现场总线概念、组成及其特点分析

一、现场总线控制系统的概念（FCS）

现场总线控制是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络。它是依靠具有检测、控制、通信能力的微处理芯片，数字化仪表（设备）在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的测量，控制设备单个点作为网络节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统。它是属于最底层的网络系统，是网络集成式全分布控制系统，它将原来集散型的DCS系统现场控制机的功能，全部分散在各个网络节点处。为此，可以将原来封闭、专用的系统变成开放、标准的系统。使得不同制造商的产品可以互连，是DCS系统的更新换代，大大简化系统结构，降低成本，更好满足了实事性要求，提高了系统运行的可靠性。不同通信协议的现场总线控制系统一般通过工业PC机内总线插槽的PC接口板与现场总线网段连接。图中所示为具有PC1接口卡的现场总线系统，每个接口板可带4条总线网段，为了系统可靠安全，冗余设置了两台相同的PC机。图中PLC为用于联锁系统开关量控制的程序控制器。

二、现场总线控制系统的组成

现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成，而通信部分的硬、软件是它最有特色的部分。

1、现场总线控制系统：

它的软件是系统的重要组成部分，控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等。首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件MMI。通过组态软件，完成功能块之间的连接，选定功能块参数，进行网络组态。在网络运行过程中对系统实时采集数据、进行数据处理、计算。优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。

2、现场总线的测量系统：

其特点为多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多功能，由于采用数字信号，具有高分辨率，准确性高、抗干扰、抗畸变能力强，同时还具有仪表设备的状态信息，可以对处理过程进行调整。

3、设备管理系统：

可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息（包括智能仪表）、厂商提供的设备制造信息。例如Fisher—Rosemoune公司，推出AMS管理系统，它安装在主机算机内，由它完成管理功能，可以构成一个现场设备的综合管理系统信息库，在此基础上实现设备的可靠性分析以及预测性维护。将被动的管理模式改变为可预测性的管理维护模式AMS软件是以现场服务器为平台的T型结构，在现场服务器上支撑模块化，功能丰富的应用软件为用户提供一个图形化界面。

4、总线系统计算机服务模式：

以客户机/服务器模式是目前较为流行的网络计算机服务模式。服务器表示数据源（提供者），应用客户机则表示数据使用者，它从数据源获取数据，并进一步进行处理。客房机运行在ＰＣ机或工作站上。服务器运行在小型机或大型机上，它使用双方的智能、资源、数据来完成任务。

5、数据库：

它能有组织的、动态的存储大量有关数据与应用程序，实现数据的充分共享、交叉访问，具有高度独立性。工业设备在运行过程中参数连续变化，数据量大，操作与控制的实时性要求很高。因此就形成了一个可以互访操作的分布关系及实时性的数据库系统，市面上成熟的供选用的如关系数据库中的Orad，sybas，Informix，SQL Server；实时数据库中的Infoplus，PI，ONSPEC等。

6、网络系统的硬件与软件：

网络系统硬件有：系统管理主机、服务器、网关、协议变换器、集线器，用户计算机等及底层智能化仪表。网络系统软件有网络操作软件如：NetWarc，LAN Mangger，Vines，服务器操作软件如Lenix，os/2，Window NT。应用软件数据库、通信协议、网络管理协议等。

三、现场总线控制系统的特点

1、在功能上管理集中，控制分散，在结构上横向分散、纵向分级。

2、要有快速实时响应能力，对于工业设备的局域网络，它主要的通信量是过程信息及操作管理信息，信息量不大，传输速率不高在1MPS以下，信息传输任务相对比较简单但其实时响应时间要求较高为0.01—0.5S。所谓实时性是在网络通信过程中能在线实时采集过程的参数，实时对系统信息进行加工处理，并迅速反馈给系统完成过程控制，满足过程控制对时间限制的要求。除了控制管理计算机系统的外部设备外，还要控制管理控制系为统的设备，并具有处理随机事件能力。实际操作系统应保证在异常情况下及时处置，保证完成任务，或完成最重要的任务，要求能及时发现纠正随机性错误，至少保证不使错误影响扩大，应具有抵制错误操作和错误输入信息的能力。实现现场总线控制系统实时性的主要措施为：

（1）OSI协议中7层都是提供高度的功能性服务，为此降低了通信流量和增大传输时间，因而影响实时响应能力。因此将OSI七层通信协议，采取不同程度的简化，减少由于层间转换的复杂性，而影响实时响应能力。现场总线控制系统的通信协议一般为物理层、链路层、应用层，再增加一个用户作为网络节点，互连成底层总线网。如PRUFIBUS总层的四层结构。

（2)）把基本控制功能下放到现场具有智能的芯片或功能块中，使控制功能彻底分散，直接面对对象，接口直观简、结。把同时具有控制、测量与通信功能的功能块，与功能块应用进程，作为网络节点，互连成底层总线网。如PRUFIBUS总线系统，按照主站、从站分，把底层的通信及控制集中在从站来完成。各公司厂商提供较齐全的各类主站与从站列芯片，实现起来简单又便宜。有如LONWORKS虽然通信协议与OSI相同为七层，但全部固化在一个神经芯元片中，不需要经网络传输，同样可加快实时响应能力，同时应用程序定义一个特殊对象��网络变量存在于神经元芯片ROM中，它是在节点代码编译时确定，将不同节点。同类型的网络变量连接起来进行自控，大大简化了开发和安装分布系统过程。

（3）介质访问协议：一般采用令牌传递总线访问方式（TOKEN BUS）既可达到通信快速的目的，又可以有较高的性价比，对于多路访问冲突检测（CSMA/CD）方法，虽然通信管理上较为简单，但并不能完全避免碰撞现象，实现冲突检测比较复杂，此外在线路中常态干扰与差错往往和碰撞难以区别，因此对现场总线控制系统实时性要求较高的场合，并不十分适合。所以大部分总线控制系统均为令牌传递访问。只有LONWORKS采用改进型的，即带预测P的CSMA访问方式。当一个节点需要发送信息时，先带预测Ｐ测一下网络是否空闲，有空闲则发送，没有空闲则暂时不发，这样就避免了碰撞减少了网络碰撞率，提高了重载时的效率。并采用了紧急优先机制，以提高它的实时性与可靠性。

（4）通信方式：一般分调度通信和非调度通信多数为调度通信，用于设备间周期性传输，控制的数据预先设定。非调度通信用于参数设置、设备诊断报警处理。从其功能上分，有主站与从站区分。从站仅对收到信息时确认或当主站发出请求时向它发信息，所以只需总线协议一小部分，既经济，实时性也强。

3、产品要具有互操作性

各制造商产品要通过所属各类总线制协议符合其规定的OSI标准一次性测试，及互操作性测试，并以专门测试中心认证。为了提高其可靠性，还要经过在恶劣环境下鲁棒测试。接口技术采用了OEM集成方法构成产品，可以实现数据开放式传输。

因此，对于同一类型协议的不同制造商产品可以混合组态与调用为一个开放系统，使它具有互操作性。

4、要求具有较高可靠性措施：

（1）硬件经过严格挑选，采用专用芯片（ASIC）和表面安装技术（SMT）。

（2）系统软件选用成熟适合实际需要的简单易用软件，及好的工具软件。应用软件采用功能模块化设计，定义清晰明确。

（3）可通过在线可快速排除故障，强化硬件可修复性，如I/O模板可带电插拔，且诊断故障显示，故障时部件自动隔离等

（4）软件上分离化体系结构及各过程站有地域上各自独立的局部数据库。并经过通信网络在逻辑上形成全局数据库。

（5）有多级安全措施，采用容错技术与冗余技术。

四、现场总线控制系统（FCS）代表性通信协议标准  

从80年就开始制订统一标准。83年IEC/SC65B/WG6国际电工委员会生产过程计算机系统分会的通信分会，制订了PROWAY通信协议，主要是将ISO的OSI参考模型由原来七层改为五层。此时同时不同行业还陆续出现了许多总线标准，其中有影响的有以下几种：基金会现场总线 LONWORKS Profibus CAN HART .

台达机电自动化平台在DeviceNet现场总线网络设计

1引 言

   可编程序控制器（PLC）现场总线网络是PLC开发应用的重要技术。现场总线使得PLC在工业现场进入上级制造执行系统，进而使得用户获得更大应用效益。人们称之为控制系统的一次变革的现场总线技术自20世纪末广泛应用以来，日益受到制造业的广泛注意和高度重视，成为世界范围的自动化技术发展的热点。应该说, 现场总线的工业过程智能自动化仪表和现代总线的开放自动化糸统构成了新一代全开放自动化控制糸统的体糸结构。目前国际上公认的现场总线有10多种，各有其特点，并在一定范围内得刭应用。本文本文以DeviceNet为基础，详细论述基于台达机电产品的DeviceNet网络设计。

2 DeviceNet简介

   DeviceNet是由美国Rockwell自动化开发的现场总线标准。现在已经有超过300家的公司注册成为ODVA的成员。全世界共有超过500家的公司提供DeviceNet产品。DeviceNet作为一种高性能的协议，目前在美国和亚洲的市场上处于领导地位，其系统解决方案在欧洲也取得了显著的业绩增长。

   DeviceNet协议设计简单，实现成本较为低廉，但对于采用最底层的现场总线的系统（例如，由传感器、制动器以及相应的控制器构成的网络）来说，却是性能极高的。DeviceNet设备涉及的范围从简单的光电开关一直到复杂的半导体制造业中的用到的真空泵。

   就像其他的协议一样，DeviceNet 协议最基本的功能是在设备及其相应的控制器之间进行数据交换。因此，这种通信是基于面向连接的（点对点或多点传送）通讯模型建立的。这样，DeviceNet 既可以工作在主从模式，也可以工作在多主模式。

   DeviceNet的报文主要分为高优先级的进程报文（I/O报文）和低优先级的管理报文（直接报文）。两种类型的报文都可以通过分段模式来传输不限长度的数据。

   一个DeviceNet网络工作在125k、250k和500k的波特率下最多可以支持64个节点。设备可以使用自身的电源，也可以通过DeviceNet总线供电。

   "预定义主/从连接集"适用于简单的DeviceNet从站设备。作为DeviceNet协议的子集，它支持从主站到从站传送的直接报文，轮询I/O报文，位选通I/O报文以及由从站向主站传送的状态变化/循环I/O报文。

   "非连接报文管理端口（UCMM）"以及动态生成"直接及I/O连接"则适用于从站比较复杂的情况，这些从站可支持多个主站并能与其他设备维持点到点互联。设备启动报文和设备关闭报文是特别为安全相关系统设计的"离线连接设置"则简化了对非常规组件的配置工作。  

   DeviceNet的通信和应用都是基于对象模型的。预先定义好的对象简化了不同厂商的不同设备间的数据交换。通过建立不同设备的子集，用户可以从进一步的规范化中获益。  

   根据ISO的开放系统互联模型OSI，DeviceNet规范除第7层（应用层）外，DeviceNet规范还对一部分第1层（收发器）以及第0层（传输介质）进行了规定，这就为DeviceNet节点的物理连接提供了标准。协议对连接器、电缆类型、电缆长度以及基于通信的显示、操作元素及其相应的封装形式等等都进行了规定。

   一个DeviceNet网络工作在125k、250k和500k的波特率下最多可以支持64个节点。设备可以使用自身的电源，也可以通过DeviceNet总线供电。

3 台达机电产品现场总线设计案例要求

3.1软件要求

 ☆ WPL SOFT 2.09――PLC编程软件；

 ☆ ELinkConfigurator――DeviceNet网络组态软件。

3.2硬件要求

 ☆ PS02――电源模块

 ☆ DVP28SV――PLC主机

 ☆ DNET-SL――主站通讯模块

 ☆ DT01-S――S型从站通讯模块

 ☆ DNA02――MODBUS/DeviceNet转换模块

 ☆ RTU-DNET――远程I/O通讯模块

 ☆ DVP12SA――从站PLC

 ☆ DVP14SS――从站PLC

 ☆ DVP16SP――从站I/O

 ☆ VDF007M21A――从站变频器

 ☆ DTB9696――从站温度控制器

 ☆ 电缆采用普通网线（现场应用请采用专用电缆）

 ☆ 120欧姆电阻×2

4 台达机电产品的DeviceNet硬件设置

4.1 网络连接图

   图1是1主4从网络案例图。其中：PLC——28SV作为主站，Node Address为00。PLC——12SA从站1。PLC——14SS从站2。变频器——VFD007M从站3。温控器——DTB9696从站4。远程I/O模块——16SP从站5。

4.2   从站1设置

从站1通过DT01与总线相连。DT01的接线端子接线如图2。2、4角间加入一个120欧姆电阻。

DT01 NODE地址设置如图3，范围是00～63，这里我们设置为01

DT01设置为500K的通讯波特率，如图4。

4.2   从站2设置

从站2依然为DT01，连接一个14SS PLC。设置NODE ADDRESS为02。

4.3   从站3设置

从站3是通过一个DNA02连接一个VFD007M变频器。变频器参数设置：在将 VFD-M 系列变频器和 DNA02 连接之前，首先将变频器的通讯地址设置为 01，通讯格式设置为38400；8,N,2；RTU（固定为此通讯速率以及通讯格式，其它通讯速率以及通讯格式无效，设置如表1：

DNA02设置：首先将 DNA02 的 DIP 开关的引脚 1、2、3 分别拨至”ON”、”OFF”、”OFF”位置，表示 DNA02 连接的下级设备为变频器；然后将 DNA02 的DIP开关引脚4、5分别拨至”OFF”、”OFF”位置，设置 DNA02 与 VFD-M 变频器的通讯方式为 RS-485 通讯，如图5所示。Node Address设为04。

4.5 从站4设置

从站4是通过一个DNA02连接一个DTB9696温控器。温控器设置：在将台达温控器接入总线之前，首先将温控器的通讯地址设置为 01，通讯格式设置为38400；7,E,1；ASCII（固定为此通讯速率以及通讯格式，其它通讯速率以及通讯格式无效）,0810H 的内容值设为 FF00H，即通讯写入允许。DNA02设置：将DIP开关的引脚 1、2、3 分别拨至”ON”、”ON”、”OFF”位置，表示 DNA02 连接的下级设备为温控器；然后将 DNA02 的DIP开关引脚4、5分别拨至”OFF”、”OFF”位置，设置 DNA02 与 VFD-M 温控器的通讯方式为 RS-485 通讯。Node Address设为04

4.6 从站5设置
从站5是通过一个RTU-DNET连接一个16SP作为远程I/O。Node Address设为05，并且RTU-DNET上连接另外一个终端电阻120欧姆。

5 台达机电产品的DeviceNet软件组态
 
   建起 DeviceNet 网络之后，使用 ElinkConfigurator 软件对 DeviceNet 网络设备进行配置。如果您已经使用附带的串行通讯线将 PC的 COM1 口与台达 SV 主机的 COM1 接口相连，则可以按如下步骤进行操作。

   （1）双击 ElinkConfigurator.exe 文件，启动ElinkConfigurator 软件，如图6所示。

   （2）选择”Setup”>>“Communication Setting”>>“Syetem Channel”，则会出现“Serial Port Setting”的对话框，如图九所示，在此对 PC 与 SV 主机的通讯参数进行设置。如”串行口”、”通讯地址”、”通讯速率”、”通讯格式”，设置正确后点击”OK”确认（图7）。  

   （3）点“Online”按钮，ElinkConfigurator 软件即开始对整个网络进行扫描，如图8。

   （4）如果上述对话框的进度条一直没有动作，则说明 PC 和 SV PLC 通讯连接不正常或PC上有其他程序使用串行口。扫描结束后，会提示”Browse Network completed”。此时，网络中被扫描到的所有节点的图标和设备名都会显示在软件界面上，如图9。

   （5）欲建立 DVPDNET 主站和 DeviceNet 从站之间 I/O 通讯，首先需要配置 DeviceNet 从站的 I/O 数据长度，下面仅以 DNA02（for VFD-M 变频器）为例说明如何配置 DeviceNet 从站的 I/O 数据长度，实现 DVPDNET 主站和 DeviceNet 从站的 I/O 数据交换。双击图十一总04NODE，出现如图10对话框，将 Input Size 和 Output Size 分别设为 4 Bytes，勾选”Polled Setting”，然后点击”OK”确认，即完成了对通讯站号为 1 的 DeviceNet 从站（DNA02+VFD-M变频器）的 I/O 长度配置。

   （6）双击”DVPDNET”图标，会弹出”Scanner Module configuration”对话框，如图11所示。我们可以看到左边的列表里有当前可以使用的设备。

   （7）将图11中左边列表中的 DeviceNet 从站设备移入 DVPDNET 主站的 Scan List中。具体步骤为：选中 DeviceNet 从站节点设备，然后点击”>”，如下图所示。按照此步骤，即可将 DeviceNet 从站节点设备一个一个移入到 DVPDNET 主站的 Scan List内，如图12所示。

   （8）将配置好的 DeviceNet 从站移入到 DVPDNET 主站的 Scan List 之后，DeviceNet 从站便自动映射到主站的“Input”和”Output”，如图13所示。点击”Scan List”中的任何一个节点设备，便可以看到该节点设备映射到 DVPDNET 的”Input”和”Output”地址，此地址直接映射到 SV 主机的内存地址上，可用于 WPLSoft编程。

   （9）确认无误后，点击”OK”，然后将配置下载到DVPDNET内。下载时，如果 SV主机处于”RUN”状态，会弹出”Warning”对话框，如图13。

   （10）点击”OK”，执行下载的动作（图14）。

[ALIGN]     （11）下载结束后，会弹出“Warning”对话框，提示是否“RUN PLC”（图15）。     点击”OK”， 则可以看到 RTU-DNET 的'MS LED”和”NS LED”都是绿色。 并显示DVPDNET 的通讯站号。到此 DeviceNet 组态就完成了。 6 PLC编程    根据图十四中各个从站在主站28SV的地址映射关系，就可以对各个从站进行编程了。 以下是一个简单的控制程序：   当然，也可以给整个网络加一个方便操作的人机界面，如图16的效果图。7 结束语
 
   本文以示教案例形式详尽描述基于台达机电产品的DeviceNet现场总线网络设计过程。总线网络以其高速、实时、可靠成为台达机电产品现场级产品的优先选择，台达的DeviceNet 总线产品组态简单、编程容易，对任何用户在没有任何基础的情况下实现快速入门应用。

远程I/O与现场总线何去何从

如果按照对待现场总线的态度来对人们进行分类的话，那么大体上可以分为如下四类：Ａ、使用者；Ｂ、坚定的支持者；Ｃ、彻底的反对者；Ｄ、尚未做出决定者。在工厂自动化领域，或更精确地说，在汽车工业领域内，Ａ类人群已经有５０％以上，Ｂ类人群会有９０％左右，而Ｃ类和Ｄ类人群所占的比例则很小。在此领域内，现场总线所带来的好处已经十分的明显，再去谈论应不应该选用现场总线就没有什么必要了。但是，对于过程自动化领域来说，情况就大不相同了。例如，在化学工业中，Ａ类人群所占比例很小；Ｂ类人群正在逐渐增多；Ｃ类人群所占比例超过２０％；但Ｄ类人群仍然占有一个非常大的比例。
 　在这两个不同的工业门类中，现场总线的实际使用情况也呈现出明显的不同。在汽车工业中，人们考虑的是使用哪一种总线（总线的参数以及结构非常重要），例如，是ＰＲＯＦＩＢＵＳ，ＩＮＴＥＲＢＵＳ还是ＤＥＶＩ-ＣＥＮＥＴ等等，是使用铜芯导线还是光纤或者两者混用，是使用“即插即用（ＰＬＵＧ　ＡＮＤ　ＰＬＡＹ）”还是使用接线端子的方式进行总线的连接等等。现存的以及正在不断发展的各种各样的现场总线产品和解决方案完全可以满足用户的需要。而在过程自动化领域的情况则截然不同。尽管有许多支持者，但实际上只是ＰＲＯＦＩＢＵＳ　ＰＡ和ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ　ＦＩＥＬＤＢＵＳ有一些测试性质的安装实例，现场总线大规模的使用看起来还要有相当长的路要走。虽然，可能有５０％的人相信使用总线能降低成本同时增加灵活性，但是究竟使用哪一种现场总线系统合适是大家面临的一个突出问题。如同其它的工业门类一样，化工、石化和医药行业必须要考虑经济和商业的因素。它们所面临的一些特殊情况使得人们很难下定决心去使用现场总线。
　下面，我们来分析一下这些特殊情况。在化工行业中，有两个不同的过程，一个是所谓的“批量”生产过程，另一个是所谓的“连续”生产过程。在这两个过程中，一个意外的中途“停车”可能会带来很大的损失，因为清洗反应釜和管道就需要好几天的时间。因此，系统的连续运转能力是需要首先考虑的问题，这也就解释了在该领域内做系统设计的时候为什么十分强调“故障－安全”的原因了。也就是说，如果采用现场总线，那么，系统的连续运转能力至少不能够比采用传统的控制结构低。传统的控制结构中，某一点的故障只会影响这一个或几个相关点的工作，不至于影响到整个的控制系统，但是这种点对点的连接（一根导线上只连接两个点）概念就与现场总线的在一根总线电缆上尽可能多地串接设备的概念是相互矛盾的。为了做到这一点，就要考虑将现场总线系统设计为冗余的结构，但这样做就会降低成本节省的潜力。同时，又带来了另一个重要的问题，就是要求每个现场设备要具有两个总线接口或者采用环型的总线结构来连接现场设备，很显然，这样做是不经济的。如果采用一定数量的小型远程I/O来连接现场设备的话，就可以通过在该远程I/O上配置两个网关来实现总线线路的冗余，而且最大的好处就是大大减少了现场仪表与总线的连接部件从而大大降低了接线成本。
　　另一个更为复杂的问题是现场的爆炸防护。常规的爆炸防护方法很简单，例如，通过限制能量来避免产生火花的本安（EX i）方法，通过特殊的外壳来防护的隔爆（EX d）和浇封（EX m）的方法等等。但是，这些方法都与现场总线的基本概念有相抵触的地方。如果，从限制能量的角度考虑（运用本安方法），那么，每个总线分支上允许连接的现场设备的数量就会大大的减少，例如，PROFIBUS PA 或 FOUNDATION FIELDBUS 的每一个总线分支上允许连接的现场设备的数量被限制在6-10个，但是本来如果没有能量限制的话，PROFIBUS DP的一个分支上可以连接100多个现场设备（通过中继器）。如运用隔爆（EX d）或浇封（EX m）的方法（它们常常与增安方法组合使用），那么，对进入危险区的能量基本上是没有什么限制，但是，这两种方法的缺陷就是在现场设备进行检修或更换之前必须要把供电切断。但对于现场总线系统来说，设备的“热插拔”应该是一个起码的要求。当然，可以采用总线是本安的，现场设备用隔爆（EX d）或浇封（EX m）方法的系统方案，也就是说，现场设备均选用无需总线供电的独立供电形式，总线上传诵的信号能量达到本安的水平。如果这样做，就需要在有一条通讯电缆的同时铺设一条供电电缆。但是，每一个现场设备的供电也存在较大的困难，因为目前大多数仪表的供电电压都是直流24伏，但直流24伏电源的远传是一个较难解决的问题；如果采用交流220付供电，仪表需要改型不说，交流220伏进入危险现场本身就存在着较大的安全隐患。
　　有没有更好的解决办法呢？比较起来，远程I/O应该是最佳的选择：
　　l 与现场设备采用传统的安装连接方式
　　l 使用单一的电源模块（如必要，也可冗余配置）为众多的现场设备供电
　　l 检修或更换现场设备时可以“热插拔”
　　l 更加经济
　　总结一下上述的情况，我们发现采用远程I/O的方案要比采用现今的现场总线方案具有更多的优势。但是，远程I/O并不是用来取代现场总线的，它要通过现场总线与PLC或DCS相连。使用远程I/O的主要目的一方面是为了解决现场设备与总线相连需要统一的总线接口的问题，因为给每一个现场设备（包括传送开关量的设备）都配置一个总线接口目前来看是既不经济也不实际的；另一方面是为了解决现场的防爆问题，既可以做到本安防爆又可以带电插拔。进一步分析后，我们发现在远程I/O解决了现场设备与总线相连时需要统一的总线接口这一问题的同时，如果其能够直接安装在危险区域之内，也就是说它不仅仅作为一个本安设备的关联设备（需放置在安全区）而且其本身可以通过不同的防爆方法直接安装在危险区的话，那么，从危险区到安全区的大量的电线和电缆就可以十分轻松地省掉了。
　　至此，我们可以断言，这种可以直接安装在危险区（1区）的具有总线接口的远程I/O系统将是我们近年内所最最需要的。

现场总线的概念与发展

现场总线是过程控制理论中的热门话题，也是相关领域的技术热点，受到了世界范围内的广泛关注。在讨论现场总线之前我们不妨先回忆一下过程控制领域的发展过程以及现场总线的产生背景。这或许会对我们理解现场总线的本质和发展有所帮助。

控制系统的发展以及现场总线的产生

　　 随着科学技术的快速发展，过程控制领域在过去的两个世纪里发生了巨大的变革。150多年前出现的基于5－13psi的气动信号标准（PCS，Pneumatic Control System气动控制系统），标志着控制理论初步形成，但此时尚未有控制室的概念；20世纪50年代，随着基于0－10mA或4－20mA的电流模拟信号的模拟过程控制体系被提出并得到广泛的应用，标志了电气自动控制时代的到来，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础，设立控制室、控制功能分离的模式也一直沿用至今；20世纪70年代，随着数字计算机的介入，产生了“集中控制”的中央控制计算机系统，而信号传输系统大部分是依然沿用4－20mA的模拟信号，不久人们也发现了伴随着“集中控制”，该系统存在着易失控、可靠性低的缺点，并很快将其发展为分布式控制系统（DCS，Distributed Control System分布式控制系统）；微处理器的普遍应用和计算机可靠性的提高，使分布式控制系统得到了广泛的应用，由多台计算机和一些智能仪表以及智能部件实现的分布式控制是其最主要的特征，而数字传输信号也在逐步取代模拟传输信号。随着微处理器的快速发展和广泛的应用，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，产生了以微处理器为核心，使用集成电路代替常规电子线路，实施信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。设备之间彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更高的要求。由此，导致了现场总线的产生。

现场总线的实质和优点

　　 1984年，现场总线的概念得到正式提出。IEC（International Electrotechnical Commission,国际电工委员会）对现场总线（Fieldbus）的定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。

　　 不同的机构和不同的人可能对现场总线有着不同的定义，不过通常情况下，大家公认现场总线的本质　　 体现在以下六个方面：

　　 现场通信网络
　　 用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。

　　 现场设备互联
　　 依据实际需要使用不同的传输介质把不同的现场设备或者现场仪表相互关联。

　　 互操作性
　　 用户可以根据自身的需求选择不同厂家或不同型号的产品构成所需的控制回路，从而可以自由地集成FCS。

　　 分散功能块
　　 FCS 废弃了DCS 的输入/输出单元和控制站, 把DCS 控制站的功能块分散地分配给现场仪表, 从而构成虚拟控制站，彻底地实现了分散控制。

　　 通信线供电
　　 通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量, 这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表, 与其配套的还有安全栅。

　　 开放式互联网络
　　 现场总线为开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。

　　 从以上内容我们可以看到，现场总线体现了分布、开放、互联、高可靠性的特点，而这些正是DCS系统的缺点。DCS通常是一对一单独传送信号，其所采用的模拟信号精度低，易受干扰，位于操作室的操作员对模拟仪表往往难以调整参数和预测故障，处于“失控”状态，很多的仪表厂商自定标准，互换性差，仪表的功能也较单一，难以满足现代的要求，而且几乎所有的控制功能都位于控制站中。FCS则采取一对多双向传输信号，采用的数字信号精度高、可靠性强，设备也始终处于操作员的远程监控和可控状态，用户可以自由按需选择不同品牌种类的设备互联，智能仪表具有通信、控制和运算等丰富的功能，而且控制功能分散到各个智能仪表中去。由此我们可以看到FCS相对于DCS的巨大进步。

　　 也正是由于FCS的以上特点使得其在设计、安装、投运到正常生产都具有很大的优越性：首先由于分散在前端的智能设备能执行较为复杂的任务，不再需要单独的控制器、计算单元等，节省了硬件投资和使用面积；FCS的接线较为简单，而且一条传输线可以挂接多了设备，大大节约了安装费用；由于现场控制设备往往具有自诊断功能，并能将故障信息发送至控制室，减轻了维护工作；同时，由于用户拥有高度的系统集成自主权，可以通过比较灵活选择合适的厂家产品；整体系统的可靠性和准确性也大为提高。这一切都帮助用户实现了减低安装、使用、维护的成本，最终达到增加利润的目的。　

现场总线的现状

　　 由于各个国家各个公司的利益之争，虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA）就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍未完成。很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。目前现场总线市场有着以下的特点：

　　 多种现场总线并存
　　 目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的FIP，英国的ERA，德国西门子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与ControlNet等等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有８０％左右的市场。

　　 各种总线都有其应用的领域
　　 每种总线大都有其应用的领域，比如FF、PROFIBUS-PA适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域；LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet适用于楼宇、交通运输、农业等领域；DeviceNet、PROFIBUS-DP适用于加工制造业，而这些划分也不是绝对的，每种现场总线都力图将其应用领域扩大，彼此渗透。

　　 每种现场总线都有其国际组织和支持背景
　　 大多数的现场总线都有一个或几个大型跨国公司为背景并成立相应的国际组织，力图扩大自己的影响、得到更多的市场份额。比如PROFIBUS以Siemens公司为主要支持，并成立了PROFIBUS国际用户组织WorldFIP以Alstom公司为主要后台，成立了WorldFIP国际用户组织。

　　 多种总线成为国家和地区标准
　　 为了加强自己的竞争能力，很多总线都争取成为国家或者地区的标准，比如PROFIBUS已成为德国标准，WorldFIP已成为法国标准等。

　　 设备制造商参与多个总线组织
　　 为了扩大自己产品的使用范围，很多设备制造商往往参与不止一个甚至多个总线组织。

　　 各个总线彼此协调共存
　　 由于竞争激烈，而且还没有哪一种或几种总线能一统市场，很多重要企业都力图开发接口技术，使自己的总线能和其他总线相连，在国际标准中也出现了协调共存的局面。

　　 工业自动化技术应用于各行各业，要求也千变万化，使用一种现场总线技术也很难满足所有行业的技术要求；现场总线不同于计算机网络，人们将会面对一个多种总线技术标准共存的现实世界。技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约；技术标准不仅是一个技术规范，也是一个商业利益的妥协产物。而现场总线的关键技术之一是彼此的互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。　

主流现场总线简介

　　 下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。

　　 1基金会现场总线（FoundationFieldbus 简称FF）

这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。

　　 基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。

　　 CAN（ControllerAreaNetwork 控制器局域网）
　　 最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M /1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。

　　 Lonworks
　　 它由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部７层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距离可达2700m（78Kbit/s），被誉为通用控制网络。Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron（神经元）的芯片中，并得以实现。采用Lonworks技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。

　　 DeviceNet
　　 DeviceNet是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案，有着开放的网络标准。DeviceNet具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DebiceNet基于CAN技术，传输率为125Kbit/s至500Kbit/s,每个网络的最大节点为64个，其通信模式为：生产者/客户（Producer/Consumer），采用多信道广播信息发送方式。位于DeviceNet网络上的设备可以自由连接或断开，不影响网上的其他设备，而且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet总线的组织结构是Open DeviceNet Vendor Association（开放式设备网络供应商协会，简称“ODVA”）。

　　 5PROFIBUS

　　 PROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型，服从IEC1158－２标准。PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。　　 PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m，在12Mbit/s小为200m，可采用中继器延长至10km，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点。

　　 6HART

　　 HART是Highway Addressable Remote Transducer的缩写，最早由Rosemount公司开发。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的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层，支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和，难以开发通用的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆的要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。

　　 7CC-Link

　　 CC-Link是Control&Communication Link（控制与通信链路系统）的缩写，在1996年11月，由三菱电机为主导的多家公司推出，其增长势头迅猛，在亚洲占有较大份额。在其系统中，可以将控制和信息数据同是以10Mbit/s高速传送至现场网络，具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题，同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。2005年7月CC-Link被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。

现场总线的概念与发展(2)

8WorldFIP

　　 WorkdFIP的北美部分与ISP合并为FF以后，WorldFIP的欧洲部分仍保持独立，总部设在法国。其在欧洲市场占有重要地位，特别是在法国占有率大约为60%。WorldFIP的特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求，而且没有任何网关或网桥，用软件的办法来解决高速和低速的衔接。WorldFIP与FFHSE可以实现“透明联接”，并对FF的H1进行了技术拓展，如速率等。在与IEC61158第一类型的连接方面，WorldFIP做得最好，走在世界前列。

　　 INTERBUS
　　 INTERBUS是德国Phoenix公司推出的较早的现场总线，2000年2月成为国际标准IEC61158。INTERBUS采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。其采用集总帧型的数据环通信，具有低速度、高效率的特点，并严格保证了数据传输的同步性和周期性；该总线的实时性、抗干扰性和可维护性也非常出色。INTERBUS广泛地应用到汽车、烟草、仓储、造纸、包装、食品等工业，成为国际现场总线的领先者。

此外较有影响的现场总线还有丹麦公司Process-Data A/S 提出的P-Net，该总线主要应用于农业、林业、水利、食品等行业；SwiftNet现场总线主要使用在航空航天等领域，还有一些其他的现场总线这里就不再赘述了。

现场总线的发展和以太网

　　 现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，几乎涵盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。它的出现和快速发展体现了控制领域对降低成本、提高可靠性、增强可维护性和提高数据采集的智能化的要求。现场总线技术的发展体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的不断发展和完善；另一个是高速现场总线技术的发展。而目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。从实际应用状况看，大多数现场总线，都能较好地实现速率要求较低的过程控制。因此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个市场。就目前而言，由于FF基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商，其全球影响力日益增加，但其在中国市场营销力度似乎不足，市场份额不是很高，LonWorks形成了全面的分工合作体系，在国内有一些实质性的进展，在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面，LonWorks则具有独特的优势。在离散制造加工领域，由于行业应用的特点和历史原因，Profibus和CAN经在这一领域形成了自己的优势，具有较强的竞争力。国内厂商的规模相对较小，研发能力较差，更多的是依赖技术供应商的支持，比较容易受现场总线技术供应商 (芯片制造商等)对国内的支持和市场推广力度的影响。而且，还有一个不可忽视的一点就是在构建自动化管理系统时，选择的上位机，比如组态软件对总线设备的支持程度，有些监控组态软件，比如紫金桥监控组态软件或者InTouch等对一些主流的总线设备比如Lonworks、PROFIBUS、CAN等有着良好的支持，通过DDE、OPC或者直接连接等方式进行通讯，采集数据。这样可以方便用户的选择，而一些组态软件则支持的种类较少，是用户选择的范围也随之减少。

　　 由于目前自动化技术从单机控制发展到工厂自动化FA，发展到系统自动化。工厂自动化信息网络可分为以下三层结构：工厂管理级、车间监控级、现场设备级，而现场总线是工厂底层设备之间的通信网络。这里先介绍一下以太网，本文特指工业以太网，工业以太网是作为办公室自动化领域衍生的工业网络协议，按习惯主要指IEEE 802.3协议，如果进一步采用TCP/IP协议族，则采用“以太网+TCP/IP”来表示，其技术特点主要适合信息管理、信息处理系统，并在IT业得到了巨大的成功。在工厂管理级、车间监控级信息集成领域中，工业以太网已有不少成功的案例，在设备层对实时性没有严格要求场合也有许多应用。由于现场总线目前种类繁多，标准不一，很多人都希望以太网技术能介入设备低层，广泛取代现有现场总线技术，施耐德公司就是该想法的积极倡导者和实践者，目前已有一批工业级产品问世和实际应用。可是就目前而言，以太网还不能够真正解决实时性和确定性问题，大部分现场层仍然会首选现场总线技术。由于技术的局限和各个厂家的利益之争，这样一个多种工业总线技术并存，以太网技术不断渗透的现状还会维持一段时间。用户可以根据技术要求和实际情况来选择所需的解决方案。

RS485总线的布线规范及注意事项

1．通信采用RS-485总线的线材选用要求：

使用2芯屏蔽双绞线

铜质，线径0.5～0.75平方毫米，

阻抗38～88欧姆/公里，

容抗30～50纳法/公里，

绞距20毫米的2芯屏蔽双绞线(如果线的距离不超过500米

可以适当降低线的标准，但必须为双绞线

2．系统的总线：

由两个或多个相互间具有物理连接的设备组成，上最多允许挂接128个总线设备，在不加中继器的情况下，总线长度不大于1200米。

3．系统总线不应出现分支情况，如分支不可避免，则必须满足以下三条要求：

●  分支长度不大于10米；

●  总线长度之和不超过800米；

●  该分支线上的设备总数不得超过50个。

●  所有通信信号线应尽量远离干扰源，信号线应走弱电井，不能与强电（如220伏住宅电源）或射频信号线路（如CATV、大信号音频线）并行走线，若并行走线，距离应大于0.5米。

●  所有线路的接点必须采用焊接或镙丝卡紧的连接方式，并做防水及防潮处理，例如，可将对接点焊接后用防水胶带缠紧或用环氧树脂密封处理。

4．信号共地：

●  同一个网段上的所有设备必须具有统一的信号地，以避免共模干扰。

●  集中供电时，把同一个网段上的所有电源（包括通讯设备的自带电源）的直流负极直接接到一起组成公共信号地，此时信号地即直流电源地。

●  单家独立供电时，把同一个网段上所有总线设备的地（黑线）引脚接在一起，由此组成公共信号地。

5. 总线使用线材推荐选型

布线距离信号线电源线200米内2*0.3mm2,双绞，护套线2*0.5mm2,平行，护套线200-5002*0.5mm2,双绞，护套线2*0.75mm2, 平行，护套线500-12002*0.75mm2,屏蔽双绞，护套线2*1.0mm2, 平行，护套线1200米以上2*1.0mm2，屏蔽双绞，护套线在1200处加中继器2*1.5mm2,以上， 平行，护套线

485布线注意事项：
1.       485通信线必须用屏蔽双绞线,最好多股备用，总长不超过1200米。
2.       布线尽量远离高压电线，不要与电源线并行，更不能捆扎在一起。
3.       485总线一定要是手牵手式的总线结构,坚决杜绝星型连接和分叉连接。
4.       超出30台控制器或线长大于500米，必须采用485中继器。
5.       交流供电的设备及机箱一定要真实接地,而且接地良好。
6.       用屏蔽线将所有485设备的GND地连接起来。
7.      在最后一台485设备的485+和485-上并接 120欧姆的终端电阻。