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一、什么是现场总线二、现场总线的技术特点与优点三、现场总线的产生与发展趋势四、以太网与工业控制网络五、工业以太网什么是现场总线 现场总线是应用在生产现场、连接智能现场设备和自动化测量控制系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络现场总线是通信网络位于生产控制现场和网络结构的底层 现场总线是低带宽的控制网络它与上层的Internet、企业内部网Intranet相连构成企业综合自动化的通信网络平台现场总线对控制系统带来的革命 基地式仪表控制系统单元组合式模拟仪表控制系统集中式数字控制系统集散控制系统DCS、PLC基于现场总线的分散控制系统各阶段测控仪表能力指数现场总线开放标准数字DCS电动单元气动、模拟模拟按回路运行按过程运行过程优化管控一体化五十年代1960 1980 1998数字/模拟混合测控能力指数与一般通信技术的区别一般通信技术只是能实现信息的传输现场总线是一种控制系统框架一种全新的控制系统结构，即：现场总线还包括网络上的所有设备能够进行信息互访与互换总线上的设备之间能够进行互操作和系统集成现场总控制系统FCS采用开放式数字通信网络突破传统DCS中的专用通信网络结构网络集成的测量控制系统单个分散的测量控制设备变成网络节点现场总线为纽带构成共同完成任务的网络系统与控制系统实现现场测量控制设备之间的信息共享返回本章首页2.1 FCS的结构特点Multi-Controllers AOPIDAIPIDAOAI DCS FCS2.2 现场总线系统的技术特点 全数字通信多分支结构系统的开放性互可操作性和互用性现场设备的智能化与功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的高度适应性全数字通信抗干扰能力和鲁棒性都比较高，传输精度也得到显著提高信号的检错、纠错机制得以实现可进行多参数传输，消除了模拟信号的传输瓶颈 现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何智能设备，如中央控制器等。
基于现场总线技术的现代化控制系统探析摘要:当下一项新技术的发展正逐渐对传统控制系统结构进行变革,这项技术就是现场总线技术。
目前已有大量的自动化软件企业利用现场总线技术开放性的技术特点,以自主开发的控制系统软件为内核,创造出基于现场总线技术的现代化控制系统。
本文概括了可编程逻辑控制系统向基于现场总线先进控制系统的发展历程,并对系统结构组成及市场前景进行简要分析。
关键词:分布式控制系统现场总线FCS PLC1 传统控制系统向基于现场总线控制系统的演变1.1 从可编程逻辑控制器到通用工业计算机若要使不同厂家生产的PRPOFIBUS产品能够相互协同工作,必须要建立数据库文件,PROFIBUS的电子设备数据文件(GSD)应运而生,通过PROFIBUS的电子设备数据文件(GSD)描述产品的性能参数, PROFIBUS组态工具根据厂家提供的GSD文件,将PROFIBUS产品集成在一起,共享同一个总线系统。
3 基于现场总线的现代控制系统市场前景分析3.1 市场需求当前环境下,各行业竞争激烈。
只有不断引入新技术才能持续稳定地发展已逐渐成为企业间的共同认知。
现场总线技术将成为今后自动化技术的发展趋势,基于现场总线的现代控制系统以其明显的技术优势和成本优势,必将在分布式控制系统市场中将逐步替代传统的可编程自动控制系统产品。
3.2 企业效益对现场设备制造厂商参与基于现场总线的先进控制系统开发的现场设备制造商将本企业传统产品提高了一个技术水平。
由于现场总线技术的开放性,企业开发的现场总线产品可以集成到任何现场总线控制系统中。
4 结语在我国无数的企业已经开始认可现场总线技术,并因其标准化、开放性及低成本的特点获得丰厚利润,这样,既可带动国内自动化行业的发展,又将国内工业自动化装备到制造水平提高到一个新的高度,使我国自动化行业在以后国际自动化技术领域中及市场环境中获得竞争的实力。
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现场总线技术在火力发电厂里的应用摘要：随着现场总线技术的不断深化和发展，现场总线控制系统在火电万厂自动化领域的应用也必将更加深入和广泛。
本文介绍了火力发电厂的总线技术应用优点，并探讨了现场总线在火力发电厂的主要应用与发展趋势。
关键词：火力发电厂；总线技术；发展趋势随着电气自动化和现场总线技术的迅速发展，专用的电气装置和就地测控设备均已智能化，普遍采用交流采样技术，同时还具备通信接口传送信息的能力，因此电气系统的智能化、网络化已经成为发展趋势。
发电厂电气监控管理系统是在智能化和网络化的电气设备的基础上，采用大量现场总线通信技术实现的电气自动化产品，它的出现势必会对火力发电厂现有的计算机网络监控系统产生很大的影响。
1 火力发电厂应用现场总线的技术优点1.1节省硬件数量与投资由于在现场总线设备前端中分散的智能设备能够直接执行多种控制、传感、报警以及计算功能, 它不再需要DCS 系统的信号转换、调理、隔离技术等功能单元及其复杂接线,也不再需要单独的计算单元、控制器等, 还可以用工控机作为操作站, 因而既可节省一大笔变送器和工控机等硬件设备的投资, 又可以减少工程师站及操作员站的占地面积。
1.2节省安装费用现场总线系统的接线十分简单, 由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备, 因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少,连线设计与接头校对的工作量也大大减少。
当需要增加现场控制设备时, 无需增设新的电缆, 可就近连接在原有的电缆上, 既节省了投资, 也减少了设计、安装的工作量。
据有关典型试验工程的测算资料, 可节约安装费用60%以上。
1.3节省维护开销由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力, 并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室, 用户可以查询所有设备的运行, 诊断维护信息, 以便早期分析故障原因并快速排除。
缩短了维护停工时间, 同时由于系统结构简化, 连线简单而减少了维护工作量。
2 现场总线在火力发电厂的应用火力发电厂系统I／O测点多，现场装置多且密集，设备立体布置，厂域高度集中，并要求运行高可靠性。
工业自动化行业技术路线在当今的制造业领域，工业自动化已经成为了提高生产效率、保证产品质量、降低生产成本的关键手段。
工业自动化行业的技术路线涵盖了多个方面，从硬件设备到软件系统，从控制系统到传感器技术，每一个环节都在不断地演进和创新。
首先，让我们来谈谈控制系统。
传统的控制系统主要基于可编程逻辑控制器（PLC），它们在工业生产中已经发挥了重要作用多年。
然而，随着技术的发展，分布式控制系统（DCS）逐渐崭露头角。
DCS 能够实现更复杂的控制策略，对大规模的生产过程进行集中管理和分散控制，具有更高的可靠性和灵活性。
此外，现场总线技术的应用使得控制系统与现场设备之间的通信更加高效和准确，减少了布线成本和维护难度。
传感器技术是工业自动化的“眼睛”和“耳朵”。
从简单的温度、压力、流量传感器到更为先进的视觉传感器、激光传感器等，传感器的精度和性能不断提升。
视觉传感器能够通过图像识别技术实现对产品的质量检测、尺寸测量等功能，大大提高了检测的效率和准确性。
激光传感器则可以在高精度的位移测量和三维轮廓测量中发挥重要作用。
同时，传感器的智能化程度也在不断提高，具备了自我诊断、数据预处理和远程通信等功能，为工业自动化系统提供了更丰富、更可靠的数据支持。
工业机器人是工业自动化领域的重要组成部分。
从最初的机械臂到现在的协作机器人，机器人的应用范围不断扩大。
机械臂在汽车制造、电子装配等领域已经得到了广泛应用，能够完成重复性高、劳动强度大的工作。
协作机器人则更加注重与人的协作，能够在同一工作空间内与人类工人安全地协同工作，适用于一些灵活性要求较高的生产环节。
机器人的运动控制技术也在不断发展，通过先进的算法和控制器，实现了更精确、更快速的运动轨迹规划和控制。
在工业自动化的软件方面，工业控制软件的功能日益强大。
从生产监控软件到制造执行系统（MES），再到企业资源规划（ERP）系统，软件实现了对生产过程的全面管理和优化。
生产监控软件能够实时采集和显示生产线上的设备运行状态、工艺参数等信息，帮助操作人员及时发现问题并采取措施。
现场总线在火电厂的应用一、现场总线是自动化发展的必然产物80年代末期开始发展起来的现场总线技术和产品，以及由此组成的控制系统——现场总线控制系统(FCS，Fieldbus Control System)，引发了自动控制领域的革命。
进入20世纪90年代，现场总线控制系统走向实用化。
根据国际电工委员会定义：现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。
过程领域：FCS的另一个前沿是过程控制自动化，典型用户是石油化工。
它是模拟量的监控，它是由DCS与PLC发展而来的。
电站自动化控制属于该领域。
现场总线的基础是智能现场装置，它们遵循统一的总线协议，实现双向数字通信，具有多种智能化功能，增加现场级的信息处理和控制能力的现场装置。
目前国内可选则的总线接口的变送器、执行机构、电机启动器、超声波液位（物位）、变频器等已有很多进口和国产品牌，所以以前由于智能现场装置所限制的现场总线应用可以说目前已得到解决。
二、现场总线的优势开放的、全数字化和双向、多站的通讯网络，与多功能的智能化现场数字仪表是FCS的主要特征，它将使自动控制系统的效能产生巨大的飞跃，同时可降低设计、施工、调试、运行、维护和系统扩展等方面的综合费用。
目前对现场总线技术优点的认识体现在以下方面：2．1 节约成本采用现场总线后，控制系统的电缆、端子、电缆槽、桥架的用量减少，接线及查线的工作量减少。
当需要增加现场总线设备时，可就近连接在现有现场总线网段上，既节省投资，又减少设计、安装的工作量。
据有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用30%以上。
另外，现场总线变送器和阀门定位器在安装前无需进行单表的校验调试，安装后只需在DCS的资源管理器中检查现场总线设备的参数就能确认现场总线设备是否正常，阀门的行程可在DCS中做回路调试时再进行检查，节省了调试时间和调试费用。
现场总线在初期和现在以及将来都能带来大幅度的成本节约。
当今自动化行业中现场总线技术的发展趋势 现场总线技术自从上个世纪70年代诞生至今，由于它在减少系统线缆，简化系统安装、维护和管理， 降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性，引起人们的广泛注意，得到大 范围的推广，导致了自动控制领域的一场革命。
一、现场总线的发展不会被计算机通信技术取代 在现场总线技术诞生的初期，它的主要功能是将当时的可编程逻辑控制器（program mable logic controller， PLC）以一种较简洁的方式连接起来。随着计算机技术引入PLC，计算机通信技术被引入现场总线；PLC功能的增强对现场总线提出了更高的要求，计算机通信技术的引入大大增强了现场总线的功能，成为现场总线技术发展的主要趋势。 在分散型控制系统（distribution control system， DCS）的发展历程中，较早地在站间通信中采用了局域网（local area netw ork， LAN）技术。随着电子技术的发展，许多站的功能已经可以在现场实现，因此通信也逐渐延伸到现场。
在过程控制领域，曾经采用过许多通信协议。随着商用计算机领域的局域通信逐步被以太网（ethernet）垄断，过程控制领域中上层的通信也逐步统一到以太网和快速以太网。由于因特网的快速发展，人们通过因特网访问控制系统，进行远程诊断、维护和服务的愿望越来越强烈，因此TCP／IP协议也进入过程控制领域。实际上我们现在就可以看到通过因特网访问现场仪表的事例。
这里我们看到了两种趋势，第一是现场有越来越多的信息需要往上送，第二是计算机通信技术越来越向下延伸。人们不禁要问：包括Internet技术内的现代计算机通信技术是否会最终延伸到现场，并取代现场总线?
我们认为现代计算机通信技术有能力延伸到现场，现场总线技术中也会不断地融入计算机通信技术，但是计算机通信技术不会取代现场总线。因为现场总线与一般计算机通信在功能、要求和结构上有所不同。
1、功能 计算机通信的基本功能是可靠地传递信息。现场总线的功能是：①经济、安全、可靠地传递信息；②正确使用所传信息；③及时处理所传信息。经济性要求现场总线在传递信息的同时，解决现场装置的供电问题，并要求传输介质较廉价。安全性要求现场总线解决防爆问题。可靠性要求现场总线解决环境适应性问题，包括电磁环境适应性（传输时不要干扰别人，也不要被别人干扰）、气候环境适应性（要耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（要耐冲击、耐振动）。
正确使用信息要求不同制造商生产的装置能相互理解所传信息，这就是现场总线的可互操作性要求。及时处理信息要求现场装置不要将信息过多地在网络上往返传递，要尽可能地就地处理信息。及时处理信息的要求主要是针对高层次现场总线和智能仪表的，但是这条要求最集中地体现了现场总线技术发展趋势--信息处理现场化。
2、要求 对计算机通信的主要要求是快。对现场总线不仅要求传输速度快，在过程控制领域还要求响应快，即实时性要求。这样“快”就有三种含义。
（1）传输速度快：指单位时间内传输的信息要多，通常用波特率来衡量。这条要求与普通计算机通信是一致的。
（2）响应时间短：指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。这个时间是由4个方面决定的：① 仪表或执行器控制中断的能力；②信息在通信协议的应用层与物理层之间的传输时间；③等待网络空闲的时间；避免信息在网络上碰撞的时间。由于这个时间对大多数通信协议是一个随机数，因此大部分通信协议不给这个参数。过程控制系统通常并不要求这个时间达到最短，但它要求最大值是预先可知的，并小于一定值。
（3） 巡回时间短 指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间。这个时间一般可由系统组态来调整。对那些单纯靠优先级解决实时性的抢先式通信系统，当高优先级事件发生比较频繁时，低优先级事件会长时间得不到响应；对这类通信协议，巡回时间是随机量，预先不可知。过程控制系统希望最长巡回时间是预先可知的，并小于一定值。
响应时间和巡回时间反映了实时性，而实时性与通信协议有很密切的关系。现场总线采用两种技术来实现实时性。
一种是简化技术。将网络形式简化成线形（实际上已经不成其为“网”了）；将通信模型简化为只有一、二层；将节点的信息简化到只有几比特。经过以上简化，节点的访问就非常快了。这也可以通过极大地提高通信传递速度来缩短节点访问时间，这时虽然理论上某些现场总线的节点访问时间还有某种不确定性，但是反复发生不确定事件的概率很低，可以在一些非关键部位使用这种现场总线。节点访问快了，就可以简化系统的管理；这时采用主-从方式轮询访问，只要限制网络轮询的规模，就可以将响应控制在指定的时间内。采用这种技术可大大降低总线的成本，大多数位式开关量现场总线采用这种技术。
另一种是采用网络管理和数据链路调度技术来实现实时性，这是一种很复杂的技术。一般认为，分时式实时系统的响应具有可预知性，但资源利用率低；抢先式实时系统资源利用率高，但往往响应具有不可预知性。现在的现场总线往往采用两者结合的方式进行管理和调度，以达到某种平衡。
随着多媒体计算机通信系统的不断发展，语音和图象的实时传输对网络的响应时间提出了新的要求。多媒体传输对实时性的要求是几十ms，过程控制对系统的实时性要求是几ms到十ms。多媒体对实时性的要求是“软”的，即只要大部分时间满足要求就行了，偶然几次不及时响应是没关系的。过程控制对实时性的要求是“硬”的，因为它往往涉及安全，必须在任何时间都及时响应，不允许有不确定性。
改善现场总线的实时性，减少响应时间的不确定性是现场总线的重要发展趋势。 3、结构 计算机通信系统的结构是网络状的，从一点到另外一点的通信路径可以是不固定的。 大部分现场总线的结构是线状的，虽然现场总线的拓扑结构可以是总线型、星型、环行、回路型等；但在大多数现场总线中，从一点到另外一点的通信路径是比较固定的。
线状结构的优点是：①解决网络供电比较容易；②解决本安防爆比较容易；③使通信协议中可以舍去与路径有关的几层，有利于改善实时性。
很显然，在线状结构时一条现场总线支路的电源负载是确定的，沿总线电源电压的变化也是可以预料的。在网状结构中一定会出现多电源供电情况，各电源的负载平衡，以及网络中各节点处的电压下降，都比较难以预料。
我们目前的本安防爆主导理论还是认为，电缆的分布电感、电容是随着电缆的长度增加的，因此由于电磁感应产生的火花能量，也是随着电缆的长度而增加。在这种情况下，要解决网状结构的本安防爆问题是很难的。
本安防爆理论的现状对现场总线的推广应用限制极大。因为它限制电缆的长度和总线上负载的数量。现场总线的主要优点在这些限制下，大部分都消失了。因此现场总线要求本安防爆理论要有所发展，目前各国都在对现场总线本质安全概念（fieldbus intri nsical safety concept， FISCO）理论加强研究，争取有所突破。
克服本安防爆对现场总线的限制是现场总线在应用理论上的发展趋势。 现场总线的线状结构的优点在前面说明了，它的主要缺点是当一条总线支路的电缆断了，这条支路就瘫痪了。对于网状结构，断了一、二条支路，信息还能够通过其它路径传递；系统的性能会下降，但不会瘫痪。这个问题是现场总线至今未被用在最关键场合的主要原因之一，也是现场总线制造商们近期要研究解决的问题之一。
上述情况说明现场总线并不只是一项通信技术，它是通信技术、仪表智能化技术及自动控制技术的结合产物。虽然并不是所有的现场总线都满足了上述要求，但这些要求是用于过程控制的现场总线所追求的目标。虽然我们已经看到一些直接通过因特网访问现场仪表的例子，但这都是一些对控制和实时性没有严格要求的检测系统。我们认为计算机通信技术不会取代现场总线。
二、国内现场总线的发展趋势 国内现场总线的发展趋势是：①多种现场总线在国内展开激烈竞争，竞争的重点是应用工程；②国内自己开发的现场总线产品开始投入市场；③国内各行业的现场总线应用工程迅速发展。
现场总线技术传入中国已经好几年了，前几年我们主要是了解学习和宣传，然后开始开发和应用。由于中国经济正处于起飞阶段，市场潜力巨大，各种现场总线的主要支撑企业都看好中国市场，他们在中国展开了激烈的竞争。竞争的集中体现是在国内引起现场总线协议的争论。争论的焦点是哪种现场总线更好。
我们认为，这种争论在初期对宣传现场总线是有好处的，它促使更多的人了解现场总线，为今后现场总线的推广做了很好的准备。但是要想通过这种争论来搞清楚到底哪种现场总线更好，那是不可能的。
对于目前的争论，我们的看法是： 从国内标准化的角度讲，我们应该紧跟国际标准化的潮流，加大对IEC标准的学习、宣传力度，使更多的人了解国际现场总线发展的趋势。
从现场总线产品的开发角度讲，应把有限的资金集中在有限的目标上，不宜搞太多的现场总线。对一个企业来讲，已经投资在哪种总线上，应坚持做下去；不宜过多地变换目标。
从现场总线的应用角度讲，我们支持各种现场总线在我国的推广应用。多种总线的竞争，有利于降低产品价格，有利于加快现场总线在我国的推广。
笔者认为，每种现场总线有自己的适用范围，在它自己的适用范围内，它是最好的，出了这个范围它就不是最好的。同时，现场总线是一种正在发展中的技术，迄今尚未有一种现场总线可称是完美的。每一种现场总线都处在不断地完善过程中，今天存在的问题明天可能就克服了。
从“九五”起，我国政府开始投资支持现场总线的开发。这期间国家机械工业局、教育部和中科院组织力量对HART、FF等现场总线展开研究和开发。到现在已经取得了阶段性成果，HART仪表已经开始批量试用，FF仪表也即将投入试用。此外还有一些企业自筹资金开发现场总线。但是总的来说暂时还不能满足广大用户的要求。
国内企业要推广现场总线产品，目前的主要困难是：①产品尚不成熟；②扩充和配齐品种规格所需的开发力量（资金和人才）不足；③市场开发的投入不足。因此国内企业应欢迎国外企业在我国开发市场和推广应用。现场总线的市场打开后，国内企业销售产品会轻松得多。
现在要使用现场总线，客观地说不得不用外国的产品。但是关于总线的无休止争论使用户无法判断到底应该用哪一种现场总线。因此现在这种争论已经开始阻碍现场总线在我国的发展。
