1.0 什么是現場總線

現場總線是智能現場 設備之間的數字雙向多支路通信鏈路。它是專用于工業(yè)自動化的局域網(LAN)。它用分布式控制網絡取代了集中控制網絡，并將智能傳感器/換能器/執(zhí)行器/控制器等隔離的現場設備連接起來。FOUNDATION現場總線H1和PROFIBUS PA是用于過程控制的兩種現場總線技術。

在這種雙向通信中，可以從智能傳感器讀取數據，也可以將數據寫入智能傳感器?，F場總線中的多支路通信設施節(jié)省了大量電纜，從而降低了成本。現場總線設備必須有一個現場總線接口單元，以便進行適當的通信，如下圖所示:

下圖，顯示了傳統(tǒng)的點到點系統(tǒng)及其現場總線對應設備。

1.1 演進

幾十年前，隨著數字通信進入過程自動化系統(tǒng)，不同的供應商開始開發(fā)自己的協(xié)議(彼此獨立)。在現場總線引入的最初階段，設計人員面臨著許多問題。首先，一個特定的供應商不可能提供工廠所需的所有部件/組件，一個特定的制造商不可能使所有的設備比其他制造商更好。這導致要么從單個制造商中選擇不太好的設備，要么從不同的制造商中選擇最好的設備。后一種選擇將導致集成問題，并導致自動化孤島，從而難以與不同制造商的設備進行互操作性。

現場總線在引入之初就遇到了協(xié)議專有、傳輸速度慢、數據格式不一等諸多問題?，F場信號傳輸技術的改進提高了分散程度。

1985年，該領域的行業(yè)專家聚在一起制定了一個獨立于供應商的現場總線標準。它將是可互操作的?？偩€標準將提供總線電源、安全性以及通過現有電線進行長距離通信的能力（這是流程工廠自動化系統(tǒng)的基本要求）。

由于儀表自動化系統(tǒng)的復雜性，制造商之間的壁壘，一個單一的標準協(xié)議架構還沒有建立起來?；饡F場總線和PROFIBUS是目前主導過程自動化領域的兩種最主要的現場總線技術。由于協(xié)議不匹配，采用這兩種技術的設備無法相互通信，因此尚未實現無縫互操作性。

1.2 結構的發(fā)展

多年來，控制系統(tǒng)架構和現場信號是同步發(fā)展的。隨著現場信號傳輸技術的不斷發(fā)展，系統(tǒng)去中心化的水平不斷提高。最初是氣壓傳輸，隨后是單獨的4-20毫安模擬電流傳輸線到控制室。從控制室發(fā)出的控制信號再次被送到現場的執(zhí)行器，用于控制過程變量。

在直接數字控制(DDC)中，位于控制室的中央計算機對位于現場較遠處的每個過程變量執(zhí)行所有控制。一旦中央計算機發(fā)生故障，控制策略將完全失效，整個工廠的運行將處于嚴重的危險之中。這導致了控制策略的分散，并產生了一個更加分散的分布式控制系統(tǒng)(DCS)和可編程邏輯控制器(PLC)的發(fā)展。不像在單臺計算機控制整個工廠的情況下DDC，在DCS中多臺計算機之間共享相同的任務。在DCS中，一臺計算機控制大約20-30個循環(huán)。因此，單個計算機故障只會影響分配給該計算機的循環(huán)。傳統(tǒng)的DCS和PLC體系結構具有多個網絡層，如下圖所示。

隨著數字通信的出現，DCS和PLC迅速發(fā)展，但它們的體系結構是基于現場變送器和閥門定位器的4-20 mA電流輸出。在現場控制系統(tǒng)中，只有兩個網絡層——現場層網絡和主機層網絡。因此，FCS體系結構將控制更多地帶入了現場，它比基于DCS的控制系統(tǒng)要分散得多。 FCS體系結構如下圖所示。

1.3 類型

目前有許多類型的現場總線在使用;要使用的什么類型取決于應用場景是離散或制造自動化的類型。下面列出了不同類型的現場總線:

FOUNDATION現場總線，PROFIBUS, DeviceNet, ControlNet, Interbus，HART, AS-i, Modbus，CANbus，以太網，Lon Works, WorldFIP等。

1.4. 擴大網絡邊界

現場總線在過程自動化中的應用具有許多優(yōu)點。在現場總線的情況下，數字通信可以為提高生產效率更好地控制過程。

上圖，顯示了具有4-20 mA電流傳輸方案的傳統(tǒng)過程控制和基于現場總線的過程控制。對于傳統(tǒng)控制，需要單獨的電流傳輸線對于每個過程變量都是單向的，而對于現場總線，多個變量可以雙向的在共享一個單一的傳輸線路。

下圖，顯示了傳統(tǒng)和現場總線系統(tǒng)之間的比較，其中傳統(tǒng)系統(tǒng)的邊界在遠程I/O處停止，而現場總線系統(tǒng)擴展到傳感器。

在基于現場總線的系統(tǒng)中，I/O和控制都包含在現場的智能傳感器中，而傳統(tǒng)的系統(tǒng)需要一個單獨的子系統(tǒng)，控制器位于控制室。這種情況如下圖所示：

下圖，顯示了常規(guī)和基于現場總線的系統(tǒng)在火災危險情況下的應用比較。對于前者，每個設備都需要一個防爆屏蔽(IS)線路，而對于后者，多個現場設備共用一套防爆屏蔽(IS)線路。

2.0 拓撲

拓撲涉及到現場總線設備連接到數據高速公路的方式。根據工廠地形的需要，可采用了幾種拓撲結構:點對點、總線、樹型、鏈型和混合。 為了清晰起見，在代表不同現場總線拓撲的圖中沒有顯示電源和終止器。

2.1 點到點

如下圖所示，在這種拓撲中，段由兩臺設備組成。兩個設備可以在現場，或者一個設備在現場，主機在控制室。

2.2 總線

總線如下圖所示，這些設備通過“分支”的小長度電纜連接到線段上。分支長度可以在1到120m之間變化。貫穿整個長度的主電纜稱為中繼線。

2.3 樹型

在這種情況下，特定段上的設備通過接線盒、集線箱、終端或I/O卡進行連接。該方案適用于位于同一地理位置的設備，可以連接到同一個接線盒，同時也遵循每段最大直距的規(guī)則。方案如下圖所示。

2.4 鏈型

如下圖所示，設備在一個特定的線段上串聯(lián)連接。

2.5 混合

混合拓撲包含上面討論的多個拓撲，可能的組合，如下圖所示。根據設備在工廠中的物理位置和段長度限制，采用不同的拓撲結構來獲得單個拓撲結構的優(yōu)點

3.0 終端連接器

在線段的兩側放置一個終端連接器(T)，作為阻抗模塊，具有與線段相同的特性阻抗。

終端連接器(T)，使接收者的錯誤可以減少到最低限度。終端連接器(T)防止信號反射和由此產生的通信錯誤。終端連接器(T)是由100 Ω電阻和1 μ F電容串聯(lián)而成。

4.0 現場總線的優(yōu)勢

現場總線技術應用于規(guī)劃、安裝、運行、維護和改造階段。在規(guī)劃階段，可以通過使用現場總線的數字通信實現全廠集成。在安裝階段，用網絡或多支路通信取代傳統(tǒng)的一對一布線方案，大大降低了成本和時間。自我診斷/校準可以在維護階段通過軟件功能就地完成。在更新階段，由于基于網絡的系統(tǒng)是模塊化的，因此升級成本和時間將是最小的。

現場總線中的控制動作分布在現場設備中?，F場設備是智能的，可以進行自己的控制/維護/診斷/校準?，F場總線系統(tǒng)足夠智能，可以報告自己的故障，如果需要，可以進行手動校準。通過采用基于現場總線的控制，提高了工廠運行的效率，減少了停機時間?，F場總線不是一種產品，而是一種技術，它屬于層次結構的最底層，即在現場設備中，與更高的層次進行信息交換

由于現場總線設備是可互操作的，互操作性不會成為問題，因此來自不同制造商的設備可以一起工作，而不會損失任何功能，這是專有協(xié)議所不能做到的。

安裝成本方面，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可以節(jié)省約80%的布線費用。由于現場總線設備中有大量的配置和診斷信息，設備調試時間大大縮短?，F場設備可以在現場條件下診斷其問題，從而減少停機時間。最后，由于控制已經轉移到現場設備，需要更好和更簡單的中央控制系統(tǒng)。