1 引言

　　隨著計算機、控制、通信、網絡等技術的發展，作為工業控制數字化、智能化與網絡化典型代表的現場總線(FieldBus)技術也得到了發展迅速、影響巨大，引起了工程技術界的普遍興趣與重視，使計算機控制系統逐步從集散控制系統(Distributed Control System DCS)走向以現場總線位基礎的分布式現場總線控制系統(Fieldbus Control System,FCS)，被譽為工業自動化領域具有革命性的新技術。現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一。

　　2 被譽為自動化領域的計算機局域網

　　2.1 現場總線及其特點

　　(1)什么是現場總線?

　　根據國際電工委員會(IEC)和美國儀表協會(ISA)的定義：現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，它的關鍵標志是能支持雙向多節點、總線式的全數字通訊，具有可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強、通信速率快、系統安全、造價低廉、維護成本低等特點。

　　國際電工協會(IEC)的SP50委員會對現場總線有以下三點要求：

　　(1)同一數據鏈上過程控制單元(PCU)、PLC等與數字1/0設備互連;

　　(2)現場總線控制器可對總線上的多個操作站、傳感器及執行機構等進行數據存取;

　　(3)通信媒體安裝費用較低。

　　SP50委員會提出的兩種現場總線結構模型是：

　　●星型總線用短距離、廉價、低速率電纜取代模擬信號傳輸線

　　●總線型總線數據傳輸距離長、速率高，采用點對點、點對多點和廣播式通信方式

　　2.2 現場總線技術特征

　　現場總線完整地實現了控制技術、計算機技術與通信技術的集成，具有以下幾項技術特征。

　　(1)現場設備已成為以微處理器為核心的數字化設備，彼此通過傳輸媒體(雙繪線、同軸電纜或光纖)以總線拓撲相連;

　　(2)網絡數據通信采用基帶傳輸(即數字數據數字傳輸)，數據傳輸速率高(為Mbit/s或10Mbit/s級)，實時性好，抗干擾能力強;

　　(3)廢氣了集散控制系統(DCS)中的I/O控制站，將這一級功能分配給通信網絡完成;

　　(4)分散的功能模塊，便于系統維護、管理與擴展，提高可靠性;

　　(5)開放式互連結構，既可與同層網絡相連，也可通過網絡互連設備與控制級網絡或管理信息級網絡相連;

　　(6)互操作性，在遵守同一通信協議的前提下，可將不同廠家的現場設備產品統一組態，構成所需要的網絡。

　　3 現場總線控制技術

　　3.1 現場總線控制系統

　　現場總線控制系統FCS是集當今計算機技術、網絡技術和控制技術為一體的當代最先進的計算機控制技術，是一種全分散、全數字、全開放的控制系統。它適用于工業過程控制、制造業及樓宇自動化等領域，將成為現代計算機控制系統的主流。

　　3.2 FCS對計算機控制系統的影響

　　傳統的計算機控制系統一般采用DCS結構。在DCS中，對現場信號需要進行點對點的連接，并且I/0端子與PLC或自動化儀表一起被放在控制柜中，而不是放在現場。這就需要鋪設大量的信號傳輸電纜，布線復雜，既費料又費時，信號容易衰減并容易被干擾，而且又不便維護。DCS一般由操作員站、控制站等組成，結構復雜，成本高。而且DCS不是開放系統，互操作性差，難以實現數據共享。而基于FCS的控制系統則完全克服了這些缺點。

　　(1)FCS借助于現場總線技術，所有的I/O模塊均放在工業現場，而且所有的信號通過分布式智能I/O模塊在現場被轉換成標準數字信號，只需一根電纜(兩線或四線)就可把所有的現場子站連接起來，進而把現場信號非常簡捷地傳送到控制室監控設備上，減低了成本，又便于安裝和維護，同時數字化的數據傳輸使系統具有很高的傳輸速度和很強的抗干擾能力。

　　(2)FCS具有開放性。在FCS中，軟件和硬件都遵從同樣的標準，互換性好，更新換代容易。程序設計采用IEC11314五種國際標準編程語言，編程和開發工具是完全開放的，同時還可以利用PC豐富的軟硬件資源。

　　(3)系統的效率高。在FCS中，一臺PC可同時完成原來要用兩臺設備才能完成的PLC和NC/CNC任務。在多任務的Windows NT操作系統下，PC中的軟PLC可以同時執行多達十幾個PLC任務，既提高了效率，又降低了成本。且PC上的PLC具有在線調試和仿真功能，極大地改善了編程環境。

　　(4)在FCS中，系統的基本結構為：工控機或商用PC、現場總線主站接口卡、現場總線輸入/輸出模塊、PLC或NC/CNC實時多任務控制軟件包、組態軟件和應用軟件。上位機的主要功能包括系統組態、數據報表組態、歷史庫組態、圖形組態、控制算法組態、數據報表組態、實時數據顯示、歷史數據顯示、圖形顯示、參數列表、數據打印輸出、數據輸入及參數修改、控制運算調節、報警處理、故障處理、通信控制和人機接口等各個方面，并真正實現控制集中、危險分散、數據共享、完全開放的控制要求。

　　3.3 IEC61158國際標準規定的8種總線及其特點

　　(1)Profibus主要由德國西門子公司支持，是按照ISO/OSI參考模型制訂的現場總線德國國家標準。Profibus由三部分組成，即Profibus-FMS、Profibus-DP及 Profibus-PA。其中，FMS主要用于非控制信息的傳輸，PA主要用于過程自動化的信號采集及控制，Profibus-DP是制造業自動化主要應用的協議內容，是滿足用戶快速通信的最佳方案，傳輸速度為12Mb/s。掃描1000個I/O點的時間少于1ms。

　　(2)基金會現場總線FF(H1，IEC技術報告)是針對過程自動化而設計，它是通過數字、串行、雙向的通信方法來連接現場裝置的。FF通信不是簡單的數字4-20mA信號，而是使用復雜的通信協議，它可連接能執行簡單的閉環算法(如PID)的現場智能裝置。一個通信段可配置32個現場裝置，通信速度為31。25kb/s ，每段最大通信距離為1900m。

　　(3)Interbus主要由德國Phoenix Contact公司支持，其網絡簡單，且易于安裝與配置。網上的節點類似簡單的移位寄存器，位流經過節點則發生翻轉。Interbus-S啟動網絡并自動配置，不需要節點地址。使用一根電纜，符合IEEE802.5的規定。一個網絡上最多可有64個裝置，速度可達500K/s，最長距離為25600m，移動節點間距離為400m。

　　(4)ControlNet主要由美國Rockwell公司支持，具有非常高的實時性能，界于設備級總線(像DeviceNet)與工廠級總線(通常基于Ethernet)之間。在相同的通信鏈路上提供了適合于I/O控制設備的帶寬、實時聯鎖響應、對等信息和程序傳輸，為斷續和連續過程控制系統應用提供了確定性和重復性功能;并且允許多控制器處理I/O控制設備，提供了輸入數據和對等數據兩者之間的多點傳送、通信傳輸媒體的冗余和本征安全的選擇、靈活的網絡拓撲結構選擇(總線、樹型、星型)和媒體傳輸介質(同軸電纜、光纖等)。

　　(5)WorldFIP主要由法國的Alstom公司支持，支持雙重冗余總線運行方式，總線上可以連接PLC、I/O現場設備、控制器、HMI系統等。通過雙重冗余總線，能夠完全確保控制系統不會因為控制電纜損壞等原因造成其他控制系統被迫停機的事故。

　　3.4 其他幾種被工業控制領域廣泛采用的幾種總線

　　(1)CANBUS(Controller Area Network)：是德國Bosch公司于1983年為汽車應用而開發的一種能有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網絡，屬于現場總線(FieldBus)的范疇。1993年11月，ISO正式頒布了控制器局域網CAN國際標準(ISO11898)，CAN總線的通訊介質可采用雙絞線，同軸電纜和光導纖維。通訊距離與波持率有關，最大通訊距離可達10km，最大通訊波持率可達1Mdps。CAN總線仲裁用11位(CAN2.0A協議)和29位(CAN2.0B協議)標識和非破壞性位仲裁總線結構機制，可以確定數據塊的優先級，保證在網絡節點沖突時最高優先級點不需要沖突等待。CAN結構模型取ISO/OSI模型的第1、2、7層協議，即物理層、數據鏈層和應用層。CAN總線采用了多主競爭式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節點可在任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息而不分主次，因此可在各節點之間實現自由通信。CAN總線協議已被國際標準化組織認證，技術比較成熟，控制的芯片已經商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統之間的數通訊。

　　(2)CC-Link是Control&Communication Link(控制與通信鏈路系統)的簡稱，是三菱電機于1996年推出的開放式現場總線，其數據容量大，通信速度多級可選擇，而且它是一個復合的、開放的、適應性強的網絡系統，能夠適用于較高的管理層網絡到較低的傳感器層網絡的不同范圍。CC-Link是一個以設備層為主的網絡，一般情況下，CC-Link整個一層網絡可由一個主站和六十四個從站組成。CC-Link具有高速的數據傳輸速度，最高可達10Mbps，其底層通信協議遵循RS-485。2 CC-Link的數據通信方式可分為2種方式：循環通訊和瞬時傳送。信息從主站傳遞到從站，信息數據將以150字節為單位分割，并以每批150字節傳遞。若從站傳遞到主站或其他從站，每批信息數據最大為34字節。瞬時傳送需要由專用指令來完成。瞬時傳送不會影響循環通信的時間。