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0 引言
現場總線（Fieldbus）是90年代初國際上發(fā)展形成的，用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通訊網絡。它作為工廠數字通信網絡的基礎，溝通了生產過程現場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯系。它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統。這項以智能傳感、控制、計算機、數字通訊等技術為主要內容的綜合技術，已經受到世界范圍的關注，成為當今自動化領域技術發(fā)展的熱點?，F場總線本質上就是用于現場儀表與控制系統和遠程控制調度之間的一種全分散、全數字化、智能、雙向、互聯、多變量、多點、多站的通訊系統。現場總線在制造業(yè)、流程工業(yè)、電力、交通、樓宇、醫(yī)藥、環(huán)保、化工等領域和行業(yè)的自動化系統中具有廣泛的應用前景。這種開放型的工廠底層控制網絡構造了新一代的網絡集成式全分布集散控制系統，因而又被譽為自控領域的局域網。
1 幾種流行的現場總線
（1）、基金會現場總線
基金會現場總線，即Foudation Fieldbus,簡稱FF，這是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術。它以ISO/OSI開放系統互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。基金會現場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為3125Kbps,通信距離可達1900m，可支持總線供電，支持本質安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為1Mbps和2.5Mbps兩種，其通信距離分別為750m和500m。物理傳輸介質可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協議符合IEC1158-2標準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼，從而使串行數據位流中具有足夠的定位信息，以保持發(fā)送雙方的時間同步。
為滿足用戶需要，Honeywell、Ronan等公司已開發(fā)出可完成物理層和部分數據鏈路層協議的專用芯片，許多儀表公司已開發(fā)出符合FF協議的產品。
（2）、Asi總線
Asi是Siemens開發(fā)的一種硬件替代總線，有主-從組織（最多62從設備）它得到PROFIBUS行業(yè)組織（PTO）支持。它將數據和電源集成在單獨一根電纜內，數據傳輸速度較快，31個從設備的循環(huán)時間為5ms。Asi結構簡單并支持包括星形、線性、分支和樹形結構在內的許多網絡拓撲。雖然它目前能支持一些摸擬量設備，但它還不能方便地支持諸如條碼閱讀器、定標器、儀表和操作員接口等串行設備。
目前，在一些對附加的功能要求不高的場合，諸如食品加工、飲料灌裝和藥物包裝等行業(yè)，Asi總線得到了廣泛應用。
（3）、Device Net
Device Net是一種應用層協議，它采用最初由德國的Bosch公司開發(fā)的控制器局域聯網（CAN）技術，遵循ISO/OSI參考模型，按照該基準模型，它的網絡結構劃分為三層：物理層、數據鏈路層和應用層，物理層下面還定義了傳輸的物理介質。Device Net在同一網段上最多可容納64個節(jié)點，數據傳輸率為125Kbit/s、250 Kbit/s和500Kbit/s三種。Device Net是一種基于主-從連接的網絡，一個主設備需要來自從設備的連接和主-從兩個設備的非控制及I/O數據的協商連接。一旦建立了I/O連接，主設備通過使用輪詢、循環(huán)或狀態(tài)改變通信模式與從設備通信。最近，已在這種網絡內加入了“時間同步”（CIPsync）和Device Net安全網絡（CIPsafety）。Device Net沒有對等通信。Device Net支持包括從光電監(jiān)視器到驅動器和質量流控制設備等大量的設備類型。由于其標準得到眾多經銷商支持，因而產品價格很有競爭性。
（4）、Profibus-DP
Profibus-DP是一種基于RS-485的I/O網絡，運行于12Mbit/s。它是一種主-從結構網絡，最多有126節(jié)點和244字節(jié)信息量。PTO是促進和維持Profibus-DP標準的經銷商組織。
Profibus-DP的12Mbit/s傳輸速率高于任何一種CAN網絡，從而得到眾多經銷商支持，并有眾多產品可供利用。然而，由于它需用一種硬件ASIC，因而當網絡規(guī)模較小時，費用較高。Profibus-DP得到Siemens的積極支持，而且Siemens的PLC提供內裝的連通性，因而目前Profibus-DP獨步歐洲工業(yè)控制網絡市場。一般來說，凡是需用Siemens PLC的地方，Profibus-DP也就成為標準的通信網絡。
（5）、ControlNet
ControINet最初是作為Allen-Bradley數據總線的替代產品而開發(fā)的。它是DeviceNet和EtherNet/IP的前驅，填補了高確定性網絡和可重復性網絡之間的間隙。為提高靈活性而設計的這種網絡使用戶能構想出更好地利用網絡帶寬的設備配置。ControlNet工作于5Mbit/s，并支持幾種網絡拓撲結構。通訊方式采用在相同導線上的多個主設備的對等報文傳送。它采用如同Device Net和EthetNet/IP那樣的控制和信息協議（CIP）應用層。ControlNet提供確定性的和可重復的操作，并允許用戶構想出用來控制I/O和報文數據的每個報文部分。但與以太網相比，ControlNet傳輸速率較低。
（6）、CC¬Link
CC¬Link（Control ＆ Communication Link）是由三菱電機為主的多家公司于1996年底推出的開放式現場總線，2005年7月CC¬Link正式取得中國國家標準認證(GB/Z19760-2005)。CC¬Link是高速的現場總線，它能夠同時處理控制和信息數據。它通過簡單的總線，將工業(yè)設備（如限位開關、光電傳感器、電磁閥門、條形碼讀取器、變頻器、觸摸控制屏、用戶操作接口等）連接成為設備層的網絡。同時這個網絡還可以方便地連接到其他網絡（如：Ethernet，MELECNET/H等）。CC¬Link又是一種簡單的現場總線解決方案，不但解決了工業(yè)現場配線復雜的問題，大幅度地降低了工程的成本，提高了可靠性和穩(wěn)定性，而且還擁有了非常重要的網絡偵聽功能，使系統維護更加簡單，這是以往的連接方式所無法完成的。開放式的協議保證了供應商可以提供豐富的各類部件，在現場同類部件間可以直接替換，而且減少配置工業(yè)自動化系統的成本和時間。到目前，CC¬Link已經包括了CC¬Link、CC¬Link/LT、CC¬Link V2.0、CC¬Link Safety 等4種有針對性的協議，構成CC¬Link家族的比較全面的工業(yè)現場網絡體系。
2、現場總線技術展望與發(fā)展趨勢
現場總線的出現，標志著工業(yè)控制技術領域又一個新時代的開始，其發(fā)展趨勢將對自動化領域的發(fā)展產生重大的影響。
1）、協調共存性：既然是總線，就要向著趨于開放統一的方向發(fā)展，成為大家都遵守的標準規(guī)范，但由于這一技術所涉及的應用領域十分廣泛，又由于行業(yè)、地域、經濟利益等多種原因，目前在不同領域形成多個頗具影響力的總線標準，造成在眾多領域總線標準各異。現各重要制造商，除力推自己的總線產品之外，也都力圖開發(fā)總線兼容接口技術，將自己的總線產品與其他總線連接，在國際標準中出現了各類總線標準協調共存的局面，所以人們正期待著統一的國際標準的形成。。
2)、網絡結構的簡單化：早期的計算機網絡模型由七層組成，現在羅克韋爾自動化公司提出了三層結構的自動化系統，Fisher-Rosermount公司提出兩層結構的自動化系統，還有公司甚至提出一層結構，即由以太網一通到底。目前比較達成共識的是三層設備、兩層網絡的3+2結構。三層設備是指位于底層的現場設備，如傳感器、執(zhí)行器，以及各種分布式I/O設備等；位于中層的是控制設備，如PLC、工業(yè)控制計算機、專用控制器等；位于上層的是操作設備，如操作站、工程師站、數據服務器、一般工作站等。兩層網絡是現場設備與控制設備之間的控制網絡，以及控制設備與操作設備之間的管理網。
3）、總線的開放性：現場總線采用統一的協議標準，是開放式的互聯網，對用戶是透明的。在傳統的集散控制系統中，不同廠家的設備是不能相互訪問的。而現場總線系統采用統一的標準，不同廠家的網絡產品可以方便地接入同一網絡，在同一控制系統中進行互操作，而互換性意味著不同生產廠家的性能類似的設備可實現相互替換，因此簡化了系統集成。
4）、工業(yè)以太網將成為新的熱點：就成本、建造、使用、維護等方面而言，以太網或多或少都優(yōu)于目前市場上的其它幾種網絡。但從目前的趨勢來看，已有的現場總線仍將繼續(xù)存在。此外，并非每種現場總線都可以被工業(yè)以太網總線所替代，如Asi、CAN，這兩種現場總線就應用于二位I/O傳感器/執(zhí)行器系統，無疑是******的。還有一些專用總線，如SERCOS (用于數控，控制運動軸，為IEC61491國際標準)、Instabus(用于樓宇)，都有其專門的應用領域，均不適宜于工業(yè)以太網。在易燃、易爆(如煤礦、化工、制藥行業(yè))，以及環(huán)境條件惡劣、可靠性要求很高的應用場合，也不適宜于應用工業(yè)以太網。
綜上所述，已有的現場總線有它自己的市場定位，將來仍將保持這種狀況或與工業(yè)以太網相結合發(fā)揮其更強大的網絡通信功能。雖然現場總線不可能全部為工業(yè)以太網所替代，但后者發(fā)展的巨大潛力決不容忽視，其應用領域定將不斷地得到擴展。
3、結束語
現場總線技術的興起，開辟了工廠底層網絡的新天地。首先，現場總線使自控設備與系統步入了信息網絡的行列，為其應用開拓了更為廣闊的領域。其次，一對雙絞線上可掛接多個控制設備，便于節(jié)省安裝費用、節(jié)省維護費用，可以有效降低系統成本。第三，提高了系統的可靠性，為用戶提供了更為靈活的系統集成主動權，其良好的開放型和兼容性，可以適應各種現場控制需要。所以它必將促進企業(yè)網絡的快速發(fā)展，為企業(yè)帶來新的效益，并會得到廣泛的應用，推動自動化相關行業(yè)的不斷發(fā)展。
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