五、现场总线

    1-现场总线的功用

现场总线（Field Bus）是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。

现场总线的节点是现场设备或现场仪表，例如：传感器、变送器、执行器和编程器等，它们不是传统的单功能的现场仪表，而是具有综合功能的智能型仪表。例如：温度变送器不仅具有温度信号变换和补偿功能，而且具有PID控制和运算功能；调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还具有输出特性补偿、自校验和自诊断功能。现场设备具有互换性和互操作性，采用总线供电，具有本质安全性。

现场总线不单是一种通信技术，也不仅是用数字仪表代替模拟仪表，关键是用新一代的现场总线控制系统FCS（Field Bus Control System）代替传统的集散控制系统DCS（Distributed Control System），实现现场通信网络与控制系统的集成。

现场总线技术是计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成。它的出现将使传统的自动控制系统产生革命性的变革，即变革传统的信号标准、通信标准和系统标准，变革现有自动控制系统的体系结构、设计方法、安装调试方法和产品的结构。

2-现场总线的定义

现场总线的重要性正被越来越多的人所重视，掀起了一股现场总线的热潮，某些厂商也推出了一些现场总线的产品。但也有某些赶时髦的厂商将“现场总线”一词滥用，致使某些用户对现场总线的认识模糊。如果误认为现场总线仅仅是用数字信号传输的仪表代替模拟信号（4~20mA DC）传输的仪表，那就无异于将个人电脑当成一台游戏机看待。

3-现场总线的优点

    □1 一对N结构

一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号，如下面图—12中所示。这种一对N结构使得接线简单，工程周期短，安装费用低，维护容易。如果增加现场设备或现场仪表，只须并行挂接到电缆上，无须架设新的电缆线。

□2 可靠性高

数字信号传输抗干扰强，精度高，无须采用抗干扰和提高精度的措施，从而降低了成本。

□3 可控状态

操作员在控制室既可了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对其进行参数调整，还可预测或寻找故障。整个系统始终处于操作员的远程监视与可控状态，提高了系统的可靠性、可

控性和可维护性。

□4 互换性

用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优秀的现场设备或现场仪表，并将不同品牌的仪表互连。即使某台仪表出现故障，换上其它品牌的同类仪表也能照常工作，这样便可以实现“即接即用”。

□5 互操作性

用户将不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起，进行统一组态，构成其所需的控制回路；而不必绞尽脑汁，为集成不同品牌的产品在硬件或软件上花费力气或增加额外投资。

□6 综合功能

现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能，实现了一表多用，不仅方便了用户，而且降低了成本。

□7 分散控制

控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表就可以构成控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性，如下面的图—13中所示。

□8 统一组态

由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念，所有制造商都使用相同的功能块，并统一组态的方法。这样就使组态变得非常简单，用户不需要因为现场设备或现场仪表种类不同带来组态方法的不同，而进行培训或学习组态的方法及编程语言。

□9 开放式系统

现场总线为开放式互联网络，所有技术和标准全是公开的，所有制造商都必须遵循。这样一来，用户可以自由集成不同制造商的通信网络，既可与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以极其方便地共享网络数据库。

4-现场总线的产生历程

早在20世纪80年代中期，国外就提出现场总线，但研究工作进展缓慢，而且无国际标准可遵守。所谓国际标准，是指由很多国家参加的、具有世界影响的权威学术组织批准的，并且为参加国自愿接受的标准。通常国际标准制定的过程，往往要经过多次反复和花费见长的时间。下面列举部分国际组织研究现场总线的经过，以便使大家了解现场总线标准的产生历程。

□1 ISA/SP50

1984年，美国仪表学会ISA（Instrument Society of America）下属的标准实施（standard and practice）第50组，简称ISA/SP50开始制定现场总线标准。

1992年，国际电工委员会IEC批准了SP50物理层标准。

□2 PROFLBUS

1986年，德国开始制定过程现场总线（process field Bus）标题，简称PROFIBUS。

1990年，完成PROFIBUS标准的制定，并在德国标准DIN19245中对其进行了论述。

1994年，PROFIBUS用户组织又推出了用于过程自动化的现场总线PROFIBUS—PA （Process Automation），通过总线供电，提供本质安全。

□3 ISP和ISPF

1992年，由Siemens, Foxboro, Rosemount, Yokogawa（横河），ABB等公司成立了ISP（Interoperable System Project，可互操作系统规划）组织，以德国标准PROFIBUS为基础制定现场总线标准。

1993年，成立ISP基金会ISPF（ISP Foundation）。

□4 World FIP

1993年，由Honeywell, Bailey等公司牵头，成立了World FIP，约有120多个公司加盟，以法国标准FIP（Factory Instrumentation Protocol）为基础制定现场总线标准。

□5 HART和HCF

1986年，由Rosemount提出HART（Highway Addressable Remote Transducer，可寻址远程传感器数据通路）通信协议，它是在4~20mA直流模拟信号上叠加FSK（Frequency Shift Keying，频率调制键控）数字信号，既可用作4~20mA直流模拟仪表，也可用作数字通信仪表。显然，这是现场总线的过渡性协议。

1993年，成立了HART通信基金会HCF（HART Communication Foundation），约有70多家公司加盟，如Siemens, Yokogawa（横河），E+H, Fisher, Rosemount等。

□6 FF（现场总线基金会）

国际标准的制定过程，首先是企业标准，然后过渡到企业集团标准，最后提交给具有世界性影响的权威学术组织批准。由于各大公司或企业集团极力维护自身的利益，互不相让，致使现场总线标准化工作进展缓慢。

现实情况是，广大用户要求革新模拟仪表和DCS，尽快使用现场总线，而且当今的技术已经能满足现场总线的硬件环境和软件环境，各大仪表和DCS制造商又想早点有利可图，不想维持僵局。在这种情况下，1994年ISPF和World FIP握手言和，成立了现场总线基金会FF（Field Bus Foundation），总部设在美国的克萨斯州的奥斯汀。

该基金会中聚集了世界著名仪表、DCS和自动化设备的制造商、研究机构和最终用户。现有基金会成员120余家，以及几十家最终用户组成了顾问委员会。

现场总线基金会（FF）成立以来，推动了现场总线的研究和产品的开发。在现场总线物理层已获得国际电工委员会IEC批准的情况下，于1996年一季度完成了物理层的低速总线H1的最后工作。在此期间，安装了示范系统，进入工厂试运行和取证，如美国休斯敦Monsanto Chocolate Bayou工厂安装了Siemens, Yokogawa, Fisher, Smart, Foxboro, Rosemount, E+H和Micro Motion等公司的产品。

低速总线H1已进入实用阶段，可以供应标准化的产品。

现场总线物理层的高速总线H2已完成Alpha测试、Beta测试和现场试验。

FF其余层（数据链路层、应用层和用户层）的标准也已形成。

5-现场总线的几种类型

目前，较流行的现场总线主要有：CAN、Lon Works、PROFIBUS、HARR、FF等。

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