现场总线技术新

现 场 总 线 技 术 及 应 用 内 容 提 要 5.1 概 述 5.2 现 场 总 线 的 网 络 协 议 模 式 与 标 准 5.3 典 型 的 现 场 总 线 5.4 基 于 现 场 总 线 的 智 能 传 感 变 送 器 5.5 现 场 总 线 的 应 用 5.1概 述 现 场 总 线 是 近 年 来 迅 速 发 展 起 来 的 一 种 工 业 数 据总 线 ， 它 主 要 解 决 工 业 现 场 的 智 能 化 仪 器 仪 表 、控 制 器 、 执 行 机 构 等 现 场 设 备 间 的 数 字 通 信 以 及这 些 现 场 控 制 设 备 和 高 级 控 制 系 统 之 间 的 信 息 传递 问 题 ， 所 以 现 场 总 线 既 是 通 信 网 络 ， 又 是 自 控网 络 现 场 总 线 控 制 系 统 （ Fieldbus Control System, FCS） 是 由 现 场 总 线 和 现 场 设 备 组 成 的 控 制 系 统 ，这 是 继 电 式 气 动 仪 表 控 制 系 统 、 电 动 单 元 组 合 式模 拟 仪 表 控 制 系 统 、 集 中 式 数 字 控 制 系 统 、 集 散控 制 系 统 DCS后 的 新 一 代 控 制 系 统 现 场 总 线 对 自 动 化 领 域 的 变 革现 场 总 线 对 当 今 的 自 动 化 领 域 带 来 的 变 革 是 ：用 一 对 通 信 线 连 接 多 台 数 字 仪 表 取 代 一 对 信 号 线 只 能 连 接 一 台仪 表 ；用 多 变 量 、 双 向 、 数 字 通 信 方 式 取 代 单 变 量 、 单 向 、 模 拟 传 输方 式 ；用 多 功 能 的 现 场 数 字 仪 表 取 代 单 功 能 的 现 场 模 拟 仪 表 ；用 分 散 式 的 虚 拟 控 制 站 代 替 集 中 式 的 控 制 站 ；用 现 场 总 线 控 制 系 统 FCS代 替 传 统 的 分 散 控 制 系 统 DCS；变 革 传 统 的 信 号 标 准 、 通 信 标 准 和 系 统 标 准 ；变 革 传 统 的 自 动 化 系 统 体 系 结 构 、 设 计 方 法 和 安 装 调 试 方 法 。 FCS对 DCS的 变 革FCS的 信 号 传 输 实 现 了 全 数 字 化 ， 从 最 底 层 的 传 感 器 和 执行 器 就 采 用 现 场 总 线 网 络 ， 逐 层 向 上 直 至 最 高 层 均 为 通 信网 络 互 连 。FCS的 系 统 结 构 为 全 分 散 式 ， 它 废 弃 了 DCS的 输 入 /输 出单 元 和 控 制 站 ， 由 现 场 设 备 或 现 场 仪 表 取 而 代 之 ， 即 把DCS控 制 站 的 功 能 化 整 为 零 ， 分 散 地 分 配 给 现 场 仪 表 ， 从而 构 成 虚 拟 控 制 站 ， 实 现 彻 底 的 分 散 控 制 。 FCS的 现 场 设 备 具 有 互 操 作 性 ， 彻 底 改 变 传 统 DCS控 制 层的 封 闭 性 和 专 用 性 ， 使 不 同 厂 商 的 现 场 设 备 既 可 互 连 也 可互 换 ， 还 可 统 一 组 态 。FCS的 通 信 网 络 为 开 放 式 互 连 网 络 ， 用 户 可 非 常 方 便 地 共享 网 络 数 据 库 ， 使 同 层 网 络 可 以 互 连 ， 也 可 以 使 不 同 网 络互 连 。FCS的 技 术 和 标 准 实 现 了 全 开 放 ， 无 专 利 许 可 要 求 ， 可 供任 何 人 使 用 。 采 用 “ 操 作 站 数 字 式 智 能 现 场 仪 表 ” 两 层 式 结 构 ， 现 场 设 备 均为 智 能 数 字 仪 表 ， 见 下 图 ：传 统 DCS 的 结 构 示 意 图 FCS的 结 构 示 意 图 FCS对 DCS的 变 革 现 场 总 线 的 实 质 现 场 总 线 的 定 义 ISA SP50（ 美 国 仪 表 协 会 标 准 ） 中 对 现 场 总 线 的 定 义 现 场 总 线 是 一 种 串 行 的 数 字 数 据 通 信 链 路 ， 它 沟通 了 过 程 控 制 领 域 的 基 本 控 制 设 备 （ 即 场 地 级 设 备 ） 之 间以 及 与 更 高 层 次 自 动 控 制 领 域 的 自 动 化 控 制 设 备 （ 即 车 间级 设 备 ） 之 间 的 联 系 国 际 电 工 委 员 会 IEC标 准 和 现 场 总 线 基 金 会 FF的 定 义 现 场 总 线 是 连 接 智 能 现 场 设 备 和 自 动 化 系 统 的 数字 式 、 双 向 传 输 、 多 分 支 结 构 的 通 信 网 络基 于 现 场 总 线 的 控 制 系 统 被 称 为 现 场 总 线 控 制 系 统(Fieldbus Control System FCS)。 基 于 现 场 总 线 的 控 制 系 统 被 称 为 现 场 总 线 控 制 系 统(Fieldbus Control System FCS)。 1、 开 放 的 控 制 系 统 2、 由 三 类 部 件 组 成 的 实 时 连 续 反 馈 系 统 被 控 过 程 （ 或 环 境 ） 数 据 融 合 机 制 传 感 器 和 执 行 器 现 场 总 线 技 术 的 特 点 :1、 全 数 字 化 通 信2、 一 对 N结 构3、 高 可 靠 性4、 可 控 状 态5、 互 换 性6、 互 操 作 性7、 综 合 功 能8、 分 散 控 制9、 统 一 组 态10、 开 放 式 系 统 系 统 的 分 散 性系 统 的 开 放 性产 品 的 互 操 作 性环 境 的 适 应 性使 用 的 经 济 性维 护 的 简 易 性系 统 的 可 靠 性 现 场 总 线 的 体 系 结 构 现 场 通 信 网 络 现 场 设 备 互 联 互 操 作 性 分 散 功 能 块 通 信 线 供 电 开 放 式 互 联 网 络 现 场 总 线 的 体 系 结 构 （ 1） 现 场 通 信 网 络 用 于 过 程 以 及 制 造 自 动 化 的 现 场 设 备 或现 场 仪 表 互 连 的 通 信 网 络 。 （ 2） 现 场 设 备 互 连 传 感 器 、 变 送 器 和 执 行 器 等 ， 这 些 设 备通 过 一 对 传 输 线 互 连 。 （ 3） 互 操 作 性 现 场 设 备 或 现 场 仪 表 种 类 繁 多 ， 互 相 连接 不 同 制 造 商 的 产 品 是 不 可 避 免 的 。 性 能 价格 比 最 优 的 产 品 ， 并 将 其 集 成 在 一 起 ， 实 现 “ 即 接 即 用 ” ;用 户 希 望 对 不 同 品 牌 的 现 场 设备 统 一 组 态 ， 构 成 所 需 要 的 控 制 回 路 。 （ 4） 分 散 功 能 块 FCS废 弃 了 DCS的 输 入 /输 出 单 元 和 控 制 站 ，把 DCS控 制 站 的 功 能 块 分 散 地 分 配 给 现 场 仪 表 ，从 而 构 成 现 场 控 制 站 。 例 如 ： 流 量 变 送 器 不 仅 具 有 流 量 信 号 变 换 、 补偿 和 累 加 输 入 模 块 ， 而 且 有 PID控 制 和 运 算 功能 块 。 调 节 阀 的 基 本 功 能 是 信 号 驱 动 和 执 行 ，还 内 含 输 出 特 性 补 偿 模 块 ， 也 可 以 有 PID控 制和 运 算 模 块 ， 甚 至 有 阀 门 特 性 自 检 验 和 自 诊 断功 能 。 由 于 功 能 块 分 散 在 多 台 现 场 仪 表 中 ， 并可 统 一 组 态 ， 供 用 户 灵 活 选 用 各 种 功 能 块 ， 构成 所 需 的 控 制 系 统 ， 实 现 彻 底 的 分 散 控 制 。 （ 5） 通 信 线 供 电 通 信 线 供 电 方 式 允 许 现 场 仪 表 直 接 从 通 信线 上 获 取 能 量 ， 对 于 要 求 本 征 安 全 的 低 功 耗现 场 仪 表 ， 可 采 用 这 种 供 电 方 式 。 （ 6） 开 放 式 互 连 网 络 既 可 与 同 层 网 络 互 连 ， 也 可 与 不 同 层 网 络互 连 ， 还 可 以 实 现 网 络 数 据 库 的 共 享 。 不 同制 造 商 的 网 络 实 现 互 连 ， 用 户 通 过 网 络 对 现场 设 备 和 功 能 块 统 一 组 态 ， 把 不 同 厂 商 的 网络 及 设 备 融 为 一 体 ， 构 成 统 一 的 FCS。 现 场 总 线 的 发 展 趋 势(1) 多 种 总 线 共 存 。(2) 每 种 总 线 都 力 图 拓 展 其 应 用 领 域 ， 以 扩 张 其 势 力 范围 。(3) 大 多 数 总 线 都 成 立 了 相 应 的 国 际 组 织 ， 力 图 在 制 造商 和 用 户 中 扩 大 影 响 。(4) 每 种 总 线 都 以 一 个 或 几 个 大 型 跨 国 公 司 为 背 景 ， 公司 的 利 益 与 总 线 的 发 展 息 息 相 关 。Profibus 西 门 子 公 司 ； ControlNet 罗 克 韦 尔 ；WorldFIP 法 国 Alstom。 (5) 大 多 数 设 备 制 造 商 都 积 极 参 加 不 止 一 个 总 线 组 织 ，有 些 公 司 甚 至 参 加 2 4个 总 线 组 织 。(6) 在 激 烈 的 竞 争 中 出 现 了 协 调 共 存 的 前 景 。(7) 以 太 网 的 引 入 成 为 新 的 热 点 。 几 乎 所 有 远 程 I/O接 口 技 术 的 供 货 商 均 提 供 一 个 支持 TCP/IP的 以 太 网 接 口 ， 如 西 门 子 、 罗 克 韦 尔 自 动 化 、Echelon等 公 司 ， 他 们 销 售 各 自 的 PLC产 品 ， 但 同 时 提供 与 远 程 I/O和 基 于 PC的 控 制 系 统 相 连 接 的 接 口 。 新 一 代 控 制 系 统 的 优 势 现 场 总 线 控 制 系 统 是 全 面 数 字 化 、 网 络 化 的 控 制系 统 位 于 现 场 的 传 感 器 /执 行 器 一 级 也 全 部 实 现 数 字化 、 智 能 化 。 现 场 总 线 控 制 系 统 的 网 络 结 构 向 简 单 的 方 向 发 展 目 前 比 较 达 成 共 识 的 是 三 层 设 备 、 两 层 网 络 的 3十 2结 构 。 三 层 设 备1、 位 于 底 层 的 现 场 设 备 ： 如 传 感 器 /执 行 器 ， 以 及 各 种 分 布 式 I/O设 备 等 ；2、 位 于 中 间 的 控 制 设 备 ： 如 PLC、 工 业 控 制 计 算 机 、 专 用 控 制 器 等 ；3、 位 于 上 层 的 是 操 作 设 备 ： 如 操 作 站 、 工 程 师 站 、 数 据 服 务 器 、 一 般 工 作 站 等 。两 层 网 络1、 现 场 设 备 与 控 制 设 备 之 间 的 控 制 网 络2、 控 制 设 备 与 操 作 设 备 之 间 的 管 理 网 现 场 总 线 的 研 究 方 向(1) 基 于 现 场 总 线 的 智 能 化 仪 表 的 研 制 。“ 智 能 ” 指 的 是 ：1、 能 够 随 外 界 条 件 的 变 化 自 动 地 做 出 正 确 行 为 的 能 力 ，智 能 化 应 包 括 理 解 、 推 理 、 判 断 与 分 析 等 一 系 列 功 能 ；2、 能 适 应 被 测 参 数 的 变 化 ， 在 线 联 机 改 变 量 程 ；3、 自 动 检 测 自 身 工 作 状 态 并 传 递 信 息 ， 进 行 异 常 处 理 ，自 动 进 行 指 标 判 断 与 分 选 ；4、 进 行 逻 辑 操 作 、 定 量 控 制 与 程 序 控 制 ， 实 现 多 参 数测 量 ， 进 行 数 字 信 号 处 理 等 。 (2) 基 于 现 场 总 线 的 网 络 设 备 的 软 、 硬 件 研 制 。(3) 组 态 技 术 的 研 究 ， 包 括 网 络 拓 扑 结 构 、 网 络 设备 配 置 、 不 同 网 段 互 连 等 技 术 的 研 究 。(4) 网 络 管 理 技 术 ， 包 括 网 络 管 理 软 件 、 网 络 数 据操 作 与 传 输 。(5) 基 于 现 场 总 线 技 术 的 全 开 放 控 制 系 统 的 集 成 技术 。 现 场 总 线 的 协 议 现 场 总 线 一 般 采 用 国 际 标 准 组 织ISO的 开 放 系 统 互 联 （ OSI） 协 议 ， OSI协 议 是 为 计 算 机 联网 而 制 定 的 7层 参 考 模 型 ， OSI参 考 模 型 建 立 的 ， OSI参 考模 型 共 分 7层 ： 物 理 层 、 数 据 链 路 层 、 网 络 层 、 传 输 层 、 会话 层 、 表 达 层 和 应 用 层 ， 只 要 网 络 中 所 有 要 处 理 的 要 素 都是 通 过 共 同 的 路 径 进 行 通 信 的 ， 那 么 不 管 它 是 不 是 计 算 机网 络 都 可 以 使 用 该 协 议 各 厂 家 在 实 际 制 定 自 己 的 通 信 协 议 时 ， 往 往 依 据 侧 重点 的 不 同 ， 仅 实 现 该 7层 协 议 的 子 集 ,现 场 总 线 网 络 结 构 是将 上 述 7层 简 化 为 3层 ， 分 别 由 OSI参 考 模 式 的 第 一 层 物 理层 、 第 二 层 数 据 链 路 层 和 第 七 层 应 用 层 组 成 ， 并 增 加 了 用户 层5.2 现 场 总 线 的 网 络 协 议 模 式 与 标 准 IEC（ International Electrotechnical Commission国 际电 工 技 术 委 员 会 ） 定 义 现 场 总 线 的 结 构 模 型 为 层 ， 分 别 为 物 理 层 、 数 据 链 路 层 和 应 用 层 。 其 原因 是 ： 在 现 场 总 线 实 际 应 用 中 ， 不 需 要 选 择 等 功能 ， 传 送 信 息 通 常 也 不 会 提 交 给 高 层 网 络 ， 从 实际 需 要 出 发 ， 可 以 减 少 层 次 。但 是 ， 现 有 的 传 输 层 不 支 持 广 播 式 或 多 点 式 寻 址 ，现 有 的 会 话 层 和 表 示 层 均 不 具 备 周 期 性 服 务 的 功能 。 为 此 ， 美 国 仪 表 学 会 制 定 的 ISA/SPSO现 场 总线 结 构 模 型 规 定 ， 增 加 新 的 用 户 层 。 这 样 ， 现 场总 线 结 构 模 型 统 一 为 层 ， 即 ： 物 理 层 、 数 据 链路 层 、 应 用 层 和 用 户 层 。 物 理 层 传 输 介 质 ： 铜 导 线 、 无 线 电 和 电 缆 传 输 速 率 和 距 离 ： 31.25Kbps, 1900m（ 可 加 中 继 延 长 ) 网 络 拓 扑 ： 总 线 型 、 树 型 、 点 对 点 型 网 络 设 备 数 量 ： 一 个 通 信 段 可 连 接 32台 设 备 ， 使 用 中断 器 可 接 240台 设 备 支 持 总 线 供 电 ： 总 线 上 既 传 送 数 字 信 号 ， 又 要 为 现 场设 备 提 供 电 源 能 量 。 数 字 信 号 以 31.25Hz的 频 率 调 制 到 9 32V的 直 流 供 电 电 压 上 数 据 链 路 层 （ Data link layer） 规 定 了 物 理 层 与 应 用 层 之 间 的 接 口 ， 如 数据 结 构 ， 从 总 线 上 传 送 数 据 的 规 则 ， 传 输 差 错识 别 处 理 ， 噪 音 检 测 、 多 主 站 使 用 规 范 等 。 该层 通 过 每 帧 数 据 校 验 来 保 证 信 息 的 正 确 性 、 完整 性 ， 为 应 用 层 透 明 与 可 靠 的 传 输 和 处 理 做 准备 。 概 括 的 讲 ， 其 主 要 任 务 是 解 决 通 信 过 程 中数 据 的 链 接 任 务 ， 具 体 表 现 在 确 定 总 线 存 取 规则 、 令 牌 传 送 、 申 请 立 即 响 应 ， 总 线 时 间 调度 等 规 则 。 现 场 总 线 网 络 存 取 控 制 方 式 有 3种 ： 令 牌 传 送 ： 一 个 站 必 须 持 有 令 牌 ， 才 能 开 始一 次 对 话 ， 完 成 信 息 传 送 后 即 将 令 牌 交 还 链 路 活动 调 度 器 LAS， LAS根 据 预 先 的 组 态 或 调 度 算 法将 令 牌 送 交 给 下 一 个 令 牌 申 请 者 立 即 响 应 ： 主 战 给 一 站 一 个 机 会 来 应 答 一 次信 息 申 请 令 牌 ： 一 个 站 在 每 回 答 响 应 中 允 许 立 即发 给 令 牌 在 网 络 中 的 装 置 均 要 有 不 冲 突 的 站 地 址 。 现 场 总 线 系 统 中 有 两 类 信 息 ： 1、 工 作 信 息 ： 装 置 之 间 传 送 的 数 据 ， 如 过 程 变 量 。 2、 背 景 信 息 ： 装 置 和 操 作 台 之 间 传 送 的 数 据 。 如 ：组 态 和 诊 断 信 息 。 数 据 链 路 层 的 任 务 ： 保 证 数 据 的 完 整 性 和 决 定 对 话的 时 间 和 对 象 。 数 据 链 路 帧 格 式 ： 格 式 控 制 目 标 地 址 源 地 址 参 数 数 据 校 验 应 用 层 （ Application layer） : 应 用 层 提 供 设 备 之 间 ， 及 网 络 要 求 的 数 据 服 务 ， 用 以 对现 场 控 制 进 行 支 持 。 为 给 用 户 提 供 一 个 简 单 的 接 口 ， 该 层 大 部 分 工 作 内 容 是定 义 信 息 语 法 、 传 输 信 息 的 方 法 、 网 络 初 始 化 的 管 理 操 作 ；出 错 统 计 ； 控 制 网 络 运 行 并 检 查 有 无 新 站 挂 网 或 老 站 退 出 ，系 统 连 续 询 问 各 可 能 的 站 地 址 以 寻 找 新 站 。 该 层 利 用 对 信 息 或 命 令 的 格 式 及 读 写 规 定 ， 使 通 信 双 方或 多 方 互 相 理 解 其 内 容 、 数 据 格 式 ， 并 可 完 成 纠 错 判 断 。 应 用 层 为 应 用 进 程 定 义 了 特 定 的 关 系 模 型 与 规 范 ，包 括 ： 1、 Publisher / Subscriber（ 发 布 /索 取 ） 2 、 Client / Server（ 客 户 /服 务 器 ） 用 户 层 规 定 标 准 的 功 能 块 供 用 户 组 态 成 系 统 有 10个 基 本 功 能 块 如 AI、 AO、 DI、 DO、 PID等 ，19个 附 加 的 算 术 功 能 块 现 场 总 线 系 统 组 成 从 物 理 结 构 来 看 ， 现 场 总 线 系 统 有 两 个 主 要 组 成 部 分 ：现 场 设 备 和 传 输 介 质 ， 其 中 现 场 设 备 由 现 场 微 处 理 芯 片 及外 围 电 路 构 成 ， 传 输 介 质 可 以 使 用 双 绞 线 、 同 轴 电 缆 、 光纤 等 现 场 总 线 的 拓 扑 结 构 有 很 多 种 ， 如 总 线 型 、 环 型 、 树型 、 星 型 等 FCS的 体 系 结 构 现 场 总 线 的 发 展 概 况 现 场 总 线 是 综 合 自 动 化 的 发 展 需 要 智 能 仪 表 为 现 场 总 线 的 出 现 奠 定 了 基 础 现 场 总 线 将 朝 着 开 放 系 统 、 统 一 标 准 的 方 向 发展 在 过 程 控 制 领 域 ： 从 20世 纪 50年 代 至 今 的 信 号 标 准 ： 4-2OmA （ 0-5V） 的 模 拟 信 号 。 20世 纪 70年 代 ， 数 字 式 计 算 机 引 入 到 测 控 系 统 中 ，进 行 集 中 式 控 制 处 理 。 20世 纪 80年 代 ， 微 处 理 器 在 控 制 领 域 得 到 应 用 ，嵌 入 到 各 种 仪 器 设 备 ， 形 成 分 布 式 控 制 系 统 。 随 着 微 处 理 器 的 发 展 和 广 泛 应 用 ， 产 生 了 以 IC代 替 常 规 电 子 线 路 ， 以 微 处 理 器 为 核 心 ， 实 施信 息 采 集 、 显 示 、 处 理 、 传 输 及 优 化 控 制 等 功能 的 智 能 设 备 。 一 些 具 有 专 家 辅 助 推 断 分 析 与决 策 能 力 的 数 字 式 智 能 化 仪 表 产 品 ， 其 本 身 具备 了 诸 如 自 动 量 程 转 换 、 自 动 调 零 、 自 校 正 、自 诊 断 等 功 能 ， 还 能 提 供 故 障 诊 断 、 历 史 信 息报 告 、 状 态 报 告 、 趋 势 图 等 功 能 。 通 信 技 术 的 发 展 ， 促 使 传 送 数 字 化 信 息 的 网 络 技术 开 始 得 到 广 泛 应 用 。 与 此 同 时 ， 基 于 质 量 分 析的 维 护 管 理 、 与 安 全 相 关 系 统 的 测 试 记 录 、 环 境监 视 需 求 的 增 加 ， 都 要 求 仪 表 能 在 当 地 处 理 信 息 ，并 在 必 要 时 允 许 被 管 理 和 访 问 ， 这 些 也 使 现 场 仪表 与 上 级 控 制 系 统 的 通 信 量 大 增 。 从 实 际 应 用 性 能 的 角 度 出 发 ， 控 制 界 也 不 断 在 控制 精 度 、 可 操 作 性 、 可 维 护 性 、 可 移 植 性 等 方 面提 出 新 需 求 。 由 此 ， 导 致 了 现 场 总 线 的 产 生 。 现 场 总 线 的 优 点 (优 越 性 ) （ 1） FCS实 现 全 数 字 化 通 信 DCS采 用 层 次 化 的 体 系 结 构 ， 通 信 网 络 分 布 于 各层 并 采 用 数 字 通 信 方 式 ， 唯 有 生 产 现 场 层 的 常 规模 拟 仪 表 仍 然 是 一 对 一 模 拟 信 号 (如 4 20 mA DC)传 输 方 式 ， DCS是 一 个 “ 半 数 字 信 号 ” 系 统 。 FCS采 用 全 数 字 化 、 双 向 传 输 的 通 信 方 式 。 从 最底 层 的 传 感 器 、 变 送 器 和 执 行 器 就 采 用 现 场 总 线网 络 ， 逐 层 向 上 直 到 最 高 层 均 为 通 信 网 络 互 联 。多 条 分 支 通 信 线 延 伸 到 生 产 现 场 ， 用 来 连 接 现 场数 字 仪 表 ， 采 用 一 对 N连 接 。 （ 2） FCS实 现 彻 底 的 全 分 散 式 控 制 在 DCS中 ， 生 产 现 场 的 多 台 模 拟 仪 表 集 中 接 于输 入 输 出 单 元 ， 而 与 控 制 有 关 的 输 入 、 输 出 、控 制 、 运 算 等 功 能 块 都 集 中 于 DCS的 控 制 站 内 。DCS只 是 一 个 “ 半 分 散 ” 系 统 。 FCS废 弃 了 DCS的 输 入 输 出 单 元 ， 由 现 场 仪 表取 而 代 之 ， 即 把 DCS控 制 站 的 功 能 化 整 为 零 ，功 能 块 分 散 地 分 配 给 现 场 总 线 上 的 数 字 仪 表 ， ，实 现 彻 底 的 分 散 控 制 。 （ 3） FCS实 现 不 同 厂 商 产 品 互 联 、 互 操 作 DCS系 统 的 现 场 级 设 备 都 是 各 制 造 商 自 行 研 制开 发 的 ， 不 同 厂 商 的 产 品 由 于 通 信 协 议 的 专有 与 不 兼 容 ， 彼 此 难 以 互 联 、 互 操 作 。 而 FCS的 现 场 设 备 只 要 采 用 同 一 总 线 标 准 ， 不同 厂 商 的 产 品 既 可 互 联 也 可 互 换 ， 并 可 以 统一 组 态 ， 从 而 彻 底 改 变 传 统 DCS控 制 层 的 封 闭性 和 专 用 性 。 具 有 很 好 的 可 集 成 性 。 （ 4） FCS增 强 系 统 的 可 靠 性 、 可 维 护 性 FCS采 用 总 线 连 接 方 式 替 代 传 统 的 DCS一 对 一的 I/O连 线 ， 对 于 大 规 模 的 I/O系 统 来 说 ， 减少 了 DCS由 接 线 点 造 成 的 不 可 靠 因 素 。 同 时 ，数 字 化 的 现 场 设 备 替 代 模 拟 仪 表 ， FCS具 有 现场 设 备 的 在 线 故 障 诊 断 、 报 警 、 记 录 功 能 ，可 完 成 现 场 设 备 的 远 程 参 数 设 定 、 参 数 修 改等 工 作 ， 因 而 增 强 系 统 的 可 维 护 性 。 （ 5） FCS降 低 系 统 工 程 成 本 FCS对 于 大 范 围 、 大 规 模 分 布 式 控 制 系 统 来 说 ，节 省 了 电 缆 、 I/O装 置 及 电 缆 敷 设 费 用 。 以 每2 3台 现 场 仪 表 接 到 一 根 电 缆 计 算 ， 平 均 可减 少 1/2到 2/3的 输 入 输 出 卡 、 输 入 输 出 柜 和隔 离 器 等 。 因 此 ， 现 场 总 线 仪 表 与 控 制 室 间的 电 缆 连 接 和 安 装 等 费 用 估 计 可 节 约 50 。 现 场 总 线 标 准 的 制 定 标 准 化 的 重 要 性 ： 标 准 化 是 经 济 建 设 、 科 技 进 步 、 国 际 贸 易 和社 会 发 展 的 重 要 技 术 基 础 。 它 不 仅 与 人 民 生活 和 工 农 业 生 产 密 切 相 关 ， 也 与 国 际 贸 易 和科 技 合 作 的 开 展 密 切 相 关 ， 标 准 化 是 实 现 现代 化 大 规 模 生 产 的 重 要 保 证 ， 是 规 范 市 场 秩序 ， 连 接 国 内 外 市 场 的 重 要 手 段 。 因 此 ， 现场 总 线 的 标 准 ， 特 别 是 国 际 标 准 受 到 了 大 家的 重 视 。 一 、 制 订 标 准 的 机 构 (一 )世 界 上 国 际 标 准 化 组 织 ISO (International Standard Organization) 国 际 电 工 委 员 会 IEC (International Electrotechnical Commission)及 国 际 电 信 联 盟ITU （ International Telegraphy Union） 欧 洲 电 工 标 准 化 委 员 会 CENELEC（ 欧 洲 标 准 EN） (二 )国 内 制 订 国 家 标 准 GB的 组 织 是 全 国 标 准 化 委 员 会 二 、 制 订 现 场 总 线 标 准 的 机 构 (一 )IEC/TC65/SC65C/WG6 (1)IEC/TC65是 国 际 电 工 委 员 会 第 65分 技 术 委 员会 ， 它 成 立 于 1969年 。 其 工 作 任 务 是 制 订 有 关连 续 和 批 量 过 程 的 工 业 过 程 测 量 和 系 统 的 元 件的 标 准 ， 协 调 影 响 测 量 和 控 制 系 统 匹 配 的 相 关元 件 特 性 的 标 准 化 工 作 。 (2)SC65C是 IEC/TC65下 的 分 委 员 会 (SC是SubCommittee的 缩 写 ， 而 SC65C是 SC65下 边 的一 个 组 织 )， 负 责 测 量 和 控 制 系 统 的 数 字 数 据通 信 的 标 准 化 工 作 。 (3)WG6是 SC65C下 的 工 作 组 (WG是 Working Group的 缩 写 ， WG6是 第 6工 作 组 )， 成 立 于1988年 ， 负 责 工 业 过 程 计 算 机 子 系 统 间 的 通信 的 标 准 化 工 作 。 现 场 总 线 技 术 标 准 化 的 具体 工 作 是 由 WG6来 负 责 的 。 (二 )IEC/TCl7/SCl7B IEC/TCl7是 分 管 电 器 的 标 准 化 委 员 会 ， 其 下的 SCl7B是 负 责 低 压 电 器 的 分 委 员 会 ， 也 制 订了 与 之 有 关 的 现 场 总 线 的 标 准 。 (三 )IEC/TC22是 分 管 电 力 电 子 的 标 准 化 委 员会 三 、 制 订 现 场 总 线 的 程 序 和 阶 段 现 场 总 线 标 准 的 制 订 需 经 历 若 干 阶 段 (l)NP阶 段 :相 当 于 国 内 标 准 制 定 过 程 中 的 上计 划 阶 段 ; (2)CD阶 段 :相 当 于 国 内 的 征 求 意 见 阶 段 ; (3)CDV阶 段 :相 当 于 国 内 送 审 阶 段 ; (4)FDIS阶 段 :相 当 于 国 内 报 批 阶 段 。 四 、 有 关 投 票 表 决 的 规 定 (1)参 加 投 票 表 决 的 国 家 有 两 类 ， 即 有 投 票权 资 格 的 国 家 称 为 P成 员 国 ;及 有 观 察 员 资 格的 国 家 称 为 O成 员 国 。 (2)投 票 表 决 需 要 有 75%以 上 的 赞 成 率 方 能 通过 (只 计 P成 员 国 )。 (3)若 反 对 率 超 过 25%(计 P与 0成 员 国 )则 反 对有 效 ， 标 准 不 能 通 过 。 五 、 制 订 国 际 标 准 的 历 程 (1)1983年 现 场 总 线 的 概 念 首 先 在 欧 洲 兴 起 。 (2)1984年 IEC就 开 始 制 订 现 场 总 线 的 国 际 标准 ， 稍 后 即 成 立 了 推 广 及 试 用 的 组 织 IFC。 (3)1989年 Profibus成 为 德 国 国 家 标 准 。 (4)1990年 FIP成 为 法 国 国 家 标 准 。 (5)1992年 ISP成 立 。 ISP是 可 互 操 作 系 统 协 议 (Interoperable System Protocol)的 简 称 。 (6)1993年 IEC61158-2物 理 层 规 范 通 过 表 决 成为 国 际 标 准 ， 但 关 键 的 链 路 层 因 与 Profibus有 分 歧 ， 遭 到 德 国 与 欧 洲 一 些 小 国 的 抵 制 而未 获 通 过 。 (7)1993年 WorldFIP成 立 。 WorldFIP是 世 界 工厂 仪 表 协 议 (World Factory Instrumentation protocol)简 称 。 它 基 于 法 国 的 FIP,它 也 有 100多 家 公 司 参 加 ,由 Honeywell公 司 牵 头 。 (8)1994年 6月 ， ISP与 WorldFIP感 到 二 大 阵 营 旗鼓 相 当 ， 谁 也 胜 不 了 谁 ， 于 是 握 手 言 和 ， 合 并成 为 现 场 总 线 基 金 会 FF(FieldbusFoundation) ， 它推 出 的 基 金 会 现 场 总 线 (FoundationFieldbus)也简 称 FF。 但 前 者 代 表 一 个 组 织 ;而 后 者 代 表 现 场 总 线 。 当 时 ， WorldFIP的 北 美 部 分 参 加 了 现 场 总 线 基金 会 FF， 但 WorldFIP的 欧 洲 部 分 仍 保 持 独 立 。 (9)1994年 因 FF已 成 立 ， IFC解 散 了 。 (10)1996年 12月 30日 ， 对 经 过 改 进 后 的 链 路 层 又进 行 了 一 次 投 票 表 决 ， 但 还 是 因 为 与 Profibus不一 致 而 遭 到 德 国 和 一 些 欧 洲 小 国 家 的 反 对 ， 投 票结 果 是 赞 成 率 为 75， 理 应 通 过 ;但 反 对 率 为 27，超 过 了 25， 又 不 能 通 过 。 对 数 据 链 路 层 标 准 进 行 重 新 表 决 ， 投 票 截 止 日 期为 1997年 10月 31日 。 1998年 2月 20日 由 执 委 会 的 15个 成 员 国 投 票 表 决 ，这 样 就 便 链 路 层 及 应 用 层 的 4个 规 范 及 服 务 定 义 (IEC61158-3-6)进 人 了 FDIS阶 段 ， 如 果 这 次 表 决成 功 ， 就 成 为 国 际 标 准 了 。 (11)1998年 9月 30日 经 过 投 票 表 决 ， 结 果 是 68赞成 ， 32反 对 ， 由 于 反 对 率 又 超 过 25,因 此 又 被 否决 了 。 1998年 10月 在 IEC/TC65于 美 国 休 斯 敦 召 开 的 年 会上 ， IEC/SC65/WG6组 长 RHCaro以 投 反 对 票 中 的 6个 国 家 (丹 麦 、 波 兰 、 斯 洛 伐 克 、 罗 马 尼 亚 、 卢森 堡 与 捷 克 )所 附 的 意 见 为 非 技 术 性 意 见 为 由 ，要 求 TEC在 统 计 最 终 投 票 表 决 结 果 时 ， 不 计 入 上述 6国 的 反 对 票 。 (12)1999年 6月 15日 IEC执 委 会 作 出 决 议 ， 即修 改 现 有 技 术 报 告 包 括 构 筑 不 同 框 架 的 协 议以 及 其 所 需 的 服 务 ， 并 且 至 少 应 包 括 一 种 其他 协 议 ， 在 4个 月 内 作 为 FDIS递 交 投 票 。 执 委会 同 意 省 略 CDV阶 段 以 满 足 目 标 设 定 时 间 ， 并提 出 若 4个 月 后 有 可 能 准 备 不 好 文 件 ， 或 在 投票 阶 段 最 后 投 票 失 败 ， 现 有 的 技 术 报 告 (指FF的 HI)将 转 化 为 IEC标 准 。 (13)2000年 7月 SC65/WG6在 加 拿 大 渥 太 华 召 开 了现 场 总 线 标 准 制 定 工 作 会 议 ， 会 议 决 定 保 留 IEC技 术 报 告 并 作 为 类 型 1， 其 他 行 规 将 按 照 技 术 报告 的 格 式 作 为 类 型 2-8加 入 IEC61158。 (14)2000年 底 对 IEC61158进 行 了 投 票 表 决 。 根据 2000年 1月 4日 IEC中 央 办 公 室 公 布 投 票 表 决 的结 果 ， 显 示 经 过 修 改 后 的 IEC61158己 正 式 获 得 通过 。 投 票 情 况 如 下 :P成 员 国 投 票 99个 ， 95票 赞 成 ，4票 反 对 ， 1票 弃 权 。 长 达 15年 之 久 的 ， 环 绕 着国 际 标 准 的 现 场 总 线 大 战 以 妥 协 而 告 终 ， 结 果 是出 现 了 多 种 标 准 。 1.5 现 场 总 线 的 现 状 （ 1） 多 种 总 线 共 存 （ 2） 每 种 总 线 各 有 其 应 用 领 域 （ 3） 每 种 总 线 各 有 其 国 际 组 织 （ 4） 每 种 总 线 均 有 其 支 持 背 景 （ 5） 设 备 制 造 商 参 加 多 个 总 线 组 织 （ 6） 多 种 总 线 均 作 为 国 家 和 地 区 标 准 （ 7） 协 调 共 存 （ 8） 工 业 以 太 网 引 入 工 业 领 域 八 . 多 种 现 场 总 线 标 准 并 存 带 来 的 问 题 现 场 总 线 自 出 现 以 来 ， 一 直 以 开 放 性 、 全 数 字 化 、互 可 操 作 性 、 智 能 化 等 特 点 著 称 ， 用 户 对 现 场 总线 的 应 用 与 推 广 充 满 信 心 。 而 现 场 总 线 标 准 的 门户 之 争 日 见 白 热 化 ， 多 种 现 场 总 线 互 不 兼 容 ， 不同 协 议 的 产 品 之 间 无 法 实 现 高 速 的 实 时 数 据 传 输 ，“ 自 动 化 孤 岛 现 象 并 未 真 正 得 到 解 决 。 而 且 近20年 的 标 准 之 争 和 市 场 大 战 最 终 形 成 了 多 种 标 准共 存 的 局 面 ， 这 种 情 况 无 论 在 技 术 层 面 还 是 市 场层 面 都 给 用 户 带 来 了 疑 问 和 困 惑 。 （ 1） 多 标 准 共 存 与 现 场 总 线 的 开 放 性 相 背 离 一 般 认 为 DCS和 PLC属 于 封 闭 性 系 统 ， 而FCS是 开 放 性 系 统 ， 所 以 它 一 出 现 就 受 到 用户 的 肯 定 。 但 实 际 上 FCS的 开 放 性 是 针 对 自己 来 说 是 开 放 的 ， 异 种 现 场 总 线 之 间 却 不 是开 放 的 。 因 此 ， 多 种 标 准 现 场 总 线 的 共 存 使得 现 场 总 线 事 实 上 并 不 具 备 开 放 性 的 特 点 。 （ 2） 多 标 准 共 存 难 以 体 现 现 场 总 线 的 互 操 作 性 现 场 设 备 种 类 繁 多 ， 一 个 制 作 商 不 可 能 提 供 生 产 过程 的 全 部 设 备 ， 同 时 ， 用 户 也 不 希 望 受 制 于 某 一 个制 作 商 。 现 场 总 线 的 主 要 特 点 之 一 互 可 操 作 性无 疑 受 到 用 户 青 睐 ， 但 现 有 的 10种 现 场 总 线 国 际 标准 中 ， 不 同 种 类 的 现 场 级 现 场 总 线 之 间 是 不 能 进 行互 操 作 的 。 虽 说 可 以 通 过 网 关 （ Gateway） 通 信 或 通过 OPC协 议 进 行 互 操 作 ， 但 这 种 互 操 作 不 能 直 接 在 现场 仪 表 间 进 行 ， 而 且 不 能 满 足 系 统 对 实 时 性 的 要 求 。 （ 3） 多 标 准 共 存 阻 碍 现 场 总 线 技 术 的 推 广 目 前 的 现 场 总 线 国 际 标 准 IEC61158 Ed 3规 定 中 7类 经 典 现 场 总 线 ， 它 们 各 具 特 点 ， 但 又 都 有 不 足 之 处 ，没 有 一 种 能 覆 盖 所 有 的 应 用 范 围 。 因 此 ， 可 以 说 多 标准 形 同 无 标 准 ， 在 这 种 情 况 给 仪 表 制 造 商 、 设 计 部 门和 用 户 带 来 了 很 大 不 便 。 用 户 要 随 时 注 意 国 际 上 各 种现 场 总 线 及 相 关 技 术 的 动 态 ， 承 担 着 由 国 际 标 准 的 变化 给 用 户 带 来 的 风 险 ， 这 种 态 势 使 得 一 些 打 算 进 行 技术 改 造 的 企 业 处 于 观 望 状 态 ， 这 样 势 必 影 响 现 场 总 线技 术 的 推 广 。 几 种 流 行 的 现 场 总 线基 金 会 现 场 总 线 （ FF）过 程 现 场 总 线 （ Process Field Bus - Profibus）局 部 操 作 网 络 （ Local Operating work - LON）控 制 器 局 域 网 （ Controller Area Network - CAN）设 备 网 （ DeviceNet）控 制 网 （ ControlNet） 基 金 会 现 场 总 线 ， 即 Foudation Fieldbus,简 称 FF，这 是 在 过 程 自 动 化 领 域 得 到 广 泛 支 持 和 具 有 良 好 发 展 前景 的 技 术 。 其 前 身 是 以 美 国 Fisher-Rousemount公 司 为首 ， 联 合 Foxboro、 横 河 、 ABB、 西 门 子 等 80家 公 司 制订 的 ISP协 议 和 以 Honeywell公 司 为 首 ， 联 合 欧 洲 等 地 的150家 公 司 制 订 的 WordFIP协 议 。 屈 于 用 户 的 压 力 ， 这两 大 集 团 于 1994年 9月 合 并 ， 成 立 了 现 场 总 线 基 金 会 ，致 力 于 开 发 出 国 际 上 统 一 的 现 场 总 线 协 议 。 它 以ISO/OSI开 放 系 统 互 连 模 型 为 基 础 ， 取 其 物 理 层 、 数 据链 路 层 、 应 用 层 为 FF通 信 模 型 的 相 应 层 次 ， 并 在 应 用 层上 增 加 了 用 户 层 。 基 金 会 现 场 总 线 （ FF） 基 金 会 现 场 总 线 分 低 速 H1和 高 速 H2两 种 通 信 速 率 。H1的 传 输 速 率 为 31.25Kbps， 通 信 距 离 可 达 1900m (可加 中 继 器 延 长 )， 可 支 持 总 线 供 电 ， 支 持 本 质 安 全 防 爆环 境 。 H2的 传 输 速 率 为 1Mbps和 2.5Mbps两 种 ， 其 通信 距 离 为 750m和 500m。 物 理 传 输 介 质 可 支 持 双 绞 线 、光 缆 和 无 线 发 射 ， 协 议 符 合 IEC1158-2标 准 。 其 物 理 媒介 的 传 输 信 号 采 用 曼 彻 斯 特 编 码 ， 每 位 发 送 数 据 的 中 心位 置 或 是 正 跳 变 ， 或 是 负 跳 变 。 正 跳 变 代 表 0， 负 跳 变代 表 1， 从 而 使 串 行 数 据 位 流 中 具 有 足 够 的 定 位 信 息 ，以 保 持 发 送 双 方 的 时 间 同 步 。 接 收 方 既 可 根 据 跳 变 的 极性 来 判 断 数 据 的 “ 1”、 “ 0”状 态 ， 也 可 根 据 数 据 的 中 心位 置 精 确 定 位 。 LonWorks是 又 一 具 有 强 劲 实 力 的 现 场 总 线 技 术 ， 它是 由 美 国 Ecelon公 司 推 出 并 由 它 们 与 摩 托 罗 拉 、 东 芝 公 司共 同 倡 导 ， 于 1990年 正 式 公 布 而 形 成 的 。 它 采 用 了 ISO/OSI模 型 的 全 部 七 层 通 讯 协 议 ， 采 用 了面 向 对 象 的 设 计 方 法 ， 通 过 网 络 变 量 把 网 络 通 信 设 计 简化 为 参 数 设 置 ， 其 通 讯 速 率 从 300bps至 15Mbps不 等 ， 直接 通 信 距 离 可 达 到 2700m(78kbps， 双 绞 线 )， 支 持 双 绞 线 、同 轴 电 缆 、 光 纤 、 射 频 、 红 外 线 、 电 源 线 等 多 种 通 信 介质 ， 并 开 发 相 应 的 本 安 防 爆 产 品 ， 被 誉 为 通 用 控 制 网 络 。 LonWorks LonWorks技 术 所 采 用 的 LonTalk协 议 被 封 装 在 称 之为 Neuron的 芯 片 中 并 得 以 实 现 。 集 成 芯 片 中 有 3个 8位CPU； 一 个 用 于 完 成 开 放 互 连 模 型 中 第 1 2层 的 功 能 ，称 为 媒 体 访 问 控 制 处 理 器 ， 实 现 介 质 访 问 的 控 制 与 处 理 ；第 二 个 用 于 完 成 第 3 6层 的 功 能 ， 称 为 网 络 处 理 器 ， 进行 网 络 变 量 处 理 的 寻 址 、 处 理 、 背 景 诊 断 、 函 数 路 径 选择 、 软 件 计 量 时 、 网 络 管 理 ， 并 负 责 网 络 通 信 控 制 、 收发 数 据 包 等 ； 第 三 个 是 应 用 处 理 器 ， 执 行 操 作 系 统 服 务与 用 户 代 码 。 芯 片 中 还 具 有 存 储 信 息 缓 冲 区 ， 以 实 现CPU之 间 的 信 息 传 递 ， 并 作 为 网 络 缓 冲 区 和 应 用 缓 冲 区 。如 Motorola公 司 生 产 的 神 经 元 集 成 芯 片 MC143120E2就 包含 了 2KRAM和 2KEEPROM。 LonWorks技 术 的 不 断 推 广 促 成 了 神 经 元 芯 片 的 低 成本 (每 片 价 格 约 5 9美 元 )， 而 芯 片 的 低 成 本 又 返 过 来 促进 了 LonWorks技 术 的 推 广 应 用 ， 形 成 了 良 好 循 环 ， 据Ecelon公 司 的 有 关 资 料 ， 到 1996年 7月 ， 已 生 产 出 500万片 神 经 元 芯 片 。 LonWorks公 司 的 技 术 策 略 是 鼓 励 各 OEM开 发 商 运 用LonWorks技 术 和 神 经 元 芯 片 ， 开 发 自 己 的 应 用 产 品 ， 据称 目 前 已 有 2600多 家 公 司 在 不 同 程 度 上 卷 入 了 LonWorks技 术 ， 1000多 家 公 司 已 经 推 出 了 LonWorks产 品 ， 并 进 一步 组 织 起 LonWark互 操 作 协 会 ， 开 发 推 广 LonWorks技 术与 产 品 。 它 被 广 泛 应 用 在 楼 宇 自 动 化 、 家 庭 自 动 化 、 保 安 系统 、 办 公 设 备 、 运 输 设 备 、 工 业 过 程 控 制 等 行 业 。 为 了支 持 LonWorks与 其 它 协 议 和 网 络 之 间 的 互 连 与 互 操 作 ，该 公 司 正 在 开 发 各 种 网 关 ， 以 便 将 LonWorks与 以 太 网 、FF、 Modbus、 DeviceNet、 Profibus、 Serplex等 互 连 为 系统 。 另 外 ， 在 开 发 智 能 通 信 接 口 、 智 能 传 感 器 方 面 ，LonWorks神 经 元 芯 片 也 具 有 独 特 的 优 势 。 LonWorks技术 已 经 被 美 国 暖 通 工 程 师 协 会 ASRE定 为 建 筑 自 动 化 协 议BACnet的 一 个 标 准 。 根 据 刚 刚 收 到 的 消 息 ， 美 国 消 费 电子 制 造 商 协 会 已 经 通 过 决 议 ， 以 LonWorks技 术 为 基 础 制定 了 EIA-709标 准 。 Profibus Profibus是 作 为 德 国 国 家 标 准 DIN 19245和 欧 洲 标 准prEN 50170的 现 场 总 线 。 ISO/OSI模 型 也 是 它 的 参 考 模 型 。由 Profibus -Dp、 Profibus -FMS、 Profibus-PA组 成 了Profibus系 列 。 DP型 用 于 分 散 外 设 间 的 高 速 传 输 ， 适 合于 加 工 自 动 化 领 域 的 应 用 。 FMS意 为 现 场 信 息 规 范 ， 适用 于 纺 织 、 楼 宇 自 动 化 、 可 编 程 控 制 器 、 低 压 开 关 等 一般 自 动 化 ， 而 PA型 则 是 用 于 过 程 自 动 化 的 总 线 类 型 ， 它遵 从 IEC1158-2标 准 。 该 项 技 术 是 由 西 门 子 公 司 为 主 的 十几 家 德 国 公 司 、 研 究 所 共 同 推 出 的 。 针 对 不 同 的 应 用 场 合 ， Profibus分 为 3个 系 列 ： Profibus-DP（ D