现场总线技术及控制系统(doc5)

现场总线技术及控制系统
摘要：文章介绍了现场总线的概念,回顾了其产生及发展历程，分析了现场总线控制
系统相对于集散控制系统的特点和优点。针对当前流行的几种现场总线，简要介绍了各
自的技术特色，指出控制系统的开放互连是发展的必然。
关键词：现场总线，集散控制系统，分布式控制，FCS，DCS，开放式互连系统
一、前言
七十年代以前，控制系统中采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递，其精度差、
受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都很差。七十年代末，
随着大规模集成电路的出现，微处理器技术得到很大发展。微处理器功能强、体积小、
可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系统，控制效果得到提高；但是尽管如此，还
是属于集中式控制系统。随着过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟
和发展，控制领域又发生了一次技术变革。这次变革使传统的控制系统（如集散控制系统）
无论在结构上还是在性能上都发生了巨大的飞跃，这次变革的基础就是现场总线技术的
产生。
现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信
网络，它也被称为现场底层设备控制网络（INFRANET）。80 年代以来，各种现场总线
技术开始出现，人们要求对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声也越来越高，从而使
现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。美国仪表协会(ISA)于 1984 年开始制订现场
总线标准，在欧洲有德国的 PROFIBUS 和法国的 FIP 等，各种现场总线标准陆续形成。
其中主要的有：基金会现场总线 FF（Foundation Fieldbus）、控制局域网络 CAN
（Controller Area Network）、局部操作网络 LonWorks（Local Operating Network）、过
程现场总线 PROFIBUS（Process Field Bus）和 HART 协议(Highway Addressable Remote
Transducer)等。但是，总线标准的制定工作并非一帆风顺，由于行业与地域发展等历史
原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，致使现场总线的国际化标准工作进展
缓慢。但是不论如何，制定单一的开放国际现场总线标准是发展的必然。
二、当前流行的几类现场总线
1、基金会现场总线 FF
基金会现场总线 FF 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一种
技术。其前身是以美国 Fisher－Rosemount 公司为首，联合 Foxboro、横河、ABB、西门
子等 80 家公司制定的 ISP 协议和以 Honeywell 公司为首，联合欧洲等地 150 家公司制定
的 World
FIP 协议。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。
基金会现场总线分为 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 1.9km，可支持总线供电和本质安全防暴环境。H2 的传输速率可为 1Mbps
和 2.5Mbps 两种，通信距离为 750m 和 500m。物理传输介质可为双绞线、光缆和无线，
其传输信号采用曼切斯特编码。基金会现场总线以 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。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描
述语言规定了通用的功能块集。FF 总线包括 FF 通信协议、ISO 模型中的 2～7 层通信协
议的通栈、用于描述设备特性及操作接口的 DDL 设备描述语言、设备描述字典，用于实
现测量、控制、工程量转换的应用功能块，实现系统组态管理功能的系统软件技术以及
构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。
2、CAN 总线
CAN 总线最早是由德国 Bosch 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据
通信协议。其总线规范已被 ISO 国际标准组织制定为国际标准，并且广泛应用于离散控
制领域。它也是基于 OSI 模型，但进行了优化，采用了其中的物理层、数据链路层、应
用层，提高了实时性。其节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广播模式通信。
各节点可随时发送消息。传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关。CAN 总线采用
短消息报文，每一帧有效字节数为 8 个；当节点出错时，可自动关闭，抗干扰能力强，
可靠性高。
3、LonWorks 总线
LonWorks 技术是美国 ECHELON 公司开发，并与 Motorola 和东芝公司共同倡导的
现场总线技术。它采用了 OSI 参考模型全部的七层协议结构。LonWorks 技术的核心是具
备通信和控制功能的 Neuron 芯片。Neuron 芯片实现完整的
LonWorks 的 LonTalk 通信协议。其上集成有三个 8 位 CPU。一个 CPU 完成 OSI 模
型第一和第二层的功能，称为介质访问处理器。一个 CPU 是应用处理器，运行操作系统
与用户代码。还有一个 CPU 为网络处理器，作为前两者的中介，它进行网络变量寻址、
更新、路径选择、网络通信管理等。由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。
LonWorks 支持多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活，其 IS－78 本安物理
通道使得它可以应用于危险区域。LonWorks 应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等，
在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。
4、PROFIBUS 总线
PROFIBUS 是符合德国国家标准 DIN19245 和欧洲标准 EN50179 的现场总线，包括
PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA 三部分。它也只采用了 OSI 模型
的物理层、数据链路层、应用层。PROFIBUS 支持主从方式、纯主方式、多主多从通信
方式。主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制