縱橫交錯(cuò)-九大最流行現(xiàn)場(chǎng)總線“叱咤”工控領(lǐng)域

　　現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是20世紀(jì)80年代末、90年代初國(guó)際上發(fā)展形成的，用于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)過(guò)程自動(dòng)化、 制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間 的聯(lián)系。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開(kāi)放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項(xiàng)以智能傳感、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已經(jīng)受到 世界范圍的關(guān)注，成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，并將導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。國(guó)際上許多實(shí)力、有影響的公司都先后在不同程度上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)總線技 術(shù)與產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過(guò)程設(shè)備的底層，作為工廠設(shè)備級(jí)基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)，要求具有協(xié)議簡(jiǎn)單、容錯(cuò)能力強(qiáng)、安全性好、成本低的特點(diǎn)：具有 一定的時(shí)間確定性和較高的實(shí)時(shí)性要求，還具有網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定，多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點(diǎn)。由于上述特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù)，都具 有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。

　　一般把現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng)，也稱作FCS——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。人們一般把50年代前的 氣動(dòng)信號(hào)控制系統(tǒng)PCS稱作第一代，把4～20mA等電動(dòng)模擬信號(hào)控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計(jì)算機(jī)集中式控制系統(tǒng)稱為第三代，而把70年代中期以來(lái)的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng)，一方面，突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開(kāi)化、標(biāo) 準(zhǔn)化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)。 可以說(shuō)，開(kāi)放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)最顯著的特征。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)展望與發(fā)展趨勢(shì)

　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展應(yīng)體現(xiàn)為兩個(gè)方面：一個(gè)是低速現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域的繼續(xù)發(fā)展和完善；另一個(gè)是高速現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展。

　　目前現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品主要是低速總線產(chǎn)品，應(yīng)用于運(yùn)行速率較低的領(lǐng)域，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能要求不是很高。從應(yīng)用狀況看，無(wú)論是FF和Profibus，還是其他一 些現(xiàn)場(chǎng)總線，都能較好地實(shí)現(xiàn)速率要求較慢的過(guò)程控制。因此，在速率要求較低的控制領(lǐng)域，誰(shuí)都很難統(tǒng)一整個(gè)世界市場(chǎng)。而現(xiàn)場(chǎng)總線的關(guān)鍵技術(shù)之一是互操作性， 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的統(tǒng)一是所有用戶的愿望。今后現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)如何發(fā)展、如何統(tǒng)一，是所有生產(chǎn)廠商和用戶十分關(guān)心的問(wèn)題。

　　高速現(xiàn)場(chǎng)總線主 要應(yīng)用于控制網(wǎng)內(nèi)的互連，連接控制計(jì)算機(jī)、PLC等智能程度較高、處理速度快的設(shè)備，以及實(shí)現(xiàn)低速現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)橋間的連接，它是充分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全分散控制結(jié) 構(gòu)所必須的。目前這一領(lǐng)域還比較薄弱。因此，高速現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)將是競(jìng)爭(zhēng)十分激烈的領(lǐng)域，這也將是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的重要機(jī)會(huì)。而選擇什么樣的 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為高速現(xiàn)場(chǎng)總線的整體框架將是其首要內(nèi)容。

　　發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng) 域廣為注的焦點(diǎn)課題，國(guó)際上現(xiàn)場(chǎng)總線的研究、開(kāi)發(fā)，使測(cè)控系統(tǒng)沖破了長(zhǎng)期封閉系統(tǒng)的禁錮，走上開(kāi)放發(fā)展的征程，這對(duì)中國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的發(fā)展是個(gè)極好的 機(jī)會(huì)，也是一次嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展的大趨勢(shì)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)受計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響是十分深刻的?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異，發(fā)展十分迅猛， 一些具有重大影響的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)必將進(jìn)一步融合到現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之中，這些具有發(fā)展前景的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有；智能儀表與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開(kāi)發(fā)的軟硬件技術(shù)；組態(tài)抗術(shù)，包 括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)段互連等；網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)管理軟件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)操作與傳輸；人機(jī)接口、軟件技術(shù)；現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)集成技術(shù)。

　　由于目前自動(dòng)化技術(shù)從單機(jī)控制發(fā)展到工廠自動(dòng)化FA，發(fā)展到系統(tǒng)自動(dòng)化。工廠自動(dòng)化信息網(wǎng)絡(luò)可分為以下三層結(jié)構(gòu)：工廠管理級(jí)、車(chē)間監(jiān)控級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 級(jí)，而現(xiàn)場(chǎng)總線是工廠底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)。這里先介紹一下以太網(wǎng)，本文特指工業(yè)以太網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)是作為辦公室自動(dòng)化領(lǐng)域衍生的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，按習(xí)慣 主要指IEEE802.3協(xié)議，如果進(jìn)一步采用TCP/IP協(xié)議族，則采用“以太網(wǎng)+TCP/IP”來(lái)表示，其技術(shù)特點(diǎn)主要適合信息管理、信息處理系統(tǒng)， 并在IT業(yè)得到了巨大的成功。在工廠管理級(jí)、車(chē)間監(jiān)控級(jí)信息集成領(lǐng)域中，工業(yè)以太網(wǎng)已有不少成功的案例，在設(shè)備層對(duì)實(shí)時(shí)性沒(méi)有嚴(yán)格要求場(chǎng)合也有許多應(yīng)用。 由于現(xiàn)場(chǎng)總線目前種類繁多，標(biāo)準(zhǔn)不一，很多人都希望以太網(wǎng)技術(shù)能介入設(shè)備低層，廣泛取代現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，施耐德公司就是該想法的積極倡導(dǎo)者和實(shí)踐者，目 前已有一批工業(yè)級(jí)產(chǎn)品問(wèn)世和實(shí)際應(yīng)用?？墒蔷湍壳岸?，以太網(wǎng)還不能夠真正解決實(shí)時(shí)性和確定性問(wèn)題，大部分現(xiàn)場(chǎng)層仍然會(huì)首選現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。由于技術(shù)的局限 和各個(gè)廠家的利益之爭(zhēng)，這樣一個(gè)多種工業(yè)總線技術(shù)并存，以太網(wǎng)技術(shù)不斷滲透的現(xiàn)狀還會(huì)維持一段時(shí)間。用戶可以根據(jù)技術(shù)要求和實(shí)際情況來(lái)選擇所需的解決方 案。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的興起，開(kāi)辟了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的新天地。它將促進(jìn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，為企業(yè)帶來(lái)新的效益，因而會(huì)得到廣泛的應(yīng)用，并推動(dòng)自動(dòng)化相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

　　市面上最等流行的九大現(xiàn)場(chǎng)總線

　　目前國(guó)際上有40多種現(xiàn)場(chǎng)總線，但沒(méi)有任何一種現(xiàn)場(chǎng)總線能覆蓋所有的應(yīng)用面，按其傳輸數(shù)據(jù)的大小可分為3類：傳感器總線（sensorbus），屬于位 傳輸；設(shè)備總線（devicebus），屬于字節(jié)傳輸；現(xiàn)場(chǎng)總線，屬于數(shù)據(jù)流傳輸。下面讓我一起去認(rèn)識(shí)這九種現(xiàn)再總線。

　　1、FF現(xiàn)場(chǎng)總線

　　FF現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)是由WORLDFIPNA（北美部分，不包括歐洲）和ISPFoundation于1994年6月聯(lián)合成立的，它是一個(gè)國(guó)際性的組 織，其目標(biāo)是建立單一的、開(kāi)放的、可互操作的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)組織給予了IEC現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)起草工作組以強(qiáng)大的支持。這個(gè)組織目前有l(wèi)00多成員單 位，包括了全世界主要的過(guò)程控制產(chǎn)品及系統(tǒng)的生產(chǎn)公司。1997年4月這個(gè)組織在中國(guó)成立了中國(guó)儀協(xié)現(xiàn)場(chǎng)總線專業(yè)委員會(huì)（CFC）。致力于這項(xiàng)技術(shù)在中國(guó) 的推廣應(yīng)用。FF成立的時(shí)間比較晚，在推出自己的產(chǎn)品和把這項(xiàng)技術(shù)完整地應(yīng)用到工程上相對(duì)于PROFIBUS和WORLDFIP要晚。但是正由于FF是 1992年9月成立的，是以FisherRosemount公司為核心的ISP（可互操作系統(tǒng)協(xié)議）與WORLDFIPNA兩大組織合并而成的，因此這個(gè) 組織具有相當(dāng)實(shí)力：目前FF在IEC現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的制訂過(guò)程中起著舉足輕重的作用。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)自成立以來(lái)，經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展，已經(jīng)形 成了一個(gè)開(kāi)放的、全數(shù)字化的工業(yè)通信系統(tǒng)，并在上世紀(jì)末開(kāi)始進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，推動(dòng)了中國(guó)的工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)步，并開(kāi)始了大型全區(qū)域系統(tǒng)集成的應(yīng)用。一個(gè)開(kāi)放 式的總線協(xié)議，很重要的一點(diǎn)就是有多少設(shè)備支持這個(gè)協(xié)議。否則，這個(gè)協(xié)議的開(kāi)放性就沒(méi)有意義了。

　　在無(wú)線和遠(yuǎn)程I/O管理方面，現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)發(fā)布了基金會(huì)遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)管理初步規(guī)范。新的技術(shù)規(guī)范是基金會(huì)面向無(wú)線和遠(yuǎn)程I/O進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)管理解決方案的 一部分，面向遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)管理設(shè)備定義了代表基金會(huì)HART設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)總線變送器模塊。該模塊可以顯示有線HART及無(wú)線HART設(shè)備。

　　此外，該規(guī)范還描述了通過(guò)基金會(huì)高速以太網(wǎng)（HSE）傳輸基本HART命令協(xié)議接觸HART設(shè)備進(jìn)行配置和資產(chǎn)管理的理想方法。規(guī)范也對(duì)在連接基金會(huì)遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)管理設(shè)備的有線多觸點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)中識(shí)別和維護(hù)HART設(shè)備狀態(tài)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定義。

　　新的變送器模塊規(guī)范將會(huì)使那些需要將HART和無(wú)線HART設(shè)備連入基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線、提升其與控制系統(tǒng)或者基金會(huì)設(shè)備的最終用戶受益，”現(xiàn)場(chǎng)總 線基金會(huì)技術(shù)開(kāi)發(fā)總監(jiān)DaveGlanzer說(shuō)道：“他們可能會(huì)需要對(duì)資產(chǎn)管理采用一種網(wǎng)絡(luò)化的方法，連接大量的HART和無(wú)線HART設(shè)備，進(jìn)行配置和 維護(hù)?！?/P>

　　在現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)架構(gòu)內(nèi)部，H1和HSE可以提供分布式功能模塊的能力，與HSE一起形成容量更大的通道，加快數(shù)據(jù)傳輸和傳輸 量?；饡?huì)遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)管理的開(kāi)發(fā)，為有線及無(wú)線HSE主干網(wǎng)絡(luò)建立了一個(gè)開(kāi)放式、非專利性的規(guī)范，可以通過(guò)接口將不同的基金會(huì)遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)管理設(shè)備和無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 備網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成。

　　使用高速HSE連接，可以高效的將模塊化的數(shù)字和模擬現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備大幅度集中到控制室當(dāng)中。通過(guò)使用諸如智能遠(yuǎn)程終 端單元（RTU）這類HSE設(shè)備功能，這項(xiàng)技術(shù)可以將各種形式的傳統(tǒng)I/O輕而易舉的融入到自然的現(xiàn)場(chǎng)總線環(huán)境當(dāng)中。這一解決方案在同一個(gè)以太網(wǎng)絡(luò)上可以 同時(shí)支持?jǐn)?shù)字輸入、數(shù)字輸出、模擬輸入、模擬輸出和H1現(xiàn)場(chǎng)總線。