本文從應用的角度首先詳細分析了五種現場總線的技術特點，然后針對應用現場總線的一些問題進行了探討。
關鍵字：現場總線、FF、PROFIBUS、CAN、LONWORKS、HART
1 前言
現場總線是90年代初期興起的一種先進工業控制技術，和DCS相比有許多的優點，它是一種全數字化、全分散式、全開放、可互操作和開放式互聯網絡的新一代控制系統；是計算機技術，通信技術和控制技術的綜合與集成;它將通信線一直延伸到生產現場生產設備，用于過程自動化和制造自動化的現場設備或現場儀表互連的現場通信網絡，它將傳統的 DCS三層網絡結構變成兩層網絡結構“工作站現場總線智能現場儀表”，降低了成本，提高了可靠性，實現了控制管理一體化的結構體系，所以自它誕生之日起，就對DCS形成了強有力的挑戰。目前現場總線己成為世界上自動化技術的熱點，世界上許多工控領域的巨人如：Honeywell，Fisher-Rosemount等都積極開展FCS技術的開發研究和應用，推出了自己的FCS產品，據不完全統計，目前各類現場總線產品有40多種，從而，使有的用戶對之目不暇接，甚至感到困惑而不知所從。本文將從應用的角度出發，對目前比較流行的五種現場總線技術特點進行分析之后，針對應用現場總線系統時工程中關心的有關問題開展討論。
2 幾種現場總線的特點
1． CAN
CAN是控制器局域網絡(Controller Area Network)的簡稱，它是由德國的Bosch公司及幾個半導體生產商開發出來的，起初它是為汽車的檢測和控制而設計的，后來逐步發展到用于其它工業部門，值得指出的是，CAN是目前唯一被批準為國際標準的現場總線，它有如下基本特點：
(1) CAN協議遵循 ISO／OSI模型，采用了其中的物理層，鏈路層與應用層的三層結構。
(2) CAN的通信速率為5Kbps／10km，lMbps／40m，節點數可達110個：傳輸介質可以是雙絞線，光纖等。
(3) CAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀有效字節數為8個，這樣傳輸時間短，受干擾的概率低。并且，當CAN節點發生嚴重錯誤時， CAN具有自動關閉節點的功能，自動切斷與總線的聯系，使總線上的其它節點及其通信不受影響，所以，具有較強的抗干擾能力。
(4) CAN采用點對點，一點對多點及全局廣播幾種發送和接收數據，可實現全分布式多機系統，且無主從之分。
(5) CAN采用非破壞性的總線仲裁技術。
(6) CAN不能支持防爆區。
CAN自誕生以來，以其獨特的設計思想，良好的功能特性和極高的可靠性越來越受到工業界的青睞，目前己在許多行業獲得應用：汽車，機器人，樓宇自控，紡織機械，醫療器械，自動化儀表，傳感器等。目前支持 CAN協議的世界有多家著名大公司：Intel，Motorla，Honeywell，NEC，Siemens，Philips等。其在測控和智能儀表方面的應用如圖l和圖2所示。
2．LONWORKS
LONWORKS是局部操作網絡， LON是Local operating network的簡稱，它是美國Echelon公司于1991年3月推出的技術和產品，其主要特點為：
(1) LONWORKS采用LONTALK通訊協議，該協議遵循 ISO／OSI參考模型，它提供了OSI所定義的全部7層服務，在所有現場總線中，這是獨一無二的特色。
(2)通信速率為78Kbps／2700m，1．25Mbps／130m，節點數32000個，傳輸介質可為雙絞線，同軸電纜，光纖，電源線等。
(3)LONWORKS的核心是Neuron(神經元)芯片，內含3個8位CPU。第一個CPU為介質訪問控制處理器，處理LONTALK協議的第一層和第二層。第二個CPU為網絡處理器，實現LONTALK的第3層到第6層的功能：第3個CPU為應用處理器，實現LONTALK的第七層協議，執行由用戶編的代碼及用戶的代碼所調用的操作系統服務。 Neuron芯片的編程語言為Neuron C，是從ANSI C中派生出來的。 LONWORKS提供一套開發平臺， LON BUILDER和Node Builder，價格為10-30萬.
(4) Lonworks可以構成：總線型、星型、環型和混合型等典型的網絡結構，能實現網絡拓撲結構的自由組合，可以通過網關實現不同現場總線的互聯。見圖3、圖4。
(5) Lontalk協議的介質訪問協議對 CSMA作了改進，采用一種稱作Predictive P-Persistent CSMA的新協議。
(6)Lonworks能支持防爆區。
Lonworks技術自1991年推出后，發展很快，到1996年已有2600家生產商，使用并且安裝了200多萬個節點，遠遠超過了任何其他測控現場總線，其應用范圍包括工業控制，樓宇自動化，航空／航天等，幾乎囊括了測控應用的所有范疇，在其銷售額中，40％是工業控制，30％是樓宇自動化.(LONWORKS不屬于IEC現場總線標準之列)
3． HART
HART是可尋址遠程傳感器通路( Highway Addressable Remote transducer)的簡稱，是美國的Rosemount公司1986年研制的一種通訊協議，它具有如下特點：
(1) HART協議參照 ISO／OSI模型，其通訊模型由三層構成：物理層，數據鏈路層和應用層。
(2) HART支持模擬信號和數字信號在同一線路上同時存在，可實現與其它模擬設備混合使用，其通訊速率為：在4~20mADC模擬信號上疊加FSK數字信號時為1200bps，用屏蔽雙絞線單臺設備距離可達3000m；而多臺互連距離可達1500m．
(3) HART支持點對點，主從應答方式和多點廣播方式，通訊模式為：“問答式”，或“廣播式”。 (4)HART能利用總線供電，可滿足本安防爆要求。
嚴格地講，HART不屬于現場總線，而是模擬系統向數字系統過渡的一種產品，目前世界上HART協議的產品仍在生產，但現場總線的產品大量上市，而價格能與之接近，所以，它的生命周期不會太長。
4． PROFIBUS
PROFIBUS是Process Fieldbus的簡稱。它是1987年德國聯邦科技部按照ISO／OSI參考模型制訂的現場總線德國國家標準，于1991年正式成為德國現場總線國家標準 (DINl9245)；并于1998年又成為歐洲的標準(EN50170)。它具有如下特點：
(1) PROFIBUS由三部分組成：
a． PROFIBUS—FMS(Fieldbus Message Speciflcation現場總線報文規范)。此部分是完成控制器和現場器件之間的通信以及控制器之間的信息交換，因此，它考慮的是系統功能而不是系統響應時間，適應于完成中等傳輸速度進行較大數據交換的循環和非循環通訊任務。
b． PROFIBUS—DP(Decentralized Periphery分散型外圍設備)是一種優化的通訊模塊，適用于自動控制系統和外圍設備之間的通信，對時間要求苛刻的場合。
c． PROFIBUS—PA(Process Automation過程自動化)，應用于過程自動化，實現了 IECll58-2中規定的通信規程，用于對安全性要求高的場合及由總線供電的站點。
(2) PROFIBUS遵循ISO／OSI模型，其通信模型由三層構成：物理層，數據鏈路層和應用層。
(3) PROFIBUS的通信速率為：
a．PROFIBUS—FMS：使用 RS—485時，為9．6k-500k波特，距離1．6km-4．8km，最多可接122個節點；使用 FSK(頻移鍵控)時，最多32個節點，距離可達5km，介質可為雙絞線或光纜。
b． PROFIBUS—DP：RS-485雙絞線或光纜，為9．6K-12M波特；最大距離：12M波特時為100m；1．5M波特時為200m，可用中繼器加大距離，最大站數126。
c． PROFIBUS-PA通信速率為31．25kbps，最大距離為≤1．9km，其每一段上可連接的儀表臺數≤32臺,但決定于所接入總線儀表設備的耗電量和應用的最大總線電流，只要饋入總線的電源不超過規定的最大電壓值和電流值，就可以保證在危險區域中運行的本質安全性．
(4)總線存取協議：三種系列的PROFIBUS均使用單一的總線存取協議，數據鏈路層采用混合介質存取方式，即主站間按令牌方式，主站和從站間按主從方式工作。
(5)三種系列的PROFIBUS很容易集成在一起， DP和FMS使用了同樣的傳輸技術和統一的總線訪問協議，因而這兩套系統可在同一根電線上同時操作； PA和DP之間使用分段耦臺器能方便地集成在一起，如圖5所示。
(6)安全性： PROFIBUS-PA采用總線供電，支持安防爆要求。
PROFIBUS自1989問世以來，由于其嚴格的定義和完善的功能使其成為開放式系統的典范，目前世界上約有五百多家廠商加入了PROFIBUS用戶協會，并提供近千種PROFIBUS產品，著名的Siemens公司可提供100多種PROFIBUS產品，據統計到1999年世界上已有35萬套PROFIBUS設備成功應用在5萬多個工業現場。
5． FF
FF是現場總線基金會(Fieldbus Foundation)的簡稱，是國際公認的唯一不附屬于某企業的公正的非商業化的國際標準化組織，其宗旨是制定單一的國際現場總線標準，無專利許可要求，供如何人使用，它具有如下特點：
(1) FF遵照 ISO／OSI模型，其通信模型由四層構成：物理層，數據鏈路層，應用層及用戶層，在OSI模型基礎之外增加了一層(用戶層)。
(2)通信速率： FF定義兩種速率的總線，低速總線 H1，波特率為31．25kbps，傳輸距離為0．2km-1．9km(取決于介質)；高速總線 H2，其波特率為1.0Mbps／750m或2．5Mbps／500m。傳輸介質可為雙絞線，同軸電纜，光纖或無線電。
(3)拓撲結構： H1：支持總線型或樹型； H2支持總線型。
(4)介質訪問：采用容令牌和查詢通信方式為一體的技術，在一個網絡中可以有幾個主站。初始化時，僅容許一個站處于講工作狀態，講工作狀態傳來后，主站查詢從站，并且特殊的幀結構把講工作狀態送給另一個主站。
(5)安全性：低速總線H1采用本安型總線供電，滿足本安防爆要求。
FF自1994年成立，世界上已有120多個成員公司加入，著名的現場設備制造商及控制系統供應商都在其列。 IEC已批準了FF的物理層標準，國內冶金部自動化研究院1995年4月加入了 FF，1996年4月華控技術有限公司也參加了FF。
3 應用問題的探討
可以看出：工業上還沒有一種現場總線能覆蓋所有的應用面，各類總線都有一些自己的特色。鑒于現場總線的國際標準尚未出來，在眾多現場總線并存的局面下，作為一名準備應用現場總線技術產品的用戶，必須根據自己的要求，結合各種現場總線的特色，來選擇合理的產品。那么如何進行選擇呢?
在具體確定選用那種現場總線產品之前，一般來說，應該弄明如下幾方面的情況：
1．規模的大小，即需要運用現場總線構成網絡的節點有多少個。
規模的大小對選用那種現場總線有影響，如： CAN最多可接設備110個，而 LONWORKS的節點數可達32000個， PROFIBUS的節點也是從幾十個到一百多個。
2．環境條件：這包括節點分布的遠近，現場的安全防爆要求，電磁環境等。
環境條件的不同，對選用那種現場總線也有影響，首先節點分布的遠近決定通信線路的長度，而這方面不同的總線其能力是不一樣的，其變化范圍為幾十米至10公里�，F場的安全防爆要求是一項十分重要的指標，根據上面分析除 CAN總線外，其余幾種都能滿足安全防爆要求，依據目前的發展趨勢最好選用 PROFIBUS-PA或 FF的 H1。現場電磁環境的優劣，決定了選用構成網絡的通信介質，如果現場電磁干擾等很嚴重，最好選用光纖作為傳輸介質。
3．傳輸信號情況：這包括傳輸信號是模擬量或數字量，信息量的大小，對實時性的要求等。傳輸信號情況的不同對現場能力也提出不同的要求，如果是模擬與數字信號共存，可以選用HART；如果傳輸的信息量特別大，實時性不高，可以考慮選用PROFIBUS—FMS；如果是信息量大，實時性高，可以考慮選用PROFIBUS—FMS和PROFIBUS—DP構成系統.
4．現場設備情況：這是指對原老設備的技術改造，還是采用符合現場總線要求的新的智能儀表等。這種情況在國內的許多單位都存在，由于原來使用的許多儀表都是II型或III型表，且目前使用的效果又比較好，但又希望利用先進的現場總線技術提高生產的綜合自動化水平，這樣實際上是提出了一個在如果充分利用原來老設備的基礎上建立現場總線網絡。所幸的是目前市場提供的遠程智能 I／O能滿足這種要求如：國內的北京中機浦發工貿發展有限公司就能生產這種產品，通過這種 I／O能將傳統儀表的模擬4—20mA或0-5v的信號轉換成和現場總線相兼容的通信信號，從而實現與現場總線網絡的聯接與通信。這種方案對一些財力不是很充足的老企業進行技術改造是一種可取的途徑。總之作為用戶，總是希望選用性能價格比最優的產品，但是由于用戶自身的需求千差萬別，往往一種現場的產品很難滿足各方面的需求，所以在實際選型時，我們可以利用網關技術，將不同的現場總線集成一起，從而滿足自己的要求。
另外，如果針對自己的要求，有幾種產品都能滿足自己的要求，且性能價格比都差不多時，這時考慮的因素應該是服務，如果哪家的產品用戶多，服務好(包括安裝，培訓，維修等)，就應該考慮優先選擇該產品。照目前時情況PROFIBUS和FF在這方面比較有優勢。 電磁流量計 壓力變送器 測溫槍 (責任編輯：admin) | 