1、現場總(zǒng)線的定義
現場總線是指以工廠内的測量和控制(zhì)機器間的數(shù)字通訊爲(wèi)主的網絡。也就是将傳感(gǎn)器(qì)、各種操作終端和控制器(qì)間的通訊(xùn)及控制器之間的通訊進行特化的網絡(luò)。原來這些機器間的(de)主體配線是ON/OFF、接點信号和模拟信号，通過(guò)通(tōng)訊的數字化，使時(shí)間分割、多重化、多點(diǎn)化成爲可能，從而實(shí)現高性能化(huà)、高(gāo)可靠化、保養簡(jiǎn)便化、節省配線（配線的共(gòng)享）。
簡(jiǎn)單說(shuō)，現場總線就是以(yǐ)數字通信替代了傳統4-20mA模拟信号及(jí)普通開關量信号(hào)的傳輸。
2、現場總線的技術特點
●系統的開放性
開放系統(tǒng)是指(zhǐ)通信協議(yì)公開，各不同廠家的設備之間可進(jìn)行互連并實現信(xìn)息交(jiāo)換，現場總線(xiàn)開拓(tuò)者就是要緻(zhì)力于建立統一的工廠底層網絡的開放系統。這裏的開放是指對相(xiàng)關标準的一緻、公開性，強調對标準的共識與遵從。一個開放系統，它可以與任何遵守相同标準的其它設備或系統相連(lián)。一個具有總線功能的現場總線網絡系(xì)統是開放的(de)，開放系(xì)統把系統集成的權利交給了用戶。用戶(hù)可按自己(jǐ)的需要和(hé)對(duì)象(xiàng)把來自不同供(gòng)應商的産品組成大小随(suí)意的系統。
●互可操作性與互用性
這(zhè)裏的互可操作性，是指實現互連設備間(jiān)、系統間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數字通信。而互用(yòng)性則(zé)意味着不同生産廠家的性能(néng)類似(sì)的設(shè)備可進行互換而實(shí)現互用。
●現(xiàn)場設備的(de)智能化與功能自治性
它(tā)将傳感測量、補償計算、工(gōng)程量處理(lǐ)與控制等功能分散到現場設備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設備即可完成自動(dòng)控制的基(jī)本功能，并可随時診斷設備的運行狀态。
●系統結構(gòu)的高度分(fèn)散性
由于現(xiàn)場設備本身已可(kě)完成自動控制的基本功能，使得現場總線已構成一種新(xīn)的全分布式控制系統的體系結(jié)構。從(cóng)根(gēn)本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結構，提高(gāo)了可靠性。
●對現場環境的适應(yīng)性
工作在現場設備前端，作爲工廠網絡底層(céng)的現場總線，是(shì)專爲(wèi)在(zài)現場環(huán)境工作而設計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗幹擾能力，能采用兩線制實現送電與通信，并可(kě)滿足本質防爆要求等。
3、現場總(zǒng)線的技術優點
●節省硬件數量(liàng)與(yǔ)投資
由(yóu)于現場總線(xiàn)系統中(zhōng)分散在設備前端的(de)智能設備能直接執(zhí)行多種傳感器(qì)、控制、報警和計算功能，因而(ér)可減少變送器的數量，不再(zài)需要單獨的控制器、計算單元等，也不再(zài)需要DCS系統的信号調理、轉換、隔離技術等功能單元及其複雜接(jiē)線，還可以用工控PC機作爲操(cāo)作站，從而節省了一大筆硬件投資(zī)，由于控制設備的減少，還可減少控制室的占地面積。
●節省安裝費(fèi)用
現場總線系統的接線十分(fèn)簡單，由于(yú)一對(duì)雙絞線或一條電纜上通常可挂接多個設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場控制設備(bèi)時，無需增設新的電纜，可就近連(lián)接(jiē)在原有的電纜上，既(jì)節省了投(tóu)資，也減少了設計、安裝的(de)工作量。據(jù)有關典型試驗(yàn)工程的(de)測算資料，可(kě)節約安裝費用60%以上(shàng)。
●節省維護開銷(xiāo)
由于現場控制設備具有自診斷與(yǔ)簡單(dān)故障處理的能力，并通過數字通訊(xùn)将相關的診斷維(wéi)護(hù)信息送往控制室，用戶可以查(chá)詢所有(yǒu)設備的運行(háng)，診斷維護(hù)信息，以便(biàn)早期分析故障(zhàng)原因并快速排除。縮(suō)短了維護停工時間，同時由于系(xì)統結構簡化，連線簡(jiǎn)單而減少了維護工作量。
4、現場總(zǒng)線網絡結構
星型：每個站點都連(lián)接到中間節點。
環型(xíng)：站點連接成一封閉環路。
總線型：所有站點共享一條傳輸鏈路。
樹型：總線結構的擴展形(xíng)式。
5、發展趨勢
從現場總線技術本身(shēn)來分析，它(tā)有兩個明顯的(de)發展趨勢：
一是尋求統一的現場總(zǒng)線标準
二(èr)是Industrial Ethernet走向工業控(kòng)制網絡
工業以太網(wǎng)的發(fā)展
統一、開放的TCP/IP Ethernet是20多年來發展較爲(wèi)成功(gōng)的網絡技術 ，過去一直認爲，Ethernet是爲IT領域應用而開發的，它(tā)與工(gōng)業網絡在實時性、環境适(shì)應性、總線饋電等許多方面的要求存在差距(jù)，在工業自動化領域隻能得到(dào)有限應用。 随着(zhe)FF HSE的成功(gōng)開發以及PROFInet的推廣應用，可以預見Ethernet技術将會十分迅速地進入(rù)工業控制系統的各級網絡。
地球上形成的(de)工業以(yǐ)太(tài)網技術的四大陣營：
主要用于(yú)離散制造控制系統的是：
●Modbus-IDA工業以太網
●Ethernet/IP工業以太網
●PROFInet工業以太網
主要用于過程控制系統的是：
●Foundation Fieldbus HSE工業(yè)以太網
6、總線控制組成
現場總線(xiàn)控制系統由測量系統、控制系統、管理系統三個部分組成，而通信部分的硬、軟件是它較爲有特色的部分。
●現場總線控制系統：
它的(de)軟件是系統的重(zhòng)要組成部分，控制系統(tǒng)的軟件有組(zǔ)态軟件、維護軟件、仿真軟件、設備軟件和監控軟件等。首先選擇開發組(zǔ)态(tài)軟件(jiàn)、控制操作人機接口軟件MMI。通過組态軟件，完成功能塊之間的(de)連接，選定(dìng)功能塊參數，進行網絡組态。在網絡運行過程中對系統實時采集數據、進行數據處理、計算。優化控制及邏輯控(kòng)制報(bào)警、監視、顯示、報表等。
●現場總線的測(cè)量系統(tǒng)：
其特點爲多變量高性能的測量，使測量儀表具有計算能力等更(gèng)多功能，由于采用數字信号，具有高分(fèn)辨率，準确(què)性高、抗幹擾(rǎo)、抗畸變(biàn)能力強，同時還具(jù)有儀表設備的狀态信息，可以對處理過程(chéng)進行調整(zhěng)。
●設備管理系統：
可(kě)以提供設備自身(shēn)及過(guò)程的診斷信息、管理信息(xī)、設備運行狀态信息（包(bāo)括智能儀表）、廠商提供的設(shè)備制造(zào)信息。例如Fisher—Rosemoune公司，推(tuī)出AMS管理系統，它(tā)安裝在主計算機内，由它完成管理功能，可以(yǐ)構成一個現場設備的綜(zōng)合管理系統信息庫(kù)，在此基礎上實現設備(bèi)的可靠性分(fèn)析以及預(yù)測性維護。将被動的管理(lǐ)模式改變爲可預測性的管理維護模式AMS軟件是以現場服務器爲(wèi)平台(tái)的T型結構，在現場(chǎng)服務器上支撐模塊化(huà)，功能豐富的應用軟件爲用戶提供一個圖形化界面。
●總線系統計算機服務模式：
以客戶機/服務器模式是目前較爲流行(háng)的網絡計算機(jī)服務模式。服務器表示(shì)數據源（提供(gòng)者），應用客戶機則表示數(shù)據使用者(zhě)，它從數據源獲取數據，并進一步進(jìn)行處理。客房機運行在PC機或工作站上。服務器運行在小型機或大型機上，它使用雙方的智能、資源、數據來完成任務。
●數據庫：
它能有組織(zhī)的(de)、動态的存儲大量有關數據(jù)與應用程(chéng)序，實現數據的充分共享、交叉(chā)訪問，具有高度獨立性。工業設備在運行(háng)過(guò)程中參數連續變化，數據量大，操作與控制的實時性要(yào)求很高。因此就形成(chéng)了(le)一個可以互訪操作(zuò)的分(fèn)布關系及實時性的數據庫系統，市(shì)面上成熟的供選用的如關系數據庫中的Orad，sybas，Informix，SQL Server；實時數據庫(kù)中的Infoplus，PI，ONSPEC等。
●網(wǎng)絡系統的硬件與軟件(jiàn)：
網絡系統硬件有：系統(tǒng)管理主機、服務器、網關、協議變(biàn)換器、集線器，用戶計算機等及底層(céng)智能化儀表。網絡系統軟件有網絡(luò)操作軟件(jiàn)如：NetWarc，LAN Mangger，Vines，服務器操作軟件(jiàn)如Lenix，os/2，Window NT。應用軟件數據庫、通信協議、網絡管理協議等。[1]
7、主流現場總線簡介
●基金會現場總線（FoundationFieldbus 簡稱FF）
以Fisher-Rousemount公司爲(wèi)首的聯合了橫河、ABB、西門子、英維斯等80家公(gōng)司制(zhì)定的ISP協議和以Honeywell公司爲首的聯合歐(ōu)洲等地150餘家公司(sī)制定的WorldFIP協議于1994年(nián)9月合并的。該(gāi)總線(xiàn)在過程自動化領(lǐng)域得到了(le)廣泛的應用，具有良好的(de)發展前景。
基金(jīn)會現(xiàn)場總線采用國标化組織ISO的開放化(huà)系統互聯OSI的簡化模型（1，2，7層），即物理層、數據鏈路層、應(yīng)用層(céng)，另外增加了用戶層。FF分(fèn)低速H1和(hé)高速H2兩種通信速率，前者傳輸速率爲31.25Kbit/秒，通信距離可達(dá)1900m，可支持總(zǒng)線供電和防爆環境。後者傳輸速率爲1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距離爲750m和(hé)500m，支持雙絞線、光纜和無線發射，協議符号IEC1158-2标準。FF的物(wù)理媒介的傳輸信号(hào)采用曼切斯特編碼。
●CAN（ControllerAreaNetwork 控制器局域(yù)網）
早期由德國BOSCH公司推出，它廣泛用于離散(sàn)控制領域，其總(zǒng)線規範(fàn)已被ISO國标組織制定爲國标，得到(dào)了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。
CAN協議分爲二層：物理層和數據鏈路層。CAN的信(xìn)号傳輸采用短幀(zhēn)結構(gòu)，傳輸時間短(duǎn)，具有(yǒu)自動關閉功能，具有較強的抗(kàng)幹擾能力。CAN支持多(duō)主工作方式，并采(cǎi)用了非破(pò)壞性總線仲裁技術，通過(guò)設置優先(xiān)級來避免沖突，通訊(xùn)距離(lí)可達10KM/5Kbps/s，通訊速(sù)率(lǜ)可達40M /1Mbp/s，網絡節點數實際可(kě)達110個。目前已有(yǒu)多家公司開發了符合CAN協議的通信芯片。
●Lonworks
它由Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡導。
它采用ISO/OSI模(mó)型的全部7層通訊(xùn)協議，采用面向對(duì)象的設計方(fāng)法(fǎ)，通(tōng)過網絡變量把網絡通信設計簡化爲參數設置。支持雙絞線、同軸電纜、光(guāng)纜和紅外線等多種通信介質，通訊速率從300bit/s至1.5M/s不等(děng)，直接通信距離可達(dá)2700m（78Kbit/s），被譽爲通用控制網絡。Lonworks技術采用的LonTalk協議(yì)被封裝到(dào)Neuron（神經元）的芯片中，并得以實現(xiàn)。采用Lonworks技術和神經元芯片的産(chǎn)品(pǐn)，被廣泛應用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統、辦公設備、交通運輸、工業過程控制等行業。
●DeviceNet
DeviceNet是(shì)一種低成本的通信連接也是一種簡(jiǎn)單的網絡(luò)解決方案，有着開放的網絡标準。DeviceNet具(jù)有的直接互聯性(xìng)不(bú)僅改良了設備間的通信而且(qiě)提供了相當重要的設備級陣地(dì)功能。DebiceNet基于(yú)CAN技術，傳輸率爲125Kbit/s至500Kbit/s,每個網絡的節點爲64個，其通信(xìn)模式爲：生産者/客(kè)戶（Producer/Consumer），采用多信道廣播信(xìn)息發送方(fāng)式。位于DeviceNet網絡上的設備可以自由連接或斷開，不影(yǐng)響網(wǎng)上的(de)其他設備，而且其設備的安裝布線(xiàn)成本(běn)也(yě)較(jiào)低。DeviceNet總線的組織(zhī)結構是Open DeviceNet Vendor Association（開(kāi)放式設備(bèi)網絡供應商協會，簡稱“ODVA”）。
●PROFIBUS
PROFIBUS是德國标準(zhǔn)（DIN19245）和歐洲标準（EN50170）的現場總線(xiàn)标準。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA系列組成(chéng)。DP用于分散外設間高速數據傳輸，适用于加(jiā)工自動化(huà)領域。FMS适用于紡織、樓宇自動化、可編(biān)程控制器、低壓(yā)開(kāi)關等。PA用于過程自動化的總(zǒng)線類型，服從IEC1158－2标準。PROFIBUS支持主(zhǔ)-從系統、純主站系統、多主(zhǔ)多從混合(hé)系統等幾種傳輸方式。PROFIBUS的(de)傳輸(shū)速率(lǜ)爲9.6Kbit/s至12Mbit/s，傳輸距離(lí)在9.6Kbit/s下爲1200m，在12Mbit/s小爲200m，可采用中繼器(qì)延長至(zhì)10km，傳輸介質爲(wèi)雙絞線或者光纜，可(kě)挂接127個站(zhàn)點。
●HART
HART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫，早期由Rosemount公司開(kāi)發。
其特點是在現(xiàn)有模拟信号傳(chuán)輸線上實現數字信(xìn)号通信，屬于模拟系統向數字(zì)系統轉變的過渡産品。其通信模(mó)型采(cǎi)用物理層、數據鏈路層和應用層三層，支持點(diǎn)對點主從應答方式和多點(diǎn)廣播方式(shì)。由于它(tā)采用模拟數字信号混(hùn)和，難以開發通用的通信接口(kǒu)芯片。HART能利用總線供電，可滿足防爆(bào)的(de)要求，并可用于由手持編程器與(yǔ)管理系統主機作爲主設(shè)備的雙主設備系統。
●CC-Link
CC-Link是Control&Communication Link（控制與通信(xìn)鏈路系統(tǒng)）的縮寫，在1996年11月，由三菱電機爲(wèi)主導的多家公司推出，其增長勢頭迅猛，在亞洲占有較大份額。
在其系統中，可以将控制和信息數據同是以10Mbit/s高速傳(chuán)送至現場網絡，具有性能優越、使用簡單、應用廣泛、節省成本(běn)等優點。其不僅解決了工業現(xiàn)場配線複雜的問題，同時具(jù)有優異的抗噪性(xìng)能和兼容性。CC-Link是一個以設備層爲主的網絡，同時也可覆蓋較高層次的(de)控制層和較低層次的(de)傳感層。
●WorldFIP
WorkdFIP的北美部分與ISP合并爲FF以後，WorldFIP的歐洲部分仍保持獨(dú)立，總部設在法國。其在歐(ōu)洲市(shì)場占有重要(yào)地位，特别(bié)是在法(fǎ)國占有率大約爲60%。WorldFIP的(de)特點是具有單一(yī)的總線結構來适用不同的應用領域的需求，而且沒有網關或網橋，用軟件的辦法來解決高速和低速(sù)的銜接。WorldFIP與(yǔ)FFHSE可以實現“透明(míng)聯接”，并對FF的H1進行了技(jì)術拓(tuò)展，如速率等。在與IEC61158的(de)連接(jiē)方面，WorldFIP做得比較好，走在世界前列。
●INTERBUS
INTERBUS是德國Phoenix公司推出(chū)的較早的現場總線，2000年2月成爲國标IEC61158。
INTERBUS采用國标化組織ISO的(de)開放化(huà)系統互聯OSI的簡化模(mó)型（1，2，7層），即物理層、數據鏈路層、應用層(céng)，具有強大的(de)可靠性、可診斷性(xìng)和易(yì)維護性。其采用集總幀型的數據環(huán)通信，具有低速度、效率高的特點，并(bìng)嚴格保證(zhèng)了數據傳輸的同步性和(hé)周期性；該總線的實時性、抗幹(gàn)擾性和可(kě)維護性也非常(cháng)出色。INTERBUS廣泛地應用到汽車、煙草、倉儲、造紙、包裝、食品(pǐn)等工業，成爲現場總線的領跑者。
