現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).doc

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)榮應(yīng)超摘要：現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，它是現(xiàn)場(chǎng)控制技術(shù)與現(xiàn)代電子、計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化及可互連和互操作性，有助于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)進(jìn)一步向分散化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。本文介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)產(chǎn)生的背景及現(xiàn)狀，現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線 現(xiàn)狀 趨勢(shì) 現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱(chēng)為開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它是工業(yè)控制的底層網(wǎng)絡(luò)，與執(zhí)行器、傳感器等直接打交道，屬于局域網(wǎng)的范疇。1、 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)產(chǎn)生的背景隨著計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)的發(fā)展，以及全球化市場(chǎng)的逐漸形成，導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)力更加劇烈。工業(yè)生產(chǎn)必須加快新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，改善質(zhì)量，降低成本，并不斷的完善售前售后服務(wù)，才能在劇烈的競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。于是，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)也就應(yīng)運(yùn)而生，它把市場(chǎng)、生產(chǎn)計(jì)劃、制造過(guò)程、企業(yè)管理、售后服務(wù)看作要統(tǒng)一的生產(chǎn)過(guò)程，并采用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、通信等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的綜合自動(dòng)化，以改善生產(chǎn)和管理的決策。要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，就是要把整個(gè)過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)之間的信息交換，一是要使用大量的電纜，成本高，二是信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，影響環(huán)境溫度，產(chǎn)生粉塵、有害氣體等，影響信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。要?shí)現(xiàn)企業(yè)的信息集成和實(shí)施綜合自動(dòng)化，就必須設(shè)計(jì)出一種能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境運(yùn)行的，可靠性強(qiáng)、造價(jià)低廉的通信系統(tǒng)，形成工業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與外界的信息交換?，F(xiàn)場(chǎng)總線就是在這種實(shí)際需要的驅(qū)動(dòng)下應(yīng)運(yùn)而生的，它應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)各控制器及智能儀表設(shè)備互聯(lián)，構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線就是順應(yīng)這一形式發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。二、現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn) 由于市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)，世界各大控制系統(tǒng)廠家都相繼開(kāi)發(fā)了各自的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)繁多。要想達(dá)到開(kāi)放、兼容、互操作和各總線間互聯(lián)的目的，就必須實(shí)行大家都遵守的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際IEC/TC65標(biāo)準(zhǔn)化組織為統(tǒng)一現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議，在10多年工作中，通過(guò)爭(zhēng)論與妥協(xié)，于1999年12月底通過(guò)了8種總線標(biāo)準(zhǔn)的折中方案。這8種總線的類(lèi)型是：IEC技術(shù)報(bào)告（FF即H1）、CONTROLNET、PROFIBUS、P-NET、FF、HSE、SWIFTNET、WOLDFIP、INTERBUS，再加上IECTC17B通過(guò)的3種現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即SDS、ASI與DeviceNet，還有ISO11898的CAN，共有12種之多。IEC/TC65 負(fù)責(zé)測(cè)量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作的SC65C/WG6，是最先開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)化工作的組織。 1、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FoundationFieldbus 簡(jiǎn)稱(chēng)FF）這是以美國(guó)Fisher-Rousemount公司為首的聯(lián)合了橫河、ABB、西門(mén)子、英維斯等80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首的聯(lián)合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協(xié)議于1994年9月合并的。該總線在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的開(kāi)放化系統(tǒng)互聯(lián)OSI的簡(jiǎn)化模型（1，2，7層），即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，另外增加了用戶(hù)層。FF分低速H1和高速H2兩種通信速率，前者傳輸速率為31.25Kbit/秒，通信距離可達(dá)1900m，可支持總線供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)境。后者傳輸速率為1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距離為750m和500m，支持雙絞線、光纜和無(wú)線發(fā)射，協(xié)議符號(hào)IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。FF的物理媒介的傳輸信號(hào)采用曼切斯特編碼。2、CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域網(wǎng)）最早由德國(guó)BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領(lǐng)域，其總線規(guī)范已被ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協(xié)議分為二層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破壞性總線仲裁技術(shù)，通過(guò)設(shè)置優(yōu)先級(jí)來(lái)避免沖突，通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10KM/5Kbps/s，通訊速率最高可達(dá)40M /1Mbp/s，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)。已有多家公司開(kāi)發(fā)了符合CAN協(xié)議的通信芯片。3、Lonworks它由美國(guó)Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡導(dǎo)。它采用ISO/OSI模型的全部7層通訊協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線等多種通信介質(zhì)，通訊速率從300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距離可達(dá)2700m（78Kbit/s），被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。Lonworks技術(shù)采用的LonTalk協(xié)議被封裝到Neuron（神經(jīng)元）的芯片中，并得以實(shí)現(xiàn)。采用Lonworks技術(shù)和神經(jīng)元芯片的產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運(yùn)輸、工業(yè)過(guò)程控制等行業(yè)。三種種典型的現(xiàn)場(chǎng)總線（協(xié)議）性能對(duì)照表- 現(xiàn)場(chǎng)總線類(lèi)型 - FF CAN LonWorks-應(yīng)用范圍 儀表 汽車(chē) 樓與自動(dòng)化 OSI網(wǎng)絡(luò)層次 12,3,8 1,2,7 17通信介質(zhì) 雙絞線、電纜 雙絞線 雙絞線、電力線 光纖 光纖 光纖 介質(zhì)訪問(wèn)方式 令牌、 位仲裁 P-P CSMA 主從 糾錯(cuò)方式 CRC CRC CRC 通信速率（Mbps） 2.5 1 1.25最大節(jié)點(diǎn)數(shù) 32 110 2的48次方優(yōu)先級(jí) 有 有 有保密性 本安性 是 是 是開(kāi)發(fā)工具 有 有 有-3、 發(fā)展趨勢(shì)從現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)本身分析，具有兩個(gè)明顯發(fā)展趨勢(shì)。一是尋求統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。二是Industrial Ethernet走向工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一、開(kāi)放的TCP/IP Ethernet是20多年來(lái)發(fā)展最成功的網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ，過(guò)去一直認(rèn)為，Ethernet是為IT領(lǐng)域應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的，它與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)性、環(huán)境適應(yīng)性、總線饋電等許多方面的要求存在差距，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域只能得到有限應(yīng)用。事實(shí)上，這些問(wèn)題正在迅速得到解決，國(guó)內(nèi)對(duì)EPA技術(shù)（Ethernet for Process Automation）也取得了很大的進(jìn)展。隨著FF HSE的成功開(kāi)發(fā)以及PROFInet的推廣應(yīng)用，可以預(yù)見(jiàn)Ethernet技術(shù)將會(huì)十分迅速地進(jìn)入工業(yè)控制系統(tǒng)的各級(jí)網(wǎng)絡(luò)。4、 體會(huì) （1）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)；是一次工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備通信的數(shù)字化革命?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可使用一條通信電纜將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（智能化、帶有通信接口）連接，用數(shù)字化通信代替4-20mA/24VDC信號(hào)，完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制、監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程參數(shù)化等功能。（2）傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用一對(duì)一連線的、4-20mA/24VDC信號(hào)，信息量有限，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自控系統(tǒng)成為工廠中的信息孤島，嚴(yán)