1 简介

20世纪70年代以前，控制系统采用模拟量对传输和控制信号进行转换传输，精度差，受干扰信号影响大，整个控制系统的控制效果和系统稳定性差。  20世纪70年代末，随着大规模集成电路的出现，微处理器技术得到了长足的发展。 微处理器功能强、体积小、可靠性高，通过适当的接口电路用于控制系统，提高控制效果； 但是，它仍然属于集中控制系统。 随着过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展，控制领域发生了又一次技术变革。 这种变化使传统的控制系统（如分布式控制系统）在结构和性能上都有了巨大的飞跃。 这种变化的基础是现场总线技术的出现。

现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字化、多节点的通信网络。 它也被称为现场底层设备控制网络（INFRANET）。  20世纪80年代以来，各种现场总线技术开始出现，人们对传统模拟仪表和控制系统进行变革的呼声越来越高，使现场总线成为世界性的技术变革浪潮。 美国仪器协会（ISA）于1984年开始制定现场总线标准。在欧洲，有德国的PROFIBUS和法国的FIP，各种现场总线标准相继形成。 主要有：基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）、控制区域网络CAN（Controller Area Network）、本地操作网络LonWorks（本地操作网络）、过程现场总线PROFIBUS

（过程现场总线）和HART协议（Highway Addressable Remote Transducer） 等等。 但无论如何，制定一个单一的开放的国际现场总线标准是不可避免的。

2、现场总线技术及其特点

现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。 现有的现场设备，为了提高其性能价格比，在内部运算中大多采用微处理器和数字元件，因此需要在这些领域的数字设备之间实现数字通信。

现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站通信系统。 主要解决工业领域中智能仪器仪表、控制器、执行器等现场设备之间的数字通信，以及这些现场控制设备与先进控制系统之间的信息传输。 它集成了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统“点对点”模拟信号或数模信号控制的局限性。 一个完全分散、全数字化、智能化、双向互联的通信和控制系统。 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字化、双向传输、多分支的通信网络，其基础是智能仪表。 分散在各个工业现场的智能仪表通过数字现场总线连接起来，与控制室的控制器、监控器一起组成现场总线控制系统FSC。 通过遵循一定的国际标准，来自不同制造商的现场总线产品可以集成在同一个FCS中，具有互换性和互操作性。  FCS将传统DCS的控制功能进一步下放到现场智能仪表，由现场智能仪表完成数据采集、数据处理、控制计算和数据输出等功能。 现场仪表的数据（包括采集数据和诊断数据）通过现场总线传输到控制室的控制设备。 控制室的控制设备用于监控各现场仪表的运行状态，保存各智能仪表上传的数据，同时完成流程。 少数现场仪表无法完成的高级控制功能。 此外，FCS还可以通过网关接入企业上级管理网络，让企业管理者掌握第一手信息，为决策提供依据。 因此，现场总线具有以下突出特点：

现场总线控制系统（FCS）采用开放式通讯协议，不同厂家符合相同通讯标准的设备可以互联互通，交换信息。 用户可以灵活选择不同厂家的现场总线产品组成实际的控制系统，达到最佳的系统集成度。

互操作性是指不同厂家的控制设备不仅可以相互通信，还可以统一配置，实现相同的控制策略，“即插即用”。 不同厂家相同性能的设备可以互换。

现场总线控制系统可以根据复杂的现场情况形成不同的网络拓扑结构，如树型、星型、总线型和层次型网络结构。

现场设备本身是一种智能设备，具有独立自动控制的基本功能，从而从根本上改变了集中式与分散式DCS相结合的系统结构，形成了新的分布式控制系统，实现了完整的控制功能。 分散化提高了控制系统的可靠性，简化了控制系统的结构。 现场总线与上层网络断开后，仍能保持下层设备独立正常运行，智能化程度大大提高。

传统的DCS采用相对集中的控制站，由CPU单元和输入/输出单元组成。 现场总线控制系统将DCS控制站的功能完全分散到现场控制设备上，仅依靠现场总线设备实现数据采集与补偿、PID计算与控制、设备自控等自动控制的基本功能。 检查和自诊断等功能。 系统操作人员可以在控制室实现远程监控，设置或调整现场设备的运行参数，还可以利用现场设备的自诊断功能进行故障定位和诊断。

现场总线专为工业现场而设计。 可以使用双绞线、同轴电缆、光缆和无线传输数据，抗干扰能力强。 常用的数据传输线是廉价的双绞线，允许现场设备使用数据通信线供电，也能满足本安防爆要求。

三、主要现场总线简介
3.1 基金会现场总线（Foundation Fieldbus）

基金会现场总线由现场总线基金会推出。 与专有网络总线协议不同，FF 总线不隶属于任何一家公司或国家。 其总线体系结构是参照ISO OSI模型中的物理层、数据链路层和应用层，并增加了用户层而建立的通信模型。  FF得到了全球几乎所有知名仪表厂商的支持，同时符合IEC协议规划，与IEC现场总线国际标准和草案基本一致，加上其技术优势，非常有希望成为 未来的主要国际标准。

FF总线提供了H1和H2两种物理层标准。  hl为过程控制用低速总线，传输速率31.25Kbps，传输距离200m、450m、1200m、1900m四种（加中继器可扩展），可用总线供电，支持本安型设备 和非本质安全的总线设备。  H2为高速总线，传输速率为1Mbps（此时传输距离为750m）或2.5bps（此时传输距离为500m）。  H1、H2各段节点数可达32个，使用中继器后可达240个。  H1和H2可以通过网桥互连。  FF 的突出特点是设备的互操作性、改进的过程数据、更早的预测性维护和可靠的安全性。
3.2 过程现场总线 Profibus

Profibus是由西门子提出并大力提倡的。 先后成为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170。 它是一种开放、独立的总线标准，在机械制造、工业过程控制和智能楼宇中充当通信网络。  Profibus包括三个系列：Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS。  Profibus-PA（Process Automation）用于过程自动化中的低速数据传输。 其基本特性与FF的H1总线相同。 它可以提供总线电源和本质安全，并由专用集成电路（ASIC）和软件提供支持。  Profibus-DP与Profibus-PA兼容，其基本特性与FF的H2总线相同，可实现高速传输，适用于分散的外部设备与自动控制设备之间的高速数据传输，连接Profibus-  PA和加工自动化。  Profibus-FMS适用于一般自动化的中速数据传输，主要应用于传感器、执行器、电力驱动、plc、纺织和楼宇自动化等。后两个系列采用RS485通讯标准，传输速率从9.6kbps起 到12Mbps，传输距离从1200M到l00m（与传输速率有关）。 媒体访问控制的基本方法有主站之间的令牌方法、主站与从站之间的主从方法以及这两种方法相结合的混合方法。  Profibus是一种比较成熟的总线，在工程中应用广泛。
3.3 LonWorks

LonWorks技术是在ISO的OSI七层协议上采用Neuron Chip技术实现的网络控制技术。 它使用面向对象的编程方法，使用网络变量或显式消息相互通信。

控制器局域网络（Controller area network简称CAN）是德国博世公司于1983年针对汽车应用开发的。 其基本设计规范要求高比特率和高抗电磁干扰能力。 并且可以检测到发生的任何错误。 广泛应用于汽车制造和航空工业。
3.5 HART总线

HART协议是罗斯蒙特公司于1986年提出的一种通讯协议，是现场智能仪表与控制室设备之间进行通讯的协议。 它包括ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。  HART通讯可以是点对点或多点连接方式。 该协议是用于可寻址遥感器高速通道的开放式通信协议。 其特点是在现有的模拟信号传输线上实现数字信号通信。 具有较强的市场竞争力，在智能电表市场占有较大份额。  </P>
4.FCS控制系统

传统的计算机控制系统一般采用DCS结构。 在DCS中，现场信号需要点对点连接，I/O端子与PLC或自动化仪表一起放置在控制柜内，而不是就地。 这就需要铺设大量的信号传输线缆，布线复杂、耗材费时，信号容易衰减和干扰，维护起来也不方便。  DCS一般由操作员站、控制站等组成，结构复杂，成本高。 而且DCS不是一个开放系统，互操作性差，难以实现数据共享。 基于PC的FCS完全克服了这些缺点。
(1) 在FCS中，所有的I/O模块都放置在工业现场，所有的信号通过分布式智能I/O模块在现场转换成标准数字信号，与所有的现场变电站相连，传输上 -现场信号对控制室的监控设备非常简单，降低了成本，方便了安装和维护。 同时，数字化数据传输使系统具有传输速度快、抗干扰能力强的特点。
(2) FCS 开放。 在FCS中，软件和硬件都遵循相同的标准，互换性好，更换方便。 程序设计采用IEC1131-3的五种国际标准编程语言。 编程和开发工具完全开放，也可以利用PC丰富的软硬件资源。
(3)大大提高了系统的效率。 在 FCS 中，一台 PC 可以完成 PLC 和 NC/CNC 任务，而这些任务本可以由两台设备同时完成。 在多任务Windows NT操作系统下，PC机中的软PLC可以同时执行十几个PLC任务，既提高了效率，又降低了成本。 并且PC机上的PLC具有在线调试和仿真功能，大大改善了编程环境。

在FCS中，系统的基本结构是：工控机或商用PC机、现场总线主站接口卡、现场总线输入/输出模块、PLC或NC/CNC实时多任务控制软件包、组态软件和应用软件。 上位机主要功能有系统配置、数据库配置、历史库配置、图形配置、控制算法配置、数据报表配置、实时数据显示、历史数据显示、图形显示、参数表、数据打印输出、数据 输入和参数修改、控制运行调整、报警处理、故障处理、通讯控制和人机界面等，真正实现集中控制、风险分散、数据共享、完全开放的控制要求。
5.结论

目前，多种形式的现场总线协议在控制领域并存。 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，主要有过渡性的HART协议、得到广泛支持的FF现场总线协议和具有同等竞争力的PROFIBUS协议。  HART协议将是未来几年智能仪表的主要通讯协议；  Foundation Fieldbus是过程自动化领域很有前途的现场总线，得到了众多自动化仪表设备厂商的支持； 由于Lonworks技术的开放性，国内已经有很多开发商利用它来开发控制系统。 考虑到制定统一的开放式现场总线协议标准的长期性和艰巨性，传统DCS的退出将是一个渐进的过程。 随着现场总线技术的不断发展和完善，现场总线控制系统将得到广泛应用。