工业通信技术作业

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1、发展现状 在市场和技术发展需要统一的国际标准的呼声下，修改后的 IEC 61158.36 标准最终于 2000 年 1 月 4 日获得通过。该标准包括了 8 种类型的现场总线子集，它们分别是：基金 会现场总线 FF(原有的技术规范 IEC 61158);Control Net;Profibus;PNet;FF HSE;Swift Net;Word FIP;Intferbus。这 8 种现场总线中，、是用于有限领域的专 用现场总线;、是由 PLC 为基础的控制系统发展而来，本质上以远程 I/O 总线 技术为基础，通常不具备通过总线向现场设备供电和本征安全性能;、则由传统 DCS 控制系统发展而来

2、，具有总线供电和本征安全功能;、属于现场设备级总线，、属 于监控级现场总线;、则是包括两个层次的现场总线。以上 8 种类型的现场总线采用完全不同的通信协议，例如：Profibus 采用的是令牌环 和主/从站方式;FFHSE 是 CSMA/CD 方式;WordFIP 是总线裁决方式。因此，要这 8 种现场 总线实现相互兼容和互操作几无可能。面对这种多总线并存的局面，系统集成将面临更为 复杂的任务，系统集成技术也将会有很大的发展。长期以来的标准之争，实际上已延缓了现场总线的发展速度。为了加快新一代系统的 发展，人们开始寻求新的出路，一个新的动向是从现场总线转向 Ethernet，用以太网作为 高速

3、现场总线框架的主传。以太网是计算机应用最广泛的网络技术，在 IT 领域已被使用多 年，已有广泛的硬、软件开发， 要的是启用以太网作为高速现场总线框架，可以使现场总 线技术和计算机网络技术的主流技术很好地融合起来。为了促进 Ethernet 在工业领域的应 用，国际上成立了工业以太网协会，开展工业以太网关键技术的研究。此外，开发设备网 供应商协会(ODVA)已经发布了在工厂现场使用以太网的全球性标准以太网/IP 标准。 该标准使用户在采用开放的工业应用层网络的同时，能利用可买到的现成的以太网物理介 质和组件，也即由多个供应商所提供的可互操作的以太网产品。随着网络技术的发展，以 太网应用于工业领域

4、所要面对的网络可确定性问题、环境适应性问题、包括总线供电和本 征安全问题都会迅速得到解决。 应用领域 摘要：现场总线作为一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统，近 年来得到了迅猛的发展和应用。为此本文阐述了现场总线的发展和多现场总线 技术的应用。 关键词：现场总线 自动化控制系统 1 概述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

5、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、CAN 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

6、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。1.1 现场总线是一个巨大的商业机会一项权威报

7、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。1.2.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

8、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。2.现场总线的发展2.1 自动控制领域的发展过程2.1.150 多年前第一代过程控制体系是基于 513psi 的气动信号标准（气 动控制系统 PCS，Pneumatic Control System） 。简单的就地操作模式，控制理 论初步形成，尚未有控制室的概念。2.1.2 第二代过程控制体系（模拟式或

9、ACS,Analog Control System）是基 于 010mA 或 420mA 的电流模拟信号，这一明显的进步，在整整 25 年内牢牢 地统治了整个自动控制领域。它表征了电气自动控制时代的到来。控制理论有 了重大发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础；控制室的设立，控制 功能分离的模式一直沿用至今。2.1.3 第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）.70 年代开 始了数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量，模拟和逻辑控 制领域率先使用，从而产生了第三代过程控制体系 （CCS，Computer Control System） 。这个

10、被称为第三代过程控制体系是自动控 制领域的一次革命，它充分发挥了计算机的特长，于是人们普遍认为计算机能 做好一切事情，自然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制计算机系统， 需要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿用 420mA 的模拟信号，但 是时隔不久人们发现，随着控制的集中和可靠性方面的问题，失控的危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统瘫痪。所以它很快被发展成分布式控制系统 （DCS） 。2.1.4 第四代过程控制体系（DCS，Distributed Control System 分布式控 制系统）：随着半导体制造技术的飞速发展，微处理器的普遍使用，计算机技 术可靠性的大幅度增加，目

11、前普遍使用的是第四代过程控制体系（DCS，或分布 式数字控制系统） ，它主要特点是整个控制系统不再是仅仅具有一台计算机，而 是由几台计算机和一些智能仪表和智能部件构成一个了控制系统。于是分散控 制成了最主要的特征。除外另一个重要的发展是它们之间的信号传递也不仅仅 依赖于 420mA 的模拟信号，而逐渐地以数字信号来取代模拟信号。2.1.5 第五代过程控制体系（FCS，Fieldbus Control System 现场总线控 制系统）：FCS 是从 DCS 发展而来，就象 DCS 从 CCS 发展过来一样，有了质的 飞跃。 “分散控制”发展到“现场控制” ；数据的传输采用“总线”方式。但是 F

12、CS 与 DCS 的真正的区别在于 FCS 有更广阔的发展空间。2.2 现场总线崛起的过程80 年代，微处理器及其相关技术的不断发展，使得数据传送环节成为 DCS 发展的瓶颈。1982 年，现场总线的概念首先在欧洲提出，两年后于 1984 年各 国开始进行现场总线标准的研究和制定。1986 年由 Rosemount 提出的通讯协议 HART（Highway Addressable Remote Transducer,可寻址远程传感器数据通路） ， 主要是在 420mA 的 DC 信号上叠加 FSK（Frepuency Shift Keying,频率调制 键控）数字信号，结果取得了很好的效果，同

13、时 Interbus 等简单的现场总线也 都取得了成功。这样 DSC 的发展的重点落在了现场总线上，开始了被称为第五 代过程控制体系（FCS，Fieldbus Control System 现场总线控制系统）的时代。FCS 是从 DCS 发展而来，有一个量变到质变的过程。从表面上来看，FCS 与 DCS 区别仅仅在于从“分散控制”发展到“现场控制” ；数据的传输从“点到 点”采用“总线”方式。其实不然，当时系统论的观点已被广泛地接受，人们 开始以大系统的概念来看待整个过程控制体系。系统的增大，导致了网络的通 讯技术急剧发展；于是科技界充分认识到在计算机系统的发展中起过重要作用 的总线技术可以大

14、大地推进控制系统的发展。整个控制系统就象是一台巨大的 “计算机”按总线方式运行，这样资源的共享成了 FCS 的主要发展空间，于是 现场总线应运而生，并且以前所未有的激烈程度展开了市场竞争。2.3 现场总线的技术基础：现场总线以数字信号取代模拟信号，在 3C 技术即计算机（Computer） 、控 制（Control） 、通信（Communication）的基础上，大量现场检测与控制的信息 就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备，一大 批数字化、智能化的高新技术产品应运而生，自动化仪表与控制系统以崭新的 面貌呈现在广大用户面前。一般认为“现场总线是一种全数字化、双向、多站

15、 的通信系统，是用于工业控制的计算机系统的工业总线。按照国际电工委员会 IEC61158 的标准定义：“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动 控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。从现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System）的角度来看，它 的通讯网络结构将是 ISO 的通讯模型的七层结构（一般简化为三层，物理层、 数据链路层、应用层） 。2.4 各种现场总线与标准2.4.1 IEC 1984 年提出现场总线国际标准的草案。1993 年才通过了物理层 的标准 IEC11582。2.4.2 SP50 IEC/ISA SP50 国际总线

16、规范由 Honeywell 等公司共同开发。 1984 年美国仪表协会 ISA（Instrument Society of America）下属的标准实 施（Standard and Practice）第 50 组，简称 ISA/SP50 开始制定现场总线标 准，1992 年 IEC 批准了 SP50 的物理层标准。2.4.3 Profibus,过程现场总线，1987 年德国联邦科技部集中了 Siemens 等 13 家公司的 5 个研究所成立了一个专门委员会开始制定 Profibus。1991 年 4 月完成了制定工作，在 DIN19245 中发表，对其进行了论述从而正式为德国现 场总线的国家标准，现在是欧洲标准 pr ENS50170 的三个组成部分之一。被工 业界称为“德国派” 。2.4.4 ISP 和 ISPF 1992 年由 Siemens,Foxboro,Rosemount,Fisher,Yokogawa,ABB 等公司成立 ISP 组织 （Interoperable System Proje