浅谈现场总线技术的发展

摘要：现场总线控制系统是继分散控制系统之后出现的新一代控制系统，它代表的是一种数字化到现场、网络化到现场、控制功能和设备管理到现场的发展方向。
关键字：现场总线(FCS)、MODBUS、Profibus、FF(基金会总线)、HART
中国分类号：TF11 文献标识码：A   文章标号：2095-2104（2012）03-0001-02

一　引言
现场总线（FCS）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，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。
现场总线的含义主要体现在以下几个方面：
(1)现场通信网络：现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互联的现场通信网络，把通信线一直延伸到生产现场或生产设备。
(2)互操作性：互操作性的含义是来自不同制造厂的现场设备，不仅可以相互通信，而且可以统一组态，构成所需的控制回路，共同实现控制策略。
(3)分散功能块：现场总线控制系统(FCS)废弃了分散型控制系统(DCS)的输入／输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散给现场仪表，从而构成虚拟控制站。
 (4)通信线供电：现场总线的常用传输线是双绞线，通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量。
二　现场总线控制技术的基本原理
　  1通信系统的协议模型
为了便于实现网络的标准化，国际标准化组织ISO提出了开放系统互连参考模型，简称ISO/OSI模型。
ISO/OSI模型将各种协议分为七层，自上而下依次为：物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
现场总线模型结构一般参照了ISO/OSI七层模型中的第1层(物理层)和第2层(链路层),部分涉及到第7层（应用层），另外增加了用户层。
2.工业控制领域中常用的几种总线
工业中常用的总线：PROFIBUS、MODBUS、FF(基金会总线)等。
(1) PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产厂商的现场总线标准。广泛使用于制造业自动化，流程工业自动化、楼宇自动化等。
PROFIBUS含有三个兼容协议：PROFIBUS－DP（分散外围设备）、
PROFIBUS－PA（过程自动化）、PROFIBUS－FMS（现场总线报文规范）。
　　PROFIBUS－DP是一种高速低成本通讯，用于设备控制系统与分散式I/O的通讯，使用PROFIBUS－DP可以取代24VDC或4~20mA信号传输。主要用于现场级和装置级的自动化。
　　PROFIBUS－PA专为过程自动化设计，可以使传感器和执行器联在一根总线上。主要用于现场级过程自动化，具有本质安全和总线供电特性。
PROFIBUS－FMS主要用于车间级或厂级监控，构成控制和管理一体化系统，进行系统信息集成。是一个令牌网络，实时多主网络。
(2) Modbus是由Modicon公司在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。
Modbus具有以下几个特点：a.标准、开放，用户可以免费、放心地使用Modbus协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。b.Modbus可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等。c.Modbus的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。
Modbus有两种传送方式，RTU（Remote Terminal Unit）方式和ASCⅡ方式。MODBUS把通信参与者规定为“主站”（MASTER）和“从站”（SLAVE）。主站可向多个从站发送通信请求，最多可达247个从站。每个从站都有自己的地址编号。
(3) 基金会现场总线FF（Fieldbus Foundation）以ISO/OSI开放系统互联模式为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。基金会现场总线的主要技术内容包括FF通信协议、用于完成开放互联模式中第2-7层通信协议的通信栈、用于描述设备特性、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典、用于实现测量、控制、工程量转换等功能的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。
三　现场总线控制技术在实际工作中的发展趋势
在现场总线技术诞生的初期，它的主要功能是将当时的可编程逻辑控制器（program mable logic controller， PLC）以一种较简洁的方式连接起来。随着计算机技术引入PLC，计算机通信技术被引入现场总线；PLC功能的增强对现场总线提出了更高的要求，计算机通信技术的引入大大增强了现场总线的功能，成为现场总线技术发展的主要趋势。
我们认为现代计算机通信技术有能力延伸到现场，现场总线技术中也会不断地融入计算机通信技术，但是计算机通信技术不会取代现场总线。因为现场总线与一般计算机通信在功能、要求和结构上有所不同。
(1)功能:计算机通信的基本功能是可靠地传递信息。现场总线的功能是：a.经济、安全、可靠地传递信息；b.正确使用所传信息；c.及时处理所传信息。经济性要求现场总线在传递信息的同时，解决现场装置的供电问题，并要求传输介质较廉价。安全性要求现场总线解决防爆问题。可靠性要求现场总线解决环境适应性问题。正确使用信息要求不同制造商生产的装置能相互理解所传信息，这就是现场总线的可互操作性要求。及时处理信息的要求主要是针对高层次现场总线和智能仪表的，但是这条要求最集中地体现了现场总线技术发展趋势--信息处理现场化。  
(2)要求:对计算机通信的主要要求是快。对现场总线不仅要求传输速度快，在过程控制领域还要求响应快，即实时性要求。这样“快”就有三种含义,即：a.传输速度快：指单位时间内传输的信息要多，通常用波特率来衡量。b.响应时间短：指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。c.巡回时间短:指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间。
(3)结构:大部分现场总线的结构是线状的，虽然现场总线的拓扑结构可以是总线型、星型、环行、回路型等；但在大多数现场总线中，从一点到另外一点的通信路径是比较固定的。线状结构的优点是：a.解决网络供电比较容易；b.解决本安防爆比较容易；c.使通信协议中可以舍去与路径有关的几层，有利于改善实时性。
现场总线技术传入中国已经好几年了，各种现场总线的主要支撑企业都看好中国市场。从国内标准化的角度讲，我们应该紧跟国际标准化的潮流，加大对IEC标准的学习、宣传力度，使更多的人了解国际现场总线发展的趋势。
每种现场总线有自己的适用范围，在它自己的适用范围内，它是最好的，出了这个范围它就不是最好的。同时，现场总线是一种正在发展中的技术，迄今尚未有一种现场总线可称是完美的。每一种现场总线都处在不断地完善过程中。现场总线在实际工程中的应用应发挥其最突出的优势，即现场总线降低系统投资成本和减少运行费用的优点。未来现场总线的发展方向将是不同类型的现场总线组合、信息处理现场化、系统组态傻瓜化。  
四　小结
现场总线的发展很快，我国在现场总线的开发和应用方面都紧跟了世界潮流，其发展速度超出预料。我们希望政府和企业应拿出更多的资金，投入这一领域，这是大有希望的事业。
五　参考文献
1．《现场总线技术》　　作者　刘泽祥　机械工业出版社
2．《计算机网路技术》　作者　张鹤峰　大连理工大学出版社

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