工业自动化系统现场总线技术的现状与展望

0 引言
现场总线（Fieldbus）是90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为当今自动化领域技术发展的热点。现场总线本质上就是用于现场仪表与控制系统和远程控制调度之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通讯系统。现场总线在制造业、流程工业、电力、交通、楼宇、医药、环保、化工等领域和行业的自动化系统中具有广泛的应用前景。这种开放型的工厂底层控制网络构造了新一代的网络集成式全分布集散控制系统，因而又被誉为自控领域的局域网。
1 几种流行的现场总线
（1）、基金会现场总线
　　基金会现场总线，即Foudation Fieldbus,简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，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。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3125Kbps,通信距离可达1900m，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率为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，从而使串行数据位流中具有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。
　　为满足用户需要，Honeywell、Ronan等公司已开发出可完成物理层和部分数据链路层协议的专用芯片，许多仪表公司已开发出符合FF协议的产品。
（2）、Asi总线
Asi是Siemens开发的一种硬件替代总线，有主-从组织（最多62从设备）它得到PROFIBUS行业组织（PTO）支持。它将数据和电源集成在单独一根电缆内，数据传输速度较快，31个从设备的循环时间为5ms。Asi结构简单并支持包括星形、线性、分支和树形结构在内的许多网络拓扑。虽然它目前能支持一些摸拟量设备，但它还不能方便地支持诸如条码阅读器、定标器、仪表和操作员接口等串行设备。
目前，在一些对附加的功能要求不高的场合，诸如食品加工、饮料灌装和药物包装等行业，Asi总线得到了广泛应用。
（3）、Device Net
Device Net是一种应用层协议，它采用最初由德国的Bosch公司开发的控制器局域联网（CAN）技术，遵循ISO/OSI参考模型，按照该基准模型，它的网络结构划分为三层：物理层、数据链路层和应用层，物理层下面还定义了传输的物理介质。Device Net在同一网段上最多可容纳64个节点，数据传输率为125Kbit/s、250 Kbit/s和500Kbit/s三种。Device Net是一种基于主-从连接的网络，一个主设备需要来自从设备的连接和主-从两个设备的非控制及I/O数据的协商连接。一旦建立了I/O连接，主设备通过使用轮询、循环或状态改变通信模式与从设备通信。最近，已在这种网络内加入了“时间同步”（CIPsync）和Device Net安全网络（CIPsafety）。Device Net没有对等通信。Device Net支持包括从光电监视器到驱动器和质量流控制设备等大量的设备类型。由于其标准得到众多经销商支持，因而产品价格很有竞争性。
（4）、Profibus-DP
Profibus-DP是一种基于RS-485的I/O网络，运行于12Mbit/s。它是一种主-从结构网络，最多有126节点和244字节信息量。PTO是促进和维持Profibus-DP标准的经销商组织。
Profibus-DP的12Mbit/s传输速率高于任何一种CAN网络，从而得到众多经销商支持，并有众多产品可供利用。然而，由于它需用一种硬件ASIC，因而当网络规模较小时，费用较高。Profibus-DP得到Siemens的积极支持，而且Siemens的PLC提供内装的连通性，因而目前Profibus-DP独步欧洲工业控制网络市场。一般来说，凡是需用Siemens PLC的地方，Profibus-DP也就成为标准的通信网络。
（5）、ControlNet
ControINet最初是作为Allen-Bradley数据总线的替代产品而开发的。它是DeviceNet和EtherNet/IP的前驱，填补了高确定性网络和可重复性网络之间的间隙。为提高灵活性而设计的这种网络使用户能构想出更好地利用网络带宽的设备配置。ControlNet工作于5Mbit/s，并支持几种网络拓扑结构。通讯方式采用在相同导线上的多个主设备的对等报文传送。它采用如同Device Net和EthetNet/IP那样的控制和信息协议（CIP）应用层。ControlNet提供确定性的和可重复的操作，并允许用户构想出用来控制I/O和报文数据的每个报文部分。但与以太网相比，ControlNet传输速率较低。
（6）、CC?Link
CC?Link（Control ＆ Communication Link）是由三菱电机为主的多家公司于1996年底推出的开放式现场总线，2005年7月CC?Link正式取得中国国家标准认证(GB/Z19760-2005)。CC?Link是高速的现场总线，它能够同时处理控制和信息数据。它通过简单的总线，将工业设备（如限位开关、光电传感器、电磁阀门、条形码读取器、变频器、触摸控制屏、用户操作接口等）连接成为设备层的网络。同时这个网络还可以方便地连接到其他网络（如：Ethernet，MELECNET/H等）。CC?Link又是一种简单的现场总线解决方案，不但解决了工业现场配线复杂的问题，大幅度地降低了工程的成本，提高了可靠性和稳定性，而且还拥有了非常重要的网络侦听功能，使系统维护更加简单，这是以往的连接方式所无法完成的。开放式的协议保证了供应商可以提供丰富的各类部件，在现场同类部件间可以直接替换，而且减少配置工业自动化系统的成本和时间。到目前，CC?Link已经包括了CC?Link、CC?Link/LT、CC?Link V2.0、CC?Link Safety 等4种有针对性的协议，构成CC?Link家族的比较全面的工业现场网络体系。
2、现场总线技术展望与发展趋势
现场总线的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，其发展趋势将对自动化领域的发展产生重大的影响。
1）、协调共存性：既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，又由于行业、地域、经济利益等多种原因，目前在不同领域形成多个颇具影响力的总线标准，造成在众多领域总线标准各异。现各重要制造商，除力推自己的总线产品之外，也都力图开发总线兼容接口技术，将自己的总线产品与其他总线连接，在国际标准中出现了各类总线标准协调共存的局面，所以人们正期待着统一的国际标准的形成。。
2)、网络结构的简单化：早期的计算机网络模型由七层组成，现在罗克韦尔自动化公司提出了三层结构的自动化系统，Fisher-Rosermount公司提出两层结构的自动化系统，还有公司甚至提出一层结构，即由以太网一通到底。目前比较达成共识的是三层设备、两层网络的3+2结构。三层设备是指位于底层的现场设备，如传感器、执行器，以及各种分布式I/O设备等；位于中层的是控制设备，如PLC、工业控制计算机、专用控制器等；位于上层的是操作设备，如操作站、工程师站、数据服务器、一般工作站等。两层网络是现场设备与控制设备之间的控制网络，以及控制设备与操作设备之间的管理网。
3）、总线的开放性：现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网，对用户是透明的。在传统的集散控制系统中，不同厂家的设备是不能相互访问的。而现场总线系统采用统一的标准，不同厂家的网络产品可以方便地接入同一网络，在同一控制系统中进行互操作，而互换性意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换，因此简化了系统集成。
4）、工业以太网将成为新的热点：就成本、建造、使用、维护等方面而言，以太网或多或少都优于目前市场上的其它几种网络。但从目前的趋势来看，已有的现场总线仍将继续存在。此外，并非每种现场总线都可以被工业以太网总线所替代，如Asi、CAN，这两种现场总线就应用于二位I/O传感器/执行器系统，无疑是最佳的。还有一些专用总线，如SERCOS (用于数控，控制运动轴，为IEC61491国际标准)、Instabus(用于楼宇)，都有其专门的应用领域，均不适宜于工业以太网。在易燃、易爆(如煤矿、化工、制药行业)，以及环境条件恶劣、可靠性要求很高的应用场合，也不适宜于应用工业以太网。
综上所述，已有的现场总线有它自己的市场定位，将来仍将保持这种状况或与工业以太网相结合发挥其更强大的网络通信功能。虽然现场总线不可能全部为工业以太网所替代，但后者发展的巨大潜力决不容忽视，其应用领域定将不断地得到扩展。
3、结束语
现场总线技术的兴起，开辟了工厂底层网络的新天地。首先，现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域。其次，一对双绞线上可挂接多个控制设备，便于节省安装费用、节省维护费用，可以有效降低系统成本。第三，提高了系统的可靠性，为用户提供了更为灵活的系统集成主动权，其良好的开放型和兼容性，可以适应各种现场控制需要。所以它必将促进企业网络的快速发展，为企业带来新的效益，并会得到广泛的应用，推动自动化相关行业的不断发展。