現(xiàn)場總線系統(tǒng)

(1) 全數(shù)字化通信

(2) 開放型的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

(3) 互可操作性與互用性

(4) 現(xiàn)場設(shè)備的智能化

(5) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性

(6) 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性

現(xiàn)場控制設(shè)備具有通信功能，便于構(gòu)成工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)。

通信標(biāo)準(zhǔn)的公開、一致，使系統(tǒng)具備開放性，設(shè)備間具有互可操作性。

功能塊與結(jié)構(gòu)的規(guī)范化使相同功能的設(shè)備間具有互換性。

控制功能下放到現(xiàn)場，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備高度的分散性。

制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇、電力等方面的自動化系統(tǒng)中。

2003年4月，IEC61158 Ed.3現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)第3版正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定10種類型的現(xiàn)場總線。

Type 1 TS61158現(xiàn)場總線

Type 2 ControlNet和Ethernet/IP現(xiàn)場總線

Type 3 Profibus現(xiàn)場總線

Type 4 P-NET現(xiàn)場總線

Type 5 FF HSE現(xiàn)場總線

Type 6 SwiftNet現(xiàn)場總線

Type 7 World FIP現(xiàn)場總線

Type 8 Interbus現(xiàn)場總線

Type 9 FF H1現(xiàn)場總線

Type 10 PROFInet現(xiàn)場總線

是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)

場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題 。

現(xiàn)場總線使自控設(shè)備與系統(tǒng)步入了信息網(wǎng)絡(luò)的行列，為其應(yīng)用開拓了更為廣闊的領(lǐng)域;

一對雙絞線上可掛接多個控制設(shè)備， 便于節(jié)省安裝費(fèi)用;

節(jié)省維護(hù)開銷;

提高了系統(tǒng)的可靠性;

為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動權(quán)。

現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展趨勢

從現(xiàn)場總線技術(shù)本身來分析，它有兩個明顯的發(fā)展趨勢:

一是尋求統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)

二是Industrial Ethernet走向工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)

統(tǒng)一、開放的TCP/IP Ethernet是20多年來發(fā)展最成功的網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ，過去一直認(rèn)為，Ethernet是為IT領(lǐng)域應(yīng)用而開發(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)自動化領(lǐng)域只能得到有限應(yīng)用。事實(shí)上，這些問題正在迅速得到解決，國內(nèi)對EPA技術(shù)(Ethernet for Process Automation)也取得了很大的進(jìn)展。

隨著FF HSE的成功開發(fā)以及PROFInet的推廣應(yīng)用，可以預(yù)見Ethernet技術(shù)將會十分迅速地進(jìn)入工業(yè)控制系統(tǒng)的各級網(wǎng)絡(luò)。

由于各個國家各個公司的利益之爭，雖然早在1984年國際電工技術(shù)委員會/國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(IEC/ISA)就著手開始制定現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)，至今統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)仍未完成。很多公司也推出其各自的現(xiàn)場總線技術(shù)，但彼此的開放性和互操作性還難以統(tǒng)一。目前現(xiàn)場總線市場有著以下的特點(diǎn):

多種現(xiàn)場總線并存

目前世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場總線，如法國的FIP，英國的ERA，德國西門子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemount公司的HART，CarloGavazzi公司的Dupline，丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI(ActraturSensorInterface)，MODBus，SDS，Arcnet，國際標(biāo)準(zhǔn)組織-基金會現(xiàn)場總線FF:FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美國的DeviceNet與ControlNet等等。這些現(xiàn)場總線大都用于過程自動化、醫(yī)藥領(lǐng)域、加工制造、交通運(yùn)輸、國防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領(lǐng)域，大概不到十種的總線占有80%左右的市場。

各種總線都有其應(yīng)用的領(lǐng)域

每種總線大都有其應(yīng)用的領(lǐng)域，比如FF、PROFIBUS-PA適用于石油、化工、醫(yī)藥、冶金等行業(yè)的過程控制領(lǐng)域;LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet適用于樓宇、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域;DeviceNet、PROFIBUS-DP適用于加工制造業(yè)，而這些劃分也不是絕對的，每種現(xiàn)場總線都力圖將其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，彼此滲透。

每種現(xiàn)場總線都有其國際組織和支持背景

大多數(shù)的現(xiàn)場總線都有一個或幾個大型跨國公司為背景并成立相應(yīng)的國際組織，力圖擴(kuò)大自己的影響、得到更多的市場份額。比如PROFIBUS以Siemens公司為主要支持，并成立了PROFIBUS國際用戶組織WorldFIP以Alstom公司為主要后臺，成立了WorldFIP國際用戶組織。

多種總線成為國家和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

為了加強(qiáng)自己的競爭能力，很多總線都爭取成為國家或者地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，比如PROFIBUS已成為德國標(biāo)準(zhǔn)，WorldFIP已成為法國標(biāo)準(zhǔn)等。

設(shè)備制造商參與多個總線組織

為了擴(kuò)大自己產(chǎn)品的使用范圍，很多設(shè)備制造商往往參與不止一個甚至多個總線組織。

各個總線彼此協(xié)調(diào)共存

由于競爭激烈，而且還沒有哪一種或幾種總線能一統(tǒng)市場，很多重要企業(yè)都力圖開發(fā)接口技術(shù)，使自己的總線能和其他總線相連，在國際標(biāo)準(zhǔn)中也出現(xiàn)了協(xié)調(diào)共存的局面。

工業(yè)自動化技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)，要求也千變?nèi)f化，使用一種現(xiàn)場總線技術(shù)也很難滿足所有行業(yè)的技術(shù)要求;現(xiàn)場總線不同于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，人們將會面對一個多種總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共存的現(xiàn)實(shí)世界。技術(shù)發(fā)展很大程度上受到市場規(guī)律、商業(yè)利益的制約;技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不僅是一個技術(shù)規(guī)范，也是一個商業(yè)利益的妥協(xié)產(chǎn)物。而現(xiàn)場總線的關(guān)鍵技術(shù)之一是彼此的互操作性，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線技術(shù)的統(tǒng)一是所有用戶的愿望。

國際上形成的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的四大陣營:

主要用于離散制造控制系統(tǒng)的是:

Modbus-IDA工業(yè)以太網(wǎng)

Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)

PROFInet工業(yè)以太網(wǎng)

主要用于過程控制系統(tǒng)的是:

Foundation Fieldbus HSE工業(yè)以太網(wǎng)

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，過程控制領(lǐng)域在過去的兩個世紀(jì)里發(fā)生了巨大的變革。150多年前出現(xiàn)的基于5-13psi的氣動信號標(biāo)準(zhǔn)(PCS，Pneumatic Control System氣動控制系統(tǒng))，標(biāo)志著控制理論初步形成，但此時(shí)尚未有控制室的概念;20世紀(jì)50年代，隨著基于0-10mA或4-20mA的電流模擬信號的模擬過程控制體系被提出并得到廣泛的應(yīng)用，標(biāo)志了電氣自動控制時(shí)代的到來，三大控制論的確立奠定了現(xiàn)代控制的基礎(chǔ)，設(shè)立控制室、控制功能分離的模式也一直沿用至今;20世紀(jì)70年代，隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的介入，產(chǎn)生了"集中控制"的中央控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而信號傳輸系統(tǒng)大部分是依然沿用4-20mA的模擬信號，不久人們也發(fā)現(xiàn)了伴隨著"集中控制"，該系統(tǒng)存在著易失控、可靠性低的缺點(diǎn)，并很快將其發(fā)展為分布式控制系統(tǒng)(DCS，Distributed Control System分布式控制系統(tǒng));微處理器的普遍應(yīng)用和計(jì)算機(jī)可靠性的提高，使分布式控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，由多臺計(jì)算機(jī)和一些智能儀表以及智能部件實(shí)現(xiàn)的分布式控制是其最主要的特征，而數(shù)字傳輸信號也在逐步取代模擬傳輸信號。隨著微處理器的快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場成為可能，產(chǎn)生了以微處理器為核心，使用集成電路代替常規(guī)電子線路，實(shí)施信息采集、顯示、處理、傳輸以及優(yōu)化控制等功能的智能設(shè)備。設(shè)備之間彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可維護(hù)性等都有更高的要求。由此，導(dǎo)致了現(xiàn)場總線的產(chǎn)生。

下面就幾種主流的現(xiàn)場總線做一簡單介紹。

1、基金會現(xiàn)場總線(Foundation Fieldbus 簡稱FF)

這是以美國Fisher-Rousemount公司為首的聯(lián)合了橫河、ABB、西門子、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World FIP協(xié)議于1994年9月合并的。該總線在過程自動化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景。

基金會現(xiàn)場總線采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的開放化系統(tǒng)互聯(lián)OSI的簡化模型(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、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符號IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。FF的物理媒介的傳輸信號采用曼切斯特編碼。

2、CAN(Controller Area Network 控制器局域網(wǎng))

最早由德國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國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(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的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，具有自動關(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)，通過設(shè)置優(yōu)先級來避免沖突，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。目前已有多家公司開發(fā)了符合CAN協(xié)議的通信芯片。

3、Lonworks

它由美國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，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡化為參數(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)用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運(yùn)輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。

4、DeviceNet

DeviceNet是一種低成本的通信連接也是一種簡單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，有著開放的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。DeviceNet具有的直接互聯(lián)性不僅改善了設(shè)備間的通信而且提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級陣地功能。DebiceNet基于CAN技術(shù)，傳輸率為125Kbit/s至500Kbit/s,每個網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點(diǎn)為64個，其通信模式為:生產(chǎn)者/客戶(Producer/Consumer)，采用多信道廣播信息發(fā)送方式。位于DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以自由連接或斷開，不影響網(wǎng)上的其他設(shè)備，而且其設(shè)備的安裝布線成本也較低。DeviceNet總線的組織結(jié)構(gòu)是Open DeviceNet Vendor Association(開放式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商協(xié)會，簡稱"ODVA")。

5、PROFIBUS

PROFIBUS是德國標(biāo)準(zhǔn)(DIN19245)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN50170)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA系列組成。DP用于分散外設(shè)間高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動化領(lǐng)域。FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。PA用于過程自動化的總線類型，服從IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS支持主-從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大傳輸距離在9.6Kbit/s下為1200m，在12Mbit/s小為200m，可采用中繼器延長至10km，傳輸介質(zhì)為雙絞線或者光纜，最多可掛接127個站點(diǎn)。

6、HART

HART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫，最早由Rosemount公司開發(fā)。其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過渡產(chǎn)品。其通信模型采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三層，支持點(diǎn)對點(diǎn)主從應(yīng)答方式和多點(diǎn)廣播方式。由于它采用模擬數(shù)字信號混和，難以開發(fā)通用的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆的要求，并可用于由手持編程器與管理系統(tǒng)主機(jī)作為主設(shè)備的雙主設(shè)備系統(tǒng)。

7、CC-Link

CC-Link是Control&Communication Link(控制與通信鏈路系統(tǒng))的縮寫，在1996年11月，由三菱電機(jī)為主導(dǎo)的多家公司推出，其增長勢頭迅猛，在亞洲占有較大份額。在其系統(tǒng)中，可以將控制和信息數(shù)據(jù)同是以10Mbit/s高速傳送至現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，具有性能卓越、使用簡單、應(yīng)用廣泛、節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)。其不僅解決了工業(yè)現(xiàn)場配線復(fù)雜的問題，同時(shí)具有優(yōu)異的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一個以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。2005年7月CC-Link被中國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會批準(zhǔn)為中國國家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性技術(shù)文件。

8、WorldFIP

WorkdFIP的北美部分與ISP合并為FF以后，WorldFIP的歐洲部分仍保持獨(dú)立，總部設(shè)在法國。其在歐洲市場占有重要地位，特別是在法國占有率大約為60%。WorldFIP的特點(diǎn)是具有單一的總線結(jié)構(gòu)來適用不同的應(yīng)用領(lǐng)域的需求，而且沒有任何網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋，用軟件的辦法來解決高速和低速的銜接。WorldFIP與FFHSE可以實(shí)現(xiàn)"透明聯(lián)接"，并對FF的H1進(jìn)行了技術(shù)拓展，如速率等。在與IEC61158第一類型的連接方面，WorldFIP做得最好，走在世界前列。

9、INTERBUS

INTERBUS是德國Phoenix公司推出的較早的現(xiàn)場總線，2000年2月成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158。INTERBUS采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的開放化系統(tǒng)互聯(lián)OSI的簡化模型(1，2，7層)，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，具有強(qiáng)大的可靠性、可診斷性和易維護(hù)性。其采用集總幀型的數(shù)據(jù)環(huán)通信，具有低速度、高效率的特點(diǎn)，并嚴(yán)格保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院椭芷谛?該總線的實(shí)時(shí)性、抗干擾性和可維護(hù)性也非常出色。INTERBUS廣泛地應(yīng)用到汽車、煙草、倉儲、造紙、包裝、食品等工業(yè)，成為國際現(xiàn)場總線的領(lǐng)先者。

此外較有影響的現(xiàn)場總線還有丹麥公司Process-Data A/S 提出的P-Net，該總線主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、食品等行業(yè);SwiftNet現(xiàn)場總線主要使用在航空航天等領(lǐng)域，還有一些其他的現(xiàn)場總線這里就不再贅述了。

1984年，現(xiàn)場總線的概念得到正式提出。IEC(International Electrotechnical Commission,國際電工委員會)對現(xiàn)場總線(Fieldbus)的定義為:現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備和控制裝置之間實(shí)行雙向、串形、多結(jié)點(diǎn)的數(shù)字通信技術(shù)。

不同的機(jī)構(gòu)和不同的人可能對現(xiàn)場總線有著不同的定義，不過通常情況下，大家公認(rèn)現(xiàn)場總線的本質(zhì)體現(xiàn)在以下六個方面:

現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)

用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)

依據(jù)實(shí)際需要使用不同的傳輸介質(zhì)把不同的現(xiàn)場設(shè)備或者現(xiàn)場儀表相互關(guān)聯(lián)。

互操作性

用戶可以根據(jù)自身的需求選擇不同廠家或不同型號的產(chǎn)品構(gòu)成所需的控制回路，從而可以自由地集成FCS。

分散功能塊

FCS 廢棄了DCS 的輸入/輸出單元和控制站, 把DCS 控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表, 從而構(gòu)成虛擬控制站，徹底地實(shí)現(xiàn)了分散控制。

通信線供電

通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量, 這種方式提供用于本質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場儀表, 與其配套的還有安全柵。

開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享。

從以上內(nèi)容我們可以看到，現(xiàn)場總線體現(xiàn)了分布、開放、互聯(lián)、高可靠性的特點(diǎn)，而這些正是DCS系統(tǒng)的缺點(diǎn)。DCS通常是一對一單獨(dú)傳送信號，其所采用的模擬信號精度低，易受干擾，位于操作室的操作員對模擬儀表往往難以調(diào)整參數(shù)和預(yù)測故障，處于"失控"狀態(tài)，很多的儀表廠商自定標(biāo)準(zhǔn)，互換性差，儀表的功能也較單一，難以滿足現(xiàn)代的要求，而且?guī)缀跛械目刂乒δ芏嘉挥诳刂普局?。FCS則采取一對多雙向傳輸信號，采用的數(shù)字信號精度高、可靠性強(qiáng)，設(shè)備也始終處于操作員的遠(yuǎn)程監(jiān)控和可控狀態(tài)，用戶可以自由按需選擇不同品牌種類的設(shè)備互聯(lián)，智能儀表具有通信、控制和運(yùn)算等豐富的功能，而且控制功能分散到各個智能儀表中去。由此我們可以看到FCS相對于DCS的巨大進(jìn)步。

也正是由于FCS的以上特點(diǎn)使得其在設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)都具有很大的優(yōu)越性:首先由于分散在前端的智能設(shè)備能執(zhí)行較為復(fù)雜的任務(wù)，不再需要單獨(dú)的控制器、計(jì)算單元等，節(jié)省了硬件投資和使用面積;FCS的接線較為簡單，而且一條傳輸線可以掛接多了設(shè)備，大大節(jié)約了安裝費(fèi)用;由于現(xiàn)場控制設(shè)備往往具有自診斷功能，并能將故障信息發(fā)送至控制室，減輕了維護(hù)工作;同時(shí)，由于用戶擁有高度的系統(tǒng)集成自主權(quán)，可以通過比較靈活選擇合適的廠家產(chǎn)品;整體系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性也大為提高。這一切都幫助用戶實(shí)現(xiàn)了減低安裝、使用、維護(hù)的成本，最終達(dá)到增加利潤的目的。

現(xiàn)場總線技術(shù)是控制、計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的交叉與集成，幾乎涵蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領(lǐng)域，如過程自動化、制造加工自動化、樓半自動化、家庭自動化等等。它的出現(xiàn)和快速發(fā)展體現(xiàn)了控制領(lǐng)域?qū)档统杀尽⑻岣呖煽啃?、增?qiáng)可維護(hù)性和提高數(shù)據(jù)采集的智能化的要求。現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)為兩個方面:一個是低速現(xiàn)場總線領(lǐng)域的不斷發(fā)展和完善;另一個是高速現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。而目前現(xiàn)場總線產(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，對網(wǎng)絡(luò)的性能要求不是很高。從實(shí)際應(yīng)用狀況看，大多數(shù)現(xiàn)場總線，都能較好地實(shí)現(xiàn)速率要求較低的過程控制。因此，在速率要求較低的控制領(lǐng)域，誰都很難統(tǒng)一整個市場。就目前而言，由于FF基金會幾乎集中了世界上主要自動化儀表制造商，其全球影響力日益增加，但其在中國市場營銷力度似乎不足，市場份額不是很高，LonWorks形成了全面的分工合作體系，在國內(nèi)有一些實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，在樓宇自動化、家庭自動化、智能通信產(chǎn)品等方面，LonWorks則具有獨(dú)特的優(yōu)勢。在離散制造加工領(lǐng)域，由于行業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)和歷史原因，Profibus和CAN經(jīng)在這一領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢，具有較強(qiáng)的競爭力。國內(nèi)廠商的規(guī)模相對較小，研發(fā)能力較差，更多的是依賴技術(shù)供應(yīng)商的支持，比較容易受現(xiàn)場總線技術(shù)供應(yīng)商 (芯片制造商等)對國內(nèi)的支持和市場推廣力度的影響。而且，還有一個不可忽視的一點(diǎn)就是在構(gòu)建自動化管理系統(tǒng)時(shí)，選擇的上位機(jī)，比如組態(tài)軟件對總線設(shè)備的支持程度，有些監(jiān)控組態(tài)軟件，比如紫金橋監(jiān)控組態(tài)軟件或者InTouch等對一些主流的總線設(shè)備比如Lonworks、PROFIBUS、CAN等有著良好的支持，通過DDE、OPC或者直接連接等方式進(jìn)行通訊，采集數(shù)據(jù)。這樣可以方便用戶的選擇，而一些組態(tài)軟件則支持的種類較少，是用戶選擇的范圍也隨之減少。

由于目前自動化技術(shù)從單機(jī)控制發(fā)展到工廠自動化FA，發(fā)展到系統(tǒng)自動化。工廠自動化信息網(wǎng)絡(luò)可分為以下三層結(jié)構(gòu):工廠管理級、車間監(jiān)控級、現(xiàn)場設(shè)備級，而現(xiàn)場總線是工廠底層設(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)是作為辦公室自動化領(lǐng)域衍生的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，按習(xí)慣主要指IEEE 802.3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、車間監(jiān)控級信息集成領(lǐng)域中，工業(yè)以太網(wǎng)已有不少成功的案例，在設(shè)備層對實(shí)時(shí)性沒有嚴(yán)格要求場合也有許多應(yīng)用。由于現(xiàn)場總線目前種類繁多，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)級產(chǎn)品問世和實(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)性和確定性問題，大部分現(xiàn)場層仍然會首選現(xiàn)場總線技術(shù)。由于技術(shù)的局限和各個廠家的利益之爭，這樣一個多種工業(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)際情況來選擇所需的解決方案。

本書介紹了CAN現(xiàn)場總線基本概念、基本模塊的開發(fā)、上位機(jī)接口及其驅(qū)動的開發(fā)以及整個系統(tǒng)的調(diào)試，并用一個實(shí)際CAN總線控制系統(tǒng)作為實(shí)例來論述CAN現(xiàn)場總線的應(yīng)用，讓有些軟硬件基礎(chǔ)的高年級本科生、研究生以及相關(guān)的科技開發(fā)人員通過閱讀本書，能很快地進(jìn)行CAN總線系統(tǒng)(產(chǎn)品)的開發(fā)。

本書還介紹了幾款國際主流CAN總線的高層產(chǎn)品，國際學(xué)術(shù)界、技術(shù)界關(guān)于CAN總線技術(shù)的最新研究進(jìn)展和CAN總線的發(fā)展前景，并用一定的篇幅介紹了我國在這個領(lǐng)域中的一些研究成果，讓具有一定基礎(chǔ)的讀者提高理論水平，在應(yīng)用中設(shè)計(jì)出高性能的系統(tǒng)，啟發(fā)有興趣的讀者在理論上做更為深入的研究。

第1章 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)概述

1.1 控制系統(tǒng)

1.2 現(xiàn)場總線技術(shù)

1.2.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

1.2.2 現(xiàn)場總線的特點(diǎn)

1.2.3 現(xiàn)場總線的本質(zhì)

1.2.4 現(xiàn)場總線的作用

1.3 幾種有影響的現(xiàn)場總線

1.3.1 基金會總線

1.3.2 LonWorks

1.3.3 Profibus

1.3.4 HART

1.3.5 CAN

1.3.6 INTERBUS

1.3.7 CC-Link

1.3.8 P-Net

1.3.9 SwiftNet

1.3.10 AS-i

1.3.11 RS-485

1.4 CAN現(xiàn)場總線簡介

1.4.1 CAN現(xiàn)場總線特點(diǎn)

1.4.2 CAN現(xiàn)場總線的發(fā)展過程

1.5 小結(jié)

1.6 思考題

第2章 CAN總線概念及相關(guān)協(xié)議

2.1 CAN總線概念

2.2 CAN總線概述

2.2.1 CAN總線的相關(guān)概念

2.2.2 CAN總線的特點(diǎn)

2.3 報(bào)文傳輸

2.4 CAN總線幀類型

2.4.1 數(shù)據(jù)幀組成

2.4.2 遠(yuǎn)程幀

2.4.3 錯誤幀

2.4.4 過載幀

2.4.5 幀間空間

2.5 發(fā)送器/接收器

2.6 錯誤處理

2.6.1 錯誤檢測

2.6.2 錯誤標(biāo)定

2.6.3 故障界定

2.7 位定時(shí)要求

2.7.1 標(biāo)稱位速率

2.7.2 標(biāo)稱位時(shí)間

2.7.3 同步

2.7.4 協(xié)議修改

2.7.5 CAN的標(biāo)準(zhǔn)接口

2.8 CAN總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及通信方式

2.8.1 CAN總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.8.2 CAN總線系統(tǒng)的通信方式

2.9 小結(jié)

2.10 思考題

第3章 控制器SJA1000與 收發(fā)器TJA1050

3.1 SJA1000介紹

3.1.1 SJA1000特點(diǎn)

3.1.2 總體說明

3.1.3 CAN控制模塊的說明

3.1.4 CAN控制器的詳細(xì)說明

……

第4章 SJA1000獨(dú)立CAN控制器的應(yīng)用

第5章 帶有SPI接口的獨(dú)立CAN控制器MCP2510

第6章 基于MCP2510控制器開發(fā)CAN總線節(jié)點(diǎn)

第7章 基于32位微處理器和MCP2510實(shí)現(xiàn)多種CAN智能節(jié)點(diǎn)

第8章 CAN總線應(yīng)用層協(xié)議

第9章 基于CAN智能節(jié)點(diǎn)組成控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用

附錄A

參考文獻(xiàn)

制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇、電力等方面的自動化系統(tǒng)中。

2003年4月，IEC61158 Ed.3現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)第3版正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定10種類型的現(xiàn)場總線。

Type 1 TS61158現(xiàn)場總線

Type 2 ControlNet和Ethernet/IP現(xiàn)場總線

Type 3 Profibus現(xiàn)場總線

Type 4 P-NET現(xiàn)場總線

Type 5 FF HSE現(xiàn)場總線

Type 6 SwiftNet現(xiàn)場總線

Type 7 World FIP現(xiàn)場總線

Type 8 Interbus現(xiàn)場總線

Type 9 FF H1現(xiàn)場總線

Type 10 PROFInet現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線的技術(shù)特征

(1) 全數(shù)字化通信

(2) 開放型的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

(3) 互可操作性與互用性

(4) 現(xiàn)場設(shè)備的智能化

(5) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性

(6) 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性

現(xiàn)場總線的特點(diǎn)

現(xiàn)場控制設(shè)備具有通信功能，便于構(gòu)成工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)。

通信標(biāo)準(zhǔn)的公開、一致，使系統(tǒng)具備開放性，設(shè)備間具有互可操作性。

功能塊與結(jié)構(gòu)的規(guī)范化使相同功能的設(shè)備間具有互換性。

控制功能下放到現(xiàn)場，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備高度的分散性。

現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn)

現(xiàn)場總線使自控設(shè)備與系統(tǒng)步入了信息網(wǎng)絡(luò)的行列，為其應(yīng)用開拓了更為廣闊的領(lǐng)域;

一對雙絞線上可掛接多個控制設(shè)備， 便于節(jié)省安裝費(fèi)用;

節(jié)省維護(hù)開銷;

提高了系統(tǒng)的可靠性;

為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動權(quán)。

現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展趨勢

從現(xiàn)場總線技術(shù)本身來分析，它有兩個明顯的發(fā)展趨勢:

一是尋求統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)

二是Industrial Ethernet走向工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)

統(tǒng)一、開放的TCP/IP Ethernet是20多年來發(fā)展最成功的網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ，過去一直認(rèn)為，Ethernet是為IT領(lǐng)域應(yīng)用而開發(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)自動化領(lǐng)域只能得到有限應(yīng)用。事實(shí)上，這些問題正在迅速得到解決，國內(nèi)對EPA技術(shù)(Ethernet for Process Automation)也取得了很大的進(jìn)展。

隨著FF HSE的成功開發(fā)以及PROFInet的推廣應(yīng)用，可以預(yù)見Ethernet技術(shù)將會十分迅速地進(jìn)入工業(yè)控制系統(tǒng)的各級網(wǎng)絡(luò)。

工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展

國際上形成的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的四大陣營:

主要用于離散制造控制系統(tǒng)的是:

Modbus-IDA工業(yè)以太網(wǎng)

Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)

PROFInet工業(yè)以太網(wǎng)

主要用于過程控制系統(tǒng)的是:

Foundation Fieldbus HSE工業(yè)以太網(wǎng)

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，過程控制領(lǐng)域在過去的兩個世紀(jì)里發(fā)生了巨大的變革。150多年前出現(xiàn)的基于5-13psi的氣動信號標(biāo)準(zhǔn)(PCS，Pneumatic Control System氣動控制系統(tǒng))，標(biāo)志著控制理論初步形成，但此時(shí)尚未有控制室的概念;20世紀(jì)50年代，隨著基于0-10mA或4-20mA的電流模擬信號的模擬過程控制體系被提出并得到廣泛的應(yīng)用，標(biāo)志了電氣自動控制時(shí)代的到來，三大控制論的確立奠定了現(xiàn)代控制的基礎(chǔ)，設(shè)立控制室、控制功能分離的模式也一直沿用至今;20世紀(jì)70年代，隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的介入，產(chǎn)生了"集中控制"的中央控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而信號傳輸系統(tǒng)大部分是依然沿用4-20mA的模擬信號，不久人們也發(fā)現(xiàn)了伴隨著"集中控制"，該系統(tǒng)存在著易失控、可靠性低的缺點(diǎn)，并很快將其發(fā)展為分布式控制系統(tǒng)(DCS，Distributed Control System分布式控制系統(tǒng));微處理器的普遍應(yīng)用和計(jì)算機(jī)可靠性的提高，使分布式控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，由多臺計(jì)算機(jī)和一些智能儀表以及智能部件實(shí)現(xiàn)的分布式控制是其最主要的特征，而數(shù)字傳輸信號也在逐步取代模擬傳輸信號。隨著微處理器的快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場成為可能，產(chǎn)生了以微處理器為核心，使用集成電路代替常規(guī)電子線路，實(shí)施信息采集、顯示、處理、傳輸以及優(yōu)化控制等功能的智能設(shè)備。設(shè)備之間彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可維護(hù)性等都有更高的要求。由此，導(dǎo)致了現(xiàn)場總線的產(chǎn)生。

現(xiàn)場總線的實(shí)質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)

1984年，現(xiàn)場總線的概念得到正式提出。IEC(International Electrotechnical Commission,國際電工委員會)對現(xiàn)場總線(Fieldbus)的定義為:現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備和控制裝置之間實(shí)行雙向、串形、多結(jié)點(diǎn)的數(shù)字通信技術(shù)。

不同的機(jī)構(gòu)和不同的人可能對現(xiàn)場總線有著不同的定義，不過通常情況下，大家公認(rèn)現(xiàn)場總線的本質(zhì)體現(xiàn)在以下六個方面:

現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)

用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)

依據(jù)實(shí)際需要使用不同的傳輸介質(zhì)把不同的現(xiàn)場設(shè)備或者現(xiàn)場儀表相互關(guān)聯(lián)。

互操作性

用戶可以根據(jù)自身的需求選擇不同廠家或不同型號的產(chǎn)品構(gòu)成所需的控制回路，從而可以自由地集成FCS。

分散功能塊

FCS 廢棄了DCS 的輸入/輸出單元和控制站, 把DCS 控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表, 從而構(gòu)成虛擬控制站，徹底地實(shí)現(xiàn)了分散控制。

通信線供電

通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量, 這種方式提供用于本質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場儀表, 與其配套的還有安全柵。

開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享。

從以上內(nèi)容我們可以看到，現(xiàn)場總線體現(xiàn)了分布、開放、互聯(lián)、高可靠性的特點(diǎn)，而這些正是DCS系統(tǒng)的缺點(diǎn)。DCS通常是一對一單獨(dú)傳送信號，其所采用的模擬信號精度低，易受干擾，位于操作室的操作員對模擬儀表往往難以調(diào)整參數(shù)和預(yù)測故障，處于"失控"狀態(tài)，很多的儀表廠商自定標(biāo)準(zhǔn)，互換性差，儀表的功能也較單一，難以滿足現(xiàn)代的要求，而且?guī)缀跛械目刂乒δ芏嘉挥诳刂普局?。FCS則采取一對多雙向傳輸信號，采用的數(shù)字信號精度高、可靠性強(qiáng)，設(shè)備也始終處于操作員的遠(yuǎn)程監(jiān)控和可控狀態(tài)，用戶可以自由按需選擇不同品牌種類的設(shè)備互聯(lián)，智能儀表具有通信、控制和運(yùn)算等豐富的功能，而且控制功能分散到各個智能儀表中去。由此我們可以看到FCS相對于DCS的巨大進(jìn)步。

也正是由于FCS的以上特點(diǎn)使得其在設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)都具有很大的優(yōu)越性:首先由于分散在前端的智能設(shè)備能執(zhí)行較為復(fù)雜的任務(wù)，不再需要單獨(dú)的控制器、計(jì)算單元等，節(jié)省了硬件投資和使用面積;FCS的接線較為簡單，而且一條傳輸線可以掛接多了設(shè)備，大大節(jié)約了安裝費(fèi)用;由于現(xiàn)場控制設(shè)備往往具有自診斷功能，并能將故障信息發(fā)送至控制室，減輕了維護(hù)工作;同時(shí)，由于用戶擁有高度的系統(tǒng)集成自主權(quán)，可以通過比較靈活選擇合適的廠家產(chǎn)品;整體系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性也大為提高。這一切都幫助用戶實(shí)現(xiàn)了減低安裝、使用、維護(hù)的成本，最終達(dá)到增加利潤的目的。

現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀

由于各個國家各個公司的利益之爭，雖然早在1984年國際電工技術(shù)委員會/國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(IEC/ISA)就著手開始制定現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)，至今統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)仍未完成。很多公司也推出其各自的現(xiàn)場總線技術(shù)，但彼此的開放性和互操作性還難以統(tǒng)一。目前現(xiàn)場總線市場有著以下的特點(diǎn):

多種現(xiàn)場總線并存

目前世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場總線，如法國的FIP，英國的ERA，德國西門子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI(ActraturSensorInterface)，MODBus，SDS，Arcnet，國際標(biāo)準(zhǔn)組織-基金會現(xiàn)場總線FF:FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美國的DeviceNet與ControlNet等等。這些現(xiàn)場總線大都用于過程自動化、醫(yī)藥領(lǐng)域、加工制造、交通運(yùn)輸、國防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領(lǐng)域，大概不到十種的總線占有80%左右的市場。

各種總線都有其應(yīng)用的領(lǐng)域

每種總線大都有其應(yīng)用的領(lǐng)域，比如FF、PROFIBUS-PA適用于石油、化工、醫(yī)藥、冶金等行業(yè)的過程控制領(lǐng)域;LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet適用于樓宇、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域;DeviceNet、PROFIBUS-DP適用于加工制造業(yè)，而這些劃分也不是絕對的，每種現(xiàn)場總線都力圖將其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，彼此滲透。

每種現(xiàn)場總線都有其國際組織和支持背景

大多數(shù)的現(xiàn)場總線都有一個或幾個大型跨國公司為背景并成立相應(yīng)的國際組織，力圖擴(kuò)大自己的影響、得到更多的市場份額。比如PROFIBUS以Siemens公司為主要支持，并成立了PROFIBUS國際用戶組織WorldFIP以Alstom公司為主要后臺，成立了WorldFIP國際用戶組織。

多種總線成為國家和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

為了加強(qiáng)自己的競爭能力，很多總線都爭取成為國家或者地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，比如PROFIBUS已成為德國標(biāo)準(zhǔn)，WorldFIP已成為法國標(biāo)準(zhǔn)等。

設(shè)備制造商參與多個總線組織

為了擴(kuò)大自己產(chǎn)品的使用范圍，很多設(shè)備制造商往往參與不止一個甚至多個總線組織。

各個總線彼此協(xié)調(diào)共存

由于競爭激烈，而且還沒有哪一種或幾種總線能一統(tǒng)市場，很多重要企業(yè)都力圖開發(fā)接口技術(shù)，使自己的總線能和其他總線相連，在國際標(biāo)準(zhǔn)中也出現(xiàn)了協(xié)調(diào)共存的局面。

工業(yè)自動化技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)，要求也千變?nèi)f化，使用一種現(xiàn)場總線技術(shù)也很難滿足所有行業(yè)的技術(shù)要求;現(xiàn)場總線不同于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，人們將會面對一個多種總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共存的現(xiàn)實(shí)世界。技術(shù)發(fā)展很大程度上受到市場規(guī)律、商業(yè)利益的制約;技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不僅是一個技術(shù)規(guī)范，也是一個商業(yè)利益的妥協(xié)產(chǎn)物。而現(xiàn)場總線的關(guān)鍵技術(shù)之一是彼此的互操作性，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線技術(shù)的統(tǒng)一是所有用戶的愿望。

主流現(xiàn)場總線簡介

下面就幾種主流的現(xiàn)場總線做一簡單介紹。

1基金會現(xiàn)場總線(FoundationFieldbus 簡稱FF)

這是以美國Fisher-Rousemount公司為首的聯(lián)合了橫河、ABB、西門子、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。該總線在過程自動化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景。

基金會現(xiàn)場總線采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的開放化系統(tǒng)互聯(lián)OSI的簡化模型(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、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符號IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。FF的物理媒介的傳輸信號采用曼切斯特編碼。

CAN(ControllerAreaNetwork 控制器局域網(wǎng))

最早由德國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國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(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的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，具有自動關(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)，通過設(shè)置優(yōu)先級來避免沖突，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。目前已有多家公司開發(fā)了符合CAN協(xié)議的通信芯片。

Lonworks

它由美國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，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡化為參數(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)用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運(yùn)輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。

DeviceNet

DeviceNet是一種低成本的通信連接也是一種簡單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，有著開放的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。DeviceNet具有的直接互聯(lián)性不僅改善了設(shè)備間的通信而且提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級陣地功能。DebiceNet基于CAN技術(shù)，傳輸率為125Kbit/s至500Kbit/s,每個網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點(diǎn)為64個，其通信模式為:生產(chǎn)者/客戶(Producer/Consumer)，采用多信道廣播信息發(fā)送方式。位于DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以自由連接或斷開，不影響網(wǎng)上的其他設(shè)備，而且其設(shè)備的安裝布線成本也較低。DeviceNet總線的組織結(jié)構(gòu)是Open DeviceNet Vendor Association(開放式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商協(xié)會，簡稱"ODVA")。

5PROFIBUS

PROFIBUS是德國標(biāo)準(zhǔn)(DIN19245)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN50170)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA系列組成。DP用于分散外設(shè)間高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動化領(lǐng)域。FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。PA用于過程自動化的總線類型，服從IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS支持主-從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大傳輸距離在9.6Kbit/s下為1200m，在12Mbit/s小為200m，可采用中繼器延長至10km，傳輸介質(zhì)為雙絞線或者光纜，最多可掛接127個站點(diǎn)。

6HART

HART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫，最早由Rosemount公司開發(fā)。其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過渡產(chǎn)品。其通信模型采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三層，支持點(diǎn)對點(diǎn)主從應(yīng)答方式和多點(diǎn)廣播方式。由于它采用模擬數(shù)字信號混和，難以開發(fā)通用的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆的要求，并可用于由手持編程器與管理系統(tǒng)主機(jī)作為主設(shè)備的雙主設(shè)備系統(tǒng)。

7CC-Link

CC-Link是Control&Communication Link(控制與通信鏈路系統(tǒng))的縮寫，在1996年11月，由三菱電機(jī)為主導(dǎo)的多家公司推出，其增長勢頭迅猛，在亞洲占有較大份額。在其系統(tǒng)中，可以將控制和信息數(shù)據(jù)同是以10Mbit/s高速傳送至現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，具有性能卓越、使用簡單、應(yīng)用廣泛、節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)。其不僅解決了工業(yè)現(xiàn)場配線復(fù)雜的問題，同時(shí)具有優(yōu)異的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一個以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。2005年7月CC-Link被中國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會批準(zhǔn)為中國國家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性技術(shù)文件。

8WorldFIP

WorkdFIP的北美部分與ISP合并為FF以后，WorldFIP的歐洲部分仍保持獨(dú)立，總部設(shè)在法國。其在歐洲市場占有重要地位，特別是在法國占有率大約為60%。WorldFIP的特點(diǎn)是具有單一的總線結(jié)構(gòu)來適用不同的應(yīng)用領(lǐng)域的需求，而且沒有任何網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋，用軟件的辦法來解決高速和低速的銜接。WorldFIP與FFHSE可以實(shí)現(xiàn)"透明聯(lián)接"，并對FF的H1進(jìn)行了技術(shù)拓展，如速率等。在與IEC61158第一類型的連接方面，WorldFIP做得最好，走在世界前列。

INTERBUS

INTERBUS是德國Phoenix公司推出的較早的現(xiàn)場總線，2000年2月成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158。INTERBUS采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的開放化系統(tǒng)互聯(lián)OSI的簡化模型(1，2，7層)，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，具有強(qiáng)大的可靠性、可診斷性和易維護(hù)性。其采用集總幀型的數(shù)據(jù)環(huán)通信，具有低速度、高效率的特點(diǎn)，并嚴(yán)格保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院椭芷谛?該總線的實(shí)時(shí)性、抗干擾性和可維護(hù)性也非常出色。INTERBUS廣泛地應(yīng)用到汽車、煙草、倉儲、造紙、包裝、食品等工業(yè)，成為國際現(xiàn)場總線的領(lǐng)先者。

此外較有影響的現(xiàn)場總線還有丹麥公司Process-Data A/S 提出的P-Net，該總線主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、食品等行業(yè);SwiftNet現(xiàn)場總線主要使用在航空航天等領(lǐng)域，還有一些其他的現(xiàn)場總線這里就不再贅述了。

現(xiàn)場總線的發(fā)展和以太網(wǎng)

現(xiàn)場總線技術(shù)是控制、計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的交叉與集成，幾乎涵蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領(lǐng)域，如過程自動化、制造加工自動化、樓半自動化、家庭自動化等等。它的出現(xiàn)和快速發(fā)展體現(xiàn)了控制領(lǐng)域?qū)档统杀尽⑻岣呖煽啃?、增?qiáng)可維護(hù)性和提高數(shù)據(jù)采集的智能化的要求?，F(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)為兩個方面:一個是低速現(xiàn)場總線領(lǐng)域的不斷發(fā)展和完善;另一個是高速現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。而目前現(xiàn)場總線產(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，對網(wǎng)絡(luò)的性能要求不是很高。從實(shí)際應(yīng)用狀況看，大多數(shù)現(xiàn)場總線，都能較好地實(shí)現(xiàn)速率要求較低的過程控制。因此，在速率要求較低的控制領(lǐng)域，誰都很難統(tǒng)一整個市場。就目前而言，由于FF基金會幾乎集中了世界上主要自動化儀表制造商，其全球影響力日益增加，但其在中國市場營銷力度似乎不足，市場份額不是很高，LonWorks形成了全面的分工合作體系，在國內(nèi)有一些實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，在樓宇自動化、家庭自動化、智能通信產(chǎn)品等方面，LonWorks則具有獨(dú)特的優(yōu)勢。在離散制造加工領(lǐng)域，由于行業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)和歷史原因，Profibus和CAN經(jīng)在這一領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢，具有較強(qiáng)的競爭力。國內(nèi)廠商的規(guī)模相對較小，研發(fā)能力較差，更多的是依賴技術(shù)供應(yīng)商的支持，比較容易受現(xiàn)場總線技術(shù)供應(yīng)商 (芯片制造商等)對國內(nèi)的支持和市場推廣力度的影響。而且，還有一個不可忽視的一點(diǎn)就是在構(gòu)建自動化管理系統(tǒng)時(shí)，選擇的上位機(jī)，比如組態(tài)軟件對總線設(shè)備的支持程度，有些監(jiān)控組態(tài)軟件，比如紫金橋監(jiān)控組態(tài)軟件或者InTouch等對一些主流的總線設(shè)備比如Lonworks、PROFIBUS、CAN等有著良好的支持，通過DDE、OPC或者直接連接等方式進(jìn)行通訊，采集數(shù)據(jù)。這樣可以方便用戶的選擇，而一些組態(tài)軟件則支持的種類較少，是用戶選擇的范圍也隨之減少。

由于目前自動化技術(shù)從單機(jī)控制發(fā)展到工廠自動化FA，發(fā)展到系統(tǒng)自動化。工廠自動化信息網(wǎng)絡(luò)可分為以下三層結(jié)構(gòu):工廠管理級、車間監(jiān)控級、現(xiàn)場設(shè)備級，而現(xiàn)場總線是工廠底層設(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)是作為辦公室自動化領(lǐng)域衍生的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，按習(xí)慣主要指IEEE 802.3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、車間監(jiān)控級信息集成領(lǐng)域中，工業(yè)以太網(wǎng)已有不少成功的案例，在設(shè)備層對實(shí)時(shí)性沒有嚴(yán)格要求場合也有許多應(yīng)用。由于現(xiàn)場總線目前種類繁多，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)級產(chǎn)品問世和實(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)性和確定性問題，大部分現(xiàn)場層仍然會首選現(xiàn)場總線技術(shù)。由于技術(shù)的局限和各個廠家的利益之爭，這樣一個多種工業(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)際情況來選擇所需的解決方案。