现场总线技术的应用与前景

杨东波

[摘 要]现场总线技术是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，主要解决工业现场的智能化仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通讯以及这些现场设备和高级控制系统之间的信息传递问题。

[关键词]现场总线技术;种类;优点;发展现状;趋势

现场总线（Fieldbus）是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于电气自动化、制造自动化，等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。

由于上述特点，从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS（集中式控制系统）。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破所造成的缺陷;另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。

现场总线以数字信号取代模拟信号，在3C技术即计算机（Computer）、控制（Control）、通信（Communication）的基础上，大量现场检测与控制的信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备，一大批数字化、智能化的高新技术产品应运而生，自动化仪表与控制系统以崭新的面貌呈现在广大用户面前。一般认为“现场总线是一种全数字化、双向、多站的通信系统，是用于工业控制的计算机系统的工业总线。按照国际电工委员会IEC61158的标准定义：“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。

从现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System）的角度来看，它的通讯网络结构将是ISO的通讯模型的七层结构（一般简化为三层，物理层、数据链路层、应用层）。

目前世界上存在着大约四十余种现场总线，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，目前的工业总线网络可归为三类：485网络、HART网络、FieldBUS现场总线网络。

现场总线技术有以下几个优点：

1、有助于工业企业降低生产成本、提高生产效率;

2、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;

3、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;

4、提出了以协议转换方式系统实现互操作的理论方法。协议转换可以根据通信协议的异同在不同的通信层次通过协议级、服务级和混合的方式实现，为互操作的实现提供理论和实现基础。

目前，在一些工程中通常的做法是在某种现场总线的基础上开发能连接其他公司现场总线的接口产品。由于现场总线国际标准尚未建立，多种类型的现场总线枚不胜数，需要开发大量的接口产品才能满足不同工程需要。如果仅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS-DP、MODBUS五种著名现场总线为例，要使它们中任意两种不同现场总线能统一于一个智能化配电系统中，仅是协议转换器这种接口产品就要有二十种之多，如果一个系统中有三种或三种以上不同现场总线产品，那麻烦则更大。不少企业，包括一些国际上的大公司为了解决来自不同厂家的产品兼容性问题，都投入了巨大的精力和财力，但成效甚微。

由于多现场总线系统中不同类型的产品均配专用的通信协议，有的厂家还专门为自己的产品开发了专用的通信卡、通信控制器等专用设备，因此，整个系统中的产品由于通信协议不同无法直接和主控单元进行通信，这严重防碍智能自动化控制系统设计中对智能设备的选择。对应用而言，如果在一个智能化控制系统中每一种智能化产品均选择其专用的通信卡或通信控制器，一个智能化控制系统将变得支离破碎，组态性和灵活性均较差，使得系统的性能价格比不高，而且在系统进行改造或升级时，将要花费用户更多的时间和费用。因此，多现场总线技术在一个智能化控制系统中的应用已成为一个重要的研究课题。

总之，现场总线技术的兴起，开辟了工厂底层网络的新天地，将不同现场总线的产品和谐地融入一个系统中，充分发挥不同产品的长处，为那些希望使用不同厂家优质产品的用户提供更大的灵活性。它将促使企业网络的快速发展，为企业带来新的效益。

参考文献：

1.尤佳;徐炜 现场总线--自控系统的一项新技术 [期刊论文] -浙江工业大学学报2001（04）

2.赵文宏;曹李民;施一明 现场总线的发展概况 [期刊论文] -浙江工业大学学报2001（02）

3.肖維荣;现场总线技术与工厂自动化（FA）[J];现代制造;1999年03期

4.苏永乐;现场总线技术及其在电力系统中的应用前景（续）[J];工业仪表与自动化装置;1999年06期

5.《现场总线技术及其应用》介绍[J];工业控制计算机;1999年04期