2.2.1　现场总线技术

现场总线（Fieldbus）是20世纪90年代兴起的一种工业数据总线，主要目的是解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信，以及这些现场设备和控制系统之间的信息传输问题。由于现场总线具有简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。

1. 常用的现场总线

（1）ProfiBus。ProfiBus是德国联邦科技部集中13家公司、5个研究所的力量，按ISO/OSI参考模型制定的现场总线标准，其主要支持者是德国西门子公司。ProfiBus总线规范于1991年4月在DIN19245中发表，正式成为德国国家标准。在开始时，ProfiBus只有ProfiBus-DP和ProfiBus-FMS，1994年又推出了ProfiBus-PA。ProfiBus引用了IEC标准的物理层（IEC 1158-2），从而可以在有爆炸危险的区域内连接通过总线馈电的本质安全型现场仪表，这使ProfiBus更加完善。

（2）EtherCAT总线。EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology，用于控制和自动化技术的以太网）总线是一种用于工业自动化的实时以太网解决方案，性能优越、使用简便。

（3）LonWorks总线。LonWorks总线是由美国Echelon公司于20世纪90年代推出的，最初主要用于楼宇自动化，但很快发展到工业现场网络。LonWorks总线为设计和实现可互操作的控制网络提供了一套完整、开放、成品化的解决方案，正在被越来越多的厂商、用户、集成商以及技术人员所认同。LonWorks总线具有对等性、开放性、可互操作性等特点，使其在各个领域得到越来越广泛的应用。

（4）InterBus。InterBus是由德国的PhoenixContact公司于20世纪80年代推出的，具有易于配置、通信快速可靠等特点。InterBus是一个传感器/调节器总线系统，特别适合用于工业领域，能够提供从控制级设备至底层限定开关的网络互联。作为IEC 61158标准之一，InterBus被广泛地应用于制造业和机器加工行业，用于连接传感器/执行器的信号到计算机控制站。

（5）CANopen总线。通过有效利用总线带宽，CANopen总线可在相对较低的数据传输速率时实现较短的系统响应时间。CANopen总线秉承了CAN总线的传统优点，如数据安全性高、具备多主站能力等。

（6）ControlNet总线。ControlNet是一种开放式标准现场总线，允许循环数据和非循环数据通过总线同时进行交换，而两者之间互不影响。

（7）ProfiNet总线。ProfiNet是由西门子公司和Profibus用户组织（PNO）开发的，是基于工业以太网技术的自动化总线。作为一项战略性的技术创新，ProfiNet总线为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化和网络安全等当前自动化领域的热点话题；作为跨制造商的技术，ProfiNet总线可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如ProfiBus）技术，可保护现有投资。

（8）ModBus。ModBus是一种基于主从结构的开放式串行通信协议，可非常轻松地在所有类型的串口上实现，已被广泛接受。

（9）CC-Link总线。CC-Link（Control&Communication Link，控制与通信链路）是由三菱电机株式会社为主导的多家公司于20世纪80年代推出的，是一种开放式总线，用于控制级和现场总线级之间的通信，具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。CC-Link总线不仅解决了工业现场配线复杂的问题，还具有优异的抗噪性能和兼容性。

（10）EIB。EIB（European Installation Bus，欧洲安装总线）是一种用于楼宇布线的总线系统，是电气布线领域使用范围最广的行业规范和产品标准。EIB最大的特点是用单一多芯电缆替代了传统分离的控制电缆和电力电缆，并确保各开关可以互传控制指令，因此总线电缆可以以线状、树状或星状进行铺设，方便扩容与改装。

（11）CAN总线。CAN（Controller Area Network，控制器局域网）总线最初是德国BOSCH公司为汽车应用而开发的，是一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，属于现场总线的范畴。1993年11月，ISO正式颁布了CAN总线的国际标准（ISO 11898），为CAN总线的标准化、规范化推广铺平了道路。目前，CAN总线已经成为国际上应用最广泛的开放式现场总线之一。

（12）RS-232和RS-485总线。RS-232和RS-485总线是被广泛使用的串口，采用的是易于实现的简单串行通信协议。

（13）DeviceNet总线。DeviceNet是由美国罗克韦尔公司于20世纪90年代中期基于CAN总线开发的，是一种符合全球工业标准的低成本、高性能、开放式的通信网络。DeviceNet总线是一种数字化、多点连接的网络，在控制器和设备之间实现了通信，每个设备和控制器都是网络上的一个节点。

2. 现场总线的优点和缺点

（1）现场总线的优点：现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；一对双绞线上可挂接多个控制设备，可节省安装费用，降低维护开销，提高系统的可靠性；为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。

（2）现场总线的缺点：网络通信中数据包的传输延时、通信系统的瞬时错误和数据包丢失、发送与到达次序的不一致等都会破坏传统控制系统的确定性，使得控制系统的分析与综合变得更复杂，从而影响控制系统的性能。

3. 现场总线的本质

现场总线的本质主要体现在以下六个方面：

（1）通信网络：现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络。

（2）设备互联：现场总线依据实际需要，使用不同的传输媒介实现了不同现场设备或现场仪表的互联。

（3）互操作性：用户可以根据自身的需求，选择不同厂家或不同型号的产品构成所需的控制回路，从而可以自由地集成现场总线。

（4）分散功能块：现场总线摒弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，彻底实现了分散控制。

（5）通信线供电：通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上获取能量。

（6）开放式互联网络：现场总线是开放式互联网络，既可以与同层的网络互联，也可与不同层的网络互联，还可以实现网络数据库的共享。

4. 现场总线的应用领域

现场总线的产生对工业的发展起着非常重要的作用，对国民经济的增长有着重要的影响。现场总线主要应用于石油、化工、电力、医药、冶金、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域。

不同的现场总线有其主要的应用领域，如FF总线、ProfiBus-PA适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域，LonWorks总线、ProfiBus -FMS、DevieceNet总线适用于楼宇、交通运输、农业等领域，DevieceNet、ProfiBus-DP适用于加工制造业。而这些划分也不是绝对的，每种现场总线都力图扩大其应用领域，现在总线的应用领域也在彼此渗透。

5. 现场总线的发展趋势

从现场总线技术来看，它有两个明显的发展趋势：一是寻求统一的现场总线国际标准；二是从工业以太网向工业控制网络发展。

统一、开放的Ethernet是近几十年来发展最成功的一种网络技术，过去一直认为Ethernet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限的应用。事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA（Ethernet for Process Automation）的研究也取得了很大的进展。随着HSE总线的成功开发，以及ProfiNet总线的推广应用，Ethernet已迅速地进入工业控制系统的各级网络。