現(xiàn)場總線簡介

現(xiàn)場總線(Fieldbus)自產(chǎn)生以來，一直是自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，各自動(dòng)化廠商紛紛推出自己的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，并在不同的領(lǐng)域和行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在已處于穩(wěn)定發(fā)展期。近幾年，無線傳感網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)也融入工業(yè)測控系統(tǒng)中。

按照國際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)現(xiàn)場總線一詞的定義，現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間實(shí)行雙向串行及多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的技術(shù)。它作為工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場級(jí)控制設(shè)備之間，及其與更高控制管理層之間的聯(lián)系。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布式控制系統(tǒng)。這項(xiàng)以智能傳感、控制、計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)通信為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，并將導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。

現(xiàn)場總線的產(chǎn)生

在過程控制領(lǐng)域中，從20世紀(jì)50年代至今一直都在使用著一種信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，那就是4~20mA的模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)70年代，數(shù)字式計(jì)算機(jī)引入到測控系統(tǒng)中，而此時(shí)的計(jì)算機(jī)提供的是集中式控制處理。20世紀(jì)80年代微處理器在控制領(lǐng)域得到應(yīng)用，微處理器被嵌入到各種儀器設(shè)備中，形成了分布式控制系統(tǒng)。在分布式控制系統(tǒng)中，各微處理器被指定運(yùn)行一組特定任務(wù)，通信則由一個(gè)帶有附屬“網(wǎng)關(guān)”的專有網(wǎng)絡(luò)提供，網(wǎng)關(guān)的程序大部分是由用戶編寫的。

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。對(duì)于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、自校正及自診斷等功能，還能提供故障診斷、歷史信息報(bào)告、狀態(tài)報(bào)告及趨勢圖等功能。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)的測試的記錄以及環(huán)境監(jiān)視需求的增加，都要求儀表能在當(dāng)?shù)靥幚硇畔ⅲ⒃诒匾獣r(shí)允許被管理和訪問，這些也使現(xiàn)場儀表與上級(jí)控制系統(tǒng)的通信量大增。另外，從實(shí)際應(yīng)用的角度，控制界也不斷在控制精度、可操作性、可維護(hù)性及可移植性等方面提出新需求。由此，現(xiàn)場總線產(chǎn)生了。

現(xiàn)場總線就是用于現(xiàn)場智能化裝置與控制室自動(dòng)化系統(tǒng)之間的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字式通信鏈路，可進(jìn)行全數(shù)字化、雙向及多站總線式的信息數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)相互操作以及數(shù)據(jù)共享。現(xiàn)場總線的主要目的是用于控制、報(bào)警和事件報(bào)告等工作。現(xiàn)場總線通信協(xié)議的基本要求是響應(yīng)速度和操作的可預(yù)測性的最優(yōu)化。現(xiàn)場總線是一個(gè)低層次的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在其之上還允許有上級(jí)的監(jiān)控和管理網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)文件傳送等工作。現(xiàn)場總線為引入智能現(xiàn)場儀表提供了一個(gè)開放平臺(tái)，基于現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)(FCS)，將是繼DCS后的新一代控制系統(tǒng)。

現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制定

數(shù)字技術(shù)的發(fā)展完全不同于模擬技術(shù)，數(shù)字技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制訂往往早于產(chǎn)品的開發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)決定著新興產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。國際電工委員會(huì)/國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(IEC/ISA)自1984年起著手現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)工作，但統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)至今仍未完成。

IEC TC65(負(fù)責(zé)工業(yè)測量和控制的第65標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì))于1999年底通過的8種類型的現(xiàn)場總線作為IEC61158最早的國際標(biāo)準(zhǔn)。

最新的IEC61158Ed.4標(biāo)準(zhǔn)于2007年7月出版。

IEC 61158Ed.4由多個(gè)部分組成，主要包括以下內(nèi)容IEC 61158-1總論與導(dǎo)則:

IEC 61158-2物理層服務(wù)定義與協(xié)議規(guī)范;

IEC 61158-300數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)定義;

IEC 61158-400數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范;

IEC 61158-500應(yīng)用層服務(wù)定義；

IEC61158-600應(yīng)用層協(xié)議規(guī)

范。

IEC61158Ed.4標(biāo)準(zhǔn)包括的現(xiàn)場總線類型如下!

Type 1IEC61158(FF的H1);

Type 2CIP現(xiàn)場總線:

Type 3PROFIBUS現(xiàn)場總線:

Type 4P-Net現(xiàn)場總線;

Type 5FFHSE現(xiàn)場總線；

Type 6SwiftNet被撤銷；

Type 7WorldFIP現(xiàn)場總線；

Type 8INTERBUS現(xiàn)場總線,

Type 9FFH1以太網(wǎng);

Type 10PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng);

Type 11TCnet實(shí)時(shí)以太網(wǎng):

Type 12EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng):

Type 13EtherNetPowerlink實(shí)時(shí)以太網(wǎng);

Type 14EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng):

Type 15Modbus-RTPS實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，

Type16SERCOSI、I現(xiàn)場總線；

Type 17VNET/IP實(shí)時(shí)以太網(wǎng);

Type 18CC-Link現(xiàn)場總線

Type 19SERCOS I 現(xiàn)場總線:

Type 20HART現(xiàn)場總線。

每種總線都有其產(chǎn)生的背景和應(yīng)用領(lǐng)域。總線是為了滿足自動(dòng)化發(fā)展的需求而產(chǎn)生的，由于不同領(lǐng)域的自動(dòng)化需求各有其特點(diǎn)，因此，在某個(gè)領(lǐng)域中產(chǎn)生的總線技術(shù)一般對(duì)這一特定領(lǐng)域的滿足度高一些，應(yīng)用多一些，適用性也好一些。

工業(yè)以太網(wǎng)引入工業(yè)領(lǐng)域

現(xiàn)場總線打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，采用數(shù)字信號(hào)替代模擬信號(hào)的傳輸，在一對(duì)雙絞線上可以掛接多個(gè)節(jié)點(diǎn)。但在傳輸速率等方面具有一定的局限性，比如運(yùn)動(dòng)控制場合需要微妙級(jí)的數(shù)據(jù)刷新周期，現(xiàn)場總線難以滿足其要求。工業(yè)以太網(wǎng)以其應(yīng)用廣泛、通信速率高及成本低廉等優(yōu)勢引入到工業(yè)控制領(lǐng)域，成為新的熱點(diǎn)。工業(yè)以太網(wǎng)使用率正在工業(yè)自動(dòng)化和過程控制市場上迅速增長，幾乎所有遠(yuǎn)程I/0接口技術(shù)的供應(yīng)商均提供一個(gè)支持TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)接，如Siemens、Rockwell、GE、Fanuc等，他們銷售各自的PLC產(chǎn)品，但同時(shí)提供與遠(yuǎn)程I/0和基于P0的控制系統(tǒng)相連接的接口。