现场总线概念，用途，优势，类别介绍

现场总线概念，用途，优势，类别介绍

一、什么是现场总线？

设备之间需要通讯，通讯就要硬件层的设备和软件层的协议，规范这两种东西的就是现场总线。我们以西门子的PROFINET总线为例，实际上他就是TCP/IP协议的变种！我们知道，TCP/IP是七层架构，PROFINET就是在七层架构中改了2层（还是3层，不确定），规定了一下通讯格式作为他的通讯协议，所以他继承了TCP/IP高速的特点，硬件上和TCP/IP类似，所以我们随便找一个交换机，即使是市面上几十块钱一个那种，插上网线，网络一样通。

现场总线（Fieldbus）它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。现场总线具有简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点。

它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。

现场总线主要是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。

生产自动化系统被划分为不同的层次，可以用一个垂直分层模型的形式来描述，如图 1所示。管理公司的战略性功能在“公司控制层”中执行。公司分层的计划和管理由从属的“生产控制层”执行。该区域也可命名为“公司或工厂控制层”。在“过程控制层”中，生产命令被转换为相应的工艺过程，而工厂更大的生产线通过这一层中的控制系统进行控制和监视（制造、单元、过程主机控制单元）。

图 1 生产自动化的分层模型以及对数据通信系统的要求

要求对过程变量进行采集和控制的设备位于自动化的最底层——现场层。除了控制单元以外，还包括人机接口/终端、传感器、执行器和各种复杂的驱动系统。智能传感器、测量转换器、驱动系统和控制设备的使用也正逐渐增加。现场总线控制系统（FCS）为一种全新的分布式控制测控系统。

传统的控制系统中用于连接传感器和执行器的昂贵布线在现代工厂中被串行总线系统所取代（现场总线系统、传感器－执行器－总线系统）。由于不同的自动化层对通信系统的要求也大不相同，因此使用按照层划分的不同层的子系统的组合要比使用单个通用总线更合适。根据各个自动化层的要求使用不同的通信系统，如图 2所示。

图 2 生产自动化系统中分等级的网络结构

其中现场总线系统作为工厂数字通信网络的最底层-现场层，实现了生产过程现场的设备装置之间的互联互通，并使生产过程的控制与更高的管理层紧密的联系在一起。

采用现场总线、智能检测和执行设备后，可以得到更多的有关现场与设备的状态信息。在现场总线系统传输的信息量提高的同时，所需要的线缆却大大减少了。采用现场总线后最大的优势是提供了现场级的设备诊断、配置功能，便于网络的管理和维护。

正由此，现场总线已成为工业自动化生产系统中最后的一段筋脉，其通讯控制的可靠性是系统能否高效稳定运行至关重要的一环。

二、为什么要用现场总线？

举个例子，一个PLC系统控制了5个工位，每个工位平均有20个气缸（每个气缸有2个到位信号，配套的电磁阀有2个控制信号），5个模拟量，5个传感器，如果不用现场总线，我需要把这所有的线全部拉到主控柜中，我们来算一下总共有多少根线：气缸（20*（2+2）=80个点）80根+模拟量5根+传感器5根，每个工位90根，*5=450根！看着密密麻麻的端子排，有木有一种牛逼大了的感觉？如果隔得远，这一堆线拉的那叫一个HIGH！如果我们用现场总线模块，每一个工位配置一个站，每一个站直接该区域的线，主控柜接入每个分站只有一根电源、一根总线而已，布线明显简单高效，且维护方便。还有其他的一些设备，例如工业机器人，单台和PLC的通讯信号就几十几百个，全部拉线？你在逗我？用现场总线一根线完事！

• （1）现场总线（Fieldbus）技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信）连接，用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。
• （2）传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的、4-20mA/24VDC信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的"信息孤岛"，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。
• （3）基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络， 构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。

三、现场总线的优点

（1）增强了现场级信息集成能力

• 现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4-20mA信号，还可实现设备状态、故障、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，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。

（3）系统可靠性高、可维护性好

• 基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。

（4）降低了系统及工程成本

• 对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。

四、现场总线有哪些？

主流的现场总线有：PROFIBUS、PROFINET、DEVICENET、CC-LINK、EtherNet/IP等。

上世纪90年代初，推出了一批现场总线，其中，西门子拉了一堆小弟搞了PROFIBUS，AB招呼一帮下手搞了DeviceNet，小日本一看自己玩剩下了，又抱团搞了CC-Link……还有很多很多。由于当时的技术问题，都是在RS-485的基础上搞出来的，所以他们都有同一个尿性，终端需配终端电阻。西门子PROFIBUS-DP（常常简称DP）的接口，如果是接PLC或者柜内IP等级不高的接口，和串口的9针接口长得一模一样！上面有一个红色的拨码，拨到ON就使用终端电阻。至于三菱嘛，上次买了几个三菱的CC-LINK模块，看到那个终端电阻，我的天，啥玩意，看上去就一个0.5W的陶瓷电阻（不对，是两个，不同的模式需要不同的阻值，还要自己看色环来分辨）！之后，随着互联网技术的发展，网络通讯大行天下，各大厂商一看苗头不对，纷纷推出基于TCP/IP协议的现场总线，PROFINET——PROFIBUS，EtherNet/IP——DeviceNet，CC-LINK——CCLINK-IE（CCLINK-IE我没用过，应该是这个意思，欢迎指正），均是在此浪潮下发展而来。

五、现场总线的总体结构

• 现场总线协议基于面向开放系统连接的ISO 参考模块(O S I—RM )。但仅用了其中的1、 2、 7 层, 由于考虑到实时性 3～ 6 层未采用。同时, 新定义的用户层置于应用层之上。
• 各层定义如下:
• 第一层: 物理层定义现场总线的通讯介质, 即 4～ 20mA标准的替代。
• 第二层: 数据链路层用于监视发生于各设备间的通讯, 同时检测通讯错误。
• 第三层: 应用层规范通讯数据格式, 以便形成所有联网设备都可以解释的信息, 为过程控制提供服务, 同时向用户层提供接口。
• 第四层: 用户层与一个独立的工厂区域相关联, 为进一步应用提供环境。具有与高层控制功能的接口。