现场总线技术及其控制系统纵横谈

引言

现场总线在控制领域崭露头角不过是最近几年，然而其来势凶涌，且有愈演愈烈之趋势。那么，究竟什么是现场总线？什么是现场总线控制系统？现场总线控制系统较之目前在工控界仍占主导地位的集散控制系统（ＤＣＳ）有何特点和优点？面对目前４０多种现场总线，应选用哪一种？本文将围绕以上问题展开论述，从控制系统的发展历程角度探讨现场总线的成因；阐述现场总线的概念、体系结构和特点给出现场总线的发展现状；提出面对现场总线百家争鸣的现状应采取的对策。

１ 现场总线的产生

７０年代以前，控制系统中采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递，其精度差、受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都很差。７０年代末，随着大规模集成电路的出现，微处理器技术得到很大发展。微处理器功能强、体积小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系统，控制效果得到提高；但是尽管如此，还是属于集中式控制系统。随着过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展，控制领域又发生了一次技术变革。这次变革使传统的控制系统（如集散控制系统）无论在结构上还是在性能上都发生了巨大的飞跃，这次变革的基础就是现场总线技术的产生。

现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络，它也被称为现场底层设备控制网络（ＩＮＴＲＡＮＥＴ）。８０年代以来，各种现场总线技术开始出现，人们要求对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。美国仪表协会ＩＳＡ于１９８４年开始制订现场总线标准，在欧洲有德国的ＰＲＯＦＩＢＵＳ和法国的ＦＩＰ等，各种现场总线标准陆续形成。其中主要的有：基金会现场总线ＦＦ（Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）、控制局域网络ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、局部操作网络ＬｏｎＷｏｒｋｓ（Ｌｏｃａｌ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ ）、过程现场总线ＰＲＯＦＩＢＵＳ（Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｆｉｅｌｄ Ｂｕｓ）和ＨＡＲＴ协议Ｈｉｇｈｗａｙ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｒｅｍｏｔｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ等。但是，总线标准的制定工作并非一帆风顺，由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，致使现场总线的国际化标准工作进展缓慢。但是不论如何，制定单一的开放国际现场总线标准是发展的必然。

２ 现场总线的定义及其标准

权威组织国际电工委员会ＩＥＣ对现场总线的定义是：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通讯的数据总线。而什么叫现场总线控制系统（ＦＣＳ－ｆｉｌｅｄｂｕｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ）ＩＥＣ并没有做出明确解释。所以，许多文章与资料中经常是把“现场总线”和 “现场总线控制系统”混为一谈。可能是现场总线的标准太多的缘故吧。现场总线控制系统的构成是以某一标准现场总线为基础的。一旦现场总线标准确定，其对应的控制系统的结构体系也就确定了。虽然，ＩＥＣ在２０００年１月４日宣布现场总线国际标准（ＩＥＣ－６１１８５）以８６％赞成，１２％反对获得通过。但ＩＥＣ－６１１８５仍然是一个“求大同存小异”的妥协方案。其把应用层的功能（算法）模块特长与行业应用潜能的自由竞争天地留给各ＦＣＳ制造厂商。ＩＥＣ－６１１８５包括了８个子集：ＦＦ－ＨＳＥ、ＦＦ－Ｈ１、ＰＲＯＦＩＢＵＳ、Ｐ－ＮＥＴ、ＣＯＮＴＲＯＬ－ＮＥＴ、ＳＷＩＦＴ－ＮＥＴ。

３ 现场总线技术的特点
（ｌ）数字化通信取代４～２０ｍＡ模拟信号传统技术，现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个Ｉ／Ｏ点对设备的一个测控点）所谓Ｉ／Ｏ接线方式，信号传递４～２０ｍＡ（传送模拟量信息）或２４ＶＤＣ（传送开关量信息）信号。应用现场总线技术可用一条通信电缆将控制器与现场设备（智能化、带有通信接口）连接，使用数字化通信完成底层设备通信及控制要求。

（２）现场设备智能化应用现场总线技术，要求现场设备（传感器、驱动器、执行机构等设备）是带有串行通信接口的智能化（可编程或可参数化）设备。因此，现场总线技术以计算机大规模集成电路的发展为基础。

（３）集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体，现场总线采用计算机数字化通信技术连接智能化现场设备，因此，控制器可从现场设备获取大量丰富信息，可实现设备状态、故障、参数信息传送，可完成设备远程控制、参数化及故障诊断工作。

（４）现场总线是计算机网络通信向现场级的延伸，传统的现场层设备与控制器之间的通信采用一对一连线的方式，传输４～２０ｍＡ／２４ＶＤＣ信号。这种通信技术信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的“信息孤岛”，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。现场总线技术采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。

（５）现场总线技术是实现工厂底层信息集成的关键技术。要成功的实施ＣＩＭＳ，各层次的信息集成及支撑技术――计算机网络问题就必须得到解决。现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。

总之，现场总线是３Ｃ技术（计算机、通讯、控制）的融合。其技术的特点是：信号输出全数字、控制功能全分散、标准统一全开发。

４ 现场总线与局域网的区别

（１）按功能比较，现场总线连接自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备，网线上传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传输速率低，但实时性高。简而言之，现场总线是一种实时控制网络。局域网用于连接局域区域的各台计算机，网线上传输的是大批量的数字信息，如文本、声音、图像等，传输速率高，但不要求实时性。从这个意义而言，局域网是一种高速信息网络。

（２）按实现方式比较，现场总线可采用各种通讯介质，如双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等，实现成本低。局域网需要专用电缆，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。

５ 现场总线系统ＦＣＳ与集散控制系统ＤＣＳ的比较

ＦＣＳ是在ＤＣＳ的基础上发展起来的，ＦＣＳ顺应了自动控制系统的发展潮流，它必将替代ＤＣＳ。这已是业内人士的基本共识。然而，任何新事物的发生、发展都是在对旧事物的扬弃中进行的，ＦＣＳ与ＤＣＳ的关系必然也不例外。ＦＣＳ代表潮流与发展方向，而ＤＣＳ则代表传统与成熟，也是独具优势的事物。特别是现阶段，

ＦＣＳ尚没有统一的国际标准而呈群雄逐鹿之势，ＤＣＳ则以其成熟的发展，完备的功能及广泛的应用而占据着一个尚不可完全替代的地位。笔者认为：现场总线控制系统ＦＣＳ应该与集散式控制系统ＤＣＳ相互兼容。首先以工程成本与效益看，现场总线的根本优势是良好的互操作性；结构简单，从而布线费用低；控制功能分散，灵活可靠，以及现场信息丰富。然而这些优势是建立在ＦＣＳ系统初装的前提下，倘若企业建立有完善的ＤＣＳ，现在要向ＦＣＳ过渡，则必须仔细考虑现有投资对已有投资的回报率。充分利用已有的ＤＣＳ设施，现有ＤＣＳ 的布线以及成熟的ＤＣＳ控制管理方式来实现ＦＣＳ是我们应选之途。虽然现场总线对已有的数字现场协议有优势可言，但向其过渡的代价与风险是必须分析清楚的。再者，从技术的继承及控制手段上，也要求ＦＣＳ与ＤＣＳ应相兼容。ＦＣＳ实现控制功能下移至现场层，使ＤＣＳ的多层网络被扁平化，各个现场设备节点的独立功能得以加强，因此，在ＦＣＳ中有必要增加和完善现场子层设备间的数据通讯功能。由于历史的原因，ＤＣＳ通常拥有大型控制柜用以协调各个设备，同时更强调层与层的数据传输。可见，两种控制在策略上各具优势。ＤＣＳ适用于较慢的数据传输速率；ＦＣＳ则更适用于较快的数据传输速率，以及更灵活的处理数据。然而，当数据量超过一定值过于偏大时，如果同层的设备过于独立，则很容易导致数据网络的堵塞。要解决这个问题，拟设立一个适当的监控层用以协调相互通讯的设备，必然是有益的，ＤＣＳ就能轻松地胜任这一工作。可见，为使ＦＣＳ的控制方式和手段完善化，是有必要借鉴ＤＣＳ的一些控制思想的。

要把握新世纪工业过程控制的发展趋势，无论在学术研究或是工程应用方面都有必要使ＦＣＳ综合与继承ＤＣＳ的成熟控制策略；与此同时，ＤＣＳ的发展也应追寻ＦＣＳ控制策略的新思想，使其具有新的生命力。ＤＣＳ应能动地将底层控制权交付给ＦＣＳ系统，将较高层的系统协调管理功能发扬光大，完成对新时代，新形势的工业控制系统的智能设备集成。

６ 当前流行的几类现场总线

（1）基金会现场总线ＦＦ：基金会总线（ＦＦ，Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）是在过程自动化领域得到广泛支持和具有专有良好发展前景的技术。其前身是以美国Ｆｉｓｈｅｒ－Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ公司为首，联合Ｆｏｘｂｏｒｏ、横河、ＡＢＢ、西门子等８０家公司制订的ＩＳＰ协议和以Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司为首，联合欧洲等地的１５０家公司制订的Ｗｏｒｌｄ ＦＩＰ协议。屈于用户的压力，这两大集团于１９９４年 ９月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ＩＳＯ／ＯＳＩ开放系统层上增加了用户层。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。由于这些公司是该领域现场自控设备发展方向的能力，因而由它们组成的基金会所颁布的现场总线规范具有一定的权威性。

基金会现场总线分低速Ｈ１和高速Ｈ２两种通信速率。Ｈ１的传输速率为３１．２５ｋｂｐｓ，通信距离可达１９００ｍ（可加中继器延长），可支持总线供电防爆环境。Ｈ２的传输可为１Ｍｂｐｓ和２．５Ｍｂｐｓ两种，其通信距离分别为７５０ｍ和５００ｍ。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合ＩＥＣ１１５８－２标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。

基金会现场总线的主要技术内容，包括ＦＦ通信协议、用于完成开放互连模型中第２～７层通信协议的通信栈（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｔａｃｋ）用于描述设备特征、参数、属性及操作功能块；实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。１９９６年在芝加哥举行的ＩＳＡ９６展览会上，由现场总线基金组织实施，首次向世界展示了来自４０多家厂商的７０多种符合ＦＦ协议的产品并将这些分布在不同楼层展览大厅不同展台上的ＦＦ展品，用醒目的橙红色电缆，展现了基金会现场总线的基本概貌。

（2）ＣＡＮ总线：ＣＡＮ总线最早是由德国Ｂｏｓｃｈ公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。其总线规范已被ＩＳＯ国际标准组织制定为国际标准，并且广泛应用于离散控制领域。它也是基于ＯＳＩ模型，但进行了优化，采用了其中的物理层、数据链路层、应用层，提高了实时性。其节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广播模式通信。各节点可随时发送消息。传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关。ＣＡＮ总线采用短消息报文，每一帧有效字节数为８个；当节点出错时，可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高。

（3）ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线：ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术是美国ＥＣＨＥＬＯＮ公司开发，并与Ｍｏｔｏｒｏｌａ和东芝公司共同倡导的现场总线技术。它采用了ＯＳＩ参考模型全部的七层协议结构。ＬｏｎＷｏｒｋｓ技术的核心是具备通信和控制功能的Ｎｅｕｒｏｎ芯片。Ｎｅｕｒｏｎ芯片实现完整的ＬｏｎＷｏｒｋｓ的ＬｏｎＴａｌｋ通信协议。其上集成有三个８位ＣＰＵ。一个ＣＰＵ完成ＯＳＩ模型第一和第二层的功能，称为介质访问处理器。一个ＣＰＵ是应用处理器，运行操作系统与用户代码。还有一个ＣＰＵ为网络处理器，作为前两者的中介，它进行网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理等。由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。ＬｏｎＷｏｒｋｓ支持多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活，其ＩＳ－７８本安物理通道使得它可以应用于危险区域。ＬｏｎＷｏｒｋｓ应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。

（4）ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线：ＰＲＯＦＩＢＵＳ是德国国家ＤＩＮ１９２４５和欧洲标准ＥＮ５０１７０的现场总线标准。由ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ，ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＭＳ，ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＰＡ组成了ＰＲＯＦＩＢＵＳ系列。ＤＰ型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。ＦＭＳ意为现场信息规范，ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＭＳ适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而ＰＡ型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从ＩＥＣ１１５８－２标准。该项技术是西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了ＯＳＩ模型的物理层、数据链路层。ＦＭＳ还采用了应用层。传输速率为９．６ｋｂｐｓ－１２Ｍｂｐｓ，最大传输距离在１２Ｍｂｐｓ时为１００ｍ１．５Ｍｂｐｓ时为４００ｍ，可用中继器延长至１０ｋｍ其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。最多可挂接１２７站点。可实现总线供电与本质安全防爆。

ＰＲＯＦＩＢＵＳ支持主从方式、纯主方式、多主多从通信方式。主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权的主站，可向从站发送、获取信息。

（5）ＨＡＲＴ总线：ＨＡＲＴ协议是由Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ公司于１９８６年提出的通信协议。它是用于现场智能仪表和控制室设备间通信的一种协议。它包括ＩＳＯ／ＯＳＩ模型的物理层、数据链路层和应用层。ＨＡＲＴ通信可以有点对点或多点连接模式。这种协议是可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，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过程中的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强市场竞争力，在智能仪表市场上占有很大的份额。

（6）Ｐ－ＮＥＴ现场总线：Ｐ－ＮＥＴ现场总线技术是由丹麦Ｐｒｏｃｅｓ－Ｄａｔａ Ａ／Ｓ公司研究并开发，是一种全世界通用的开放型标准化总线。它可以将生产过程的各个部分，如过程控制计算机、传感器、执行器、Ｉ／Ｏ模块、小型可编程控制器等，通过共用一根双芯电缆加以连接。与传统布线相比，Ｐ－ＮＥＴ现场总线技术在工业控制应用中具有很大的优势，它将简化设计和安装，减少布线的数量和费用，避免各种设备故障的发生，实现更直接也更广泛的使用功能。

Ｐ－ＮＥＴ是现场总线的一种，它不同于其它总线的特点是：（１）安装简单；（２）成本较低；（３）用户开发方便，可在Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ平台上用高级语言开发；（４）整个系统的硬件都采用标准的商品芯片，所以改进较快（其它的现场总线都用专门设计的芯片，不易改动）；
（５）Ｐ－ＮＥＴ较之其它总线有许多实际上的优点，特别适合于食品、饲养、农业方面的应用。

（7）ＩＮＴＥＲＢＵＳ总线：ＩＮＴＥＲＢＵＳ作为ＩＥＣ６１１５８标准之一，广泛地应用于制造业和机器加工行业中，用于连接传感器／执行器的信号到计算机控制站，是一种开放的串行总线系统。ＩＮＴＥＲＢＵＳ总线于１９８４年推出，其主要技术开发者为德国的Ｐｈｏｅｎｉｘ Ｃｏｎｔａｃｔ公司。ＩＮＴＥＲＢＵＳＣｌｕｂ是ＩＮＴＥＲＢＵＳ设备生产厂家和用户的全球性组织，目前在１７个国家和地区设立了独立的Ｃｌｕｂ组织，共有５００多个成员。ＩＮＴＥＲＢＵＳ总线包括远程总线网络和本地总线网络，两种网络传送相同的信号但电平不同。远程总线网络用于远距离传送数据采用ＲＳ－４８５传输，网络本向不供电，远程网络采用全双工方式进行通讯，通讯速率为５００ｋ／ｓ。本地总线网络连接到远程网络上，网络上的总线终端ＢＴ（ＢＵＳ Ｔｅｒｍｉｎａｌ）上的ＢＫ模块负责将远程网络数据转换为本地网络数据。

ＩＮＴＥＲＢＵＳ总线上的主要设备有总线终端ＢＴ（ＢＵＳ Ｔｅｒｍｉｎａｌ）上的ＢＫ模块、Ｉ／Ｏ模块和安装在ＰＣ或ＰＬＣ等上位主设备中的总线控制板。总线控制板是ＩＮＴＥＲＢＵＳ总线上的主设备，用于实现协议的控制、错误的诊断、组态的存储等功能。Ｉ／Ｏ模块实现在总线控制板和传感器／执行器之间接收和传输数据，可处理的数据类型包括机械制造和流程工业的所有标准信号。

⑻ＷｏｒｌｄＦＩＰ是欧洲标准的组成部分：ＷｏｒｌｄＦＩＰ是欧洲标准ＥＮ５０１７０的三个组成部分之一Ｖｏｌｕｍｅ３，是在法国标准ＦＩＰ－Ｃ４６－６０１／Ｃ４６－６０７的基础上采纳了ＩＥＣ物理层国际标准１１５８－２发展起来的，由三个通信层组成。ＷｏｒｌｄＦＩＰ的显著特点是为所有的工业和过程控制提供带有一个物理层的单一现场总线。底层控制系统、制造系统和驱动系统都可直接连到控制一级的ＷｏｒｌｄＦＩＰ总线上，毋需采用将ＲＳ４８５和其它低速总线相混和的方式来接连底层设备以实现同样的功能。

７ 结束语

世界上没有能包治百病的“灵丹妙药”，现场总线技术也一样，其不能完全满足工业现场控制的所有要求。因此，在我们大谈现场总线优点的同时，别忘了对现场总线应注意以下几点理性认识。

（１）现场总线技术的本质是早就成熟的网络通讯技术，是伴随这几年互联网与数字浪潮的连带品。早在７０年代，ＰＬＣ就含有这个技术，在ＰＬＣ中称为远程Ｉ／Ｏ（ＰＬＣ通过其远程Ｉ／Ｏ模块与多个现场设备通讯）。在８０年代初，由西门子等十多家公司在北海石油ＢＰ的石油钻井平台搞了一个称为高速现场总线的试验，把所有的传感器和执行器通过载波方式挂到一对电源线上与控制装置通讯。因为石油钻井平台的空间有限，布线和线缆维护困难，希望减少电缆。应当注意到，只有电源线与通讯线合用，才是现场总线的意义所在。可想而知，做到这一点成本是不低的。

（２）应当注意到，现场总线的本质是现场传感器和执行器等设备与控制装置之间的通讯，它本身既不能取代现场设备，也不能代替ＰＬＣ／ＤＣＳ／ＩＰＣ等控制装置。不少人取了一个新名词“ＦＣＳ（现场总线控制系统）”，并说它取代ＤＣＳ／ＰＬＣ，是言过其实的。ＤＣＳ本身的概念就是分散控制系统，已够广义的了，至于，用什么来实现分散控制并没有规定，也不好规定，所以用ＰＬＣ连网也可构成ＤＣＳ。只不过一些定义“ＦＣＳ”的朋友强调了“ＦＣＳ实现了彻底的分散”，事实是，彻底的分散却变成了彻底的集中，因为实现系统功能所需的信息全部依赖总线来交换，总线的可靠性和总线上任一节点的可靠性决定了整个系统的命运。

（３）现场总线的成本大大提高了，每个传感器都要有单独的信号放大调理电路、Ａ／Ｄ转换、载波与通讯电路、电源部件及其它智能部件。要使这些成本低于一对普通导线，恐怕不太现实。

（４）现场总线的故障确定与排除也是很难的事，因为当总线上的某个节点出故障而封锁总线时，要确认是那个节点出故障是不容易的。只得一段一段一个一个的拔了，然后检查。

（５）说“ＦＣＳ”会取代ＤＣＳ和ＰＬＣ的人往往确实在工程上应用过，但仔细一看，原来多是些监测报警和简单控制。“ＦＣＳ”的论据是每个智能执行器自身可以具有控制装置（ＰＬＣ、ＩＰＣ、ＤＣＳ控制站）的能力。而事实上，像大型发电厂，大型化工／冶金等复杂控制系统，其控制逻辑是极其复杂的，其输入输出，输出与输出之间存在千丝万屡的关系，如何把这些任务进行分割分配给每个执行器是很难的。而合理的现场总线应用应是：传感器完成信号的数字化，并进行一些必要的预处理（如热电偶非线性补偿，传感器故障诊断），执行器完成后处理和动作，控制装置接收传感器的信号，进行统一运算，将运算结果送给执行器。

（６）现场总线由于所有信息均需通过总线串行交换，其实时性必然受到限制。选用现场总线时，在对电缆数量有要求的场合十分有意义，因为现场总线能大大减少电缆。而在机电设备、小型系统、重要安全的装置或系统以及２／３以上的被控量是短距离开关量信号时不宜用现场总线。

（７）未来的控制系统或装置是多种技术的复合应用，很难说谁能完全取代谁。

总之，工业自动化技术应用于各行各业，且技术的发展很大程度上受到市场规律和商业利益的制约。技术标准不单是一个技术规范，也是一个商业的妥协产物。现场总线不同于计算机网络。使用一种现场总线技术来满足所有行业的技术要求，恐怕有些勉强。为此，有人面向未来工厂自动化提出了“以太网＋ＴＣＰ／ＩＰ”的解决方案。无论怎样，现场总线将如何发展，作为从事本专业的人员，我们拭目以待。