一、引言
当今，国际仪表自动化领域的热点是 "现场总线"。由于现场总线采用纯数字技术，在单根电缆上连接多个仪表和设备，所传送的信息量大 (不仅有控制数据，也有组态、状态和诊断等数据)，加之其具有更强的干扰免疫力，更低的安装、运行和维护成本，有着潜在的巨额商业利润，所以全球各个仪表控制厂商无不争先恐后地跻入现场总线领域。现场总线对用户而言已是不可回避的。但不幸的是，目前局势却似春秋战国时代，群雄逐鹿，诸侯割据，尚未形成一个统一的局面。尽管国际电工委员会于1999年底通过了其制订的IEC61158现场总线国际标准，但由于该标准将FF(包括Hl和HSE)、ControlNet、Profibus、P-Nel、SwiftNet、WorldFIP、Interbus等七种现场总线大杂烩地汇编在一起，没有实现其制订单一标准的目标，所以从严格意义上讲，很难称它是一个真正的现场总线国际标准。因而，这给实际用户在使用时的选择带来了许多困难。本文针对这种情形，对现场总线的发展状况进行了探讨，分析比较了几种典型的现场总线标准，并就现场总线的应用提出了相应的建议及注意事项。
二、现场总线技术
国际电工委员会IEC和现场总线基金会FF (FieldbusFoundation)对现场总线的定义是:现场总线是一个全数字化的、串行、双向传输、多分文结构的通信网络系统，是用于工厂/车间仪表和控制设备的局域网。现场总线是工厂网络分层化结构中的基本级数字网络。现场总线不仅继承了4" 2OmA模拟信号系统的许多优点，如具有标准化的线路物理接口，在同一根信号线上同时为设备提供电源等，而且现场总线还具有以下许多独特的优势:
实现设备的互用性、互操作性。互用性的定义是:在同一系统中，可以实现与制造商无关的，不受制造商支配的，对多个设备的操作运行，并且具有绝对不会丧失任何一点功能的能力。任何一个现场总线设备均可由其他不同厂商的类似设备所替代，而不会对原有操作运行带来任何损伤。因此，系统集成的主动权掌握在用户手中，用户可选择性能价格比最优的现场仪表或设备。从而有效地减少了对专用产品的依赖，减少了备品备件数量，降低了运行和维护 (O&M)成本。每个现场总线设备均能通过共用的现场总线传送和接收多变量信息，并可实现直接的相互通信联系。尤其是允许新设备在线接人现场总线中，而不会中断正在执行的过程测量和控制功能。
增强过程数据性能。依靠现场总线，可将来自每个设备的多个变量引入工厂控制系统中，实现数据的存贮及检索、趋势分析、过程优化研究和制表。由于现场总线改用数字信号传输，不再使用D/A和A/D转换，减少了信号传输误差，使系统精度大大提高，控制周期大为缩短，从而改善了调节性能。所提供的高精度、高分辨率的数据使工艺过程得以精确监视和控制，从而减少工厂设备故障时间，获得更高的效率、更高的生产性能和最佳的收益。
扩展过程视野。现代化的现场总线设备以微处理器为基础，功能强大，通信能力强，使过程偏差识别更快，确信度更高。因此，可使工厂运行人员很快注意到异常工况的出现，并告知是否需预防性维修，便于运行人员对当前的情况作出最佳的判断。从而更迅速地消除影响运行效率的故障，增加产量，同时降低原材料成本，减少经常性的故障。
提高工厂安全。现场总线技术有助于满足日益严格的安全要求。现场总线能对尚未发生或正在发生的危险工况作出早期预告或警告，容许运行人员在不得已的非计划停机来临前就可以采取相应的修正补救行动，从而避免发生更大的安全故障。另外，诊断能力的增强减少了对危险区域频繁巡视的必要性，最大程度地降低了可能对现场人员安全造成的危害。
实现预测性维修。增强的设备诊断能力使得对诸如现场阀门磨损和变送器结污等的监视和记录成为可能。工厂操作运行人员不必等待计划性停机就可以对设备进行预测性维修，因而避免或减少了设备停机时间。
节省投资和安装/维护成本。采用现场总线技术后，不再需要DCS(分散控制系统)的信号处理、转换、隔离等功能模件，大大减少了I/O模件或安全隔离栅数量。一条现场总线通常可以挂接多个现场仪表或设备，因而节省了大量的仪表控制电缆、接线端子和电缆桥架等安装材料，大大减轻了现场安装工作量。与常规控制系统相比，采用现场总线后，电缆费用可减少66%以上，安装费用可节省60%以上。
编程组态简易。采用内置在现场总线设备内的软件控制块，即可实现控制和逻辑功能的编程。
可靠性更高。由于采用全数字信号传输，简化了控制电路，增加了系统的抗干扰能力。此外，能实时获得现场装置的故障信息，并且可把控制、报警、趋势分析等功能下放分散到现场级装置中，较之常规的DCS系统，真正实现了整个系统的 "功能分散"、"危险分散"，增加了系统的可靠性。
开放式结构，系统分级分层集成，设计灵活，网络可采用多种拓扑结构。
现场总线处于信息/控制网络最低层，虽然传输信息量不是很大，但要求实时性好，可靠性高，而且网络接口尽可能简单，成本尽量降低。现场总线与其他较高级管理通信网络特性的比较见表1。
国际标准化组织 (ISO)提出的OSI参考模型是一种七层通信协议，该协议每层均采用国际标准。其中，第一层是物理介质层，第二层是数据链路层，第三层是网络层，第四层是数据传输层，第五层是会话层，第六层是表示层，第七层是应用层。现场总线体系结构是一种实时开放系统，从通信角度看，一般是由OSI参考模型的物理介质层、数据链路层、应用层三层模式体系结构和通信媒质构成的，如Bitbus、CAN、WorldFip和FF现场总线等。另外，也有采用在前述三层基础上再加数据传输层的四层模式体系结构，如Profibus等。但Lon Works现场总线却比较独特，它是采用包括全部OSI协议在内的七层模式体系结构。
三、几种流行现场总线的比较
为了实现现场仪表设备的智能化、分散的测量和控制，国际上许多大公司都推出了各自的现场总线标准。如AS-Inteface、Bilbus、CAN、Control-Net、DevceNet、Interbus、LonWorks、P-Net、Profibus、WorldFIP、Foundation Fieldbus等。下文主要就几种较为流行的现场总线作一粗略比较。
由西门子公司支持的Profibus，作为德国国家DINl9245现场总线标准，也是欧洲CENELEC(欧洲电工技术标准化委员会)的EN50170标准之一，已成为大多欧洲过程控制厂商所普遍接受的标准。其系列有用于自动化系统和分散外设间高速数据传输的Profibus-DP、适用于一般自动化的Profibus-FMS和用于过程自动化的Profibus-PA。Profibus-PA用于自动化系统和分散的现场设备的互联，其数据传输遵从TEC1158-2。Profibus已渗透进石油、化工和酿造行业。据Profibus商业组织的报告，在最近四个月内，销售出的Profibus-PA设备己超过15000套。Profibus采用高速工业以太网作为过程控制级网络，今年发布了Profinet作为Profi-bus的升级版本。
WorldFlP也是欧EN50170标准之一，并遵从IEC现场总线物理层标准IEC1158-2。World-FIP是现场总线基金会成员。该总线采用FCS帧校验序列和曼彻斯特型复合编码法，确保了数据传输的完整性。其传输误码率极低，实时处理能力较强，主要应用区域是电力、交通运输、油/气等要求高速数据传输的行业。但是，由于缺少像西门子这样规模的巨头公司的广泛支持，WorldFIP或许要从现场总线领域消失。
FF现场总线基金会是国际公认的不附属于某个单一国家或标准体、某个企业的、公正的非商业化的国际标准化组织，其宗旨是制订单一的国际现场总线标准，无专利许可要求，可供任何人使用。网络拓扑结构可采用总线型和树型，信息编码方式是曼彻斯特编码。为了确保互用性，用户应用层定义了资源块、功能块和探头块等标准块，和相关设备说明描述。FF现场总线较早时分低速Hl型和高速H2型两种。Hl型主要用于如温度、料位和流量等控制场合，H2型通常应用于先进的过程控制、远程I/O和要求高速工厂自动化的场合。但需注意的是，在1998年4月FF现场总线基金会宣布原H2型现场总线技术作废，H2的发展将基于高速以太网技术。目前，H2已正式过渡为基于高速以太网技术的HSE标准。至今为止，FF现场总线己获得120多个控制厂商 (如Honeywell、ABB、Emerson、Yokogawa等)的支持，已经在北美、南美和亚洲取得了显著的进步。
Lon Works(局部操作网络)是美国Echelon公司开发推出的集控制器和网络通信处理器为一体的Neuron神经元芯片的串行对等总线网。它采用ISO/OSI模型的全部7层通信协议，并采用了面向对象设计方法，是一个强劲有力的现场总线，被誉为通用控制网络。其通信协议Lon Talk封装在其Neuron芯片中，在该芯片上集成了3个CPU，其中1个是媒体访问控制处理器，实现OSI模型的第1和第2层功能，第2个是网络处理器，完成OSI模型的第3至第6层功能，第3个是应用处理器。因此Lon Works最大优势是其网络处理能力。Lon Works现场总线可能是现场总线竞赛中的一匹"黑马"。它虽并不是最快的 (其通信速率为78kbps/2700m、1.25Mbps/130m)，但却十分有效。此外，其芯片由摩托罗拉及东芝公司大量生产，成本约是其他现场总线的一半，可谓是价廉物美。从其1991年问世以来，以Lon Works为基础的设备已安装在包括石油化工、浆液造纸、金属处理和能源制造等许多工业领域中。据其倡导者介绍，己有3500多个公司采用其Lon Works现场总线技术，且其接受速度还在加快。
此外，据美国权威调查机构ARC(Automation ReG-2004-1search Company)于2003年度发表的现场总线调查报告指出，过程现场总线的市场现已逐渐过渡到由FF现场总线基金会的Hl/HSE和由西门子公司支持的PROFIbus DP/PROFIbus PA占据统治地位的局面。接受调查的大多数用户己经或即将计划在过程现场总线网络中采用FF现场总线基金会的Hl总线产品，而FF现场总线基金会的HSE设备则处于初期应用阶段，己经安装使用HSE设备的用户较少。另据报道，PROFIbus DP也被大量安装在过程处理车间，但是大多数用户并不确定将安装与PROFIbus PA相兼容的设备。
四、现场总线的应用及注意事项
鉴于国际标准化委员会的官僚主义，加之各个标准化委员代表着自己各大公司的利益而不愿放弃本公司的标准，所以一个统一的现场总线国际标准迟迟不能出台。但是，真正的标准并不是由官僚的标准化委员会来决定的，而是由市场接受来最终决定的。即真正的 "标准"在技术上并不需要是最好的，而应建立在市场认可的基础上。如用于个人计算机的Windows操作系统，用于录像机的VHS，用于仪表的4～2OmA直流模拟量信号制和用于小型机的UNIX操作系统及日益受到青睬的Linux操作系统等，并没有举行过一次标准化委员会会议，但却都赢得了国际范围内的认可。
正是由于以上原因，加之现场总线仍是发展中的技术 (据有关专家预计约到2010年现场总线才会步入其成熟期。另外，近年来原先主要立足于信息管理领域的以太网技术现已步入现场总线领域，并且由于它有着较高的市场占有率、技术简单公开、成本较低，且其技术还在不断的改进和提升，如目前己可在一定程度上克服其通信性能的不确定性等先天不足的缺点，因此在现场总线的竞争中，以太网正成为现场总线领域的一个新的亮点，而且还大有后来居上之态势，其应用应慎之又慎，既不能太迟也不能太早，使用时要最大程度地降低其应用风险。可以考虑在改建或中、小型新建项目上采用。宜选择一个单一的供应商负责全部现场总线设备的供货，包括设计、组态和维护工具在内，并应获得其永久支持。实际应用中，不宜以现场总线为中心，一般是将常规控制功能下放至现场总线设备，但一些高风险、高度集成的应用决不宜放在现场控制。目前较为理想的是，集成系统的基本级采用现场总线，较高级采用先进的DCS，目前仍不能在现场总线设备内实现的较高功能，如过程优化功能、状态观察器等先进控制功能和复杂的管理控制策略由DCS完成。此外，与信息商业管理系统的集成和过程范围内的安全由新一代DCS实现和确保。
现场总线系统的组态有两个阶段。首先是系统设计，其系统设计非常类似于现在的DCS系统设计。仅有两点不同，第一点不同是物理接线不同，现场总线允许一根线挂接多个设备，而常规系统是设备的每个信号传送均要至少一根线。每一个现场总线上的设备必须得有一个专有物理设备标签和相应的网络地址。第二点不同是可以将控制系统的一些控制和I/O子系统功能分散放置于现场总线设备上。第二阶段是设备组态阶段，在己选定现场总线仪表或设备和完成系统设计后，按所需控制策略将每一设备内的功能块的输入和输出连接在一起。这些连接是采用组态软件内图形物的软连接，而不是在现场进行物理接线连接。在功能块连接和如设备名、回路标签和回路执行速率等组态数据也输入完成后，自动生成每一现场总线设备的相关信息。在现场总线设备接收到其相应的组态数据后，系统即可投入运行。由上可知，在进行具备现场总线的传感器件和执行机构等仪表或设备选型及订货时，应注意同常规非智能仪表或设备的主要不同点。在现场总线仪表或设备的形式规范中，除常规的形式规格等参数外，还应注明所需的主要功能块等;此外，也应做好其组态设定等的备份，以便今后设备维护及更换等工作的顺利进行。
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