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0 引言
現(xiàn)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(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注，成為當今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點?，F(xiàn)場總線本質(zhì)上就是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和遠程控制調(diào)度之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點、多站的通訊系統(tǒng)?，F(xiàn)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(lǐng)域和行業(yè)的自動化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。這種開放型的工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了新一代的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布集散控制系統(tǒng)，因而又被譽為自控領(lǐng)域的局域網(wǎng)。
1 幾種流行的現(xiàn)場總線
（1）、基金會現(xiàn)場總線
基金會現(xiàn)場總線，即Foudation Fieldbus,簡稱FF，這是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。基金會現(xiàn)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(zhì)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(zhì)可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的專用芯片，許多儀表公司已開發(fā)出符合FF協(xié)議的產(chǎn)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(shè)備）它得到PROFIBUS行業(yè)組織（PTO）支持。它將數(shù)據(jù)和電源集成在單獨一根電纜內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸速度較快，31個從設(shè)備的循環(huán)時間為5ms。Asi結(jié)構(gòu)簡單并支持包括星形、線性、分支和樹形結(jié)構(gòu)在內(nèi)的許多網(wǎng)絡(luò)拓撲。雖然它目前能支持一些摸擬量設(shè)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(shè)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(yīng)用。
（3）、Device Net
Device Net是一種應(yīng)用層協(xié)議，它采用最初由德國的Bosch公司開發(fā)的控制器局域聯(lián)網(wǎng)（CAN）技術(shù)，遵循ISO/OSI參考模型，按照該基準模型，它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分為三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，物理層下面還定義了傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)。Device Net在同一網(wǎng)段上最多可容納64個節(jié)點，數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)，一個主設(shè)備需要來自從設(shè)備的連接和主-從兩個設(shè)備的非控制及I/O數(shù)據(jù)的協(xié)商連接。一旦建立了I/O連接，主設(shè)備通過使用輪詢、循環(huán)或狀態(tài)改變通信模式與從設(shè)備通信。最近，已在這種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)加入了“時間同步”（CIPsync）和Device Net安全網(wǎng)絡(luò)（CIPsafety）。Device Net沒有對等通信。Device Net支持包括從光電監(jiān)視器到驅(qū)動器和質(zhì)量流控制設(shè)備等大量的設(shè)備類型。由于其標準得到眾多經(jīng)銷商支持，因而產(chǎn)品價格很有競爭性。
（4）、Profibus-DP
Profibus-DP是一種基于RS-485的I/O網(wǎng)絡(luò)，運行于12Mbit/s。它是一種主-從結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，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(jīng)銷商組織。
Profibus-DP的12Mbit/s傳輸速率高于任何一種CAN網(wǎng)絡(luò)，從而得到眾多經(jīng)銷商支持，并有眾多產(chǎn)品可供利用。然而，由于它需用一種硬件ASIC，因而當網(wǎng)絡(luò)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(nèi)裝的連通性，因而目前Profibus-DP獨步歐洲工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)。
（5）、ControlNet
ControINet最初是作為Allen-Bradley數(shù)據(jù)總線的替代產(chǎn)品而開發(fā)的。它是DeviceNet和EtherNet/IP的前驅(qū)，填補了高確定性網(wǎng)絡(luò)和可重復(fù)性網(wǎng)絡(luò)之間的間隙。為提高靈活性而設(shè)計的這種網(wǎng)絡(luò)使用戶能構(gòu)想出更好地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬的設(shè)備配置。ControlNet工作于5Mbit/s，并支持幾種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。通訊方式采用在相同導(dǎo)線上的多個主設(shè)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(xié)議（CIP）應(yīng)用層。ControlNet提供確定性的和可重復(fù)的操作，并允許用戶構(gòu)想出用來控制I/O和報文數(shù)據(jù)的每個報文部分。但與以太網(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)場總線，它能夠同時處理控制和信息數(shù)據(jù)。它通過簡單的總線，將工業(yè)設(shè)備（如限位開關(guān)、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(shè)備層的網(wǎng)絡(luò)。同時這個網(wǎng)絡(luò)還可以方便地連接到其他網(wǎng)絡(luò)（如：Ethernet，MELECNET/H等）。CC¬Link又是一種簡單的現(xiàn)場總線解決方案，不但解決了工業(yè)現(xiàn)場配線復(fù)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(wǎng)絡(luò)偵聽功能，使系統(tǒng)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(xié)議保證了供應(yīng)商可以提供豐富的各類部件，在現(xiàn)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(tǒng)的成本和時間。到目前，CC¬Link已經(jīng)包括了CC¬Link、CC¬Link/LT、CC¬Link V2.0、CC¬Link Safety 等4種有針對性的協(xié)議，構(gòu)成CC¬Link家族的比較全面的工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)體系。
2、現(xiàn)場總線技術(shù)展望與發(fā)展趨勢
現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，標志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個新時代的開始，其發(fā)展趨勢將對自動化領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。
1）、協(xié)調(diào)共存性：既然是總線，就要向著趨于開放統(tǒng)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(shù)所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，又由于行業(yè)、地域、經(jīng)濟利益等多種原因，目前在不同領(lǐng)域形成多個頗具影響力的總線標準，造成在眾多領(lǐng)域總線標準各異?，F(xiàn)各重要制造商，除力推自己的總線產(chǎn)品之外，也都力圖開發(fā)總線兼容接口技術(shù)，將自己的總線產(chǎn)品與其他總線連接，在國際標準中出現(xiàn)了各類總線標準協(xié)調(diào)共存的局面，所以人們正期待著統(tǒng)一的國際標準的形成。。
2)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡單化：早期的計算機網(wǎng)絡(luò)模型由七層組成，現(xiàn)在羅克韋爾自動化公司提出了三層結(jié)構(gòu)的自動化系統(tǒng)，F(xiàn)isher-Rosermount公司提出兩層結(jié)構(gòu)的自動化系統(tǒng)，還有公司甚至提出一層結(jié)構(gòu)，即由以太網(wǎng)一通到底。目前比較達成共識的是三層設(shè)備、兩層網(wǎng)絡(luò)的3+2結(jié)構(gòu)。三層設(shè)備是指位于底層的現(xiàn)場設(shè)備，如傳感器、執(zhí)行器，以及各種分布式I/O設(shè)備等；位于中層的是控制設(shè)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(shè)備，如操作站、工程師站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、一般工作站等。兩層網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場設(shè)備與控制設(shè)備之間的控制網(wǎng)絡(luò)，以及控制設(shè)備與操作設(shè)備之間的管理網(wǎng)。
3）、總線的開放性：現(xiàn)場總線采用統(tǒng)一的協(xié)議標準，是開放式的互聯(lián)網(wǎng)，對用戶是透明的。在傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)中，不同廠家的設(shè)備是不能相互訪問的。而現(xiàn)場總線系統(tǒng)采用統(tǒng)一的標準，不同廠家的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品可以方便地接入同一網(wǎng)絡(luò)，在同一控制系統(tǒng)中進行互操作，而互換性意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實現(xiàn)相互替換，因此簡化了系統(tǒng)集成。
4）、工業(yè)以太網(wǎng)將成為新的熱點：就成本、建造、使用、維護等方面而言，以太網(wǎng)或多或少都優(yōu)于目前市場上的其它幾種網(wǎng)絡(luò)。但從目前的趨勢來看，已有的現(xiàn)場總線仍將繼續(xù)存在。此外，并非每種現(xiàn)場總線都可以被工業(yè)以太網(wǎng)總線所替代，如Asi、CAN，這兩種現(xiàn)場總線就應(yīng)用于二位I/O傳感器/執(zhí)行器系統(tǒng)，無疑是******的。還有一些專用總線，如SERCOS (用于數(shù)控，控制運動軸，為IEC61491國際標準)、Instabus(用于樓宇)，都有其專門的應(yīng)用領(lǐng)域，均不適宜于工業(yè)以太網(wǎng)。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(yīng)用場合，也不適宜于應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)。
綜上所述，已有的現(xiàn)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(wǎng)相結(jié)合發(fā)揮其更強大的網(wǎng)絡(luò)通信功能。雖然現(xiàn)場總線不可能全部為工業(yè)以太網(wǎng)所替代，但后者發(fā)展的巨大潛力決不容忽視，其應(yīng)用領(lǐng)域定將不斷地得到擴展。
3、結(jié)束語
現(xiàn)場總線技術(shù)的興起，開辟了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的新天地。首先，現(xiàn)場總線使自控設(shè)備與系統(tǒng)步入了信息網(wǎng)絡(luò)的行列，為其應(yīng)用開拓了更為廣闊的領(lǐng)域。其次，一對雙絞線上可掛接多個控制設(shè)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(tǒng)成本。第三，提高了系統(tǒng)的可靠性，為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動權(quán)，其良好的開放型和兼容性，可以適應(yīng)各種現(xiàn)場控制需要。所以它必將促進企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，為企業(yè)帶來新的效益，并會得到廣泛的應(yīng)用，推動自動化相關(guān)行業(yè)的不斷發(fā)展。
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