Control 版 (精华区)

发信人: leonado (城市这边馋得流口水了), 信区: Control
标  题: 现场总线及其发展现状
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年05月22日09:21:07 星期二), 转信


1、前言
70年代中期，工业过程控制仪表由原来的四线制，发展成为统一的两线制4～20mA标准信
号。这大大地方便了用户，促进了工业过程控制系统的发展。
从80年代开始，随着微电子学的发展，导致含有微处理器的智能变送器、控制器和集散
系统（DCS）的普遍应用。这些智能化的现场设备可以直接完成许多控制功能，这也正是
智能化仪表的显著特点之一。因此，现场设备与基于微处理器的控制室自动化设备间待
传输的信息量急剧增加。原有的4～20mA模拟直流回路，只能在一根两芯电缆中单向传输
一个参数。所以，4～20mA这种信号标准已成为当前控制系统发展的主要瓶颈。为此，在
现场设备和控制系统之间，迫切需要一种全数字化的、双向、多变量的通信规程，来代
替正在流行着的4～20mA单变量、单向模拟传输方式。各个厂家为此都进行了大量的工作
，它们各自采用了不同的手段、不同的信号标准，结果导致了智能化工业控制仪表的不
兼容。
鉴于这种情况，国际电工技术委员会（IEC）从1985年即开始着手制订国际性的智能化现
场设备和控制室自动化设备之间的通信标准，并命名为“Fieldbus”? 现场总线。
现场总线是用于智能化现场设备和基于微处理器的控制室自动化系统间的全数字化、多
站总线式的双向多信息数字通讯的通讯规程，是互相操作以及数据共享的公共协议。可
以认为，现场总线是通信总线在现场设备中的延伸，允许将各种现场设备，如变送器、
调节阀、基地式控制器、记录仪、显示器、PLC及手持终端和控制系统之间，通过同一总
线进行双向多变量数字通讯。
从计算机网络体系结构角度来看，按国际标准化组织ISO的推荐，最低一级的网络就是现
场总线。它可以把全厂范围内的最基础的现场装置（如仪表等）连接起来，与控制系统
实现全数字化通信。
2、国内外现场总线标准的制订概况
2.1 国际标准的制订
许多国际组织，例如IEC，美国仪表学会（ISA），ISP（Interoperable System Projec
t），IFC，World FIP，FINT（Fieldbus International）等，多年来为制订现场总线标
准做了大量工作。
ISA的SP50委员会已进行了长达8年多年的研究讨论，于1984年与IEC的TC65技术委员会的
WG-6工作组共同提出了粗略的现场总线框架模型。该模型是国际标准化组织ISO开放系统
互连（OSI）模型的简化型。OSI模型原本有互相独立的7层：物理层、数据链路层、网络
层、传送层、会话层、表示层和应用层，规定了每一层的功能及其对于上一层的服务。
ISA和IEC提出的现场总线模型采用了其中的第1、2、7层，又增加了一个用户层，作为第
8层。所以，该模型的4个功能层分别是：物理层、数据链路层、应用层和用户层。为此
，IEC搞了7个试验现场：英国1个，挪威1个，美国1个，日本3个及德国1个。
2.2 ISP和World FIP标准
由于市场竞争激烈，国际性的标准化进程十分缓慢，1992年形成了两大集团组织：ISP和
World FIP。
ISP（Interoperable System Project）成立于1992年9月，包括有100多家公司，其中著
名公司有：Fisher、Rosemunt、日立、横河、E+H、SMAR、西门子、Modicon等，并于19
94年推出了基于ISP技术的产品。ISP技术主要基于德国的Profibus标准。其目标是开发
一个单一的开放的并可相互操作的标准现场总线。该总线易于为用户和生产者所接受。

World FIP（Factory Instrumentation Protocol）? 工厂仪表世界协议集团。它是基于
法国工业标准FIP草案而建立的起来，于1993年3月成立。成员包括Honeywell、AllenBr
ndly、Elsay Bailey等120多个公司。其目标同样是为建立一种开放性的、相互兼容的现
场总线。
在两大集团竞争过程中，又出现了联合的趋势。1993年，在美国芝加哥举办的ISA/93国
际仪表展览会上，ISP和World FIP中的27家公司共同研讨了现场总线标准，双方表示愿
意联合开发现场总线的研制工作，以制订出统一的国际标准。1994年，两大集团成立了
现场总线组织FF（Fieldbus Fourdation）及FF用户协会。
目前，IEC和ISA/SP50制订的现场总线标准中的物理层（第1层，Physical Layer）已于
1992年通过。数据链路层（第2层，Data Link Layer）中的大部分已达成一致意见，并
于1995年在美国获IEC批准。应用层（第7层，Applications Layer）的标准化进程比较
缓慢，可望在1996年获得批准，而其用户层（第8层，Users Layer）还在草拟阶段。
2.3 HART和Lonworks标准
鉴于目前现场总线的国际标准在短期内还难于统一，而正在大量使用着的4～20mA模拟现
场设备也不可能在短时间内改造为适合于现场总线的现场设备，所以，美国的Rosemoun
t公司又提出了一套过渡性的临时标准，即HART协议（Highway Addressable Remote Tr
ansducer Protocol? 可寻址远程传感器高速公司）。这是一个灵巧的通讯协议（Smart
 Communication Protocol）。它具有与现场总线类似的体系结构及总线式数字通讯功能
。由于HART协议是在模拟信号上叠加了FSK（频移键控）数字信号，因而，模拟和数字通
讯可以同时进行。这就保证了4～20mA模拟系统与数字通讯系统可以兼容，可以在一根双
绞线上连接多台现场设备，以构成多站网络。但是，HART标准的数据传输速率较低（12
00bps），而且只有“问答”和“广播”两种工作模式。目前，已有70余家公司支持并使
用了HART协议，并于1993年成立了专门机构HCF（HART Communication Foundation）来
发展HART协议。HART协议目前已被认为是事实上的工业标准，但是，它仅仅是一个过渡
性协议，还不是现场总线。
另外一个简单而廉价的是Lonworks现场总线。该总线对用于控制网络的所有7层都规定了
服务内容，并提供了一整套开发技术，使得包括硅片，通讯收发机及PC接口软件等所有
制造商处于平等地位。目前，已有100多家公司提供了与Lonworks兼容的产品。但是，其
应用范围主要集中在升降机，快餐加工用冷藏业。
尽管目前现场总线标准还不统一，但是，从技术开发和应用要求的角度看，无论是ISP、
World FIP、HART还是Lonworks都将通过技术上的开发而实现与IEC-ISA标准并轨。另一
方面，IEC-ISA也不断采用ISP和World FIP开发成果，用于国际标准中。所以，全世界仪
表行业最终统一到国际性的IEC-ISA的“Fieldbus”标准上来，这是一种必然的趋势。
2.4 国内现场总线标准的制订
从1993年以来，国内几个技术刊物上开始陆续登载了有关现场总线的动态方面的文章。
国际上的两大集团也先后在我国开展了有关的业务活动。World FIP于1993年10月在北京
召开了World FIP现场总线研讨会。而在1993年的上海多国仪器仪表展览会期间，成立了
中国ISP分会，中国成为ISP的主要成员组织。1994年1月在北京召开了有200多人参加的
ISP国际现场总线座谈会。1994年9月在北京的多国仪器仪表展览会上，World FIP和ISP
两大集团的一些国外厂商分别展示了他们开发的现场总线产品。
我国现场总线标准是由IEC/TC65在国内的技术归口单位? 全国工业过程测量和控制标准
化技术委员会（上海工业自动化仪表研究所）负责跟踪并制订的。目前，已完成了现场
总线的物理层国家标准的制订工作。其它层的标准正在跟踪和制订过程中。
  　
3、现场总线的体系结构和各层功能
3.1 现场总线的体系结构
根据IEC-ISA SP50标准，ISP提供了两种现场总线：低速的H1和高速的H2。其主要数据列
入下表。
现场设备通过H1接到控制系统可以有三种拓朴结构，如下图所示。
点对点方式：每个现场仪表可单独接到H1低速总线上，通过H1连向控制系统。这适用于
现场仪表比较分散或传输信息量较大的场合，其接法与4～20mA接线方法相似。
树状方式：按不同的工作区域，把若干个现场仪表集中，每个区域的仪表通过属于H1性
质的“局部运行”（Home-run）的现场总线，连接到控制设备上。
现场总线的几种连结方式
带桥方式：现场仪表要经过H1和H2两类现场总线连接到控制设备上。直接接到H1上的现
场仪表，通过“桥”或多路转换器合并到高速的H2现场总线上，再接到控制设备上。
3.2 现场总线各层的主要功能
第1层? 物理层：该层规定了现场总线的传输介质、传输速率、每条线路可接仪表数量、
最大传输距离、电源、连接方式及信号类型等。
第2层? 数据链路层：该层规定了物理层和应用层间的接口，其中包括：数据结构、传输
差错控制、多主站使用的规范化等。该层将通过帧数据检验保证信息传输的正确性及完
整性。
第7层? 应用层：它向用户提供了一个简单的接口，其中定义了读、写、解释或执行一个
信息或一条命令的方法。其中很大部分是定义信息的语法。此外，应用层还定义了信息
传输的方式，如：周期式、立即响应式、一次性方式及使用者请求方式等。
第8层? 用户层：该层定义了过程控制的基本内容。其中，包括现场总线内部信息的存取
方法及信息在网内同一节点或不同节点的其它设备间的传送方法。现场总线结构的基础
是功能块，由各功能块完成数据采集、控制或输出。每个功能块都包含一个算法功能和
运算中所需的数据库以及由用户定义的该功能块的唯一标识符。算法功能是预定义的，
而数据库的内容可以通过通信或其它方法来获得。在用户层中，定义了功能块集，并实
现了功能块的兼容性和互换性等方面的转换工作。控制系统结构设计，通常正是通过连
接不同的功能块来实现的。
H1和H2现场总线的主要数据表
数据传输率(bps)
H1:31.25k
H2:1M～2.5M
最大传输距离(m)
H1:1900
H2:750
传输方式
H1:同步
H2:同步
介 质
H1:带屏蔽双绞线
H2:带屏蔽双绞线
最多可挂设备(台)
H1:32
H2:32
结 构
H1:点对点，树状，带桥
H2:总线
4、现场总线将为过程控制领域带来新的革命
现场总线与模拟回路相比较，具有一系列无法比拟的优点：
（1）大大降低了系统的费用。仪表系统的电缆配线、安装、操作和维修等方面的费用，
由于采用了现场总线，可以节约60％以上。
（2）可以传送多个过程变量。可以在传输过程变量的同时，将仪表的标识符和简单的诊
断信息也一并传送。这样，有利于带有多变量的数字仪表（如温度、压力、pH值的数字
仪表）的开发和应用。减少了系统的维护量，提高了系统的可靠性。
（3）提高了检测精度。现场总线的数字信号比4～20mA模拟信号的精度提高10倍。因此
，可以排除在A/D转换中所产生的误差。
（4）减少了I/O装置。若平均每2～3个仪表接到一根单独的电缆上，则可以减少一半到
2/3的I/O卡、I/O柜或I/O文件等。
（5）增强了系统的自治性。以微处理器为基础的现场设备可以完成许多先进的功能，包
括部分控制功能。这样，就可以将原来的集中的多回路或单回路控制器所完成的功能转
移到现场来完成，在现场内实现一般的控制。
（6）采用国际性的现场总线后，可与不同厂家生产的仪表兼容。
正是由于这些优点，现场总线的应用将为自动控制领域带来新的革命。
现场总线的应用，在控制结构上会产生一系列的变化：使模拟仪表为数字仪表所代替；
目前，由集散系统（DCS）所完成的控制功能，将由现场总线开发的功能块（现场控制器
）来完成；那时的DCS将主要完成现在由上位机完成的高级控制功能和信息管理，而且，
它利用高级软件包（不是硬件）来实现优化、专家系统及统计过程等先进控制。这样，
未来的建立在现场总线上的DCS系统将会是管控一体化的。由此可见，工厂控制系统的结
构也将会发生根本的变化。
美国的Fisher-Rosemount公司，以现场总线为基础正开发具有全新概念的控制系统RTM/
1（Real-Time Process Management System）。它是由数字现场信息系统、过程管理信
息系统和商业管理信息系统三部分组成。它已不再是原来意义上的以生产过程控制和信
息传输为主要任务的控制系统（如DCS）。而是一个由数据采集、控制、优化直到生产管
理、商业管理的一个管控现代化的综合信息系统。
5、结束语
从自动控制系统的发展史来看，曾有过两次大的革新：一次是50年代末由旧式模拟仪表
向电动或气动单元组合仪表的转变；另一次是80年代从电子模拟仪表到DCS的转变。这两
次大的转变，远远不及现场总线对控制系统发展的影响那样深刻。现场总线使控制系统
发生了概念上的全新变化。它使传统的控制系统结构发生了根本的变化，在某种意义上
，可认为现场总线最终将完全代替DCS。它将开辟过程控制的新纪元。
（赵金刚）
 
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看不到你,
看了一路风景又如何?

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