现场总线

现场总线概述以及发展趋势袁晨（南京理工大学自动化院江苏南京210094）摘要：现场总线是近年来迅速发展的一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络；本文主要简述了一些典型的现场总线技术和优缺点，并着重介绍了五种典型的总线和发展趋势；关键词：现场总线分类；优缺点概述；应用领域；发展趋势；现场总线（Fieldbus）【1】是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。

也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。

它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。

由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。

1典型的现场总线分类2003年4月，IEC61158 Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准，规定10种类型的现场总线。

TS61158现场总线，ControlNet和Ethernet/IP现场总线，Profibus现场总线，P-NET现场总线，FF HSE 现场总线，SwiftNet现场总线，World FIP现场总线，Interbus现场总线，FF H1现场总线，PROFInet现场总线；其中最具有影响力的有5种，分别是FF、Lon Works、Profibus、CAN和HART。

2优缺点概述优点2.1、节省硬件数量与投资。

由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。

2.2、节省安装费用。

现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。

当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。

据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60%以上。

2.3、节省维护开销。

由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。

缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。

2.4、用户具有高度的系统集成主动权。

用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。

避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。

2.5、提高了系统的准确性与可靠性。

由于现场总线设备的智能化、数化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。

同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。

此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。

缺点：互连、互通、互操作以及实时性问题很难解决，到目前没有一个统一的、开放的现场总线国际标准。

3 五种典型的特点和比较3.1基金会现场总线基金会现场总线（FoundationFieldbus 简称FF）是以Fisher-Rousemount美国公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。

该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。

旨在促进产生一个单一的国际现场总线标准；基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。

FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。

后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。

FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。

FF-H1主要用于过程工业的自动化，FF-HSE主要用于制造业的自动化以及逻辑控制、批处理等场合。

3.2 PROFIBUS总线PROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。

PROFIBUS主要应用于PLC，包括DP、FMS、PA三部分；PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。

PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m，在12Mbit/s小为200m，可采用中继器延长至10km，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点；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、可编程控制器、低压开关等。

PA用于过程自动化的总线类型，服从IEC1158－2标准。

3.3 CAN总线最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。

同时也是唯一成为国际标准的现场总线；CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。

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 支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M/1Mbp/s，网络节点数实际可达110个；CAN总线主要应用于离散控制领域如开关量控制、制造业等与执行部门之间的数据通信协议。

目前CAN总线在汽车监控、公共轨道交通、机器人控制方面得到了较广泛的应用，其对应的市场占有率也在逐步上升。

3.4 Lonworks总线Lonworks总线由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba 公司共同倡导。

是一种基于嵌入式神经元芯片的现场总线技术，具有强劲的实力。

它采用面向对象的设计方法，设备节点之间的数据通过网络变量的互联实现；LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的芯片中并得以实现。

集成芯片中有3个8位CPU；一个用于完成开放互连模型中第 1～ 2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用于完成第3～6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。

芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。

如Motorola 公司生产的神经元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM。

采用Lonworks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。

Echelon公司的技术策略是各OEM开发商运用Lonworks技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了Lonworks产品，并进一步组织起LonMARK互操作协会，开发推广Lonworks技术与产品。

【2】可以说称作具有很强的开发潜力的现场总线。

3.5 HART总线HART是Highway Addressable Remote Transducer的缩写，最早由Rosemount公司开发。

不能称作一个严格意义上的现场总线，它主要是在电流信号上面叠加数字信号，物理层采用频移键控技术，以实现部分智能仪表的功能；【3】HART总线其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。

其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层，支持点对点主从应答方式和多点广播方式。

由于它采用模拟数字信号混和，难以开发通用的通信接口芯片。

HART总线主要应用于智能变送器、安全棚、控制器等。

它在当前数字系统逐渐替代传统模拟系统的过程中具有较强的市场竞争力，但其生命周期也将在这替代过程收尾时结束。

4 发展趋势现场总线技术的发展应体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的继续发展和完善；另一个是高速现场总线技术的发展。

目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。

从应用状况看，无论是FF和Profibus，还是其他一些现场总线，都能较好地实现速率要求较慢的过程控制。

因此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个世界市场。

而现场总线的关键技术之一是互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。

今后现场总线技术如何发展、如何统一，是所有生产厂商和用户十分关心的问题。

高速现场总线主要应用于控制网内的互连，连接控制计算机、PLC 等智能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接，它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。

目前这一领域还比较薄弱。

因此，高速现场总线的设计、开发将是竞争十分激烈的领域，这也将是现场总线技术实现统一的重要机会。

而选择什么样的网络技术作为高速现场总线的整体框架将是其首要内容。

发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程，这对中国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战。

自动化系统的网络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。

现在网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中，这些具有发展前景的现场总线技术有；智能仪表与网络设备开发的软硬件技术；组态抗术，包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等；网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输；人机接口、软件技术；现场总线系统集成技术。

参考文献：【1】甘永梅刘晓娟晁武杰王兆安现场总线及其应用【M】.机械工业出版社【2】高安邦杨帅陈俊生 LonWorks技术原理与应用【M】.机械工业出版社【3】盛惠兴丁颖 HART协议解析和应用案例【J】.现代电力技术现场总线概述以及发展趋势姓名：袁晨学号：09101902512012.11.26。