现场总线的技术发展与应用动态

现场总线的技术发展与应用动态 阳宪惠清华大学自动化系北京 100084

测控领域热点技术之一的现场总线 什么是现场总线：应用在生产现场、在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的开放型控制网络技术现场总线是工业数据通信与控制网络技术的代名词，是测控领域的通信与网络技术工业数据通信系统：在生产设备之间传递数字信息工业数据通信是形成控制网络的基础和支撑条件，是控制网络技术的重要组成部分自控领域的局域网企业的底层网络；网络集成式测量控制系统；

早期把现场总线又称为工业电话线，通过连线在测控设备之间传递数据信息，把传感器、按钮、执行机构等连接到控制器、或PLC或工业计算机上。通过相互通信共同执行测量控制任务。早期把现场总线又称为工业电话线，通过连线在测控设备之间传递数据信息，把传感器、按钮、执行机构等连接到控制器、或PLC或工业计算机上。通过相互通信共同执行测量控制任务。 • 总线上的数据输入设备包括按钮、传感器、接触器、变送器、阀门等，传输其位置状态、参数值等数据 • 总线上的输出数据用于驱动信号灯、接触器、开关、阀门等 • 工业数据通信用以满足信息社会对基础设备与过程数据信息的需求 • 数字地球、数字北京、数字… • 传递工农业生产过程、大气环境监测、各类交通、楼宇等系统中设备的数字化信息

总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的控制网络总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的控制网络

现场总线是自动化领域的通信、网络技术, 也被称之为工厂的底层网络（Infranet） • 总线是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信息。 • 它是有别于计算机网络，电视、电话网络的另一类网络 • 特点： • 适应工业应用环境， • 要求实时性强，可靠性高，安全性好。 • 多为短帧传送， • 通信的传输速率相对较低。

二. 现场总线技术的百花齐放与兴盛发展 现场总线技术始发于二十世纪八十年代，但对该项技术的开发之热是近年之举 • 早期的现场总线技术 • 与PLC同时出现的、Culter-Hammer推出的Directrol • General Electric的Genius I/O • Phoenix的Interbus-S， • TURCK的Sensoplex • 丹麦Process Data公司83年推出的P-Net； • 德国Siemens公司84年推出的Profibus(Process Field bus的简称) • 法国Alstom公司87年推出的 FIP(Factory Instrumentation Protocol)等都属于早期推出且至今仍有较大影响的总线技术

欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究开发欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究开发 • 已经形成了各式各样的企业、国家、地区、及国际现场总线标准 • 根据相关资料统计，已出现的现场总线一百多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种

现场总线组织 • 现场总线基金会（Fieldbus Foundation） • LonMark协会, • Profibus协会， • 工业以太网协会IEA（ Industrial Ethernet Association）， • 工业自动化开放网络联盟IAONA（ Industrial Automation Open Network Alliance） • Society of Automotive Engineers（SAE） • 制定现场总线标准的国际标准化组织 • IEC • ISO

三. 现场总线标准化工作的现状 • IEC/TC65负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作的SC65C/WG6，是最先开始现场总线标准化工作的组织。 • 它于1984年就开始着手总线标准的制定，致力于推出世界上单一的现场总线标准，也因此而历经坎坷，历经了16年的艰难历程，出现了波及全球的现场总线标准大战 • IEC61158-2诞生于1993年，之后的标准制定就陷于混乱 • 2000年初宣布，IEC现场总线国际标准子集有八种： • IEC 61158； ControlNet； • Profibus； P-Net； • High Speed Ethernet；Newcomer SwiftNet； • WorldFIP； Interbus-S

最早成为国际标准的是CAN，它属于ISO标准：ISO11898 • IEC/17B为负责制定低压开关装置与控制装置用控制设备之间的接口标准的组织,已通过的IEC 62026国际标准包括。 • 第2部分ASI • 第3部分 DeviceNet； • 第4部分智能分布式系统SDS（Smart Distributed System）; • 第5部分Seriplex • 其它有实力、有发展前景的控制网络技术 • 工业以太网；LonWorks；Modbus；蓝牙、无线局域网；消费电子总线CEBus；光总线等；（过渡型总线HART）

四.现场总线控制网络是 信息技术发展在测控领域的延伸 • 信息时代的技术发展对测控系统提出了数字化、网络化、信息化的要求，如数字地球、数字北京、企业的管理控制一体化等要求测量控制设备向网络提供多方面的数字信息。 • 现场总线作为现场控制网络技术，被视为公用数据网络在测控领域的延伸，它的兴起为自控技术本身的发展提供了新的机遇 • 现场总线使测控设备具备了数字计算和数字通信能力，提高了信号的测量、传输和控制精度，提高了系统与设备的功能、性能。

现场总线可采用多种介质（多种有线和无线方式）传送数字信号。在两根导线上可挂接多至几十个自控设备，能节省大量线缆、槽架、连接件。减少系统设计、安装、维护的工作量现场总线可采用多种介质（多种有线和无线方式）传送数字信号。在两根导线上可挂接多至几十个自控设备，能节省大量线缆、槽架、连接件。减少系统设计、安装、维护的工作量 • 现场总线形成真正分散在现场的完整控制系统，提高了控制系统运行的可靠性。丰富了控制设备的信息内容，提供了如阀门动作次数、故障诊断等信息。 • 为控制信息进入公用数据网络创造了条件，沟通了现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系,便于实现管控一体化 • 控制网络与数据网络的结合，便于实现信号的远程传送与异地远程自动控制。

全分布、网络集成式控制系统

现场总线系统是企业的底层网络

企业网络的功能层次

五. 现场总线技术的发展趋势 • 1.注重系统的开放性封闭、自成一体的系统定会消亡 • 2.注重应用系统设备间的互操作性 • 早期的总线技术多注重在通信协议上，而近年来其技术发展逐渐转向应用与用户层的相关规范，如设备描述、标准功能块等。 • 应用系统设备间的互连不只要完成数据通信，还要构成控制网络，形成测量控制应用系统，而应用与用户层规范与设备间的互可操作性直接相关。设备间的互操作依靠应用层协议 • CAN是封装在芯片中的通信协议； • 485只是物理层的电气接口规范， • 由它们构成控制网络还需借助另外的协议规范 • 数据信号的传输、数据理解

发展趋势（续） • 3.注重控制网络与公用数据网络的结合 • HSE；Profinet；连接 modbus的透明工厂；第3代的Lonworks、FIP等， • 各种控制网络都在向数据网络挂靠 • 4.注重使测控设备具备网络浏览功能 • 具有网络浏览功能的PLC；具有网络浏览功能的远程数据终端 • 借助通用浏览器工具得到专用设备的数据信息 • 控制设备走向开放的窗口。

5.以太网已直接进入控制网络 • 以太网技术进入控制网络的优势 • 以太网技术进入控制网络要解决的问题 • E网到底可行，E网打尽不现实 • 我国的EPA标准 • 6.多种通信方式下的数据传输与数据集成，管控一体化目标下的数据综合利用 • 有线、无线通信方式的结合； • 控制网络、数据网络、电话网络、无线局域网的互连；充分利用现有的网络资源 • 数据集成，综合利用：共同构成测量控制系统；发布运行、调度信息

异构控制网络互连

六现场总线应用系统 • 现场总线技术的应用领域十分广泛，凡属设备间需要数据通信的场合都需要它 • 连续、离散制造业，如电力、石化、冶金、纺织、造纸，过程自动化仪表；火车、汽车、轮船、机器人、数控机床；智能传感器 • 楼宇自控、仓储； • 智能交通、环境监测（大气、水污染监测网络） • 农、林、水利、养殖等 • 其技术与产品在工业控制计算机、测控板卡、仪器仪表、系统集成、应用系统等领域都有良好的发展前景

过程控制中的HSE/H1应用系统

网络集成式控制系统

Profibus与PLC网络（电力、冶金、机械加工行业等）Profibus与PLC网络（电力、冶金、机械加工行业等）

Profinet

汽车内部网络（SAE-J1939）

多网段的车辆内部网络系统

第三代LonWorks技术应用系统（智能楼宇、连锁店）第三代LonWorks技术应用系统（智能楼宇、连锁店）

LonWorks/Ethernet

交通系统中凌华科技的 数据语音混合通信应用系统

现场总线被视为基于PC、特别是基于工业PC的控制技术现场总线被视为基于PC、特别是基于工业PC的控制技术 • 各种工业控制计算机、测量控制板卡的供应商是现场总线技术发展的重要力量 • 以现场总线技术提升产品的串行通信能力，发展具有数据通信能力的控制网络新的产品系列，对推广现场总线技术的应用、对推动测量控制领域的信息化，将起到积极作用。 • 现场总线的技术发展有待业内人士（设备开发供应商、用户）的共同努力

现场总线的 技术发展与应用动态