 在 一 条 总线 上 ， 这 样 只需 极 少 的 线进 人 中央控制 室 ， 大量节 省 了布线 费用 ， 同时 也降 低 了 中央控 制 室的造 价 。 6 多功 能 仪 表 可 在 一个 仪 表 中集 成 多 种 功 能 ， 做成 多变量 变送 器 ， 集 检测 、 运算 、 控制 于一 体 。 7 开放 性 与 互操 作 性 现 场 总线 标 准 保 证 不 同厂家 的产 品可 以互 操 作 ， 这 样就 可 以在 一个 企 业 中由用 户根 据产 品 的性 能 、 价 格选 用不 同厂 商 的产 品集 成在 一起 ， 避 免 了传 统 控 制 系统 中必 须 选 用 同 一 厂家 的产 品限制 ， 促进 了有 效 的竞争 ， 降低 了控制 系统 的成本 。 8 智能 化 与 自治 性 现 场 总 线 设 备 能 处 理 各 种参数 、 运行状态信息及故障信息 ， 具有很高的智能 化 ， 能在 部件 、 甚 至 网络 故 障 的 情 况下 独 立 工 作 ， 大 大提高 了整 个控 制 系统 的 可靠性 和容错 能力 。 2现 场总 线控制 系统 的组 成 现 场 总 线控 制 系统 通 常 由以下 部 分组 成 现 场 总线 仪 表 、 控 制 器 ， 现 场 总 线 线 路 ， 监 控 、 组 态 计 算 机 。这里 的仪 表 、 控制 器 、 计算 机都需 要通 过现 场总 线 网卡 、 通 信协议 软 件连接 到 网上 。因此 ， 现场 总线 网卡 、 通 信 协议 软件 是 现 场 总 线控 制 系统 的 基础 和 神经 中枢 。 3现场 总线 的现状 现 场 总 线 技 术 是 当今 世 界 各 国关 注 的热 点 课 题 ， 以现 场总线 为基 础 的全数字 控制 系统 是 2 1 世纪 自动 化控 制 系统 的 主流 。世 界 各 国的技 术 协 会 学 会 、 各大 公司 、 各 国的标 准化 组织 ， 还有 国际 电工 委 员会 I E C 及 国 际标 准 化 组 织 I S O 对 于 本 项 技术 的标 准化 工作都 给 予 了极 大 的关 注 ， 也 使 得 目前现 场 总线 国际标 准化 工作 出现 了复杂 的局 面 。 目前 已 开 发 出 4 0多 种 现 场 总 线 ， 其 中 最 具 影 响 力 的 有 5种 ， 分别是 F F、 P r o f i b u s 、 H A R T、 C A N和 L o n Wo r k s 。 1 F F F o u n d a t i o n F i e l d b u s ， 基 金会现 场 总线 成 立 于 1 9 9 4年 的 现 场 总 线 基 金 会 F i e l d b u s F o u n d a t i o n ， F F ， 致 力 于开 发 国 际 上统 一 的 现 场 总 线 协议 。F F的体 系结构参 照 I S O／ OS I 模 型的第 1 、 2 、 7层 协议 ， 即物 理 层 、 数 据 链 路 层 和 应用 层 ， 另 外 增加 了用 户 层 。F F提 供 两 种 物 理 标 准 H1和 H 2 。 H1 为 用 于 过 程 控 制 的 低 速 总 线 ，速 率 为 3 1 ． 2 5 k b p s ， 传 输距 离 为 2 0 0 IT I 、 4 0 0 I n 、 l 2 0 0 I T I 和 l 9 0 0 I T I 四 种 。 H 2 的 传 输 速 率 可 为 l Mb p s和 2 ． 5 Mb p s 两 种 ， 其通 信距 离分 别 为 7 5 0 m 和 5 0 0 m。 物 理传输 介 质可 支持双 绞线 、 同轴 电缆 和光纤 ， 协议 符 合 I E C1 1 5 82标 准 。 2 Pr o f i b u s P r o c e s s Fi e l d b u s 作 为德 国国家 标准 和欧 洲 国家标 准的现 场总线 标 准 ， 该 项技术 是 由西 门子 公 司 为 主 的 十几 家 德 国 公 司 、 研 究 所 共 同 推 出 的。 为 在 中 国 推 广 应 用 P r o f i b u s 工业 现场 总线 标准 ， P r o f i b u s中 国用 户协 会 于 1 9 9 7年 7月成 立 。P r o f i b u s 的 网络 协议 以 I S O／ 维普资讯 2 0 0 4年 第 1期 吴新 忠等 现场 总线技 术综述 2 5 O S I 参考模 型 为基础 ， 对第 3 ～6层进 行 了简化 。 P r o f i b u s 协议 的第 一部 分 是 物 理层 和链 路层 协 议 。物理 层采 用 R S 一4 8 5标 准 通 信 规范 ， 传 输 介质 为双绞线 ； P r o f i b u s 链 路 层又 称 F DL， 它采 用 混 合介 质 存取 方式 ， 即主 站 间按 令牌 方式 ， 主站 和从 站间按 主从方 式工作 。P r o f i b u s 协 议 的 第 二部 分 是 应 用层 协 议 F MS ， 第 三部分 为 D P协 议 ， 它们 都使 用 相 同 的底层协 议 ， 用于 不 同 的应 用 领 域 ； F MS 应 用 层协 议 定 义 了 应 用 层 第 7层 的 内 容 。 由于 P r o f i b u s 没有第 3 ～6层 ， 所 以这 几层 的必要 功 能在一个 称 为 “ 底层接 口” L L I 的模 块 中完 成 ， 由 L L I 将 这 些 功 能 映 射 到 F MS中 。P r o f i b u s协 议 的 第 三 部 分 是 P r o f i b u s 的 DP协 议 ， 用 于传 感器 和执行 器 级 的高 速 数据传输。它以 P r o f i b u s F D L 链路层 为基础 ， 根 据其 所需要 达 到的 目标 对通 信功 能加 以扩充 。 因为 两 者使用相 同的物理介 质 ， D P和 F MS可混合 工作 。 P r o f i b u s 协 议 的第 四部 分 是 P r o f i b u s的 P A协议 ， 适 用 于对安全 性要 求 较 高 的场 合 。P r o f i b u s 产 品 有 三 类 F MS用于主站之间的通信 ； DP用于制造行业从 站之间的通信 ； P A用于过程行业从站之间的通信。 3 HART Hi g h wa y Ad d r e s s a b l e Re mo t e Tr a n d u c e r ， 可 寻址 远程 传感 器数 据通路 H AR T 由美 国 R o s e mo u n t 公司 1 9 8 9年 推出 ， 主 要应 用于智 能 变送 器 。HA R T 为 一过 渡 性 标 准 ， 它 通过在 4 ～2 0 mA电源信号线上叠加不同频率的正 弦 波 2 2 0 0 H z表示 ⋯ 0’ ， 1 2 0 0 H z表示 “ 1 ” 来 传 送 数字信号 ， 从而保证 了数字系统和传统模拟系统的 兼 容性 ， 预 计其 生命 周期 为最近 2 0年 。 4 C A N C o n t r o l l e r A r e a N e t w o r k ， 控制局域网络 最早 由德 国 B O S C H 公 司 推 出 ， 用 于 汽 车 内部 测量 与执 行 部 件 之 间 的数 据 通 信 。C AN 结 构 模 型 取 I S O／ O S I 模 型 的 第 l 、 2 、 7层 协议 ， 即 物理 层 、 数 据链路层和应用层 。通信速率最高可达 1 Mb p s ， 通 信距离最远可达 1 0 k m。物理传输介质可支持双绞 线， 最多可挂接设备 1 1 0个。介质访问方式为非破 坏性位 仲裁 方式 ， 适 用 于实 时 性 要 求很 高 的小 型 网 络 ， 且 开 发 工 具 廉 价 。Mo t o r a l a 、 l n t e l 、 P h i l i p s均 生 产独立 的 C AN 芯 片 和带 有 C AN 接 口的 8 0 C 5 1芯 片 。C A N 型总线 产 品有 A B公 司的 De v i c e Ne t 、 台湾 研华 的 A D AM 数据采 集产 品等 。C AN在 我 国 的应 用 较早 ， 我 国 华控 技 术 公 司 基 于 C AN 协 议 开 发 了 S D S智能 分 布式系 统 。 5 L o n Wo r k s L o c a l Op e r a t i n g Ne t wo r k ， 局 部 操作 网 由美 国 E c h e l o n公 司 1 9 9 1年推 出 ， 主要 应用 于 楼宇 自动化 、 工业 自动 化和 电力行 业等。L o n T a l k 采用 全部 7层 协 议 ， 介 质 访 问 方 式 为 PP C S MA 预测 P一坚持 载波 监 听 多路 复用 ， 采 用 网 络逻 辑 地址寻址方式， 优先权机制保证了通信的实时性 ， 安 全 机 制 采 用 证 实 方 式 ，其 最 大 传 输 速 率 为 1 ． 5 Mb p s ， 传输距离为 2 7 0 0 H 1 ， 传输介质可以是双 绞线 、 光缆 、 射频 、 红外线和电力线等 ， 因此能构建大 型 网络 控 制 系统 。 由 E c h e l o n公 司 推 出 的 N e u r o n 神 经 元 芯 片 实 质 为 网 络 型 微 控 制 器 ， 封 装 了 L o n Ta l k协议 在 N e u r o n芯片 中， 内含 3个 8位 微 处 理器 ， 分 别 负 责 介 质 访 问控 制 、 网络 处 理 和应 用 处 理 。该芯 片强大 的 网络通 信处理 功 能配 以面 向对象 的网络通信方式 ， 大大降低了开发人员在 构造应用 网络通信方面所需花费的时间和费用 ， 而可将精力 集中在所擅长的应用层进行控制策略的编制 ， 因此 业内许多专家认为 L o n Wo r k s 总线是一种很有希望 的现 场 总 线 。基 于 L o n Wo r k s的 总 线 产 品 有 美 国 A c t i o n公司 的 F l e x n e t F l e x l i n k等 。 4 结语 综上 所 述 ， 现 场 总线 技 术适 应 了控 制 系统 向智 能化 、 分散化 、 网络 化 以及 标 准 化 发 展 的潮 流 ， 成 为 自动化技 术发展 的热 点 。 目前世 界 发达 国家 的 自动 化 仪表公 司都投 入 了 巨大 的人 力 、 财 力 ， 全方位 地进 行着技 术研 究和 实 际应 用 ， 期 待着 成 为 市 场 的主 宰 者 。我 国 由于起 步较 晚 ， 所 以首先要 着眼 于学 习 ， 学 习各 种先 进 的现 场 总 线 技 术 在 不 同 的 领 域 的 应 用 如 P r o f i b u s 主要 应 用 于 P L C， F F总线 主 要 应 用 于 仪表行 业 ； 其 次 要 抓 住 现 场 总 线 技 术 开 放 性 的 机 会 ， 掌 握 其关键 核 心技 术 ， 博 采 众 长 ， 争 取 推 出有 中 国标准 的现 场总 线 产 品 ， 开创 中 国 自己的 国 际工 控 产 品的名牌 。 参考文献 [ 1 ] 于常友 ． I E C 6 1 1 5 8中不 同现场总线 的评价和选择[ J ] ． 电气 自动化 ， 2 0 0 1 ， 2 3 2 4 ～6 [ 2 ] 李嘉． 引入 以太 网技 术是 现场总线 技术 发展 的一个 必然趋势[ J ] ． 自动化仪表 ， 2 0 0 1 ， 2 2 5 1 ～4 ． [ 3 ] 常弘 ． 现场总线 中三种 基本通 信模式 分析 [ J ] ． 电工 技术杂 志 ， 2 0 0 1 ， 6 1 9 ～2 1 ． [ 4 ] 郭凤文．对水处 理 自动 化 应用 现 场 总线 问 题 的浅 见 [ J ] ． 给水排水 ， 2 0 0 2 ， 5 ． [ 5 ] 邬宽明． 现场总线 技术 应用 选编 [ M] ． 北京 北京 航空 航天出版社 ． 2 0 0 3 ． 维普资讯