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本文從應(yīng)用的角度首先詳細(xì)分析了五種現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)，然后針對(duì)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線的一些問(wèn)題進(jìn)行了探討。 
關(guān)鍵字：現(xiàn)場(chǎng)總線、FF、PROFIBUS、CAN、LONWORKS、HART

　　1 前言

　　現(xiàn)場(chǎng)總線是90年代初期興起的一種工業(yè)控制技術(shù)，和DCS相比有許多的優(yōu)點(diǎn)，它是一種全數(shù)字化、全分散式、全開(kāi)放、可互操作和開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的新一代控制系統(tǒng)；是計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)和控制技術(shù)的綜合與集成;它將通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備，用于過(guò)程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互連的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，它將傳統(tǒng)的 DCS三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變成兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)“工作站現(xiàn)場(chǎng)總線智能現(xiàn)場(chǎng)儀表”，降低了成本，提高了可靠性，實(shí)現(xiàn)了控制管理一體化的結(jié)構(gòu)體系，所以自它誕生之日起，就對(duì)DCS形成了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。目前現(xiàn)場(chǎng)總線己成為世界上自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)，世界上許多工控領(lǐng)域的巨人如：Honeywell，F(xiàn)isher-Rosemount等都積極開(kāi)展FCS技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究和應(yīng)用，推出了自己的FCS產(chǎn)品，據(jù)不統(tǒng)計(jì)，目前各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品有40多種，從而，使有的用戶對(duì)之目不暇接，甚至感到困惑而不知所從。本文將從應(yīng)用的角度出發(fā)，對(duì)目前比較流行的五種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析之后，針對(duì)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)時(shí)工程中關(guān)心的有關(guān)問(wèn)題開(kāi)展討論。
2 幾種現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)

　　1． CAN
　　CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network)的簡(jiǎn)稱，它是由德國(guó)的Bosch公司及幾個(gè)半導(dǎo)體生產(chǎn)商開(kāi)發(fā)出來(lái)的，起初它是為汽車(chē)的檢測(cè)和控制而設(shè)計(jì)的，后來(lái)逐步發(fā)展到用于其它工業(yè)部門(mén)，值得指出的是，CAN是目前被批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，它有如下基本特點(diǎn)：
　　(1) CAN協(xié)議遵循 ISO／OSI模型，采用了其中的物理層，鏈路層與應(yīng)用層的三層結(jié)構(gòu)。
　　(2) CAN的通信速率為5Kbps／10km，lMbps／40m，節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)：傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，光纖等。
　　(3) CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，這樣傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。并且，當(dāng)CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)， CAN具有自動(dòng)關(guān)閉節(jié)點(diǎn)的功能，自動(dòng)切斷與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響，所以，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。
　　(4) CAN采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播幾種發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)，且無(wú)主從之分。
　　(5) CAN采用非破壞性的總線仲裁技術(shù)。
　　(6) CAN不能支持防爆區(qū)。
　　CAN自誕生以來(lái)，以其的設(shè)計(jì)思想，良好的功能特性和的可靠性越來(lái)越受到工業(yè)界的青睞，目前己在許多行業(yè)獲得應(yīng)用：汽車(chē)，機(jī)器人，樓宇自控，紡織機(jī)械，，自動(dòng)化儀表，傳感器等。目前支持 CAN協(xié)議的世界有多家大公司：Intel，Motorla，Honeywell，NEC，Siemens，Philips等。其在測(cè)控和智能儀表方面的應(yīng)用如圖l和圖2所示。
　　2．LONWORKS
　　LONWORKS是局部操作網(wǎng)絡(luò)， LON是Local operating network的簡(jiǎn)稱，它是美國(guó)Echelon公司于1991年3月推出的技術(shù)和產(chǎn)品，其主要特點(diǎn)為：
　　(1) LONWORKS采用LONTALK通訊協(xié)議，該協(xié)議遵循 ISO／OSI參考模型，它提供了OSI所定義的全部7層服務(wù)，在所有現(xiàn)場(chǎng)總線中，這是無(wú)二的特色。
　　(2)通信速率為78Kbps／2700m，1．25Mbps／130m，節(jié)點(diǎn)數(shù)32000個(gè)，傳輸介質(zhì)可為雙絞線，同軸電纜，光纖，電源線等。
　　(3)LONWORKS的核心是Neuron(神經(jīng)元)芯片，內(nèi)含3個(gè)8位CPU。個(gè)CPU為介質(zhì)訪問(wèn)控制處理器，處理LONTALK協(xié)議的層和第二層。第二個(gè)CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器，實(shí)現(xiàn)LONTALK的第3層到第6層的功能：第3個(gè)CPU為應(yīng)用處理器，實(shí)現(xiàn)LONTALK的第七層協(xié)議，執(zhí)行由用戶編的代碼及用戶的代碼所調(diào)用的操作系統(tǒng)服務(wù)。 Neuron芯片的編程語(yǔ)言為Neuron C，是從ANSI C中派生出來(lái)的。 LONWORKS提供一套開(kāi)發(fā)平臺(tái)， LON BUILDER和Node Builder，價(jià)格為10-30萬(wàn).
　　(4) Lonworks可以構(gòu)成：總線型、星型、環(huán)型和混合型等典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自由組合，可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)不同現(xiàn)場(chǎng)總線的互聯(lián)。見(jiàn)圖3、圖4。
　　(5) Lontalk協(xié)議的介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議對(duì) CSMA作了改進(jìn)，采用一種稱作Predictive P-Persistent CSMA的新協(xié)議。
　　(6)Lonworks能支持防爆區(qū)。
　　Lonworks技術(shù)自1991年推出后，發(fā)展很快，到1996年已有2600家生產(chǎn)商，使用并且安裝了200多萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了任何其他測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)總線，其應(yīng)用范圍包括工業(yè)控制，樓宇自動(dòng)化，航空／航天等，幾乎囊括了測(cè)控應(yīng)用的所有范疇，在其銷(xiāo)售額中，40％是工業(yè)控制，30％是樓宇自動(dòng)化.(LONWORKS不屬于IEC現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之列)

　　3． HART
　　HART是可尋址遠(yuǎn)程傳感器通路( Highway Addressable Remote transducer)的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)的Rosemount公司1986年研制的一種通訊協(xié)議，它具有如下特點(diǎn)：
　　(1) HART協(xié)議參照 ISO／OSI模型，其通訊模型由三層構(gòu)成：物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。
　　(2) HART支持模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)在同一線路上同時(shí)存在，可實(shí)現(xiàn)與其它模擬設(shè)備混合使用，其通訊速率為：在4~20mADC模擬信號(hào)上疊加FSK數(shù)字信號(hào)時(shí)為1200bps，用屏蔽雙絞線單臺(tái)設(shè)備距離可達(dá)3000m；而多臺(tái)互連距離可達(dá)1500m．
　　(3) HART支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，主從應(yīng)答方式和多點(diǎn)廣播方式，通訊模式為：“問(wèn)答式”，或“廣播式”。　　(4)HART能利用總線供電，可滿足本安防爆要求。
嚴(yán)格地講，HART不屬于現(xiàn)場(chǎng)總線，而是模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)過(guò)渡的一種產(chǎn)品，目前世界上HART協(xié)議的產(chǎn)品仍在生產(chǎn)，但現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)品大量上市，而價(jià)格能與之接近，所以，它的生命周期不會(huì)太長(zhǎng)。

　　4． PROFIBUS
　　PROFIBUS是Process Fieldbus的簡(jiǎn)稱。它是1987年德國(guó)聯(lián)邦按照ISO／OSI參考模型制訂的現(xiàn)場(chǎng)總線德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，于1991年正式成為德國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) (DINl9245)；并于1998年又成為歐洲的標(biāo)準(zhǔn)(EN50170)。它具有如下特點(diǎn)：
　　(1) PROFIBUS由三部分組成：
　　a． PROFIBUS—FMS(Fieldbus Message Speciflcation現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范)。此部分是完成控制器和現(xiàn)場(chǎng)器件之間的通信以及控制器之間的信息交換，因此，它考慮的是系統(tǒng)功能而不是系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，適應(yīng)于完成中等傳輸速度進(jìn)行較大數(shù)據(jù)交換的循環(huán)和非循環(huán)通訊任務(wù)。
　　b． PROFIBUS—DP(Decentralized Periphery分散型外圍設(shè)備)是一種優(yōu)化的通訊模塊，適用于自動(dòng)控制系統(tǒng)和外圍設(shè)備之間的通信，對(duì)時(shí)間要求苛刻的場(chǎng)合。
　　c． PROFIBUS—PA(Process Automation過(guò)程自動(dòng)化)，應(yīng)用于過(guò)程自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了 IECll58-2中規(guī)定的通信規(guī)程，用于對(duì)安全性要求高的場(chǎng)合及由總線供電的站點(diǎn)。
　　(2) PROFIBUS遵循ISO／OSI模型，其通信模型由三層構(gòu)成：物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。
　　　(3) PROFIBUS的通信速率為：
　　a．PROFIBUS—FMS：使用 RS—485時(shí)，為9．6k-500k波特，距離1．6km-4．8km，最多可接122個(gè)節(jié)點(diǎn)；使用 FSK(頻移鍵控)時(shí)，最多32個(gè)節(jié)點(diǎn)，距離可達(dá)5km，介質(zhì)可為雙絞線或光纜。
　　b． PROFIBUS—DP：RS-485雙絞線或光纜，為9．6K-12M波特；距離：12M波特時(shí)為100m；1．5M波特時(shí)為200m，可用中繼器加大距離，站數(shù)126。
　　c． PROFIBUS-PA通信速率為31．25kbps，距離為≤1．9km，其每一段上可連接的儀表臺(tái)數(shù)≤32臺(tái),但決定于所接入總線儀表設(shè)備的耗電量和應(yīng)用的總線電流，只要饋入總線的電源不超過(guò)規(guī)定的電壓值和電流值，就可以保證在危險(xiǎn)區(qū)域中運(yùn)行的本質(zhì)安全性．
　　(4)總線存取協(xié)議：三種系列的PROFIBUS均使用單一的總線存取協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路層采用混合介質(zhì)存取方式，即主站間按令牌方式，主站和從站間按主從方式工作。
　　(5)三種系列的PROFIBUS很容易集成在一起， DP和FMS使用了同樣的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線訪問(wèn)協(xié)議，因而這兩套系統(tǒng)可在同一根電線上同時(shí)操作； PA和DP之間使用分段耦臺(tái)器能方便地集成在一起，如圖5所示。
　　(6)安全性： PROFIBUS-PA采用總線供電，支持安防爆要求。
PROFIBUS自1989問(wèn)世以來(lái)，由于其嚴(yán)格的定義和完善的功能使其成為開(kāi)放式系統(tǒng)的，目前世界上約有五百多家廠商加入了PROFIBUS用戶協(xié)會(huì)，并提供近千種PROFIBUS產(chǎn)品，的Siemens公司可提供100多種PROFIBUS產(chǎn)品，據(jù)統(tǒng)計(jì)到1999年世界上已有35萬(wàn)套PROFIBUS設(shè)備成功應(yīng)用在5萬(wàn)多個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

　　5． FF
　　FF是現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(Fieldbus Foundation)的簡(jiǎn)稱，是的不附屬于某企業(yè)的公正的非商業(yè)化的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織，其宗旨是制定單一的國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)許可要求，供如何人使用，它具有如下特點(diǎn)：
　　(1) FF遵照 ISO／OSI模型，其通信模型由四層構(gòu)成：物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，應(yīng)用層及用戶層，在OSI模型基礎(chǔ)之外增加了一層(用戶層)。
　　(2)通信速率： FF定義兩種速率的總線，低速總線 H1，波特率為31．25kbps，傳輸距離為0．2km-1．9km(取決于介質(zhì))；高速總線 H2，其波特率為1.0Mbps／750m或2．5Mbps／500m。傳輸介質(zhì)可為雙絞線，同軸電纜，光纖或無(wú)線電。
　　(3)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： H1：支持總線型或樹(shù)型； H2支持總線型。
　　(4)介質(zhì)訪問(wèn)：采用容令牌和查詢通信方式為一體的技術(shù)，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可以有幾個(gè)主站。初始化時(shí)，僅容許一個(gè)站處于講工作狀態(tài)，講工作狀態(tài)傳來(lái)后，主站查詢從站，并且特殊的幀結(jié)構(gòu)把講工作狀態(tài)送給另一個(gè)主站。
　　(5)安全性：低速總線H1采用本安型總線供電，滿足本安防爆要求。
FF自1994年成立，世界上已有120多個(gè)成員公司加入，的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備制造商及控制系統(tǒng)供應(yīng)商都在其列。 IEC已批準(zhǔn)了FF的物理層標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)冶金部自動(dòng)化研究院1995年4月加入了 FF，1996年4月華控技術(shù)有限公司也參加了FF。

3 應(yīng)用問(wèn)題的探討

　　可以看出：工業(yè)上還沒(méi)有一種現(xiàn)場(chǎng)總線能覆蓋所有的應(yīng)用面，各類(lèi)總線都有一些自己的特色。鑒于現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)尚未出來(lái)，在眾多現(xiàn)場(chǎng)總線并存的局面下，作為一名準(zhǔn)備應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)產(chǎn)品的用戶，必須根據(jù)自己的要求，結(jié)合各種現(xiàn)場(chǎng)總線的特色，來(lái)選擇合理的產(chǎn)品。那么如何進(jìn)行選擇呢?
在具體確定選用那種現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品之前，一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)該弄明如下幾方面的情況：
　　1．規(guī)模的大小，即需要運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)有多少個(gè)。
規(guī)模的大小對(duì)選用那種現(xiàn)場(chǎng)總線有影響，如： CAN最多可接設(shè)備110個(gè)，而 LONWORKS的節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)32000個(gè)， PROFIBUS的節(jié)點(diǎn)也是從幾十個(gè)到一百多個(gè)。
　　2．環(huán)境條件：這包括節(jié)點(diǎn)分布的遠(yuǎn)近，現(xiàn)場(chǎng)的安全防爆要求，電磁環(huán)境等。
環(huán)境條件的不同，對(duì)選用那種現(xiàn)場(chǎng)總線也有影響，首先節(jié)點(diǎn)分布的遠(yuǎn)近決定通信線路的長(zhǎng)度，而這方面不同的總線其能力是不一樣的，其變化范圍為幾十米至10公里?，F(xiàn)場(chǎng)的安全防爆要求是一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)，根據(jù)上面分析除 CAN總線外，其余幾種都能滿足安全防爆要求，依據(jù)目前的發(fā)展趨勢(shì)選用 PROFIBUS-PA或 FF的 H1。現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的優(yōu)劣，決定了選用構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的通信介質(zhì)，如果現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾等很?chē)?yán)重，選用光纖作為傳輸介質(zhì)。
　　3．傳輸信號(hào)情況：這包括傳輸信號(hào)是模擬量或數(shù)字量，信息量的大小，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求等。傳輸信號(hào)情況的不同對(duì)現(xiàn)場(chǎng)能力也提出不同的要求，如果是模擬與數(shù)字信號(hào)共存，可以選用HART；如果傳輸?shù)男畔⒘刻貏e大，實(shí)時(shí)性不高，可以考慮選用PROFIBUS—FMS；如果是信息量大，實(shí)時(shí)性高，可以考慮選用PROFIBUS—FMS和PROFIBUS—DP構(gòu)成系統(tǒng).
　　4．現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況：這是指對(duì)原老設(shè)備的技術(shù)改造，還是采用符合現(xiàn)場(chǎng)總線要求的新的智能儀表等。這種情況在國(guó)內(nèi)的許多單位都存在，由于原來(lái)使用的許多儀表都是II型或III型表，且目前使用的效果又比較好，但又希望利用的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)提高生產(chǎn)的綜合自動(dòng)化水平，這樣實(shí)際上是提出了一個(gè)在如果充分利用原來(lái)老設(shè)備的基礎(chǔ)上建立現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。所幸的是目前市場(chǎng)提供的遠(yuǎn)程智能 I／O能滿足這種要求如：國(guó)內(nèi)的北京中機(jī)浦發(fā)工貿(mào)發(fā)展有限公司就能生產(chǎn)這種產(chǎn)品，通過(guò)這種 I／O能將傳統(tǒng)儀表的模擬4—20mA或0-5v的信號(hào)轉(zhuǎn)換成和現(xiàn)場(chǎng)總線相兼容的通信信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接與通信。這種方案對(duì)一些財(cái)力不是很充足的老企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造是一種可取的途徑?？傊鳛橛脩?，總是希望選用性能價(jià)格比的產(chǎn)品，但是由于用戶自身的需求千差萬(wàn)別，往往一種現(xiàn)場(chǎng)的產(chǎn)品很難滿足各方面的需求，所以在實(shí)際選型時(shí)，我們可以利用網(wǎng)關(guān)技術(shù)，將不同的現(xiàn)場(chǎng)總線集成一起，從而滿足自己的要求。
另外，如果針對(duì)自己的要求，有幾種產(chǎn)品都能滿足自己的要求，且性能價(jià)格比都差不多時(shí)，這時(shí)考慮的因素應(yīng)該是服務(wù)，如果哪家的產(chǎn)品用戶多，服務(wù)好(包括安裝，培訓(xùn)，維修等)，就應(yīng)該考慮優(yōu)先選擇該產(chǎn)品。照目前時(shí)情況PROFIBUS和FF在這方面比較有優(yōu)勢(shì)。 電磁流量計(jì) 壓力變送器 測(cè)溫槍