自动化控制系统中多现场总线兼容性问题探讨 ——以太网和现场总线的互连(二)
2现场总线随着计算机及网络的发展，工业过程控制出现了惊人的变革，由传统的4～20 mA模拟信号标准发展成为分布式计算机控制系统（DCS）。DCS的出现，实现了开放式、多层次计算机网络的管理一体化。但是DCS体系在很多方面存在局限性，它采用主从结构体系，所有现场设备的数据信号都传送到控制室里，这将不可避免地导致系统可靠性低，实时性差等缺点。并且由于所有现场节点都和主控机打交道，所以主控机的选择往往决定了整个现场设备的配置，开放性较差。为了克服DCS这些缺点，各个生产厂商纷纷推出了各种智能仪表，这些仪表不但包括数字化变送器和执行机构，连控制模块也逐渐加入到现场仪表的行列，这就使现场数据不必再进入主控室，就可以现场进行处理。为了充分发挥智能仪表的优势，控制网络也必须进行改进，以保证其处理的可靠性和高效性，现场总线（Fieldbus）就是在这种要求下应运而生的。现场总线是用来连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络。它克服了DCS存在的种种不足，将计算机网络成功地应用于过程控制中，引发了控制技术的一次大变革。
现场总线技术标志着新一代控制技术的产生，并将引起控制领域的一次深刻变革。人们认为自动化领域这场变革的深度和广度将超过历史上任何一次变革，必将开创自动控制的新纪元。
为了在这场变革中不被潮流抛在后面，世界各大自动化仪表和设备制造商纷纷投入巨资研究开发现场总线技术，力争成为市场的主导者。目前已经出现了FF、Profibus、LonWorks、CAN等40余种现场总线。由于不同现场总线技术代表着不同集团、不同厂商的利益，使得目前现场总线技术的发展出现了十分复杂的局面，现场总线技术很难实现统一。
通过对新一代控制技术根本特点的研究，可以指引新一代控制技术的发展方向和发展策略，对现场总线技术的发展和成熟也具有重要意义。
2.1现场总线技术概念、结构和特点
现场总线（Field Bus）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。
随着现场总线技术的出现和成熟，促使了控制系统由分布控制系统（DCS）向现场总线控制系统（FCS）的过渡。在一般的FCS系统中，遵循一定现场总线协议的现场仪表可以组成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各个现场仪表中，从而减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于执行复杂的高层次的控制算法。对于简单的控制应用，甚至可以把控制站取消，在控制站位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器，操作站直接与现场仪表相连，构成分布式控制系统。分布式的FCS系统比DCS系统更好地体现了“信息集中，控制分散”的思想。与传统的DCS相比，FCS有其自身的特点，它具有高度的分散性，可以由现场设备组成自治的控制回路。现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性，可完成控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行情况。另外，FCS的结构比DCS简单，有的FCS系统省略了DCS中控制站这一层，操作站直接与现场仪表相连，这就使FCS的可靠性得到提高。现场总线系统具有开放性，系统对相关标准具有一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。通信协议一致公开，各厂家的设备之间可实现信息交换，通过现场总线可构筑自动化领域的开放互连系统。系统的开放性决定了它具有互操作性和互用性，互操作性指互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。作为工厂网络底层的现场总线还对现场环境有较强的适应性，它支持双绞线、同轴电缆、光缆、无线和电力线等，具有较强的抗干扰能力。
由于结构的改变，FCS比DCS更节约硬件设备。使用FCS可减少大量的隔离器、端子柜、I/O卡及I/O端口，节省了I/O装置及装置室的空间；同时减少了大量电缆，可以极大地节省安装费用。与此同时，FCS比DCS性能有所提高，由于免去了D/A与A/D变换，使仪表精度得到极大地提高；通过将PID功能植入到相应的智能传感器中，使控制周期大为缩短。目前FCS可以从DCS的每秒调节2～5次增加到每秒调节10～20次，改善了调节性能。FCS控制系统与DCS控制系统结构比较见图2.1.
由于现场总线以上特点，特别是其系统结构的简化，使其从设计、安装、投入到正常生产运行及检修维护，都体现出很强的优越性。它不仅节省了硬件数量与投资，节省了安装费用，而且系统的维护开销也大大地降低。现场总线控制系统不仅精确度与可靠性高，在方便使用和维护性方面，FCS也比DCS有优势。FCS使用统一的组态方式，安装、运行、维修简便；利用智能化现场仪表，使维修预报（Predicted Maintenance）成为可能；由于系统具有互操作性和互用性，用户可以自由选择不同品牌的设备达到最佳的系统集成，在设备出现故障时，可以自由选择替换的设备，保障用户的高度系统集成主动权。它还具有设计简单，易于重构等特点。
现场总线和传统控制技术相比，具有许多突出优点：
1、基于现场总线的自动化监控系统增强了现场信息继承能力
通过现场总线可以从现场设备获取大量信息，能够很好地满足控制系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4～20 mA信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。
2、开放式、互操作性、互换性、可集成性好
不同厂商产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性和互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放的，允许各厂商将自己专长的控制技术集成到系统中。
用户也可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统，避免因选择了某一品牌的产品而被限定使用设备的选择范围。
3、系统可靠性高、可维护性好
基于现场总线的自动化系统采用总线连接方式替代一对一的I/O连线，对于大规模系统来说，减少了由连线造成的不可靠因素。同时，系统具有现场设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。
4、节省安装费用
现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可以挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒和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电缆上，既节省了投资，也减小了设计、安装的工作量。据典型实验工程的测算资料表明，可节约安装费用60％以上。
5、提高了系统的准确性和可靠性
由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统结构的简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统工作的可靠性。
由于现场总线技术的上述特点，现场总线技术引起控制领域的一次深刻变革，并开创了控制领域的新纪元。
2.2几种主要现场总线控制系统的特点及其协议
进入90年代以来，不同厂家纷纷推出了自己的现场总线控制系统，并规定了相应的标准，而现场总线的标准目前还没有统一起来，目前市场上出现的比较通用的现场总线系统有：FF、LonWorks、Profibus、HART、CAN等。
1、FF （Fieldbus Foundation，现场总线基金会）
现场总线基金会是国际公认的唯一不附属于某厂家的非商业化的国际标准化组织，其宗旨是制定单一的国际现场总线标准，它于1994年9月成立，国际上许多著名的仪表公司都加入了该组织。FF的体系结构参照ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层制订，此外还加上了用户层。FF提供了两种物理层标准H1和H2，H1为用于过程控制的低速总线，速率为31.25kbps，传输距离为200m（无屏蔽多芯电缆）、400m（无屏蔽多芯双绞线）和1200m（屏蔽多芯双绞线）、1900m（屏蔽双绞线），由总线提供供电电源，H1每段节点数最多为32个，拓扑结构为总线型或树型；H2为用于制造自动化的高速总线，传输速率为1Mbps（750m）和2.5Mbps（500m），传输媒介可以为屏蔽双绞线、同轴电缆、光纤和无线电，每段最多可接124个节点，拓扑结构为总线型。H1和H2之间通过网桥互连，目前已有多家公司生产H1低速总线的专用芯片，如Honeywell、Yokogawa、National Semiconductor等。
2、LonWorks （Local Operating Network，局部操作网络）
LonWorks现场总线技术是由美国Echelon公司于1991年推出的网络控制系统，它具有统一性、开放性和互操作性。LonWorks现场总线网络简称为LON网络，LON网络的核心是Neuron芯片，它既能管理通信，又具有输入、输出能力，芯片内部含有三个CPU，分别管理网络、介质访问和应用，芯片还附有固件，由固件实现通信协议和任务调度，用户不必将时间花在底层通信上，因此可以缩短开发时间。LON网络采用的通信协议称为Lontalk协议，Lontalk协议是遵循OSI七层参考模型的完整的七层协议，该协议对用户完全开放，而且任何制造商的产品都可以实现互操作，它支持多种通信媒介，包括双绞线、电力线、射频、红外线、同轴电缆和光纤等，Lontalk协议支持检测/应答、自动重发、请求/响应等消息服务类型，可以实现点到点、点到多点和广播式信息接收和发送方式。LON网络在一个测控网络上的节点数最多可达到32000个，无论是哪一类节点，都含有用于控制和通信的Neuron芯片、用于连接一个或多个I/O设备的I/O接口，以及负责将节点连接上网的收发器，不同的通信媒介需要使用不同的收发器。
3、Profibus （过程现场总线）
Profibus是以欧洲厂家和用户为主的过程自动化现场总线系统，它是一种多主多从的令牌网络，目前它可提供三种模式：
Profibus PA（H1）用于过程自动化，它是低速总线，可以提供总线供电和本征安全。网络中由耦合器连接和耦合两个不同的网段，耦合器还可起到供电和隔爆作用。
Profibus DP（H2）可以和Profibus PA兼容，实现分散外设间的高速数据传输，很多PLC支持该协议，可用于连接Profibus PA和加工自动化领域，Profibus PA和Profibus DP段间通过耦合器相连。
Profibus FMS用于一般自动化控制，支持多主处理。
Profibus是一种传输速率很高的现场总线，最高速率可达12Mbps，是一种比较成熟的现场总线技术。
4、HART （Highway Addressable Remoter Transducer，可寻址远程传感器数据通路）
HART是美国Rosemount公司推出的一种兼容4～20mA模拟信号和调控数字信号的现场总线协议，HART协议参照OSI的模型标准，简化并引用其中的物理层、数据链路层和应用层制定而成。它采用基于Bell202通信标准的FSK技术，即在4～20mA（DC）的模拟信号上叠加幅度为0.5mA的正弦调制波，逻辑1为1200HZ，逻辑0为2200HZ，波特率为1200bps，由于所叠加的正弦信号平均值为0，所以数字通信信号不会干扰4～20mA的模拟信号，因此可以做到在一根双绞线上4～20mA的模拟信号和数字信号同时传输。HART通信可以有点对点或多点连接模式，但没有自诊断功能。用屏蔽双绞线单台设备距离为3000m，多台设备互连距离为1500m.
由于目前4～20mA信号制的模拟设备还在大量使用，不可能一蹴而就地改为全数字信号的现场总线设备，因此HART作为一种4～20mA模拟信号与数字通信兼容的标准，国内外已有七十多家企业采用了此协议。
5、CAN （Controller Area Net，控制局域网络）
CAN协议是由德国Bosch公司为汽车的监测和控制而设计的，目前它已逐步应用到其他工业部门的控制应用中，并已成为国际标准。CAN的接口模块支持8位、16位的CPU，可做成ISA与PCI总线的插卡，也可置于温度、压力以及流量等物理量的变送器中，构成智能化仪表。CAN支持多主工作方式，网络上任意节点可以在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，而且网络上的节点可以设定成不同的优先级，可以满足不同的实时要求，并有效避免总线冲突，CAN可以点对点、点对多点以及广播式发送或接收数据。通信最远距离为10km（5kbps），通信速率最快可达到1Mbps（40m），节点数目可达110个。CAN采用CRC校验和其他纠错措施，保证了数据的可靠性，而且CAN节点在出现严重错误的情况下，还可自动切断它与总线的联系，可避免影响总线上其他节点的正常工作。CAN的传输介质为普通双绞线或光纤，链路比较简单，价格较低，芯片资源也很丰富，用户开发起来比较方便，因此获得了广泛应用。
2.3现场总线的应用现状与存在问题
现场总线是当今世界各国关注的热点课题，以现场总线为基础的全数字控制系统是21世纪自动化控制系统的主流。目前现场总线的应用现状是：
1、各种形式的现场总线协议并存于控制领域。在楼宇自控领域，LonWorks和CAN网络具有一定的优势；在过程自动化领域，主要有过渡型的HART协议、得到广泛支持的FF现场总线协议以及同样较有竞争力的Profibus协议。HART协议将是目前几年内智能化仪表的主要通信协议；基金会现场总线是过程自动化领域中较有前途的一种现场总线，得到许多自动化仪表设备厂商的支持；由于LonWorks技术的开放性，国内出现了利用它开发控制系统的许多开发商。考虑到统一的开放式现场总线协议标准制定的长期性和艰巨性，传统DCS的退出将是一个渐进过程，因此在一段时期内，会出现几种现场总线共存、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，真正形成开放式互连系统，是大势所趋。
2、虽然现场总线技术开放和标准化的进程缓慢，智能仪表和设备共同组成新型结构的FCS仍不断出现，这标志着现场总线技术的发展进入了应用阶段。另外，以PLC、PC机为主控设备的控制系统，广泛采用现场总线技术，现在不采用现场总线技术的网络化PLC和PC控制系统已经很少了。
3、基于通用PC平台的软PLC和软DCS逐步兴起。工业PC采用硬件平台，接口标准统一；操作系统都采用Windows，开发工具更为完备，由它们构成的系统更容易扩充，运行于其上的软PLC和软DCS，具有成本低廉、性能可靠、易于扩充等特点，已被广泛地应用。
目前世界发达国家的自动化仪表、设备公司都投入巨大的人力、财力，全方位的进行技术研究和实际应用，世界各国的技术协会、各大公司、各国的标准化组织，还有国际电工委员会及国际标准化组织对现场总线的标准化工作都给予了极大的关注，这一方面促进了现场总线技术的发展，另一方面使得目前现场总线国际标准化出现了复杂的局面，形成了多种现场总线并存的格局。现有的现场总线系统在应用中还存在以下的问题：
1、在40多种现场总线中，还没有一种现场总线能覆盖所有的应用面。按传输能力来分，一般可分为3类：传感器总线（Sensorbus），它的数据宽度为位（bit），如ASI、Seriplex；设备总线（Devicebus），它的数据宽度为字节（byte），如Interbus、CAN等；现场总线，为数据流，现在流行的FF、Profibus、WorldFIP及LonWorks都是。这么多种总线分别在各自的领域有其领先的特点，并且各个领域的要求不同，很难有一种现场总线能符合所有领域的所有要求。
2、用户要为大公司的垄断付出代价。无论是FF还是Profibus，牵头的都是世界上处于“垄断”地位的大公司，而他们所开发的却是打破“垄断”实现“全面开放”的现场总线。这些大公司目前一般都有其两面性，一方面他们要考虑其目前利益，即最大限度地从现有的专有技术取得回报，并积极推销其库存产品，从这个角度看，他们是不希望现场总线早日来临的；但在另一方面，却又想领导新潮流，继续保持其龙头的地位，以照顾其长远的利益，所以又不得不做出积极的姿态。对于这些公司也是面临矛盾的情况，开发出来新技术就是对原有市场的破坏，不开发新技术又无法保障他们的领导地位，此时，用户就无法迅速使用真正开放的新技术。
3、虽然现在信息高速公路正在迅速发展，并且在企业的管理层已经广泛应用，但是在企业现场却由于投资等经济原因以及各个公司的垄断，只能使用现场总线等老的网络，无法与Internet连接，这就决定了目前的现场总线标准的过渡性，用户得跟随其技术而不断改进。
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