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       編者按：從本期開始，特辟“總線論壇”，采用此種形式，一方面，從一角度，以一種總線為例，介紹其技術、產品、應用等。另一方面，在此熱情誠懇歡迎廣大專家、學者及工程技術人員積極參與、各抒己見、百家爭鳴，以推動現場總線技術在國內的成功廣泛應用。
 

     歡迎來電、來函、來E-mail參與討論！

     前言
 

    自2000年IEC學會宣布的八種現場總線技術作為國際標準后，在國際上已結束關于究竟采用哪種總線技術的爭論。但是現場總線仍是一種正在發展中的技術，而且一直處在不斷完善的過程中。所以現在正是我們加快自己開發的步伐，縮短與國外技術差距的的最好時機。問題是我們要發展，要開發現場總線的前提是要掌握和了解現場總線是一種什么樣的技術和在工業自動控制領域中占有的地位。尤其重要的是——現在不是爭論到底應該用哪一種現場總線，哪一種現場總線應該成為中國的總線標準的時候，而是對幾種比較重要的現場總線的技術進行深入的研究，取精用弘，融會貫通，以形成一個完整的中國式現場總線的發展體系。基于這種想法，我想借“總線論壇“一角，拋磚引玉，先介紹一種在國內尚未“成名”，但又在國際上得到最廣泛應用的現場總線——INTERBUS（采用這種技術的設備90％是進口的），然后再討論一下目前幾種重要的現場總線。

    INTERBUS技術是德國PHOENIXCONTACT公司（一家中小型私人企業）研究和開發的現場總線，作為一種最早開發的現場總線，現已廣泛地應用于汽車工業、倉儲及傳送技術、煙草工業、造紙工業、包裝工業、食品工業等。1996年成為DIN19825德國標準，1998年成為EN50254歐洲標準，2000年成為IEC61158國際標準。全球1000多個生產廠家提供2500多種總線產品，目前已經超過400萬節點，四十多萬個系統應用在世界各地，使INTERBUS成為國際上應用最廣泛的現場總線之一。

為什么INTERBUS現場總線能成為一種非常成熟、穩定、可靠的總線，如果說八種現場總線國際標準的產生是一個政治的產物，是協調各國利益的最后產物，那么為什么德國卻有兩種國際標準的現場總線。如果說一般具有國際標準的現場總線都是由著名的跨國公司研制開發出來，并通過強大的經濟實力和政治背景推廣到市場上，那么為什么一家以生產工業連接件為主導產品的中小型企業也能研制開發具有國際先進水平的現場總線，而且在世界自動化領域中占有一席之地？以下就這些問題我想作些分析，并希望與同行進行交流。

    一  為什么要采用現場總線技術

    為什么要采用現場總線技術，再次提出這個問題似乎是老生長談了，但是明確這個問題對于開發什么樣的現場總線卻有重要的意義。所以這里不妨再總結一下。

    1  控制系統的發展推動了現場總線技術的誕生

    總線（Bus）的概念由來已久，現場總線（Fieldbus）的誕生是在80年代初。它的出現根本原因是實踐和用戶的需要，實踐的需要是產生現場總線的動力。在80年代初，工業自動化控制領域發生了什么變化呢？計算機技術、IC技術的迅猛發展越來越廣泛地應用到PLC控制器上，使之能力越來越強，可帶檢測，變送器和執行器的點數和控制回路越來越多。越來越多的信號需要進行傳輸，需要越來越多點到點的電纜，這樣增加了線路敷設設計的復雜性，也增加了投資和安裝，調試與維護的費用。系統的安全型和可靠性也大大降低。因此用戶迫切需要一種新的工業通信技術，通過采用這種技術可降低電纜及其相關的成本，并能將一部分的控制功能分散到現場輸入/輸出設備上，提高系統的安全性和可靠性。

    2  串聯通訊方法實現了現場總線的技術

    要實現新的工業通信技術的關鍵是要采用新的傳輸方法。常規的點到點的傳輸方法，即并聯傳輸方法已明顯地不能滿足大量現場數據的傳輸任務，特別對于模擬量信號的傳輸更需要用特殊的導線，以提高傳輸的抗干擾能力。并聯傳輸時，傳輸的信號越多、需要連接的導線也越多。更重要的是采用并聯傳輸方法的控制系統都屬于封閉式的控制系統，很難實現不同系統之間的信號交換。而采用串聯傳輸方法就可將以上問題迎刃而解。圖1表示的是用

 

    3  采用簡化的通訊網絡結構實現了現場總線在工業領域中的成功應用

    對于傳統的并聯傳輸來說，信號的傳輸都采用點到點的傳輸（實際是簡單的連接），不存在傳輸網絡的問題，當確定采用串聯傳輸方法來實現工業控制器與現場設備的信號傳輸后，就產生了另一個問題：怎么樣才能使控制器發出的信號送入每個現場設備（執行器）中去，又怎樣從每個現場設備上（變送器）取得信號，這也就是工業通信應該采用什么樣的網絡。計算機的通信系統的結構是網絡狀的，從一點到另外一點的通信路徑是不確定，而且可以采用多種路徑。但是在工業網絡中就不必采用這種網絡。所以現在大部分現場總線的結構采用線狀的或環狀的，雖然它的拓撲可以是總線型、回路型，但是通訊路徑是固定的。這種簡化的網絡結構使通信技術能夠在工業控制領域得到應用，也使工業控制系統的設計更加能適應實踐的需要。

    實踐證明，現場總線與并聯傳輸方法相比有很大的優點，由于減少導線，節省了設計時間，也節省了連接件，減少了控制柜的尺寸，同時先進診斷功能也可以減少停機時間，提高生產效率。同時現場總線對于模擬量信號的傳輸要比并聯傳輸具有更高的可靠性。開放性的現場總線統一了與不同現場設備的接線方法，使系統更加靈活，方便。實踐證明，采用現場總線技術可以減少50％以上的控制柜的空間，免去DA及AD的傳換，提高了控制精度，減少66％以上的電纜的用量，并能使控制系統智能分散化。所有這些優點無疑使現場總線在最近十年在全世界得到了越來越多的應用。圖2表示的是控制柜過去和現在的重大變化。

 

圖2
 

    二  選擇現場總線系統的關鍵是什么

    現場總線的技術實際是采用串聯數據傳輸和連接的方法代替傳統的并聯信號傳輸連接的方法，以此實現了控制層與現場設備層之間的數據傳輸。所以選擇現場總線系統的關鍵首先是要區別兩種傳輸方法的優缺點和不同點。圖3表示了兩種不同傳輸方法的不同的導線連接方法。表1列出了并聯傳輸與串聯傳輸的特點。通過對這兩種傳輸方法的分析，可以了解到什么是選擇現場總線系統的關鍵。

 

    從表1可以看到串聯傳輸方法在安裝、設計、調試以及連接技術上有明顯的優點，但在通信的方面，如傳輸時間、實時時間、循環時間、傳輸的確定性以及診斷等方面遜于并聯傳輸方法。因此當我們選擇現場總線系統的時候，要注意以下幾點：

(1)  總線能傳輸不同類的數據 由于一個總線系統必須能與不同的設備相連，從傳輸數據長度僅為1位到16位的簡單數字量（過程數據）輸入/輸出模塊，到復雜、智能式的儀器儀表，變頻器，控制器和機器人等。此類設備需要傳輸的數據較為復雜（參數數據），從32位到1K。這些數據主要作為智能化的現場總線設備的參數設定，設備的初始化。這兩種數據具有完全不同的要求和特點，但是選擇的總線系統中必須能同時傳輸過程數據和參數數據。

表1

    (2)  總線系統的開放性 一個總線必須具有強大的開放性，這開放性指兩方面，一方面能與不同的控制系統相連接，另一方面其通訊的需要必須開放，便于用戶的自行開發。
 

    (3)  總線的循環周期 一個總線系統中所有過程數據更新一次的時間，一般應在1～5ms之間

    (4)  總線的傳輸時間 總線的傳輸速度要求越快越好。速度越快，表示系統的響應時間就越短，但是傳輸速度的快速不能僅靠提高傳輸速率來解決。

    (5)  傳輸周期的確定性 總線系統傳輸必須具有確定的時間，即控制器發出控制值的時間間隔及接收現場總線設備實際值的時間間隔必須是一個定值，這樣才能保證完成控制和調節的任務。

    (6)  協議效率 指采用數據傳輸的協議幀中必須要有程序處理的用戶數據所占的比率。

    (7)  傳輸的安全性 在選擇總線系統時必須注意到傳輸效率這一點，在傳輸效率高的前提下，可以選擇比較低的傳輸速率。因為采用低的傳輸速率接線數據通信，有較高的抗干擾能力，而且傳輸距離長。（如500K的傳輸速率，最大傳輸距離為400米；而12M的傳輸速率，最大距離是100米）

    (8)  傳輸媒介 一個完整的現場總線系統，除了構成網絡的范圍（即最大距離）是一個重要的指標外，同時能否在一個總線系統中實現在不同的總線段之間采用不同的傳輸媒介，也是一個重要的因素。它使系統的構成更為靈活，更符合工況實際的要求。

    (9)  診斷功能 當系統發生故障時，診斷功能不僅能找出錯誤，而且不需特殊的工具，就能糾正故障。同時能夠方便地替換壞的模塊，以減少停機時間，提高工作效率。

    (10)  成熟的現場總線技術 選擇的總線系統必須有生命力，是一種成熟的技術，具有國際標準的技術，這樣才能保證其總線產品能長期提供。

    綜上所述，如果我們選擇一個變送器/執行器總線，就必須滿足以下要求：① 同時互不干擾地傳輸過程數據和參數數據；② 總線的采樣周期必須少于5ms；③ 每個現場總線設備的字長為8～16位；④ 整個總線系統至少可以帶100個以上的現場總線模塊；⑤ 循環周期的時間必須可以計算；⑥ 循環周期的時間是恒定的；⑦ 盡量低的傳輸速率，盡量高的傳輸效率。