什么是现场总线？现场总线的使用方法

1.0 什么是现场总线

现场总线是智能现场 设备之间的数字双向多支路通信链路。它是专用于工业自动化的局域网(LAN)。它用分布式控制网络取代了集中控制网络，并将智能传感器/换能器/执行器/控制器等隔离的现场设备连接起来。FOUNDATION现场总线H1和PROFIBUS PA是用于过程控制的两种现场总线技术。

在这种双向通信中，可以从智能传感器读取数据，也可以将数据写入智能传感器。现场总线中的多支路通信设施节省了大量电缆，从而降低了成本。现场总线设备必须有一个现场总线接口单元，以便进行适当的通信，如下图所示:

下图，显示了传统的点到点系统及其现场总线对应设备。

1.1 演进

几十年前，随着数字通信进入过程自动化系统，不同的供应商开始开发自己的协议(彼此独立)。在现场总线引入的最初阶段，设计人员面临着许多问题。首先，一个特定的供应商不可能提供工厂所需的所有部件/组件，一个特定的制造商不可能使所有的设备比其他制造商更好。这导致要么从单个制造商中选择不太好的设备，要么从不同的制造商中选择最好的设备。后一种选择将导致集成问题，并导致自动化孤岛，从而难以与不同制造商的设备进行互操作性。

现场总线在引入之初就遇到了协议专有、传输速度慢、数据格式不一等诸多问题。现场信号传输技术的改进提高了分散程度。

1985年，该领域的行业专家聚在一起制定了一个独立于供应商的现场总线标准。它将是可互操作的。总线标准将提供总线电源、安全性以及通过现有电线进行长距离通信的能力（这是流程工厂自动化系统的基本要求）。

由于仪表自动化系统的复杂性，制造商之间的壁垒，一个单一的标准协议架构还没有建立起来。基金会现场总线和PROFIBUS是目前主导过程自动化领域的两种最主要的现场总线技术。由于协议不匹配，采用这两种技术的设备无法相互通信，因此尚未实现无缝互操作性。

1.2 结构的发展

多年来，控制系统架构和现场信号是同步发展的。随着现场信号传输技术的不断发展，系统去中心化的水平不断提高。最初是气压传输，随后是单独的4-20毫安模拟电流传输线到控制室。从控制室发出的控制信号再次被送到现场的执行器，用于控制过程变量。

在直接数字控制(DDC)中，位于控制室的中央计算机对位于现场较远处的每个过程变量执行所有控制。一旦中央计算机发生故障，控制策略将完全失效，整个工厂的运行将处于严重的危险之中。这导致了控制策略的分散，并产生了一个更加分散的分布式控制系统(DCS)和可编程逻辑控制器(PLC)的发展。不像在单台计算机控制整个工厂的情况下DDC，在DCS中多台计算机之间共享相同的任务。在DCS中，一台计算机控制大约20-30个循环。因此，单个计算机故障只会影响分配给该计算机的循环。传统的DCS和PLC体系结构具有多个网络层，如下图所示。

随着数字通信的出现，DCS和PLC迅速发展，但它们的体系结构是基于现场变送器和阀门定位器的4-20 mA电流输出。在现场控制系统中，只有两个网络层——现场层网络和主机层网络。因此，FCS体系结构将控制更多地带入了现场，它比基于DCS的控制系统要分散得多。 FCS体系结构如下图所示。

1.3 类型

目前有许多类型的现场总线在使用;要使用的什么类型取决于应用场景是离散或制造自动化的类型。下面列出了不同类型的现场总线:

FOUNDATION现场总线，PROFIBUS, DeviceNet, ControlNet, Interbus，HART, AS-i, Modbus，CANbus，以太网，Lon Works, WorldFIP等。

1.4. 扩大网络边界

现场总线在过程自动化中的应用具有许多优点。在现场总线的情况下，数字通信可以为提高生产效率更好地控制过程。

上图，显示了具有4-20 mA电流传输方案的传统过程控制和基于现场总线的过程控制。对于传统控制，需要单独的电流传输线对于每个过程变量都是单向的，而对于现场总线，多个变量可以双向的在共享一个单一的传输线路。

下图，显示了传统和现场总线系统之间的比较，其中传统系统的边界在远程I/O处停止，而现场总线系统扩展到传感器。

在基于现场总线的系统中，I/O和控制都包含在现场的智能传感器中，而传统的系统需要一个单独的子系统，控制器位于控制室。这种情况如下图所示：

下图，显示了常规和基于现场总线的系统在火灾危险情况下的应用比较。对于前者，每个设备都需要一个防爆屏蔽(IS)线路，而对于后者，多个现场设备共用一套防爆屏蔽(IS)线路。

2.0 拓扑

拓扑涉及到现场总线设备连接到数据高速公路的方式。根据工厂地形的需要，可采用了几种拓扑结构:点对点、总线、树型、链型和混合。 为了清晰起见，在代表不同现场总线拓扑的图中没有显示电源和终止器。

2.1 点到点

如下图所示，在这种拓扑中，段由两台设备组成。两个设备可以在现场，或者一个设备在现场，主机在控制室。

2.2 总线

总线如下图所示，这些设备通过“分支”的小长度电缆连接到线段上。分支长度可以在1到120m之间变化。贯穿整个长度的主电缆称为中继线。

2.3 树型

在这种情况下，特定段上的设备通过接线盒、集线箱、终端或I/O卡进行连接。该方案适用于位于同一地理位置的设备，可以连接到同一个接线盒，同时也遵循每段最大直距的规则。方案如下图所示。

2.4 链型

如下图所示，设备在一个特定的线段上串联连接。

2.5 混合

混合拓扑包含上面讨论的多个拓扑，可能的组合，如下图所示。根据设备在工厂中的物理位置和段长度限制，采用不同的拓扑结构来获得单个拓扑结构的优点

3.0 终端连接器

在线段的两侧放置一个终端连接器(T)，作为阻抗模块，具有与线段相同的特性阻抗。

终端连接器(T)，使接收者的错误可以减少到最低限度。终端连接器(T)防止信号反射和由此产生的通信错误。终端连接器(T)是由100 Ω电阻和1 μ F电容串联而成。

4.0 现场总线的优势

现场总线技术应用于规划、安装、运行、维护和改造阶段。在规划阶段，可以通过使用现场总线的数字通信实现全厂集成。在安装阶段，用网络或多支路通信取代传统的一对一布线方案，大大降低了成本和时间。自我诊断/校准可以在维护阶段通过软件功能就地完成。在更新阶段，由于基于网络的系统是模块化的，因此升级成本和时间将是最小的。

现场总线中的控制动作分布在现场设备中。现场设备是智能的，可以进行自己的控制/维护/诊断/校准。现场总线系统足够智能，可以报告自己的故障，如果需要，可以进行手动校准。通过采用基于现场总线的控制，提高了工厂运行的效率，减少了停机时间。现场总线不是一种产品，而是一种技术，它属于层次结构的最底层，即在现场设备中，与更高的层次进行信息交换

由于现场总线设备是可互操作的，互操作性不会成为问题，因此来自不同制造商的设备可以一起工作，而不会损失任何功能，这是专有协议所不能做到的。

安装成本方面，与传统系统相比，该系统可以节省约80%的布线费用。由于现场总线设备中有大量的配置和诊断信息，设备调试时间大大缩短。现场设备可以在现场条件下诊断其问题，从而减少停机时间。最后，由于控制已经转移到现场设备，需要更好和更简单的中央控制系统。