現場總線縱橫談

分析了現場總線產生的原因
，闡述了現場總線的概念、體(ti)係(xi)結(jie)構(gou)和(he)特(te)點(dian)，給(gei)出(chu)了(le)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)的(de)發(fa)展(zhan)現(xian)狀(zhuang)，提(ti)出(chu)了(le)為(wei)迎(ying)接(jie)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)這(zhe)場(chang)自(zi)控(kong)領(ling)域(yu)內(nei)的(de)技(ji)術(shu)變(bian)革(ge)應(ying)采(cai)取(qu)的(de)對(dui)策(ce)，並(bing)結(jie)合(he)實(shi)例(li)說(shuo)明(ming)了(le)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)具(ju)體(ti)開(kai)發(fa)應(ying)用(yong)方(fang)法(fa)。

　　

　　關鍵詞：現場總線；分布式體係結構；通訊協議


；開放性
；可互操作性；LonWorks

　　

　　一
、引言

　　

　　現場總線在控製領域嶄露頭角不過是最近幾年，然而其來勢凶湧，且有愈演愈烈之趨勢。那麼，究竟什麼是現場總線？什 麼是現場總線控製係統？現場總線控製係統較之目前在工控界仍占主導地位的集散控製係統（DCS）有何特點和優點？在現場總 線標準尚未統一之前
，能采用嗎？若欲采用，40多種現場總線
，應選用哪一種
？

　　

　　本文將圍繞以上問題展開論述，從控製係統的發展曆程角度探討現場總線的成因
；闡述現場總線的概念
、體係結構和特點給出現場總線的發展現狀；提出麵對現場總線百家爭鳴的現狀應采取的對策
；結合具體實例說明現場總線開發應用方法。

　　

　　二、現場總線的產生

　　

　　縱zong觀guan控kong製zhi係xi統tong的de發fa展zhan史shi
，不bu難nan發fa現xian，每mei一yi代dai新xin的de控kong製zhi係xi統tong推tui出chu都dou是shi針zhen對dui老lao一yi代dai控kong製zhi係xi統tong存cun在zai的de缺que陷xian而er給gei出chu的de解jie決jue方fang案an，最zui終zhong在zai用yong戶hu需xu求qiu和he市shi場chang競jing爭zheng兩liang大da外wai因yin的de推tui動dong下xia占zhan領ling市shi場chang的de主zhu導dao地di位wei
，現xian場chang總zong線xian和he現xian場chang總zong線xian控kong製zhi係xi統tong的de產chan生sheng也ye不bu例li外wai。

　　

　　1、模擬儀表控製係統

　　

　　模擬儀表控製係統於六七十年代占主導地位。其顯著缺點是：模擬信號精度低，易受幹擾。

　　

　　2、集中式數字控製係統

　　

　　集中式數字控製係統於七八十年代占主導地位。采用單片機、PLC、SLC或微機作為控製器，控製器內部傳輸的是數字信 hao，yincikefulemoniyibiaokongzhixitongzhongmonixinhaojingdudidequexian
，tigaolexitongdekangganraonengli。jizhongshishuzikongzhixitongdeyoudianshiyiyugenjuquanjuqingkuangjinxingkongzhijisuanhepanduan，zaikongzhifangshi、控製機時的選擇上可以統一調度和安排；不bu足zu的de是shi，對dui控kong製zhi器qi本ben身shen要yao求qiu很hen高gao，必bi須xu具ju有you足zu夠gou的de處chu理li能neng力li和he極ji高gao的de可ke靠kao性xing
，當dang係xi統tong任ren務wu增zeng加jia時shi，控kong製zhi器qi的de效xiao率lv和he可ke靠kao性xing將jiang急ji劇ju下xia降jiang。

　　

　　3
、集散控製係統（DCS）

　　

　　集散控製係統（DCS）於八
、九十年代占主導地位。其核心思想是集中管理、分fen散san控kong製zhi，即ji管guan理li與yu控kong製zhi相xiang分fen離li
，上shang位wei機ji用yong於yu集ji中zhong監jian視shi管guan理li功gong能neng，若ruo幹gan台tai下xia位wei機ji下xia放fang分fen散san到dao現xian場chang實shi現xian分fen布bu式shi控kong製zhi，各ge上shang下xia位wei機ji之zhi間jian用yong控kong製zhi網wang絡luo互hu連lian以yi實shi現xian相xiang互hu之zhi間jian的de信xin息xi傳chuan遞di。因yin此ci，這zhe種zhong分fen布bu式shi的de控kong製zhi係xi統tong體ti係xi結jie構gou有you力li地di克ke服fu了le集ji中zhong式shi數shu字zi控kong製zhi係xi統tong中zhong對dui控kong製zhi器qi處chu理li能neng力li和he可ke靠kao性xing要yao求qiu高gao的de缺que陷xian。在zai集ji散san控kong製zhi係xi統tong中zhong，分fen布bu式shi控kong製zhi思si想xiang的de實shi現xian正zheng是shi得de益yi於yu網wang絡luo技ji術shu的de發fa展zhan和he應ying用yong，遺yi憾han的de是shi

，不bu同tong的deDCS廠家為達到壟斷經營 的目的而對其控製通訊網絡采用各自專用的封閉形式

，不同廠家的DCS係統之間以及DCS與上層Intranet、Internet信息網絡之間難以實現網絡互連和信息共享
，因此集散控製係統從該角度而言實質是一種封閉專用的、不具可互操作性的分布式控製係統且DCS造價昂貴。在這種情況下，用戶對網絡控製係統提出了開放化和降低成本的迫切要求。

　　

　　4、現場總線控製係統（FCS）

　　

　　FCS正zheng是shi順shun應ying以yi上shang潮chao流liu而er誕dan生sheng

，它ta用yong現xian場chang總zong線xian這zhe一yi開kai放fang的de，具ju有you可ke互hu操cao作zuo的de網wang絡luo將jiang現xian場chang各ge控kong製zhi器qi及ji儀yi表biao設she備bei互hu連lian，構gou成cheng現xian場chang總zong線xian控kong製zhi係xi統tong，同tong時shi控kong製zhi功gong能neng徹che底di下xia放fang到dao現xian場chang
，降jiang低di了le安an裝zhuang成cheng本ben和he維wei護hu費fei用yong。因yin此ci，FCS實質是 一種開放的、具可互操作性的
、徹底分散的分布式控製係統，有望成為21世紀控製係統的主流產品。

　　

　　三、現場總線及現場總線控製係統

　　

　　1、現場總線的概念

　　

　　現場總線是將自動化最底層的現場控製器和現場智能儀表設備互連的實時控製通訊網絡，遵循ISO的OSI開放係統互連參考模型的全部或部分通訊協議。FCS則是用開放的現場總線控製通訊網絡將自動化最底層的現場控製器和現場智能儀表設備互連的實時網絡控製係統

　　

　　2、現場總線與局域網的區別

　　

　　（1）按功能比較

，現場總線連接自動化最底層的現場控製器和現場智能儀表設備，網線上傳輸的是小批量數據信息，如檢測信息

、狀態信息、kongzhixinxideng，chuanshusulvdi
，danshishixinggao。jianeryanzhi
，xianchangzongxianshiyizhongshishikongzhiwangluo。juyuwangyongyulianjiejuyuquyudegetaijisuanji，wangxianshangchuanshudeshidapiliangdeshuzixinxi，ruwenben、聲音、圖像等，傳輸速率高，但不 要求實時性。從這個意義而言，局域網是一種高速信息網絡。

　　

　　（2）按實現方式比較現場總線可采用各種通訊介質，如雙絞線、電力線、光纖

、無線
、紅外線等，實現成本低。局域網需 要專用電纜，如同軸電纜
、光纖等
，實現成本高。

　　

　　3
、現場總線控製係統體係結構

　　

　　如圖1所示，最底層的Infranet控製網即FCS，各控製器節點下放分散到現場，構成一種徹底 的分布式控製體係結構，網絡拓撲結構任意，可為總線形、星形、環形等，通訊介質不受限製
，可用雙絞線、電力線、無線
、紅外線等各種形式。FCS形成的Infranet控製網很容易與Intranet企業內部網和Internet全球信息網互連，構成一個完整的企業 網絡三級體係結構。

　　

　　 4


、現場總線控製係統的特點

　　

　　（1）開放性和可互操作性

　　

　　開放性意味FCS將打破DCS大型廠家的壟斷
，給中小企業發展帶來了平等競爭的機遇。可互操作性實現控製產品的“即插即用”功能
，從而使用戶對不同廠家工控產品有更多的選擇餘地。

　　

　　（2）徹底的分散性

　　

　　徹底的分散性意味著係統具有較高的可靠性和靈活性，係統很容易進行重組和擴建
，且易於維護。

　　

　　（3）低成本

　　

　　衡量一套控製係統的總體成本
，不僅考慮其造價，而且應該考察係統從安裝調試到運行維護整個生命周期內總投入。相對DCS而言，FCS開放的體係結構和OEM技術將大大縮短開發周期
，降低開發成本，且徹底分散的分布式結構將1對1模擬信號傳輸方 式變為1對N的數字信號傳輸方式
，節省了模擬信號傳輸過程中大量的A/D、D/A轉換裝置、布線安裝成本和維護費用。因此從總體上來看
，FCS的成本大大低於DCS的成本。

　　

　　可以說，開放性
、分(fen)散(san)化(hua)和(he)低(di)成(cheng)本(ben)是(shi)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)最(zui)顯(xian)著(zhu)的(de)三(san)大(da)特(te)征(zheng)，它(ta)的(de)出(chu)現(xian)將(jiang)使(shi)傳(chuan)統(tong)的(de)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)產(chan)生(sheng)劃(hua)時(shi)代(dai)的(de)變(bian)革(ge)，這(zhe)場(chang)變(bian)革(ge)的(de)深(shen)度(du)和(he)廣(guang)度(du)將(jiang)超(chao)過(guo)曆(li)史(shi)上(shang)任(ren)何(he)一(yi)次(ci)變(bian)革(ge)
，必(bi)將(jiang)開(kai)創(chuang)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)的(de)新(xin)紀(ji)元(yuan)。

　　

　　四、現場總線的發展現狀

　　

　　現場總線發展迅速，現處於群雄並起、百家爭鳴的階段。目前已開發出有40多種現場總線
，如Interbus
、Bitbus
、DeviceNet
、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具影響力的有5種，分別是FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks（性能對照見表1）

　　

　　 1
、FF（Foundation Fieldbus現場基金會總線）由美國儀器協會（ISA）1994推出，代表公司有Honeywell和Fisher-Rosemount，主要應用於石油化工、連續工業過程控製中的儀表。FF的特色是其通訊協議在ISO的OSI物理層、數據鏈路

　　層和應用層3層之上附加了用戶層
，通過對象字典OD（Object Dictionary）和設備描述語言DDL（Device Description Language）實現可互操作性。目前基於FF的現場總線產品有
，美國Smar公司生產的壓力溫度變送器，Honeyweill&Rockweill 推出的ProcessLogix係統，Fisher-Rosemount推出的PlantWeb。

　　

　　2、Profibus（Process Fieldbus）德國西門子公司1987年推出，主要應用於PLC。產品有三類：FMS用於主站之間的通訊；DP用於製造行業從站之間的通訊
；PA用於過程行業從站之間的通訊。由於Profibus開發生產的現場總線產品開發時間早至 十年前，限於當時計算機網絡水平
，大多建立在IT網絡標準基礎上，隨著應用領域不斷擴大和用戶要求越來越高，現場總線的 產品隻能在原有IT協議框架上進行局部的修改和補充，以致在控製係統內增加了很多的轉換單元（如各種耦合器），這為該產 品今後的進一步發展帶來了一定的局限性。

　　

　　3
、HART（Highway Addressable Remote Tranducer可尋址遠程傳感器數據通路）美國Rosemount公司1989年推出，主要應 用於智能變送器。HART為一過渡性標準，它通過在4-20mA電源信號線上疊加不同頻率的正弦波（2200HZ表“0”，1200HZ表“1”）來傳送數字信號

，從而保證了數字係統和傳統模擬係統的兼容性，預計其生命周期為最近20年。

　　

　　4、CAN（Controller Area Network控製局域網絡）德國Bosch 6公司1993年推出，應用於汽車監控、開關量控製
、製造業 等。介質訪問方式為非破壞性位仲裁方式，適用於實時性要求很高的小型網絡
，且開發工具廉價。Motorala、Intel
、Philips 均生產獨立的CAN芯片和帶有CAN接口的80C51芯片。CAN型總線產品有AB公司的DeviceNet
、台灣研華的ADAM數據采集產品等。

　　

　　5、LonWorks（LON Local Operating System局部操作係統）美國Echelon公司1991年推出

，主要應用於樓宇自動化
、工業 自動化和電力行業等。LonTalk的全部7層協議

，介質訪問方式為P-P CSMA（預測P-堅持載波監聽多路複用），采用網絡邏輯地 址尋址方式，優先權機製保證了通訊的實時性，安全機製采用證實方式
，因此能構建大型網絡控製係統。Echelon公司推出的Neuron神經元芯片實質為網絡型微控製器，該芯片強大的網絡通訊處理功能配以麵向對象的網絡通訊方式，大大降低了開發人 員在構造應用網絡通訊方麵所需花費的時間和費用
，而可將精力集中在所擅長的應用層進行控製策略的編製
，因此業內許多專家認為LonWorks總線是一種很有希望的現場總線。基於LonWorks的總線產品有美國Action公司的Flexnet&Flexlink等。

　　

　　五、我們的對策

　　

　　1、要不要搞FCSzaiguowaizhengpengbofazhan
，woguogongkongjieyingruheyingjiezikonglingyuzhechangbiangededaolaine？zhegewentikecongfenxiwoguogongkongyedefazhanlichenghexianzhuangzhongzhaodaodaan。woguominzugongkongchanpinruPLC
、DCS長chang期qi落luo後hou於yu國guo外wai，根gen本ben原yuan因yin是shi國guo外wai少shao數shu幾ji家jia大da公gong司si為wei保bao證zheng其qi壟long斷duan經jing營ying的de地di位wei對dui其qi工gong控kong產chan品pin采cai用yong封feng閉bi式shi結jie構gou，我wo國guo對dui其qi關guan鍵jian核he心xin技ji術shu隻zhi有you通tong過guo引yin進jin消xiao化hua後hou方fang可ke掌zhang握wo，因yin此ci貽yi誤wu了le市shi場chang時shi機ji而er總zong是shi落luo後hou於yu人ren家jia
，受shou製zhi於yu人ren。現xian場chang總zong線xian技ji術shu的de開kai放fang性xing策ce略lve無wu疑yi為wei我wo國guo工gong控kong界jie在zai國guo際ji市shi場chang上shang的de發fa展zhan帶dai來lai了le一yi個ge千qian載zai難nan逢feng的de平ping等deng競jing爭zheng機ji遇yu
，當dang遊you戲xi規gui則ze的de變bian更geng使shi大da家jia站zhan在zai同tong一yi起qi跑pao線xian上shang時shi，就jiu看kan誰shui捷jie足zu先xian登deng，搶qiang先xian占zhan領ling市shi場chang，把ba握wo主zhu動dong權quan
，最zui終zhong領ling導dao市shi場chang。因yin此ci
，我wo們men應ying當dang緊jin緊jin抓zhua住zhu這zhe一yi契qi機ji
，率lv先xian推tui出chu有you中zhong國guo特te色se的de現xian場chang總zong線xian產chan品pin，開kai創chuang中zhong國guo自zi己ji的de國guo際ji工gong控kong產chan品pin的de名ming牌pai，從cong而er翻fan開kai中zhong國guo工gong控kong界jie發fa展zhan的de新xin篇pian章zhang。

　　

　　2、搞哪種FCS ?既然確定搞FCS，mianduizhongleifanduodexianchangzongxian，yinggaigaonazhongne？fenxixianchangzongxianduoyangxingchanshengdeyuanyin，youzhuyuliqingzheyisixiang。zaochengxianchangzongxianduoyangxingdejumian，yishiyinweixingyexiguan
，ruProfibus一直應用於PLC行業

，FF應用於儀表行業
；二(er)是(shi)由(you)於(yu)利(li)益(yi)衝(chong)突(tu)
，各(ge)工(gong)控(kong)廠(chang)商(shang)都(dou)不(bu)願(yuan)意(yi)放(fang)棄(qi)自(zi)己(ji)的(de)標(biao)準(zhun)而(er)喪(sang)失(shi)已(yi)占(zhan)用(yong)的(de)市(shi)場(chang)份(fen)額(e)。顯(xian)而(er)易(yi)見(jian)

，現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)標(biao)準(zhun)完(wan)全(quan)統(tong)一(yi)尚(shang)為(wei)時(shi)過(guo)早(zao)。鑒(jian)於(yu)此(ci)，對(dui)於(yu)我(wo)國(guo)工(gong)控(kong)界(jie)的(de)發(fa)展(zhan)，建(jian)議(yi)采(cai)取(qu)以(yi)下(xia)策(ce)略(lve)：

　　

　　（1）短期目標根據具體針對的行業特征，如樓宇自動化

、過程自動化等，選擇這一領域有較好業績的一種（或兩種）現場總線，加以研究開發，一方麵搶先推出自己有特色的產品，占領市場，產生應用價值和社會效益；另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)在(zai)於(yu)重(zhong)點(dian)掌(zhang)握(wo)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)的(de)本(ben)質(zhi)和(he)精(jing)髓(sui)

，以(yi)不(bu)變(bian)應(ying)萬(wan)變(bian)
，萬(wan)一(yi)選(xuan)用(yong)的(de)總(zong)線(xian)沒(mei)能(neng)成(cheng)為(wei)最(zui)終(zhong)標(biao)準(zhun)總(zong)線(xian)，由(you)於(yu)各(ge)總(zong)線(xian)之(zhi)間(jian)本(ben)質(zhi)的(de)相(xiang)通(tong)性(xing)
，因(yin)此(ci)也(ye)能(neng)很(hen)快(kuai)轉(zhuan)產(chan)到(dao)最(zui)終(zhong)的(de)標(biao)準(zhun)總(zong)線(xian)。

　　

　　（2）長期目標掌握各總線的精髓後
，揚長避短，製定中國自己的現場總線標準，振興中國民族工控業。

　　

　　六、開發實例

　　

　　針對樓宇自動化行業，鑒於LonWorks現場總線在該領域中突出的業績
，我們開發研製出一種基於LonWorks通用網絡型智能控製器節點產品和可視圖形化控製組態平台——Visual Control Configuration 。該套產品特色在於目前國外大多數LonWorks產品開發商仍停留在集成Echelon公司提供的Neuron C 編程環境階段
，欲使用Neuron C 編製高效的控製應用程序

，不僅需要熟悉這種高級指令語言本身，而且必須對Neuron1芯片的內部硬件結構

、cunchuqidedizhikongjianfenpeidenggegejishuhuanjieyoushenrudelejiehezhangwo
，zheduizuizhongyonghuhexianchangjishurenyuanlaishuoxianranshibuxianshideyaoqiu，keshituxinghuakongzhizutaipingtaiVisual Control Configuration很好地解決了這一問題，類似流程圖的圖形化表示方法，控製組態語言按照國際電工委員會IEC1131-3標準，將控製程序變為工程技術人員所構思的控製策略的圖形化映象，而圖元間的連接關係則表示控製算法的數據流程
，有經驗的現場 控製技術人員無須專門培訓即可在短期內完成控製策略的編製
，方便高效。目前，我們已在工程項目中應用該控製組態軟件平台Visual Control Configuration 和LonWorks 通用網絡智能控製器的節點，成功開發了南寧交通銀行的出入控製係統。

　　

　　七、結束語

　　

　　現場總線的時代即將來臨，讓我們以熱情和主動的姿態迎接這場世紀之交的機遇和挑戰。