兵工自动化 ２００２年第２１卷第４期 自动控制技市 Ａｕｔｏ．ＣｏｎｔｒｏＩ Ｏ．Ｉ．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ２００２．ＶＯＩ．２１．ＮＯ．４
文章编号：１００６—１５７６（２００２）０４一Ｏ０１３－０５
现场总线技术与应用
魏余芳，曾蓉
（西南交通大学计算机与通信工程学院，四川Ｉ成都６ｌ００３１）
摘要：现场总线是一种串行数据通信链路，是连接智能现场设备和自动化系统的一种通信网络。其特点 是信号传输全数字、控制功能全分散、标准统一全开放。目前有影响的现场总线技术有基金会现场总线ＦＦ、 ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线、ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线、ＣＡＮ总线和ＨＡＲＴ协议等．文中详细介绍了ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线控制节点 的两种结构、ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线在铁路信号控制和楼字自动化中的应用，以及现场总线技术的发展趋势。 关键词：现场总线；ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线；车站信号系统；楼字抄表系统 中图分类号：ＴＰ３３６ 文献标识码：Ａ
Ｆｉｅｌｄｂｕｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ＷＥＩ Ｙｕ－ｆａｎｇ，ＺＥＮＧ Ｒｏｎｇ ｆＣｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ＣｈｅｎｇｄＵ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｅｌｄ．ｂＵＳ ｉＳ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｅｒｉａｌ ｌｉｎｋ ｆｏｒ ｄａｔａ ＣＯｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ｏｒ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｏｒｎｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒ ＣＯｎｎｅｃｔｉｎｇ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｆｉｅｌｄ－ｂＵＳ ｅｑＵｉｐｍｅｎｔｓ Ｗｉｔｈ ａｕｔｏｍａｔｉＣ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔｓ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｓ ｗｈｏｌｌｙ ｄｉｇｉｔａｌ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｒｎｐｌｅｔｅｌｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ａｎ ｏｐｅｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｕｎｉｆｉｅｄ ｓｔａｎｄａｒｄ．Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｆｉｖｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｆｌＵｅｎｔｉａＩ ｆｉｅｌｄ－ｂＵＳ，ＳＵＣｈ ａｓ ＦＦ ｆｉｅｌｄ－ｂｕＳ，ＬｏｎＷｏｒｋｓ ｆｉｅｌｄ－ｂｕＳ， ＰＲＯＦＩＢＵＳ ｆｉｅｌｄ．ｂＵＳ．ＣＡＮ ｆｉｅｌｄ．ｂＵＳ ａｎｄ ＨＡＲＴ ｐｒｏｔｏｃｏ１．Ｔｈｅ ｔｗｏ ＣＯｎｆｉｇＵｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＯｎｔｒｏｌ ｎｏｄｅ ｉｎ ＬｏｎＷｏｒｋｓ ｆｉｅｌｄ．ｂＵＳ ａｎｄ ｔｈｅ ａＰｐｌｉｃａｔｉｏａｓ ｏｆ ＬｏｎＷｏｒｋｓ ｆｉｅｌｄ．ｂＵＳ ｉｎ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｉｇｎａｌ ＣＯｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ－ｂｕＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ Ｐａｐｅｒ・ Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｆｉｅｌｄ－ｂｕｓ；ＬｏｎＷｏｒｋｓ ｂｕｓ；Ｓｉｇｎａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｄｅｐｏｔ；Ｃｏｐｙ ｍｅｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ
・现场总线与网络通信・ 低压电器（２０１１Ｎｏ．１１）
ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ现场总线技术
在化工行业的应用
王恩娜 （北京美盛沃利工程技术有限公司上海分公司，上海２００００１）
摘 要：介绍了ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ现场总线的原理、技术特点，分析了ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ现场总线 在化工行业汽车涂料生产过程中的具体应用，详细分析了该系统的工作特点。实践表 明，ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ的运用使得系统更加智能化，运行更加可靠，有效地提高了生产效益。 关键词：现场总线；控制；涂料生产 中图分类号：ＴＰ ３９３．２８文献标志码：Ｂ文章编号：１００１－５５３１（２０１１）１１－００５３— ０４ 王恩娜（１９７５一）， 女，工程师，研究方 向为自动化控制过 程。
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ
Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
ⅣＧ Ｅｎｎａ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｂｒａｎｃｈ ｏｆ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｍａｉｓｏｎ Ｗｏｒｌｅｙ Ｐａｒｓｏｎｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，
Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００００ １，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ ｆｉｅｌｄｂｕｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａ— ｔｉｏｎ ｏｆ ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ ｆｉｅｌｄｂｕｓ ｉｎ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃ— ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ ｍａｄｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｒｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ，ｒｕｎ ｍｏｒｅ ｒｅｌｉａｂｌｙ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｉｅｌｄｂｕｓ；ｃｏｎｔｒｏｌ；ｃｏａｔｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
随着控制、计算机、通讯、网络技 术的发展，计算机网络集成自动化系 统在现代工业企业中已得到广泛应 用。而作为当今自动化领域技术发展 热点之一的现场总线技术的出现，则 标志着工业控制领域又一个新时代的 开始，它被誉为自动化领域的计算机 局域网，在许多大、中型水泥厂得到了 广泛的应用。 １ 现场总线技术简介 １．１现场总线的基本认识 现场总线是应用在生产现场、在 微机化测量控制设备之间实现双向串 行多节点数字通讯系统，也被称为开 放式、数字化、多点通讯的底层控制网 络。它作为一个纽带，把单个分散的各 个测量设备连接在一起，使它们之间 可以互相通讯，成为共同完成控制任 务的系统。 １．２现场总线的特点 在传统的模拟控制系统中，现场 的仪表设备与控制室的控制器之间， 通常采用一对一的物理连接，实现模 拟信号的通讯。而在现场总线控制系 统中，现场的仪表设备多采用智能化 设备，通讯方式由数字信号取代了模 拟信号，只需一根电缆即可将多个现 场设备的多个运行参数传人控制室， 同时还可为多个设备提供电源，这样 不仅简化了系统结构，节约了硬件投 资，同时还便于安装和维护。 １．３应用较多的几种现场总线技术 １．３．１ 基金会现场总线（ＦＦ， Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ） 它是以美国Ｆｉｓｈｅｒ—Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ公 司和Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司为首，联合ＡＢＢ、 西门子等多个公司合并后，成立的现 场总线基金会，制定了Ｗｏｒｄ ＦＩＰ协 议。它以ＩＳＯ／ＯＳＩ开放系统互连模型 为基础，取其物理层、数据链路层、应 用层为ＦＦ通讯模型的相应层次，并在 应用层上增加了用户层。用户层主要 针对自动化测控应用的需要，定义了 信息存取的统一规则，采用设备描述 语言规定了通用的功能块集。由于这 些公司是这一领域的主要供货商，因 此由他们组成的基金会所制定现场总 线规范具有一定的权威性。 １－３．２ Ｌｏｎ Ｗｏｒｋｓ 它是由美国Ｅｃｈｅｌｏｎ公司推出并 由摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于 １９９０年正式公布形成的，它采用了 ＩＳＯ／ＯＳＩ模型的全部七层通讯协议， 采用ｒ面向对象的设计方法，通过网 络变量把网络通讯设计简化为参数设 置，其通讯速率从３００ｂｐｓ至１．５Ｍｂｐｓ 不等，直接通讯距离可达２７００ｍ （７８ｋｂｐｓ，双绞线）；支持双绞线、同轴电 缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种 通讯介质，并开发了相应的本质安全 防爆产品，被誉为通用控制网络，是具 有强劲实力的现场总线技术。 １＿３．３ ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＰＲＯＦＩＢＵＳ是德国国家标准 ＤＩＮ１９２４５和欧洲标准ＥＮ５０１７０的现 场总线标准。由ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ， ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＦＭＳ，ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＰＡ组成 了ＰＲＯＦＩＢＵＳ系列。ＤＰ型用于分散外 设问的高速数据传输，适合于加工自 动化领域的应用。ＦＭＳ意为现场信息 规范，ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＦＭＳ适用于纺织、 楼字自动化、可编程控制器、低压开关 等，而ＰＡ型则是用于过程自动化的 总线类型，它遵循ＩＥＣ１１５８—２标准。它 采用ＯＳＩ模型的物理层、数据链路层。 ＦＭＳ还采用了应用层。传输速率为 ９．６ｋｂｐｓ～１２Ｍｂｐｓ，最大传输距在 １２Ｍｂｐｓ时为１００ｍ，１．５Ｍｂｐｓ时为 ４００ｍ，可用中继器延长至ｌＯｋｍ。其传 输介质可以是双绞线，也可以是光缆， 最多可连接１２７个站点，可实现总线 供电和本质安全防爆。 １．３．４ ＣＡＮ总线 ＣＡＮ是控制局域网总线（Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）的简称，最早由德国 ＢＯＳＣＨ公司推出，用于汽车内部测量 与执行部件间的数据通信，其总线规 范现已被ＩＳＯ国际标准组织制定为国 际标准。由于得到了Ｍｏｔｏｒｏｌａ，Ｉｎｔｅｌ， Ｐｈｉｌｉｐ，Ｓｉｅｍｅｎｓ，ＮＥＣ等公司的支持，它 广泛应用在离散控制领域。ＣＡＮ协议 也是建立在国际标准组织的开放系统 互连模型基础上的，不过，其模型结构 只有三层，即只取ＯＳＩ低层的物理层， 数据链层和顶层的应用层。其信号传 输介质为双绞线。通讯速率最高可达 １Ｍｂｐｓ／４０ｍ，直接传输距离最远可达 １０ｋｍ／５ｋｂｐｓ，可接设备数最多达ｌｌＯ 个。ＣＡＮ信号传输采用短帧结构，每 一帧的有效字节数为８个，因而传输 时间短，受干扰的概率低。当节点严重 错误时，具有自动关闭的功能。以切断 通讯地址：１河北工业大学 电气与自动化学院，天津 ３００１３０；２天津水泥设计研究院，天津３００４００；收稿日期：２００６—０３—０９； 编辑：赵 莲 ７０
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现场总线技术与应用
现场总线技术与应用
现场总线是应用生产现场、在微机化测控设备之间实现双向数字通信系统，是开放式、数字化、多点通信的低层控制网络。
现场总线是在20世纪年代中期发展起来的。现场总线技术是将专用的微处理器植入传统的测控仪表，使其具备了数字计算和通信能力，采用连接简单的双绞线、同轴电缆、光纤等作为总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测控仪表之间、远程监控计算机之间实现数据共享，形成适应现场实际需要的控制系统。它的出现改变了以往采用电流、电压模拟信号进行测控信号变化慢，信号传输抗干扰能力差的缺点，也改变了集中式控制可能造成的全线瘫痪的局面。由于微处理器的使用，使得现场总线有了较高的测控能力，提高了信号的测控和传输精度，同时丰富了控制信息内容，为远程传送创造了条件。
现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，一出现便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普通遍关注。现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制系统--现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。 一、现场总线的特点
现场总线系统打破了传统模拟控制系统采用的一对一的设备连线模式，而采用了总线通信方式，因而控制功能可不依赖控制室计算机直接在现场完成，实现了系统的分散控制，现场总线控制系统与传统的控制系统结构对经如图1所示。 1、增强了现场级的信息采集能力
现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够很好地满足工厂自动化乃至CIMS系统的信息集成要求。现场总线是数字化的通信网络，它不单纯取代4~20mA信号，还可实现设备状态、故障和参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。
2、开放式、互操作性、互换性、可集成性
不同厂家产品只要使用同一种总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其他厂商将自己专长的控制技术，如 2 / 7
