1.0 什么是現場總線

現場總線是智能現場 設備之間的數字雙向多支路通信鏈路。它是專用于工業自動化的局域網(LAN)。它用分布式控制網絡取代了集中控制網絡，并將智能傳感器/換能器/執行器/控制器等隔離的現場設備連接起來。FOUNDATION現場總線H1和PROFIBUS PA是用于過程控制的兩種現場總線技術。

在這種雙向通信中，可以從智能傳感器讀取數據，也可以將數據寫入智能傳感器。現場總線中的多支路通信設施節省了大量電纜，從而降低了成本。現場總線設備必須有一個現場總線接口單元，以便進行適當的通信，如下圖所示:

下圖，顯示了傳統的點到點系統及其現場總線對應設備。

1.1 演進

幾十年前，隨著數字通信進入過程自動化系統，不同的供應商開始開發自己的協議(彼此獨立)。在現場總線引入的最初階段，設計人員面臨著許多問題。首先，一個特定的供應商不可能提供工廠所需的所有部件/組件，一個特定的制造商不可能使所有的設備比其他制造商更好。這導致要么從單個制造商中選擇不太好的設備，要么從不同的制造商中選擇最好的設備。后一種選擇將導致集成問題，并導致自動化孤島，從而難以與不同制造商的設備進行互操作性。

現場總線在引入之初就遇到了協議專有、傳輸速度慢、數據格式不一等諸多問題。現場信號傳輸技術的改進提高了分散程度。

1985年，該領域的行業專家聚在一起制定了一個獨立于供應商的現場總線標準。它將是可互操作的。總線標準將提供總線電源、安全性以及通過現有電線進行長距離通信的能力（這是流程工廠自動化系統的基本要求）。

由于儀表自動化系統的復雜性，制造商之間的壁壘，一個單一的標準協議架構還沒有建立起來。基金會現場總線和PROFIBUS是目前主導過程自動化領域的兩種最主要的現場總線技術。由于協議不匹配，采用這兩種技術的設備無法相互通信，因此尚未實現無縫互操作性。

1.2 結構的發展

多年來，控制系統架構和現場信號是同步發展的。隨著現場信號傳輸技術的不斷發展，系統去中心化的水平不斷提高。最初是氣壓傳輸，隨后是單獨的4-20毫安模擬電流傳輸線到控制室。從控制室發出的控制信號再次被送到現場的執行器，用于控制過程變量。

在直接數字控制(DDC)中，位于控制室的中央計算機對位于現場較遠處的每個過程變量執行所有控制。一旦中央計算機發生故障，控制策略將完全失效，整個工廠的運行將處于嚴重的危險之中。這導致了控制策略的分散，并產生了一個更加分散的分布式控制系統(DCS)和可編程邏輯控制器(PLC)的發展。不像在單臺計算機控制整個工廠的情況下DDC，在DCS中多臺計算機之間共享相同的任務。在DCS中，一臺計算機控制大約20-30個循環。因此，單個計算機故障只會影響分配給該計算機的循環。傳統的DCS和PLC體系結構具有多個網絡層，如下圖所示。

隨著數字通信的出現，DCS和PLC迅速發展，但它們的體系結構是基于現場變送器和閥門定位器的4-20 mA電流輸出。在現場控制系統中，只有兩個網絡層——現場層網絡和主機層網絡。因此，FCS體系結構將控制更多地帶入了現場，它比基于DCS的控制系統要分散得多。 FCS體系結構如下圖所示。

1.3 類型

目前有許多類型的現場總線在使用;要使用的什么類型取決于應用場景是離散或制造自動化的類型。下面列出了不同類型的現場總線:

FOUNDATION現場總線，PROFIBUS, DeviceNet, ControlNet, Interbus，HART, AS-i, Modbus，CANbus，以太網，Lon Works, WorldFIP等。

1.4. 擴大網絡邊界

現場總線在過程自動化中的應用具有許多優點。在現場總線的情況下，數字通信可以為提高生產效率更好地控制過程。

上圖，顯示了具有4-20 mA電流傳輸方案的傳統過程控制和基于現場總線的過程控制。對于傳統控制，需要單獨的電流傳輸線對于每個過程變量都是單向的，而對于現場總線，多個變量可以雙向的在共享一個單一的傳輸線路。

下圖，顯示了傳統和現場總線系統之間的比較，其中傳統系統的邊界在遠程I/O處停止，而現場總線系統擴展到傳感器。

在基于現場總線的系統中，I/O和控制都包含在現場的智能傳感器中，而傳統的系統需要一個單獨的子系統，控制器位于控制室。這種情況如下圖所示：

下圖，顯示了常規和基于現場總線的系統在火災危險情況下的應用比較。對于前者，每個設備都需要一個防爆屏蔽(IS)線路，而對于后者，多個現場設備共用一套防爆屏蔽(IS)線路。

2.0 拓撲

拓撲涉及到現場總線設備連接到數據高速公路的方式。根據工廠地形的需要，可采用了幾種拓撲結構:點對點、總線、樹型、鏈型和混合。 為了清晰起見，在代表不同現場總線拓撲的圖中沒有顯示電源和終止器。

2.1 點到點

如下圖所示，在這種拓撲中，段由兩臺設備組成。兩個設備可以在現場，或者一個設備在現場，主機在控制室。

2.2 總線

總線如下圖所示，這些設備通過“分支”的小長度電纜連接到線段上。分支長度可以在1到120m之間變化。貫穿整個長度的主電纜稱為中繼線。

2.3 樹型

在這種情況下，特定段上的設備通過接線盒、集線箱、終端或I/O卡進行連接。該方案適用于位于同一地理位置的設備，可以連接到同一個接線盒，同時也遵循每段最大直距的規則。方案如下圖所示。

2.4 鏈型

如下圖所示，設備在一個特定的線段上串聯連接。

2.5 混合

混合拓撲包含上面討論的多個拓撲，可能的組合，如下圖所示。根據設備在工廠中的物理位置和段長度限制，采用不同的拓撲結構來獲得單個拓撲結構的優點

3.0 終端連接器

在線段的兩側放置一個終端連接器(T)，作為阻抗模塊，具有與線段相同的特性阻抗。

終端連接器(T)，使接收者的錯誤可以減少到最低限度。終端連接器(T)防止信號反射和由此產生的通信錯誤。終端連接器(T)是由100 Ω電阻和1 μ F電容串聯而成。

4.0 現場總線的優勢

現場總線技術應用于規劃、安裝、運行、維護和改造階段。在規劃階段，可以通過使用現場總線的數字通信實現全廠集成。在安裝階段，用網絡或多支路通信取代傳統的一對一布線方案，大大降低了成本和時間。自我診斷/校準可以在維護階段通過軟件功能就地完成。在更新階段，由于基于網絡的系統是模塊化的，因此升級成本和時間將是最小的。

現場總線中的控制動作分布在現場設備中。現場設備是智能的，可以進行自己的控制/維護/診斷/校準。現場總線系統足夠智能，可以報告自己的故障，如果需要，可以進行手動校準。通過采用基于現場總線的控制，提高了工廠運行的效率，減少了停機時間。現場總線不是一種產品，而是一種技術，它屬于層次結構的最底層，即在現場設備中，與更高的層次進行信息交換

由于現場總線設備是可互操作的，互操作性不會成為問題，因此來自不同制造商的設備可以一起工作，而不會損失任何功能，這是專有協議所不能做到的。

安裝成本方面，與傳統系統相比，該系統可以節省約80%的布線費用。由于現場總線設備中有大量的配置和診斷信息，設備調試時間大大縮短。現場設備可以在現場條件下診斷其問題，從而減少停機時間。最后，由于控制已經轉移到現場設備，需要更好和更簡單的中央控制系統。