摘要

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是當(dāng)今自動(dòng)控制領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)之一，它以優(yōu)越的性能在工業(yè)

控制領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。它的出現(xiàn)標(biāo)志著自動(dòng)控制領(lǐng)域進(jìn)入了一個(gè)全

新的時(shí)代，必將引領(lǐng)該領(lǐng)域的重大變革，因此，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的研究是具有十

分重要的意義。

本文首先介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展歷程，分析了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn)，表

明其應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢(shì)。然后針對(duì)國(guó)際市場(chǎng)上應(yīng)用最為廣泛的幾個(gè)

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：PROFIBUS總線、CAN總線、工業(yè)以太網(wǎng)和基金會(huì)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)作重點(diǎn)

介紹，分析了其誕生背景、特點(diǎn)以及應(yīng)用領(lǐng)域。本文最后總結(jié)了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)

準(zhǔn)目前的存在的主要問(wèn)題，通過(guò)對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)的闡述，分析展望了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的

未來(lái)發(fā)展方向。

關(guān)鍵字：現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)；PROFIBUS總線；CAN總線；基金會(huì)總線；工業(yè)以太

網(wǎng)

1.引言

隨著微處理器的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了以IC代替常規(guī)電子線路，以微處

理器為核心，實(shí)施信息采集、顯示、處理、傳輸及優(yōu)化控制等功能的智能設(shè)備。

一些具有專家輔助推斷分析與決策能力的數(shù)字式智能化儀表產(chǎn)品，其本身具備了

諸如自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、自動(dòng)調(diào)零、自校正、自診斷等功能，還能提供故障診斷、歷

史信息報(bào)告、狀態(tài)報(bào)告、趨勢(shì)圖等功能。通信技術(shù)的發(fā)展，促使傳送數(shù)字化信息

的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始得到廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，基于質(zhì)量分析的維護(hù)管理、與安全相

關(guān)系統(tǒng)的測(cè)試記錄、環(huán)境監(jiān)視需求的增加，都要求儀表能在當(dāng)?shù)靥幚硇畔?，并?/p>

必要時(shí)允許被管理和訪問(wèn)，這些也使現(xiàn)場(chǎng)儀表與上級(jí)控制系統(tǒng)的通信量大增。另

外，從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，控制界也不斷在控制精度、可操作性、可維護(hù)性、

可移植性等方面提出新需求。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在這樣的綜合背景下應(yīng)運(yùn)而生。

1.1現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的概念

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展形成的，起源于歐洲，隨后發(fā)展至北美

乃至全球，它是廣泛用于過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓與自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等

領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互相連接的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際上自動(dòng)化技術(shù)的

一個(gè)熱點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)給自動(dòng)化領(lǐng)域帶來(lái)了又一次革命，其深度與廣度將超

過(guò)歷史上的任何一次。現(xiàn)場(chǎng)總線及智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表的控制系統(tǒng)一一現(xiàn)場(chǎng)總線控制

系統(tǒng)FCS(FieldbusControlSystem)將取代傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)DCS(Distributed

ControlSystem)。

按照國(guó)際電工委員會(huì)IEC(InternationalElectrotechnicalCommission)的定義,

是指一種應(yīng)用在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置之間、以及現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自

動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。

1.2現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展歷程

現(xiàn)場(chǎng)總線起源于歐洲，隨后發(fā)展至北美。早在1984年國(guó)際電工委員會(huì)

IEC(IntcrnationalElectrotechnicalCommission)就開始著手制訂國(guó)際性的智能化現(xiàn)

場(chǎng)設(shè)備和控制室自動(dòng)化設(shè)備之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)，并命名為Fieldbus,即現(xiàn)場(chǎng)總線。

但由于國(guó)際上幾個(gè)跨國(guó)大公司為了他們的利益，阻礙和干擾了制訂統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總

線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)了近20年環(huán)繞著國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線大戰(zhàn)以妥協(xié)而告終。

1985年國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)(IEC)制訂現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際是后來(lái)德國(guó)的

PR0FIBUS與法國(guó)的FIP在技術(shù)上的爭(zhēng)端而未達(dá)成協(xié)議。與此同時(shí)，美國(guó)儀表協(xié)

會(huì)(ISA)下屬的標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施工作組的ISA/SP50開始制訂現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。但都沒(méi)

有達(dá)成一致統(tǒng)一的結(jié)果。無(wú)法達(dá)成統(tǒng)一的協(xié)議，基于經(jīng)濟(jì)利益的原因，各國(guó)各大

公司紛紛開發(fā)自己的產(chǎn)品占領(lǐng)市場(chǎng)，各種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)相繼產(chǎn)生。

1986年，德國(guó)推出Profibus過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。1990年，美國(guó)Echelon公

司推出LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品。1992年，Siemens、RosemountsABB、Foxboro、

Yokogawa等80家公司聯(lián)合，成立ISP(InteroperableSystemProjecl,可互操作系

統(tǒng)規(guī)劃)協(xié)會(huì)，著手在Profibus基礎(chǔ)上制定標(biāo)準(zhǔn)。1993年，Honeywell>Bailey等

公司成立WorldFIP協(xié)會(huì)，有120家公司參加，以法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)FIP(Factor

InsrtumentationProtocOl)為基礎(chǔ)制定標(biāo)準(zhǔn)。1994年ISP與WoHdFIP(北美部分)

兩大集團(tuán)握手言和，成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)FF(FieldbusFoundation)CFF成立后，

標(biāo)準(zhǔn)制定T作進(jìn)展較快.1996年.FF公布了低速總線H1標(biāo)準(zhǔn),并安裝了示范系

統(tǒng)。將不同廠商的符合FF規(guī)范的設(shè)備互連構(gòu)成控制系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)。使Hl低速

總線開始步入實(shí)用階段。這十年間，現(xiàn)場(chǎng)總線的爭(zhēng)端處于膠著狀態(tài)，直到1999

年6月15日，國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)(IEC)決定以新的思路解決爭(zhēng)端，在經(jīng)過(guò)艱苦

的努力之后，2000年1月4日。IEC宣布現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以86%贊成、12%反

對(duì)通過(guò)，IEC-61158面世。

實(shí)際上，IEC宣布現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)并不是一種完全意義上的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。其

中包含有8種不同的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，這8種通信協(xié)議。互不兼容，距離統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

的現(xiàn)場(chǎng)總線，還有很大距離。目前世界上己經(jīng)形成了30多種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)

以現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表為基礎(chǔ)，按現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)溝建起來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

(FCS),解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)一對(duì)一封閉回路、集中控制的狀況，徹底將控制功

能下放至現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表，“分散控制、集中監(jiān)控”，具有顯著的特點(diǎn)。

(1)系統(tǒng)的開放性

開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠商的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換。這里

的開放是指相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。一個(gè)開放系

統(tǒng)，是指它可以與世界上任何地方遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)連接。一個(gè)具

有總線功能的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)必須是開放的。開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)力交

給了用戶，用戶可按自己的需要和考慮把來(lái)自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的

系統(tǒng)。

(2)互可操作性與互用性

互可操作性是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而互用性則意

味著不同制造商性能類似的設(shè)備可進(jìn)行更換，實(shí)現(xiàn)相互替換。

(3)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性

它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備中

完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)

行狀態(tài)。

(4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性

現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)

有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

(5)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性

作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專為在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工作而設(shè)計(jì)的，可支持雙

絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等多種傳輸介質(zhì)，具有較強(qiáng)的抗

干擾能力，采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求。

由于現(xiàn)場(chǎng)總線的以上特點(diǎn)，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使控制系統(tǒng)從

設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出其他控制無(wú)法比擬優(yōu)越

性。

1.4小結(jié)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以其優(yōu)越的性能在工業(yè)控制領(lǐng)域掀起一輪新的技術(shù)革命，但是

由于沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，因此形成了多種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。按照協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的

不同，可分為30多種不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而且在不同的領(lǐng)域都得到了不同的發(fā)展。

本文就國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的幾種現(xiàn)在總線技術(shù)：PROFIBUS總線、CAN

總線、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)作詳細(xì)介紹。

2.PROFIBUS(ProcessFieldbus)總線

PROFIBUS是一種國(guó)際化的、開放的、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。

它廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通、電力等其他自動(dòng)化

領(lǐng)域，它是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。

2.1PROFIBUS概述

PROFIBUS技術(shù)由德國(guó)SIEMENS公司等13家企業(yè)和5家研究機(jī)構(gòu)在1987

年聯(lián)合開發(fā)，并于1991年4月在DIN19245中發(fā)表，正式成為德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。在開始

階段只有PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS,1994年又推出了PROFIBUS-PA,

它引用了IEC標(biāo)準(zhǔn)的物理層一IEC1158-2,從而可以在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域內(nèi)連接

本質(zhì)安全型通過(guò)總線饋電的現(xiàn)場(chǎng)儀表，這使PROFIBUS更加完善。

PROFIBUS由以下三個(gè)兼容部分組成：

1).PROFIBUS-DP(DecentralizedPeriphery)：用于傳感器和執(zhí)行器級(jí)的高速

數(shù)據(jù)傳輸，它以DIN19245的第一部分為基礎(chǔ)，根據(jù)其所需要達(dá)到的目標(biāo)對(duì)通信

功能加以擴(kuò)充，DP的傳輸速率可達(dá)12Mbit/s,一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)，主站、從

站間采用循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸方式工作。

它的設(shè)計(jì)旨在用于設(shè)備一級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳輸。在這一級(jí)，中央控制器(如

PLC/PC)通過(guò)高速串行線同分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如1/0、驅(qū)動(dòng)器、閥門等)進(jìn)行通信,

同這些分散的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換多數(shù)是周期性的。

2).PROFIBUS-FMS:

解決車間一級(jí)通用性通信任務(wù)，F(xiàn)MS提供大量的通信服務(wù)，用以完成以中

等傳輸速率進(jìn)行的循環(huán)和非循環(huán)的通信任務(wù)。由于它是完成控制器和智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)

備之間的通信以及控制器之間的信息交換，因此它考慮的主要是系統(tǒng)的功能而不

是系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，應(yīng)用過(guò)程通常要求的是隨機(jī)的信息交換(如改變?cè)O(shè)定參數(shù)等)。

可用于人范圍和復(fù)雜的通信系統(tǒng)。

3).PROFIBUS-PA:

對(duì)于安全性要求較高的場(chǎng)合，制定了PROFIBUS-PA協(xié)議，這由DIN19245

的第四部分描述。PA具有本質(zhì)安全特性，它實(shí)現(xiàn)了IEC1158-2規(guī)定的通信規(guī)程。

PROFIBUS-PA是PROFIBUS的過(guò)程自動(dòng)化解決方案，PA將自動(dòng)化系統(tǒng)和過(guò)

程控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如壓力、溫度和液位變送器等連接起來(lái)，代替了4~20mA

模擬信號(hào)傳輸技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的規(guī)劃、敷設(shè)電纜、調(diào)試、投人運(yùn)行和維修等方

面可節(jié)約成本40之多，并大大提高了系統(tǒng)功能和安全可靠性。因此，PA尤其適

用于石油、化工、冶金等行業(yè)的過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

2.2PROFIBUS總線的工程應(yīng)用

PROFIBUS總線技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的不斷發(fā)展而日趨成熟，將其應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)

場(chǎng)控制可以徹底消除了擁擠、紊亂的接線，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，使系統(tǒng)更

安全可靠。PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)成為目前應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，它

在石化、鋼鐵、汽車、電廠、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

例如，張其輝設(shè)計(jì)的斗輪堆取料機(jī)，采用PLC控制具有故障率低、抗干擾性

好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，而PROFIBUS-DP總線的引入，能夠節(jié)省大量的控制電纜

及安裝費(fèi)用，安裝簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，有效地降低了由控制電纜引發(fā)的各類故障,

提高了斗輪堆取料機(jī)運(yùn)行可靠性，取得了良好的運(yùn)行效果。而王鵬等將

PROFINET和PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于煙草公司的物流自動(dòng)化系統(tǒng)中，

使系統(tǒng)便于維護(hù)，降低布線安裝成本，并增強(qiáng)了系統(tǒng)的開放性、兼容性和實(shí)時(shí)

性。劉義學(xué)等人將PROFIBUS總線技術(shù)應(yīng)用于神華勝利電廠的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)

了數(shù)字化電廠的節(jié)能、減排、高效的要求，為電廠帶來(lái)了巨大經(jīng)濟(jì)效益。

2.3小結(jié)

PROFIBUS總線技術(shù)經(jīng)過(guò)兒十年的不斷發(fā)展，以其優(yōu)越的穩(wěn)定性、良好的擴(kuò)

展性和便捷性，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò),

從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。目前已在

加工制造、過(guò)程控制和自動(dòng)化等領(lǐng)域取得了矚目的成就，且正在被應(yīng)用于越來(lái)越

多的工業(yè)控制領(lǐng)域。

3.CAN(ControllerAreaNetwork)總線

3.1CAN總線概述

CAN總線是德國(guó)BOSCH公司及幾個(gè)半導(dǎo)體集成電路制造商共同開發(fā)出來(lái)

的，起初是專為汽車工業(yè)所設(shè)計(jì)的，用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通

信，目前己推廣應(yīng)用于離散領(lǐng)域，并已由1SO/TC22技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

ISO!1898和IS011519o

CAN總線技術(shù)特點(diǎn)是：(1)采用的通信傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率最高

可達(dá)1Mbps/40m,直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)l()kin/50kbps?？蓲旖釉O(shè)備最多可達(dá)

110個(gè)。(2)CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀有效字節(jié)數(shù)最長(zhǎng)為8個(gè)，

因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。(3)CAN支持多主站工作方式。網(wǎng)絡(luò)上任

何節(jié)點(diǎn)均可在任何時(shí)間主動(dòng)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全

局廣播方式接受/發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)

上傳輸信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)則主動(dòng)停止

發(fā)送，從而避免了總線沖突。

3.2CAN總線的應(yīng)用

CAN總線的設(shè)計(jì)初衷便是利用在汽車制造領(lǐng)域，目前主要用于汽車、公共

交通的車輛、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)及分散型I/O五大行業(yè)。此外Alien-Bradley以及

Honeywell在CAN基礎(chǔ)上發(fā)展了特殊的應(yīng)用層，組成了AB公司的DeviceNet和

HoneyWell公司的SDS(智能分散系統(tǒng))現(xiàn)場(chǎng)總線。由于CAN的幀短，速度快，

可靠性強(qiáng)，比較適合用于開關(guān)量控制的場(chǎng)合。

因此，基于CAN總線本身的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍已小冉局限于汽車工業(yè)，而向

過(guò)程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械等領(lǐng)

域發(fā)展。

4.工業(yè)以太網(wǎng)(IndustrialEthernet)

以太網(wǎng)是應(yīng)用最廣泛的通信網(wǎng)絡(luò)之一。90年代中期，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議

大戰(zhàn)正濃時(shí)，傳統(tǒng)用于辦公室和商業(yè)的以太網(wǎng)開始進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域，由此誕生

了工業(yè)以太網(wǎng)。

4.1工業(yè)以太網(wǎng)概述

工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)和

TCP/IP技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)是為了IT領(lǐng)域應(yīng)用而開發(fā)的，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域只能得到有限

的應(yīng)用，這是因?yàn)椋海?）以太網(wǎng)采用CSMA/CD碰撞檢測(cè)方式，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重

時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的確定性不能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)要求。（2）以太網(wǎng)所用的接插件

（conneclor）,集線器（hub）,交換機(jī)（swilches）和電發(fā)等是為辦公空應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，

不符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的要求。（3）在工廠環(huán)境中，以太網(wǎng)抗干擾性能較差。

若用于危險(xiǎn)場(chǎng)合，以太網(wǎng)不具備本質(zhì)安全性能。（4）以太網(wǎng)還不具備通過(guò)信號(hào)線

向現(xiàn)場(chǎng)儀表供電的性能。

在現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議中，為提高傳輸效率，一般只定義七層協(xié)議中的物理層、數(shù)

據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。為與以太網(wǎng)融合，通常在數(shù)據(jù)包前加入TP地址，并通過(guò)TCP

來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。因此，產(chǎn)生了適用于工業(yè)控制的以太網(wǎng)一一工業(yè)以太網(wǎng)。

4.2以太網(wǎng)已成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向

以以太網(wǎng)為代表的信息網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)卻以其協(xié)議簡(jiǎn)單、完全開放、穩(wěn)定

性和可靠性好而獲得了全球的技術(shù)支持。以太網(wǎng)技術(shù)作為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有如下

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1）應(yīng)用廣泛

由于以太網(wǎng)是應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，幾乎所有的編程語(yǔ)言都支持

以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā),例如Java、VisualC++、VisualBasic等。這些編程語(yǔ)言由于

廣泛應(yīng)用，為人們所熟悉，并受到軟件開發(fā)商的高度重視，具有很好的發(fā)展前景，

可以期待其性能會(huì)不斷改進(jìn)。同時(shí)也可以期待今后還會(huì)出現(xiàn)更好的以太網(wǎng)開發(fā)技

術(shù)。因此，采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線，可以保證多種開發(fā)工具、開發(fā)環(huán)境供選擇。

（2）成本低廉

由于以太網(wǎng)的應(yīng)用最為廣泛，因此受到硬件開發(fā)與生產(chǎn)廠商的高度重視與廣

泛支持，有多種硬件產(chǎn)品供用戶選擇。而且由于應(yīng)用廣泛，硬件價(jià)格也相對(duì)低廉。

目前以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價(jià)格只有Profibus,FF等現(xiàn)場(chǎng)總線的十分之一,并且隨著集成

電路技術(shù)的發(fā)展，其價(jià)格還會(huì)進(jìn)一步下降。

（3）通信速率高

數(shù)據(jù)傳輸率很高。以太網(wǎng)支持的數(shù)據(jù)傳輸速率包括lOMbS,lOOMbPS和

IGfoS,比目前任何一種現(xiàn)場(chǎng)總線都快；以太網(wǎng)從扁平的總線共享模式發(fā)展到結(jié)

構(gòu)化的交換模式后，任意終端之間的通信通過(guò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)透明的轉(zhuǎn)發(fā)，由于每個(gè)

端口都是獨(dú)立的沖突域（CollisionDomain）,小存在信道共享引起的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，

系統(tǒng)的通信容量成倍增加。相同通信量的條件下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)

荷的減輕，而網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕則意味著提高確定性。

（4）軟硬件資源豐富

由于以太網(wǎng)已應(yīng)用多年，人們對(duì)以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用等方面有很多的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)

其技術(shù)也十分熟悉。大量的軟件資源和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓(xùn)

費(fèi)用,從而可以顯著降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。

（5）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?/p>

由于以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和吸引大量的技術(shù)

投入。并且，在這信息瞬息萬(wàn)變的時(shí)代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一

個(gè)快速而有效的通信管理網(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速，也更加成

熟，由此保證了以太網(wǎng)技術(shù)不斷地持續(xù)向前發(fā)展。

(6)易于與Imernei連接,能實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息無(wú)

縫集成

(7)Web技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，將實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程設(shè)

備管理、遠(yuǎn)程軟件維護(hù)和遠(yuǎn)程設(shè)備診斷。

(8)以太網(wǎng)支持多種傳輸介質(zhì)，包括同軸電纜、雙絞線、光纜、無(wú)線等，

使用戶可根據(jù)帶寬，距離，價(jià)格等因素作多種選擇，以太網(wǎng)支持總線型和星型拓

撲結(jié)構(gòu)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，同時(shí)可采用多種冗余連接方式，提高網(wǎng)絡(luò)的性能。

因此，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)，就可以避免其發(fā)展游離于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技的發(fā)

展主流之外，從而使工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)技犬互相促進(jìn)，共同發(fā)展，并保證技

術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展，在技術(shù)升級(jí)方面無(wú)需單獨(dú)的研究投入。

4.3工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用

以太網(wǎng)是為了IT領(lǐng)域應(yīng)用而開發(fā)的，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)作為工業(yè)環(huán)境下的控

制網(wǎng)絡(luò)，必須解決如下問(wèn)題才可以廣泛應(yīng)用：

(1)通信實(shí)時(shí)性問(wèn)題：以太網(wǎng)采用的CSMA/CD的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式，其本質(zhì)

上是非實(shí)時(shí)的。平等競(jìng)爭(zhēng)的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式不能滿足工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)νㄐ诺?/p>

實(shí)時(shí)性要求。因此以太網(wǎng)一直被認(rèn)為不適合在底層工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中使用。需要有針對(duì)

這一間題的切實(shí)可行的解決方案。

(2)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性與可靠性問(wèn)題：以太網(wǎng)是按辦公環(huán)境設(shè)計(jì)的，將它用于

工業(yè)控制環(huán)境，其魯棒性、抗干擾能力等是關(guān)鍵性能指標(biāo)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要特別

注重材質(zhì)、元器件的選擇，產(chǎn)品在強(qiáng)度、溫度、濕度、振動(dòng)、干擾、輻射等環(huán)境

參數(shù)方面必須滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的要求。

(3)本質(zhì)安全:工業(yè)以太網(wǎng)如果要用在一些易燃易爆的危險(xiǎn)工業(yè)場(chǎng)所，就必須

考慮本安防爆問(wèn)題，以及設(shè)備的供電問(wèn)題。

隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和以太網(wǎng)技術(shù)本身的完善，廣大研究員也在對(duì)工業(yè)

以太網(wǎng)改進(jìn)，使其適應(yīng)工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，顧苑婷將工業(yè)以太網(wǎng)和CAN

總線技術(shù)應(yīng)用到煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為煤礦企業(yè)帶

來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)利益。滿海波等人將工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用到恒壓供水系統(tǒng)，在提高了

恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和自動(dòng)化水平的同時(shí)，降低了能耗，提高了經(jīng)濟(jì)

效益。

5.基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FoundationFieldbus,FF)

5.1基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線概述

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(簡(jiǎn)稱FF總線)是為適應(yīng)自動(dòng)化系統(tǒng)，特別是過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)

在功能、環(huán)境與技術(shù)上的需要而設(shè)計(jì)的。它可以工作在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，并能適應(yīng)本質(zhì)

安全防爆的要求，還可以通過(guò)傳輸數(shù)據(jù)的總線為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供工作電源。該總線

標(biāo)準(zhǔn)是由現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(FieldbusFoundation)組織開發(fā)的?，F(xiàn)已成為IEC61158

標(biāo)準(zhǔn)。

IT現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是按照ISO/OSI模型建立的，它由物理層、數(shù)據(jù)鏈

路層、應(yīng)用層及用戶層組成。FF模型結(jié)構(gòu)如圖5.1所示。

其中物理層分為H1和H2兩級(jí)總線，其中H1符用戶層

合標(biāo)準(zhǔn)，支持總線供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)

IEC6U58-2現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范子層

境。H1現(xiàn)場(chǎng)總線的主要電氣特性是：數(shù)據(jù)采用數(shù)字化、

FMS

位同步的傳輸方式，傳輸波特率為31.25kbit/s,驅(qū)動(dòng)

現(xiàn)場(chǎng)總線訪問(wèn)子層

電壓為9~32VDC,信號(hào)電流是±9mA,電纜型式采用

FAS

屏蔽雙絞線，接線拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)可以采用線形、樹形、星

數(shù)據(jù)鏈路層

形及復(fù)合形的方式，無(wú)中繼器時(shí)電纜長(zhǎng)度應(yīng)W1900

米，分支電纜長(zhǎng)度在30~120米范圍內(nèi)，無(wú)中繼器時(shí)物理層

設(shè)備掛接數(shù)不得超過(guò)32臺(tái)，可用中繼器數(shù)不得超過(guò)4圖5.1FF總線模型

臺(tái)。H2采用高速以太網(wǎng)作為其物理層，傳輸速率為

IMbit/s和2.5Mbit/s,通信距離分別為750m和500m,支持雙絞線、光纜和無(wú)

線發(fā)射。

5.2FF總線的特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線的全分布式自動(dòng)化系統(tǒng)則把控制功能完全下放到現(xiàn)場(chǎng)，僅由現(xiàn)場(chǎng)儀

表即可構(gòu)成完整的控制功能。由于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)場(chǎng)變送、執(zhí)行儀表（以下

也稱之為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備）內(nèi)部都具有微處理器，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備內(nèi)部可以裝入控制計(jì)算模塊，

只需通過(guò)都處于現(xiàn)場(chǎng)的變送、執(zhí)行器連接，便可組成控制系統(tǒng)。這個(gè)意義上的全

分布無(wú)疑將增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)組織的靈活性。當(dāng)然，這種控制系統(tǒng)還可以

與別的系統(tǒng)或控制室的計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交換，構(gòu)成各種高性能的控制系統(tǒng)。

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的最大特色就在于它不僅僅是一種總線技術(shù)，而且是一個(gè)自

動(dòng)化系統(tǒng)。它作為新型自動(dòng)化系統(tǒng)，區(qū)別于傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)的特征就在于它所

具有開放型數(shù)字通信能力，使自動(dòng)化系統(tǒng)具備了網(wǎng)絡(luò)化特征。而它作為一種通信

網(wǎng)絡(luò)，有別于其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特征則在于它位于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，其網(wǎng)絡(luò)通信是圍

繞完成各種自動(dòng)化任務(wù)進(jìn)行的。

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線作為全分布式自動(dòng)化系統(tǒng)，主要功能是對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)

進(jìn)行測(cè)量、變送、控制、顯示、計(jì)算等，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)調(diào)節(jié)

和自動(dòng)保護(hù)，保障工業(yè)生產(chǎn)處于安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)。

5.3FF總線的應(yīng)用

隨著工程技術(shù)人員結(jié)合FF總線技術(shù)的特點(diǎn)和工程實(shí)際的需要，通過(guò)與FF相

關(guān)廠商的合作，不斷完善設(shè)計(jì)方案，使得FF總線技術(shù)在過(guò)程中的應(yīng)用越來(lái)越廣

泛。

例如，上海交通大學(xué)的王獻(xiàn)偉、趙霞等將基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于發(fā)酵罐控制

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)酵罐工段的空消、送料、培養(yǎng)基滅菌、冷卻、接種和培

養(yǎng)發(fā)醛等整個(gè)工序的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且很好地與產(chǎn)品分裝等控制系統(tǒng)進(jìn)行了集成，

做到了對(duì)批流量過(guò)程生產(chǎn)的精確控制和管理，減少了外界干預(yù)和設(shè)備故障等問(wèn)題;

實(shí)現(xiàn)了企業(yè)對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量的在線優(yōu)化控制和性能改善，降低了生產(chǎn)成本，縮短了針

對(duì)不同訂單的生產(chǎn)時(shí)間，顯著提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

賈建軍等將FF總線應(yīng)用到水廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)取水、過(guò)濾、凈

化與泵站的自動(dòng)控制，提高水資源的利用率，降低運(yùn)行成本，大幅提高了水廠的

自動(dòng)化水平。

5.4小結(jié)

基于FF協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，將基本的控制功能下放到現(xiàn)場(chǎng)儀表實(shí)現(xiàn),

既提高了控制系統(tǒng)的可靠性，又簡(jiǎn)化了控制室儀表的設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)的全數(shù)字化,

減少了電纜用量與A/D、D/A接口設(shè)備的數(shù)量，降低了系統(tǒng)的安裝成本，同時(shí)也

減少了裝置運(yùn)行期間的維護(hù)成本。目前該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)一些項(xiàng)目上的應(yīng)用都非常成

功。

6總結(jié)與展望

現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)作為一?種新的控制系統(tǒng)，目前在一些工業(yè)裝置、樓宇智能

化等方面得到了廣泛的應(yīng)用，其結(jié)果顯示出巨大的發(fā)展前景。

從目前的發(fā)展情況看，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)面臨的主要問(wèn)題便是多標(biāo)準(zhǔn)共存，沒(méi)有

統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這是由于國(guó)際上幾個(gè)跨國(guó)大公司為了他們的利益，阻礙和干擾

了制訂統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)了近20年環(huán)繞著國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線大

戰(zhàn)以妥協(xié)而告終。結(jié)果是出現(xiàn)了多種現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，到目前為止，已有

30種之多，多標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上就是沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，這給用戶、自動(dòng)化儀表制造商與系統(tǒng)

集成商帶來(lái)了困惑與無(wú)奈。雖然各種標(biāo)準(zhǔn)在不同的領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，但

是多標(biāo)準(zhǔn)共存的模式與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的開放性相矛盾，這也是他的局限性，是不

利于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的推廣的。

自現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)誕生至今的幾十年來(lái)，己在自動(dòng)化領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，其在智

能化、網(wǎng)絡(luò)化方面得以快速發(fā)展，適應(yīng)了工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的需要。由于FCS系

統(tǒng)的先進(jìn)性，它將影響今后幾十年內(nèi)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)CS將成為自動(dòng)控制

系統(tǒng)的主流。

放眼未來(lái)，國(guó)際社會(huì)也已對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的多標(biāo)準(zhǔn)的局限性達(dá)成了共識(shí)，雖

然立即建立統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)不太現(xiàn)實(shí)，但是我相信現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的

大方向肯定會(huì)向著統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)慢慢發(fā)展。此外，隨著以太網(wǎng)的引入，工業(yè)以太網(wǎng)

也將引領(lǐng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)一場(chǎng)新的變革。最終，以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制系

統(tǒng)以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)一定會(huì)成為21世紀(jì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展主流。

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