第一章 概述

1. 1. 引言

縱觀控製係統的發展史，不難發現，每一代新的控製係統的推出都是針對老一代控製係統的不足而給出更完善的解決方案，最終在用戶需求和市場競爭兩大因數的推動下占領市場的主導地位，現場總線和基於現場總線控製係統的產生也不例外。

隨著控製、計算機、通信、網絡等技術的不斷發展，信息交換的範圍和能量也得到了不斷的擴展，特別是在工業自動化控製領域中。在這種情況下，傳統工業自動化控製係統的通訊方法已遠遠不能滿足信息傳輸提出的要求。隨著係統的大型化、複雜化，一種新型的以智能式分布自動係統為基礎的企業管理控製係統正在逐步形成。現場總線就是順應這一形勢發展起來的新技術。

從 70 年代開始，傳送模擬信號的傳統電動儀表逐漸暴露出其自身的缺點。這是由於模擬信號變化緩慢，抗幹擾能力差，要提高自身計算精度的難度較大。所以，人們開始用數字信號取代模擬信號，用一台計算機取代控製室的幾乎所有儀表盤，出現了直接數字控製係統（Data Distribution Center）。不足的是，DDC對控製器本身要求很高，必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性，當係統任務增加時，控製的效率和可靠性將急劇下降。但當時計算機可靠性差，計算機的一個故障會造成所有控製係統回路癱瘓、生產停產的嚴重後果，這種集中係統結構很難為生產過程接受。

隨著計算機性能的提高，價格的大幅度下降，出現了數字調節器，可編程邏輯控製器（PLC）以及由多個計算機階梯構成的集中、分散相結合的集散控製係統。這就是 DCS 係統。在 DCS 係統中，測量變送儀表一般為模擬儀表，因而它是一種模擬數字混合係統。它在功能、性能上可實現裝置級、車間級的優化控製。但是，DCS 並不是完全意義上的分散控製係統。而是在 DCS 係統形成的過程中，由於受計算機係統早期存在的係統封閉缺陷影響，各廠家產品自成係統，不同廠家設備不能互聯，難以實現互換與互操作，組成更大範圍信息共享的網絡係統存在很多困難。

隨著微處理器與計算機功能的不斷增強和價格急劇下跌，計算機和計算機網絡係統得到迅速發展。自封閉式的集散係統已使自動化係統成為“信息孤島”。要實現整個企業的信息集成，要實施綜合自動化就必須設計出一種能在工業現場環境運行的、性能可靠的、造價低廉的通信係統，形成工廠低層網絡，完成現場自動化設備之間的多點數字通信，實現底層現場設備之間以及生產現場與外界的信息交換。現場總線控製係統就是在這種實際需要的驅動下應運而生。

作為過程自動化、製造自動化、樓宇、交通等領域現場智能設備之間的互聯通信網絡，現場總線溝通了生產過程現控製設備之間以及其與更高控製管理層網絡之間的聯係，為徹底打破自動化係統的信息孤島創造了條件。在這個新型係統中，測控任務被分散到現場設備中，所有設備都采用數字信號通過標準通信協議進行信息交換；總線上每一個現場設備都易於控製，設備擴充方便， 係統的安裝、調試、維護、升級操作簡便，即使當某些現場設備離控製室很遠， 也隻需要很少的中繼器即可將其與係統相連接；係統對外開放，不同廠家的產品完全集成在一個應用環境中，係統可以在以太網連接甚至可接入國際互聯網絡，使信息得到充分利用和傳播。

從現場總線的應用前景來講，由於現今的工業企業處在一個市場競爭異常激烈的年代，為了提高自身生產力，提高生產效率，生產工藝甚至部分生產線都會隨著市場的需要而經常進行改進。而現場總線技術在這方麵的獨特優勢顯現無疑。同時，由於現場總線係統模塊化強，各個設備使用方便，即使是對全部生產線的改進也會事半功倍。

現今的工業企業又處在一個網絡化、信息化的時代，傳統的大量企業管理、運營工作已被企業信息管理係統所取代，為了充分利用企業生產、銷售等各部門的信息流，同時大量節省人力物力，也使得整個企業運營數字化資源合理配置，節約大量成本。現場總線係統由於其開放性、機構模塊化的特點，成為企業運營信息管理係統中不可或缺的部分。

1. 2. 可編程邏輯控製器簡介

可編程邏輯控製器（PLC，本文以下簡稱 PLC）是以微處理器為基礎，綜合運用了計算機技術、自動控製技術盒通訊技術，從 80 年代初迅速發展起來的一種新型工業控製裝置。它具有結構簡單、編程方便、可靠性高等優點，現在已經廣泛應用於工業生產過程盒裝置的自動控製中。隨著微電子技術、電力電子技術、計算機技術、通訊技術、控製技術的發展，PLC 技術也逐漸成熟，其發展逐漸由無到有經曆了以下五個階段。

第一階段是 PLC 出世的階段。各個廠家的 PLC 功能和結構差異巨大，功能也比較簡單，隻有邏輯、定時、計數等功能。硬件方麵集成電路還未投入大規模工業化生產，存儲器容量小，還未成形的編程語言，而且 PLC 體積龐大。

第二階段是 PLC 功能初步發展階段。1972 年，某公司開發成功了世界上第一片集成電路的微處理器。中小規模的集成電路已經開始工業化生產。PLC 功能也有了發展，具有邏輯運算、定時、計數、數值運算、數據處理、計算機接口、模擬量控製等功能；軟件方麵開發出了自診斷程序，可靠性提高，係統開始標準化、係列化。結構上具有模塊化和整體式的區分。有些廠家開始采用微處理器作為 PLC 的 CPU，這是 PLC 硬件和軟件結構上的一次革命。為進一步擴展 PLC 功能，提高可靠性、靈活性、降低成本、建立標準的編程語言奠定了基礎。

第三階段是微處理器技術完全成熟，大規模集成電路開始普遍使用的階段。PLC 得益於電子技術、計算機技術和通訊技術的飛躍發展，逐步地演變成了一種專用的工業計算機。功能方麵增加了通訊、遠程 I/O 等。PLC 在結構上一方麵向大型化、模塊化發展；另一方麵向結構整體化、小型化、保持基本功能向低成本方向發展。麵向過程的梯形圖語言及助記符的出現，為 PLC 的普及打下基礎。

第四階段是 PLC 完全計算機化的階段。由於計算機技術進一步發展，計算機網絡技術已普遍使用，超大規模集成電路、超大規模門陣列電路已經大量生產，PLC 完全計算機化，全麵使用 8 位、16 位微處理芯片，高速計數、A/D、D/A 等功能引入 PLC，聯網功能增強。梯形圖語言及助記符語言完全成熟，基本標準化。各個廠家的 PLC 向規範化、係列化發展。

第五階段是 PLC 全麵使用 16 位和 32 位的微處理芯片，有的已使用 RISC（精簡指令集）芯片的階段。PLC 的 I/O 點增多，並且基本上都具和計算機通信聯網功能；軟件上使用容錯糾錯技術，硬件上使用多 CPU 技術。已經開發出了各種智能化模塊、觸摸式屏幕；整體式 PLC 與外界的輸入輸出部分標準化、模塊化；大型昂貴的專用編程器已被筆記本計算機和功能強大的編程軟件所代替[1]。PLC 之所以能成為當今增長速度最快的工業自動化控製設備，是由於它具備了許多獨特的優點。它較好地解決了工業控製領域普遍關心的可靠、安全、靈活、方便、經濟等問題。

PLC 始終為各種各樣的自動化控製設備提供非常可靠的控製手段。就 PLC 實施控製而言，其實質是按一定算法進行輸入輸出變換，並將這個變換用於物理實現。出入變換、物理實現可以說是 PLC 實施控製的兩個基本點。根據 PLC 實施控製的兩個基本點的分析，PLC 采用了典型的計算機結構，主要是由 CPU、RAM、ROM 和專門設計的輸入輸出接口電路等組成[2]。

在工業計算機控製領域，圍繞開放與再開放過程控製係統、開放式過程控製軟件、開放性數據通信協議，已經發生巨大變革，幾乎到處都有 PLC，但這種趨勢也許不會繼續發展下去。隨著軟 PLC(SoftPLC)控製組態軟件技術的誕生與進一步完善和發展，安裝有 SoftPLC 組態軟件和基於工業 PC 過程控製係統的市場份額正在逐步得到增長，這些事實使傳統 PLC 供應商在思想上已經發生了戲劇性的變化，在傳統 PLC 的技術發展與提高方麵做出更加開放的高姿態。對於控製軟件來講，這是 PLC 控製器的核心，PLC 供應商正在向工業用戶提供開放式的編程組態工具軟件。此外，開放式通信網絡技術也得到了突破，其結果是將 PLC 融入更加開放的工業控製行業。

PLC 技術將繼續向開放式控製係統方向轉移，尤其是基於工業 PC 的控製係統。後者除了在靈活性方麵比傳統 PLC 具有截然不同的優勢外，還具有其他優點，如能夠縮短係統投放到市場的周期，降低係統投資費用，提高從工廠底層到企業辦公自動化的數據信息流動效率等。

1. 3. 現場總線簡介

現場總線作為當今自動化領域技術發展熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現，標誌著自動化係統步入一個新時代的開端，將對該領域產生前所未有的衝擊和影響。有人把現場總線定義為應用在生產現場、在微機化測量控製設備之間實現雙向串行數字通信的係統，也有人把它稱為開放式、數字化、多點通信技術，可被廣泛應用於製造業、流程工程、樓宇、交通等處的自動化係統中。

現場總線是安裝在生產過程區域的現場設備/儀表與控製室內的自動控製裝置/係統之間的一種串行、數字式、多點通信的數據總線。現場總線的出現使基於傳統的現場儀表所構成的工業控製係統的體係結構發生了根本的變革。現場總線技術將專用微處理器置入傳統的測量控製儀表，使他們各自具有了數字計算和數字通信能力，成為能獨立承擔某種控製、通信任務的網絡節點。他們分別通過普通雙絞線等多種傳輸介質進行信息聯絡，把多個測量控製儀表、計算機等作為節點連接成網絡係統，把公開、規範的通信協議，在位於生產控製現場的多個微機化自控設備之間，以及現場儀表與用作監控、管理的遠程計算機之間，實現數據傳輸與信息共享，形成各種適應實際需要的自動控製係統。簡而言之，它是把單個分散的測量控製設備變成網絡節點，共同完成自動控製任務的網絡係統與控製係統它給自動化領域帶來了巨大的變化，如同計算機網絡和英特網給計算機帶來的變化等等。如果說，計算機網絡把人類引入到信息時代，那麽現場總線則使自動控製係統與設備加入到信息網絡的行列，成為企業信息網絡的底層，使企業信息溝通的覆蓋範圍一直延伸到生產現場。因此把現場總線技術的出現說成是標誌著一個自動化新時代的開端並不過分。

現場總線控製係統是基於現場總線技術所構成的開放的全分布式的控製係統。該係統底層以集測量控製調節等功能於一身智能設備作為基本單元，通過現場總線進行互連，構成了一個工業現場級的或單元級的測控網絡；再通過工業以太網與車間級或工廠級的控製中心和管理部門互連，形成以現場總線為基礎的工業控製係統。所以說現場總線控製係統是綜合了智能儀表技術、計算機與微控製器技術，計算機通信與計算機網絡技術，工業控製技術等多方成果的現代化工業控製係統。

現場總線控製係統的優點：

1、係統的開放性，互操作性與互連性

總線的通信協議一致公開，不同廠家遵照相同通信協議開發的產品可以互相交換信息，產品本身可以互連互換。用戶可以根據需要和資金投入，自由選擇最優性能價格比的不同廠家的產品進行係統集成，給用戶更大的選擇權利。

2、現場設備智能化，係統功能分散化，係統構成模塊化

以微控製器為核心的現場設備功能更加完善，可實現多種功能，使係統的控製功能本地化，分散化，提高了係統的可靠性、實時性，簡化了係統的結構。模塊化的係統結構使係統的擴展，變更，拆裝更加靈活便利。

3、減少了設計、安裝、維護、排故的時間和費用現場總線係統的布線簡單，連接器件少且標準化，因此施工周期短，維護容易，故障定位準確，排除故障迅速，大大減低設計安裝調試周期，減少維護費用。

4、係統為全數字化係統，抗幹擾能力強，通信可靠

現場總線的協議充分考慮了工業係統的環境，在抗幹擾方麵采取了一係列措施，並可滿足本質安全防爆要求。係統內部信息全部為數字信號，傳輸距離遠，數據通信具有很強的糾錯功能和錯誤重發功能，抗幹擾能力強。保證了信息的實時可靠傳輸，提高了係統的可靠性。

目前流行的總線有以下幾種：

1、基金會現場總線（Foundation Field-bus）

1994 年由 ISP 基金會和 World FIP(北美)兩大集團合並成立 FF 基金會，其宗旨在於開發出符合 IEC 和 ISO 標準的、唯一的國際現場總線。目前，FF 現場總線的應用領域以過程自動化為主。如：化工、電力廠實驗係統、廢水處理、油田等行業。

2、PROFIBUS

PROFIBUS 是一種國際化、開放式、不依賴於設備生產商的現場總線標準。廣泛適用於製造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通、電力等其他領域自動化。

PROFIBUS 由三個兼容部分組成，即 PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery) 、 PROFIBUS-PA(Process Automation) 、 PROFIBUS-FMS(Field-bus Message Specification)。

PROFIBUS-DP 是一種高速低成本通信，用於設備級控製係統與分散式 I/O的通信。使用 PROFIBUS-DP 可取代辦 24VDC 或 4-20mA 信號傳輸。PROFIBUS-PA 適用於 PROFIBUS 的過程自動化。PA 將自動化係統和過程控製係統與壓力、溫度和液體位置變送器等現場設備連接起來，PA 可用來替代4-20mA 的模擬技術。

PROFIBUS-FMS 的設計旨在解決車間監控級通信。在這一層，可編程序控製器（如 PLC、PC 機等）之間需要比現場層更加大量的數據傳送，但通信的實時性要求低於現場層。

3、CANBUS（Controller Area Network-bus）現場總線CANBUS 現場總線已由 ISO/TC22 技術委員會批準為國際標準 ioses 11898（通訊速率小於 1Mbps）和 ISO  11519（通訊速率小於 125Kbps）。CANBUS 主要產品應用於汽車製造、公共交通車輛、機器人、液壓係統、分散型 I/O。另外在電梯、醫療器械、工具機床、樓宇自動化等場合均有所應用。