毕业论文现场总线的研究.doc

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1、摘要：现场总线作为一种开放的、全数学化、双向、多站的通信系统，近年来得到了迅猛的发展和应用。用于过程自动化、制造自动化、电力自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互联通信网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。为此本文阐述了现场总线的发展和现场总线技术在各个代表性领域的应用。计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是考虑到现场已经普遍地渗透到自动化控制的各个领域的现实，现场总线必将成为电工自动化控制领域的发展方向之一。现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域。并且国外大公司已经在大力拓展中国市场，发展我国的现场总线产品已经刻不容

2、缓。现场总线对自动化技术的影响意义深远。当今可以认为现场总线是提高自动化系统整体水平的基础技术，对国民经济影响重大。因此，要在自动化领域中推广应用和发展现场总线。关键词：现场总线技术、自动化控制系统、发展、应用Abstract: the fieldbus, as a kind of open, the whole mathematical, bidirectional, multistation communication system, obtained the swift and violent development in recent years and the application

3、. Used for process automation, manufacturing automation, electrical automation, building automation and other fields of communication network of field intelligent device interconnection. The basis of it as a factory of digital communication network, communication between the scene of the production

4、process level control devices and the connection between the higher control management level. This paper elaborates on the development of the fieldbus and fieldbus technology in the field of various typical applications. Today, rapid development of computer automatic control system, especially given

5、 the field has been widely permeated various fields of automation control of reality, the fieldbus is bound to become one of the developing direction in the field of electrical and automation control. The fieldbus technology has been the international companies is fierce competition in the field. An

6、d foreign large companies have been expanding the Chinese market, the development of fieldbus products in China is urgent. Fieldbus automation technology impact of far-reaching significance. Today is to improve the overall level of the automation system can be thought of fieldbus technology, the bas

7、is of a great influence to the national economy. Therefore, to promoting application and development of fieldbus in the field of automation.Keywords: field bus technology, automation control system, development and application目录1. 现场总线技术概述51.1现场总线的定义：5 1.2 现场总线技术的发展现状与展望51.2.1 现场总线技术的发展现状51.2.2 现场总线

8、技术的应用展望72 现场总线的种类82.1基金会现场总线82.2 LonWorks92.3 Profibus102.4 CAN102.5 HART112.6 RS-485123现场总线的技术特点123.1 系统的开放性123.2 互可操作性与互用性123.3 现场设备的智能化与功能自治性123.4 系统结构的高度分散性133.5 对现场环境的适应性134 现场总线控制系统与其他控制系统的比较134.1 模拟仪表控制系统144.2 集中式数字控制系统144.3 集散控制系统（DCS）144.4 现场总线控制系统（FCS）145现场总线技术的优势155.1现场总线的优点155.1.1节省硬件数量与

9、投资155.1.2节省安装费用155.1.3节省维护开销155.1.4用户具有高度的系统集成主动权165.1.5提高了系统的准确性与可靠性165.2基于现场总线的自动化监控及信息集成系统主要优点175.2.1增强了现场级信息集成能力175.2.2开放式、互操作性、互换性、可集成性175.2.3系统可靠性高、可维护性好185.2.4降低了系统及工程成本186现场总线的发展趋势186.1现场总线的发展不会被计算机通信技术取代186.1.1现场总线与一般计算机通信在功能上的不同196.2国内现场总线的发展趋势207结束语218参考文献：221现场总线技术概述1.1现场总线的定义： 目前，公认的现场总

10、线技术概念描述如下：现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。其中，生产过程包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。（1）现场总线（Fieldbus）技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号，完成现场设备

11、控制、监测、远程参数化等功能。（2）传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的、4-20mA/24VDC信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的信息孤岛，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。（3）基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络， 构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。 1.2 现场总线技术的发展现状与展望1.2.1 现场总线技术的发展现状从20世纪90年代以

12、后，现场总线技术得到了迅猛发展，出现了群雄并起、百家争鸣的局面。目前已开发出有40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具有影响力的有5种，分别是FF、Lon Works、Profibus、CAN和HART。FCS（Filedbus control system）则是基于现场总线的自动控制系统，即以现场总线作为工厂底层网络，通过网络集成而构成的自动控制系统网络，按照公开、规范的通讯协议在智能设备之间、智能设备与远程计算机之间实现数据传输和信息交换，从而实现控制与管理一体化的综合自动控制系统。纵观控制系

13、统的发展过程，任何一种新的控制系统的出现都是针对旧的控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，并在用户需求和市场竞争等外部因素的推动下占据主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生和发展也经历了同样的过程。 早期的控制系统主要是模拟仪表控制系统，设备之间传输的信号为15V或420mA的直流模拟信号，信号的精度较低，传输过程中易受干扰。随着电子技术和计算机技术的发展，以单片机、计算机和可编程序控制器（PLC）为控制器的集中数字控制系统逐步取代了模拟仪表控制系统，集中数字控制系统中控制器内部传输的是数字信号，克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度较低的缺点，提高了系统的抗干扰能力。但是集中数字控制系统对控

14、制器的要求很高，必须具有足够的处理能力和很高的可靠性，当系统任务增加时控制器的效率和可靠性会下降。 以集中管理、分散控制为核心思想的集散控制系统（DCS）在20世纪末期逐步占据了主导地位。在集散控制系统中管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，多台下位机下放分散到现场实现分布式控制功能，上下位机之间以控制网络互联以实现相互之间的信息传递，克服了集中数字控制系统对控制器的的处理能力和可靠性要求很高的缺点。在集散控制系统中分布式控制功能的实现正是得益于网络技术的发展和应用，然而，由于不同的DCS厂家出于垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用专用的封闭形式，不同厂家的DCS 系统之间以及DCS与

15、上层的Intranet、Internet之间难以实现网络互联和信息共享，因此DCS 系统实质上是一种专用封闭的、不能互联的分布式控制系统，且DCS价格昂贵，用户对此提出了开放性和降低成本的迫切要求。现场总线控制系统FCS正是顺应了上述的用户要求，采用了现场总线这一开放的、可互连的网络技术将现场的各种控制器和仪表设备相互连接，把控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此FCS系统实质上是一种开放的、可以互连的、彻底分散的分布式控制系统。1984年，美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施工作组中的ISA/SP50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会决定由Proway Wor

16、king Group负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；1986年，德国开始制定过程现场总线（Process Fieldbus）标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。1992年，由Siemens，Rocemount，ABB，Foxboro，Yokogawa等80家公司联合，成立了ISP（Interoperable System Protocol）组织，着手在PROFIBUS的基础上制定现场总线标准。1993年，以Honeywell，Bailey等公司为首，成立了World FIP（Factory Instrumentation Protocol）组织

17、，有120多个公司加盟该组织，并以法国标准FIP为基础制定现场总线标准。1994年，ISP和World FIP的北美分部合并成立了现场总线基金会（Fieldbus Foundation简称FF），推动了现场总线标准的制定和产品开发，并于1996年第一季度颁布了低速总线H1的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合FF规范的设备互连构成控制系统和通讯网络，使H1低速总线开始步入实用阶段。 与此同时，在不同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准。它们大都在某些公司标准的基础上逐渐形成，并得到其他公司、厂商、用户及国际组织的支持。如德国Bosch公司推出的CAN（Control Area Network

18、），美国Echelon公司推出的LonWorks等。预计在今后的一段时期内，会出现几种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。但是发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放的互连系统，将是现场总线技术的发展趋势。 现场总线技术是工业控制领域出一种新兴的控制技术，它是计算机技术，通信技术，集成电路技术及智能传感技术几种技术的结合，是当今自动控制技术发展的热点，代表了工业控制 领域今后的一种发展方向。它的出现，将使传统的控制系统无论在结构上还是在性能上出现巨大的飞跃，可以说现场总线是控制领域的一场革命，它代表了一种有突破意义的新的控制思想，它将开辟一个新的时代。现场总线出现于8

19、0年代中后期，从本质上来说，它是一种数字通信协议，是一种应用于生产现场、在智能化控制设备之间实行双向串行通信、多节点的数字通信的系统，是一种开放的、数字化的、多点通信的低层控制网络。它使得自控系统和设备有了通信能力。现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）是继基地式气动仪表控制系统，电动单元组合式模拟仪表控制系统，集中实式数字控制系统集散式控制系统DCS后的新一代控制系统。现代工业控制思想的核心是“分散控制，集中监控”使得“危险分散，控制分散”，但即使是现在流行的DCS 控制，其与工业过程打交道的过程控制站仍然还是集中的，现场信号的检测、传输和控制还是采用的42

20、0mA的模拟信号，这正是对分散控制，集中监控思想的违背。而FCS 控制系统真正做到了这一点，把控制彻底地下放到现场，现场的智能仪表就能完成诸如数据采集，数据处理，控制运算和数据输出大部分现场功能，只有一些现场仪表无法完成的高级控制功能才由上位机来完成。而且现场节点之间可以相互通信实现互操作，现场节点也可以把自己的诊断数据传送给上位机，有益于设备管理。1.2.2 现场总线技术的应用展望 现场总线技术的产生促进了现场设备的数字化和网络化，使现场控制的功能更加强大。由于采用了现场总线技术而带来了过程控制系统的开放性，使得系统成为具有测量、控制、执行和过程诊断等综合能力的控制网络。为更好适应工业过程控

21、制的需要，今后现场总线技术会从以下几个方面发展：(1)基于现场总线的一次仪表和二次仪表的研制 现在，生产自动化仪表的厂家必须向现场总线靠拢，开发出具有现场总线结构的一次及二次仪表。检测、变换、补偿、控制、告警、趋势分析等功能可以分散在现场解决，简化上层系统，彻底实现分散控制、集中管理以提高系统的可靠性和稳定性。(2)基于现场总线网络设备的软、硬件开发 系统的开放性和通信问题是分散控制系统的突出问题，它需要解决不同厂家软、硬件产品能否集中到一个系统的问题。如Lon Works总线技术的产品，只要遵循Lon Talk标准，几百家不同产品均可连接在一个系统中，所以要进行网络设备的研制必须遵循现场总线

22、的统一标准。(3)开放的组态技术研究 目前现场总线系统的组态是比较复杂的，需要组态的参数多，各参数之间的关系比较复杂，所以研究开放的组态技术也是现场总线的发展趋势。开放的组态技术的研究主要还包括网络拓扑结构、网络设备、网段互联等。在异构网连接的网关路由的开发方面，Lon Works具有独特的优势。(4)网络设计与网络管理技术的增强 网络设计的重点是从物理形态上考虑通信网络和输入、输出线缆网络的布置，减少信息的往返传递是现场总线系统中网络设计和系统组态的一条重要原则。因此，网络设计时应优先将相互间信息交换量大的节点放在同一条支路里。网络管理技术主要还包括网络管理软件、网络数据操作与传输。现场总线

23、的出现形成了低层网络，应同时提供与企业网、国际互联网相连接的可能性。(5)基于现场总线技术的全开放控制系统集成技术的开发 自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向发展，并且涉及的应用领域十分广阔，几乎覆盖了所有的过程控制领域。(6)控制网络与数据网络的结合 实现Internet-Intranet-Infranet体系结构，对于人们的生产和生活有着重要的意义。如远程监控系统就是该体系在生产控制领域内的应用之一。现场总线系统接入Internet，在一定的条件下便可通过Internet监视，并控制这些生产系统和现场设备的运行状况和各种参数。2 现场总线的种类从20世纪90年代以后，现场总线技术得

24、到了迅猛发展，出现了群雄并起、百家争鸣的局面。目前已开发出有40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具有影响力的有5种，分别是FF、Lon Works、Profibus、CAN和HART。2.1基金会现场总线基金会现场总线，即FoudationFieldbus,简称FF，这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技术。其前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的1

25、50家公司制订的WordFIP协议。屈于用户的压力，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。它以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。基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为3125Kbps,通信距离可达1900m(可加中继器延长),可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离为750m和500m。物理传输介质可支持比绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。其物理媒介的传输

26、信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变，或是负跳变。正跳变代表0，负跳变代表1，从而使串行数据位流中具有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。接收方既可根据跳变的极性来判断数据的“1”、“0”状态，也可根据数据的中心位置精确定位。为满足用户需要，Honeywell、Ronan等公司已开发出可完成物理层和部分数据链路层协议的专用芯片，许多仪表公司已开发出符合FF协议的产品，1总线已通过测试和测试，完成了由13个不同厂商提供设备而组成的FF现场总线工厂试验系统。2总线标准也已经形成。1996年10月，在芝加哥举行的ISA96展览会上，由现场总线基金会组织实施，向世界展示了来自4

27、0多家厂商的70多种符合FF协议的产品，并将这些分布在不同楼层展览大厅不同展台上的FF展品，用醒目的橙红色电缆，互连为七段现场总线演示系统，各展台现场设备之间可实地进行现场互操作，展现了基金会现场总线的成就与技术实力。2.2 LonWorksLonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国Ecelon公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通讯速率从300bps至15Mbps不等，直接通信距离可达到2700m(78kbps，双绞线)

28、,支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为通用控制网络。LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的芯片中并得以实现。集成芯片中有3个8位CPU;一个用于完成开放互连模型中第12层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理;第二个用于完成第36层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等;第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区

29、和应用缓冲区。如Motorola公司生产的神经元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM。LonWorks技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本(每片价格约59美元)，而芯片的低成本又返过来促进了LonWorks技术的推广应用，形成了良好循环，据Ecelon公司的有关资料，到1996年7月，已生产出500万片神经元芯片。LonWorks公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonWorks技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技术:1000多家公司已经推出了LonWorks产品，并进一步组织起LonWark互

30、操作协会，开发推广LonWorks技术与产品。它被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。为了支持LonWorks与其它协议和网络之间的互连与互操作，该公司正在开发各种网关，以便将LonWorks与以太网、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互连为系统。另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，LonWorks神经元芯片也具有独特的优势。LonWorks技术已经被美国暖通工程师协会ASRE定为建筑自动化协议BACnet的一个标准。根据刚刚收到的消息，美国消费电子制造商协会已经通过决议，以LonWorks技术为基础

31、制定了EIA-709标准。这样，LonWorks已经建立了一套从协议开发、芯片设计、芯片制造、控制模块开发制造、OEM控制产品、最终控制产品、分销、系统集成等一系列完整的开发、制造、推广、应用体系结构，吸引了数万家企业参与到这项工作中来，这对于一种技术的推广、应用有很大的促进作用。2.3 ProfibusProfibus是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准prEN50170的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模型。由Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA组成了Profibus系列。DP型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS

32、意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化，而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158-2标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子集，DP型隐去了37层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口，FMS型只隐去第36层，采用了应用层，作为标准的第二部分。PA型的标准目前还处于制定过程之中，其传输技术遵从IEC1158-2(1)标准，可实现总线供电与本质安全防爆。Porfibus支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线

33、的控制权，可主动发送信息。对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，共事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按Profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播(不要求应答),或有选择地向一组站点广播。Profibus的传输速率为9612kbps最大传输距离在12kbps时为1000m，15Mbps时为400m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。2.4

34、 CANCAN是控制网络ControlAreaNetwork的简称，最早由德国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。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有3层，只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/kbps,可挂接设备最多可达110个。CAN的信号传输采用短帧结构，

35、每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主方式工作，网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。已有多家公司开发生产了符合CAN协议的通信芯片，如Intel公司的82527，Motorola公司的MC68HC05X4，Philips公司的82C250等

36、。还有插在PC机上的CAN总线接口卡，具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。2.5 HARTHART是HighwayAddressableRemoteTransduer的缩写。最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。HART通信模型由3层组成:物理层、数据链路层和应用层。物理层采用FSK(FrequencyShift

37、Keying)技术在420mA模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用Bell202国际标准;数据传输速率为1200bps,逻辑“0”的信号频率为2200Hz，逻辑“1”的信号传输频率为1200Hz。数据链路层用于按HART通信协议规则建立HART信息格式。其信息构成包括开头码、显示终端与现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等。其数据字节结构为1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位，1个终止位。应用层的作用在于使HART指令付诸实现，即把通信状态转换成相应的信息。它规定了一系列命令;按命令方式工作。它有3类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备理解、执行的命令;第二类称

38、为一般行为命令，它所提供的功能可以在许多现场设备(尽管不是全部)中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库;第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这3类命令。HART支持点对点主从应答方式和多点广播方式。按应答应方式工作时的数据更新速率为23次/,按广播方式工作时的数据更新速率为34次/,它还可支持两个通信主设备。总线上可挂设备数多达15个，每个现场设备可有256个变量，每个信息最大可包含4个变量。最大传输距离3000m，HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这

39、种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术，来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本安防爆要求。2.6 RS-485尽管-485不能称为现场总线，但是作为现场总线的鼻祖，还有许多设备继续沿用这种通讯协议。采用RS-485通讯具有设备简单、低成本等优势，仍有一定的生命力。以RS-485为基础的OPTO-22命令集等也在许多系统中得到了广泛的应用。3现场总线的技术特点现场总线在技术上主要具有以下特点：3.1

40、 系统的开放性 开放系统是指通信协议公开，不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户，用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。3.2 互可操作性与互用性 互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 3.3 现场设备的智能化与功能自治性 现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，能在部件、甚至网络故障的情况下独立工作，大大提高了整个控制系统的可靠性和容错能力。3.4

41、 系统结构的高度分散性 由于现场设备本身可完成自动控制的基本功能，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，从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。3.5 对现场环境的适应性作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本安防爆要求等。1. 4 现场总线控制系统与其他控制系统的比较 在计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是考虑到现场总线已经普遍地渗透到自动控制的各

42、个领域的现实，现场总线必将成为电工自动控制领域主要的发展方向之一。现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域；并且国外大公司已经在大力拓展中国市场，发展我国的现场总线产品已经刻不容缓。现场总线对自动化技术的影响意义深远。当今可以认为现场总线是提高自动化系统整体水平的基础技术，对国民经济影响重大。因此，要在自动化领域中推广应用和发展现场总线。 现场总线是近年来自动化领域中发展很快的互连通信网络，具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点。目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。较著名的有基金会现场总线（FF）、HART现场总线、C

43、AN现场总线、LONWORKS现场总线、PROFIBUS现场总线、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、ASINTERFACE总线等。 自动化控制系统就是通信网络把众多的带有通信接口的控制设备、检测元件、执行器件与主计算机连接起来，由计算机进行智能化管理，实现集中数据处理、集中监控、集中分析和集中调度的新型生产过程控制系统。 从目前国内外自动化控制系统所应用的现场总线来看，主要有PROFIBUS、MODBUS、LONWORKS、FF、HART、CAN等现场总线。以上系统基本上都是采用单一的现场总线技术，即整个自动化控制系统中只采用一种现场总线，整个系统构造比较单一。 现场总线已不

44、仅仅是一个新技术领域或新技术问题，在研究它的同时，我们发现它已经改变了我们的观念；如何去看待现场总线，要比研究它的技术细节更为重要。现场总线是一个巨大的商业机会 一项权威报告声称现场总线的应用将使控制系统的成本下降67；巨大的商业利益直接导致产生一个巨大的市场，并且促使传统市场萎缩，从而引发技术进步。这些对于我们行业来说都很重要，因为我们正处在新旧市场交替的关口。.现场总线是一场技术革命 现场总线带来了观念的变化，我们以往开发新产品，往往只注意产品本身的性能指标，对于新产品与其它相关产品的关联就考虑比较少一点。这样对于电工行业这样一个比较保守的行业来说，新产品就不那么容易地被用户接收。 而现场

45、总线产品却恰恰相反，它是一个由用户利益驱动的市场，用户对新产品应用的积极性比生产商更高。然而，现场总线新产品的开发也与传统产品不同；它是从系统构成的技术角度来看问题，它注重的是系统整体性能的提高，不强求局部最优，而是整体的配合。这种配合在主控计算机软件运行下能使控制系统应用新的理论来发挥最大的效能；这一点是传统产品很难做到的。现场总线的“负跨越（指在技术水平提高的同时，掌握和应用这项新技术的难度却降低了）”的特性使它的推广更加容易。4.1 模拟仪表控制系统 模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。4.2 集中式数字控制系统 集中式数字控制系统于七八十年代

46、占主导地位。采用单片机、PLC、SLC或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。它的优点是容易根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时机的选择上可以统一调度和安排；不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性。4.3 集散控制系统（DCS） 集散控制系统（DCS）于八九十年代占主导地位。其核心思想是集中管理、分散控制，有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷；不足的是，不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层Intranet、Internet信息网络之间难以实

47、现网络互连和信息共享，因此DCS从这个角度出发实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系统而且DCS造价十分昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的迫切要求。4.4 现场总线控制系统（FCS）现场总线控制系统（FCS）作为新一代控制系统，利用现场总线开放且具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。5现场总线技

48、术的优势5.1现场总线的优点由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。5.1.1节省硬件数量与投资由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。5.1.2节省安装费用现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的