现场总线： 技术、应用及发展趋势

1. 现场总线：技术、应用及发展趋势 王燕生 大连华冶联自动化有限公司

2. 一、现场总线技术现状和发展趋势 1.1现场总线技术现状 • 现场总线是用于过程控制现场设备与控制室之间的一个标准的、串行的、开放的、双向的多站数字通信系统，是面向现场控制设备互连的实时控制通讯网络。 • 现场总线最早是为了以数字信号传输取代4-20毫安的模拟信号传输而开发的。20世纪80年代开始，各种现场总线相继产生。目前使用中的大约有40余种。 • 根据开发厂商的侧重不同，各类总线的适用范围也各不相同。有些侧重于电气，有些侧重于仪表。每一种总线都有自己的一些客户群体和专长。

3. FF 数据及信息 PROFIBUS Control Net 单回路控制器 驱动装置 机械视觉 FIP 线扫描仪 条码扫描器 Devicenet 流量传感器 微驱动装置 温度传感器 控制阀门 压力传感器 分析仪器 编码器 INTER- 马达起动器 BUS S LONWORKS 接触器 光电开关 ASI 电磁阀 接近开关 限位开关 Seriplex 数据宽度：位 数据块 字节 常见总线协议的适用范围

4. 用 户 层 网 信件内容： 应 用 层 / n 收 发信件人 n 信件内容 FB: 数据参数 络 管 数 据 链 路 层 理 物 理 层 现场总线网络模型 TAG TIC101 Reactor Temperature PV = 242 degrees C 邮件内容： n 通用语言 8 n 读 理解 并 FB: 功能块 7 省略3~6层 信封内容： 网络管理 / n 收 发信人的地址 n 邮票 n 信件内容包在里面 n 书写格式严格 2 FB: 报文何时送出 Postmaster: 送给哪个设备 Coordination n 信箱： 1 n 保存信封 n 地址 标识 并 传输介质 运送信件： FB: 在通信媒体上的信号

5. 大部分总线采用以下方式确保系统实时性: 1、限制网络节点数量。 2、限制每一节点的信息总量。 3、采用令牌、主从或PRODUCER/CONSUMER通讯方式。

6. 不同通讯方式的使用情况 • SOURCE/DESTINATION • - Profibus DP - Profibus PA • - Interbus S - AS-i • - Modbus - Modbus Plus • - MelsecNet - Seriplex • - Remote I/O - Data Highway Plus • PRODUCER/CONSUMER • Foundation Fieldbus • ControlNet/ Ethernet/IP • DeviceNet • WorldFIP

7. 为促进现场总线技术的标准化，国际电工委员会于1998年通过了第一版的IEC61158标准，即IEC61158 （TS）。1999年年底通过了包含FF、Profibus、Interbus、 ControlNet、WorldFIP、FF HSE、swift Net、Process等八种总线在内的第二版IEC61158标准。2001年8月又修订为具有10种类型现场总线组成的第三版，它们是： TS61158、ControlNet 和 Ethernet/IP、Profibus、P-NET、FF HSE、Swift-Net、WorldFIP、INTERBUS、FF H1以及PROFInet。2003年4月正式成为国际标准。

8. w在IEC61158中，实际上包含了两类 总线协议: 一类是设备级的，对总线有供电和本安防爆的要求，主要用于现场设备与控制器之间的通讯，可以认为是由设备水平的向上发展而形成的。 另一类是信息级的，主要用于计算机、总线主站之间的通讯，重在完成系统间批量信息的传递，并不直接与现场设备发生联系，因此不要求具备总线供电的功能。可以认为是高级控制系统向下延伸的结果。

9. 1.2现场总线技术对自动控制系统的影响 w现场总线完整地实现了控制技术、单片机技术与计算机网络技术的集成，具有以下技术特征。     （1）现场设备已成为以单片机为核心的数字化设备，基本的控制功能和信息处理下放到现场设备的单片机中去完成；     （2）控制网络成为系统的神经中枢，控制信息采用数据通讯方式传输，现场设备彼此通过传输媒体以总线拓扑相连；    （3）具有良好的互操作性，遵守同一协议的不同生产厂家生产的设备能够在同一系统中自由通畅地交换信息。

10. 传统的PLC/DCS控制系统

11. FCS控制系统

12. 现场总线项目成本的影响 • 各项项目开支 • 材料、总线设备增加成本 25%； • 系统安装节约 50% ； • 系统调试节约 75%； • 工程（设计、选型、编程预调等）节约 50%； • 总成本节约 25 – 30%； 数据来源: Fieldbus Economics 作者：Ian Verhappen Chairman, Fieldbus FoundationGlobal End User Advisory Council

13. 1.3 工业以太网技术是新一代现场总线技术的发展方向 • 与现场总线技术相比太网具有以下优点： (1)应用广泛，特别是在工厂自动化信息级的网络范围内已经获得了广泛的应用。 (2)成本低廉 (3)通信速率高 (4)软硬件资源丰富 • 由于这些优点，以太网技术具一网到底和最终统一现场总线规范的诱人前景，日益成为新一代现场总线开发关注的焦点。

14. 工业以太网 • 以太网和TCP/IP技术与原有的现场总线应用层协议相结合，就形成了工业以太网协议，如HSE、PROFInet、Ethernet/IP 、 Modbus TCP/IP等。

15. Ethernet/IP 的协议结构 CSP ControlLogix CIP Application Not used Presentation Not used Session Transport Control ProtocolTCP Transport TCP/IP Internet ProtocolIP Network Ethernet MAC Link IEEE 802.3 Ethernet Physical Physical

16. PROFInet 和 Modbus TCP/IP • PROFInet代表着在PROFIBUS和INTERBUS这两种著名的现场总线全面升级后的全新技术PROFIBUS和INTERBUS拥有世界上最广泛的用户群体。有资料统计两种总线的用户总和约占全部现场总线用户的75% 到80%. • Modbus TCP/IP协议已被提交国际ETHERNET工程特别工作组（IETF），目前这个协议还不是正式的工业因特网协议标准。MODBUS以其简洁实用开发成本低廉而闻名。它与以太网TCP/IP结合而成的Modbus TCP/IP，仍然具有很高的性能价格比，具有很好的发展前景 。

17. 以太网技术需解决的问题 • 信号传递的快速性和准确性 • 总线供电 • 本质安全 • 适应工业现场的恶劣环境 • 鉴于以上原因，工业以太网目前主要还是应用于信息级的现场总线之中。

18. 二、现场总线技术应用与产品开发 2.1 现场总线技术的开发与应用 • 现场总线技术在全球范围内得到了广泛的应用。以PROFIBUS为例，根据PROFIBUS国际组织公布的数字，2003年，全球就安装了200万个节点。2004年，全球的PROFIBUS安装节点总数达到260万，年增长率达到30%。目前PROFIBUS在全球的安装节点已达到1300万。 其中大约210 万个 PROFIBUS 安装节点应用于过程工业，至少有40万安装节点应用于过程现场仪表，即有总线供电要求的PA节点。预计到2008年，PROFIBUS的安装节点数将达到2000万个。　与PROFIBUS联合推广PROFINET的INTERBUS现场总线，目前全球的安装节点总量也应经达到650万个。作为新一代以太网现场总线推出的ETHERNET/IP，目前全球安装节点的总量也达到了50万个。估计各类现场总线节点在全球的安装总量大约在2500万个左右。

19. 从“九五”起，国家开始投资支持现场总线技术的开发。这期间国家机械工业部、教育部和中科院组织力量对HART、FF等现场总线展开研究和开发，到2000年底，已开发出数十种现场总线通用接口软硬件和现场总线仪表等产品，并且分别通过了FF和HART相关机构的一致性测试及认证，基本完成了攻关的各项要求，通过了专家的鉴定。从“九五”起，国家开始投资支持现场总线技术的开发。这期间国家机械工业部、教育部和中科院组织力量对HART、FF等现场总线展开研究和开发，到2000年底，已开发出数十种现场总线通用接口软硬件和现场总线仪表等产品，并且分别通过了FF和HART相关机构的一致性测试及认证，基本完成了攻关的各项要求，通过了专家的鉴定。

20. 在工业以太网现场总线技术的开发方面也取得了一定的成果。以浙大中控为主，由浙江大学、中国科学院沈阳自动化研究所、清华大学、重庆邮电学院、大连理工大学和上海工业自动化仪表研究所等单位在国家“863”计划的支持下共同承担制定的《用于工业测量与控制系统的EPA(Ethernet for Plant Automation)通信标准（征求意见稿）》(《EPA 标准》)，通过了国家标委会的审核，并将以国家标准形式予以发布。作为我国自主开发的基于工业以太网的现场总线通信协议，EPA 对提升我国自动化技术的整体水平具有十分重要的意义，特别是如能将EPA标准引入国际标准，意义更为重大.

21. 由冶金自动化设计研究院(ARIM)和美国Smart Controls公司联合推出的基于LONWORKS技术的EIC2000 控制系统也获得了巨大的成功。目前EIC2000已经在冶金、石化、啤酒生产、洗涤剂生产、制药、电厂和楼宇自动化系统中成功应用，并在储油罐监测系统、城市污水处理系统、粮库、高效农业及工厂能源管理与成本监测系统中成功地推广。

22. 在现场总线技术的工程应用方面，也取得了长足的进展。虽然完整的、大型的FCS应用的实例不多，现场总线技术更多的是与DCS/PLC控制系统一道共同形成了工厂自动化最底层。事实上，这也是目前现场总线技术在国外应用的主要方式之一。这也说明了1，总线产品还不够丰富，价格也偏高；2， 从DCS/PLC控制系统到FCS控制系统是一个逐渐的演化过程。

24. 2.2现场总线产品的开发 • 现场总线技术开发应用的另一个重要方面是总线产品的开发。国家在“九五”期间为了加快现场总线技术在我国的发展，支持成立了“中国机电一体化技术应用协会现场总线专业委员会”和“中国仪器仪表协会现场总线专业委员会”以推进行业工作，同时在重庆、西安、上海三大生产基地进行技术改造，重点放在智能化仪表和现场总线技术的开发和工程化上，补充和完善工艺设备、建立智能化仪表和开发自动化系统的生产基地，形成适度规模经济。重点开发压力、差压变送器系列、温度变送器系列、流量仪表系列、执行器和阀门定位器系列等100个以上的品种。目前已经形成了一定生产能力。

25. 未来5年我国自动化仪表需求预测 单位：万台/套

26. 在低压电器方面,根据中国电器工业协会提供的数据,2005年主要低压电器年需求为：框架式断路器：65～68万台；塑壳式断路器：1900～2000万台（配电与电动机保护）；交流接触器：5500～5700万台；热继电器：1700～1800万台（含电子式过载继电器）；漏电断路器：1700～1800万台（含带与不带电流保护），对三箱类产品（壁挂式配电箱、插座箱和计量箱）的需求将为1000万面以上。在低压电器方面,根据中国电器工业协会提供的数据,2005年主要低压电器年需求为：框架式断路器：65～68万台；塑壳式断路器：1900～2000万台（配电与电动机保护）；交流接触器：5500～5700万台；热继电器：1700～1800万台（含电子式过载继电器）；漏电断路器：1700～1800万台（含带与不带电流保护），对三箱类产品（壁挂式配电箱、插座箱和计量箱）的需求将为1000万面以上。 • 智能化断路器1997年国产化率仅为5%。在我国自行研发的DW45和改进型DW47智能化框架断路器全系列投入市场后，目前国产化率已接近50% 。

27. 所谓现场总线产品的开发，实际上就是在原来的仪表/电器产品中嵌入一个单片机电路使之智能化并能够遵循一种现场总线的通讯协议进行通讯。所谓现场总线产品的开发，实际上就是在原来的仪表/电器产品中嵌入一个单片机电路使之智能化并能够遵循一种现场总线的通讯协议进行通讯。 • 除了专业的生产厂以外，国内许多科研机构、院校所及相关企业进行了许多总线产品开发的有益尝试。例如上海电科所研制的智能断路器，大连华冶联自动化有限公司开发的DEVICENET MCC控制器，东北大学开发的现场总线数据采集系统等等。仅据PROFIBUS组织和ODVA的统计，国内已经有十几项产品通过了PROFIBUS标准的一致性测试和认证，十几项产品通过了DEVICENET标准的一致性测试和认证。

28. 大连天元化工 PVC生产线控制系统网络图 CNET DNET RIO RIO

29. 由大连华冶联自动化有限公司自行开发研制的PROFIBUS 开发模板

30. 三、结束语 随着现场总线技术的不断发展，已经有越来越多的企业认识到了总线产品的发展远景以及总线技术给企业带来的巨大商机。嵌入式系统以及各种总线仪表/电器的开发，必将使我国的仪表和电器制造行业进入一个崭新的发展时期，国产总线设备不断的进入市场，一定会导致总线产品价格总体下降，反过来促进现场总线技术的进一步普及。可以预言不久的将来，更多的现场总线控制系统会应用在钢铁企业中，推动钢铁工业自动化迈向新的台阶 。

31. 谢谢大家！