摘要：现场总线是现代工业控制技术的发展方向，具有现场通信功能、现场设备互联、良好的互操作性、分散的功能模块、开放式互联网络等特点。介绍了现场总线技术及其通信协议，比较几种常用的现场总线，说明由其构成的工业控制系统的结构，最后针对CAN总线设计一种工业控制系统并强调在设计中所需注意的问题。
关键词：现场总线；工业控制系统；通信协议；CAN总线
一、现场总线概述
1.1现场总线定义
现场总线是指以工厂内生产过程中的设备/仪表的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。用于工业生产中现场仪表及设备信息的采集，是现场多点通信的和控制系统的集成，也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。
1.2现场总线技术特点
具体体现在以下几点：（1）开放式互连网络。现场总线为开放式互连网络，既可与同层网络互连也可与不同层网络互连。开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。（2）互操作性与互换性。这里的互操作性，是指用户可以将不同厂家的仪表集成在一起，同一组态。而互换性则意味着不同厂家性能类似的设备可以进行互连互换，实现“即接即用”。（3）智能化与自治性。现场总线设备能处理各种参数，运行状态信息及故障信息，具有较高的智能，仅靠现场设备就可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。即使在网络故障的时候，也能独立工作。极大地提高了整个系统的可靠性。（4）分散控制。现场设备自身就可以完成自动控制的基本功能，实现了彻底的分散控制。从根本上改变了现有的DCS集中于分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。（5）具有较强的环境适应能力。作为工厂网络底层的现场总线，是专门为在现场环境工作而设计的，可以在恶劣环境下正常工作。具有较强的抗干扰能力，可采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求。（6）综合功能。现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能，可以在一个仪表中集成多种功能。实现一表多用，降低了成本
1.3现场总线分类
目前已开发出有40多种现场总线，其中最具有影响力的有5种，分别是FF、LonWorks、Profibus、CAN和HART。HART是HighwayAddressableRemoteTransduer的缩写，是现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。
二、现场总线控制系统的结构与特点
2.1现场总线控制系统的结构
随着现场总线技术的出现和成熟，促使了控制系统由集散控制系统（DCS）向现场总线控制系统（FCS）的过渡。在一般的FCS系统中，遵循一定现场总线协议的现场仪表可以组成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各个现场仪表中。从而减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于执行复杂的高层次的控制算法。对于简单的控制应用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器，操作站直接与现场仪表相连，构成分布式控制系统。
2.2现场总线控制系统的特点
分布式的FCS系统比DCS系统更好地体现了“信息集中，控制分散”的思想。与传统的DCS相比，FCS有其自身的特点。FCS系统具有高度的分散性，它可以由现场设备组成自治的控制回路。现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性，可完成控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行情况。另外，FCS的结构比DCS简化。有的FCS系统省略了DCS中控制站这一层，操作站直接与现场仪表相连。这些使FCS的可靠性得到提高。
现场总线系统具有开放性。系统对相关标准具有一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换，通过现场总线可构筑自动化领域的开放互连系统。系统的开放性决定了它具有互操作性和互用性。互操作性指互连设备间、系统间信息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。作为工厂网络底层的现场总线还对现场环境有较强地适应性。它支持双绞线、同轴电缆、光缆、无线和电力线等，具有较强的抗干扰能力。
由于结构上的改变，FCS比DCS更节约硬件设备。使用FCS可以减少大量的隔离器、端子柜、I/O卡及I/O端口，这样就节省了I/O装置及装置室的空间；同时减少了大量电缆，可以极大地节省安装费用。与此同时，FCS比DCS性能有所提高。由于免去了D/A与A/D变换，使仪表精度得到极大的提高；通过将PID功能植入到相应的智能传感器中去，使控制周期大为缩短。目前FCS可以从DCS的每秒调节2～5次增加到每秒调节10～20次，改善了调节性能。
三、现场总线及其所构成的控制系统
3.1常见现场总线的比较
①基金会现场总线FF。在过程自动化领域基金会现场总线FF应用较为广泛，可以说基金会现场总线技术具有较好的发展前景。②CAN总线。对于CAN总线来说支持点对点、一点对多点，以及广播模式通信等，并且借助优先级设定其节点，在一定程度上各节点可以随时发送信息。在汽车内部测量，以及执行部件之间的数据通信协议中，该总线技术应用最早。③Lonworks总线。具备通信和控制功能的Neuron芯片是Lonworks技术的核心。完整的Lonworks的LonTalk通信协议通过Neuron芯片来实现。④PROFIBUS总线。该总线主要包括：PROFIBUS—FMS、PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA。⑤HART总线。该总线作为一种协议，其功能是在现场智能仪表和控制室设备之间进行相应的通信，在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信这是HART总线的特点。
3.2现场总线控制系统的构成
通常情况下，测量系统、控制系统、管理系统共同构成现场总线控制系统，该系统最有特色的部分是通信部分的硬件和软件。
①测量系统。为多变量提供高性能的测量，使测量仪表在一定程度上具有计算能力等这是该系统的特点所在。在该系统中，因为使用了数字信号，所以在一定程度上其分辨率非常高，准确性也较高，并且具有较强的抗干扰和抗畸变能力。②控制系统。通常情况下，软件是该系统的重要组成部分，维护软件、组态软件、仿真软件等共同构成控制系统的软件。③管理系统。设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息等往往由该系统提供。
四、现场总线在工业控制系统中的应用
通常情况下，CAN是一种双向、半双工的高速串行通信网络系统，该系统由物理层（PHY）、数据链路层（MAC；LLC）和应用层（APPL）共同构成组成。CAN与Profibus之间相距比较远。
研究给出了相应的CAN网络拓扑结构。根据ISO11898的相关规定，在信息传输媒介方面，CAN采用双铰线，在网络终端阻抗方面，CAN取120Ω±12Ω。传输速率通常情况下决定着最大直接通信距离，比较典型的值为：40m时1Mbps；1000m时50kbps。
CAN采用非破坏性总线仲裁技术，对媒体按照节点信息的优先级依次进行访问，在一定程度上满足实时控制的需要。信息帧传输过程中为短帧结构，其优点是传输时间短，具有较强的抗干扰能力。结合PLC和液压控制技术，建立了基于CAN总线的多任务协同控制系统。
结论
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，随着计算机技术和控制技术的发展，未来的自动化控制领域将是现场总线及控制网络的天下。从长远看，使用现场总线技术，维护费用因智能资产管理而降低，进而减少了设备的库存。
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论文作者:杨文龙,闵晓霜
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/17
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