dcs及现场总线技术总结
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篇1：dcs及现场总线技术总结
dcs及现场总线技术总结
DCS及现场总线技术是由计算机、信号处理、测量、网络通信和人机接口等技术综合产生的一门应用技术。
DCS即所谓分布式控制系统，或称之为集散系统，是相对于集中控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。1995年国际标准化组织（ISO）定义：DCS系统式一类满足大型工业生产和日益复杂的过程控制要求，从综合自动化角度出发，按功能集散，管理集中的原则构思，具有高度可靠性指标，将微处理技术、数字通讯技术、人机接口技术相结合，用于采集、过程控制和生产管理的综合控制系统。
生产发展的需要，电子技术、计算机技术的发展，最早的基于大型机的直接数字控制技术即DDC技术，集中管理，集中控制，这些都促进了DCS技术的发展。DCS具有如下特点：
1、相同或类似的结构。
2、分级递阶结构。
3、计算机技术的应用。
4、丰富的功能软件包。
5、强有力友好的操作界面。
6、高可靠性的技术。
DCS自70年代问世以来，很多公司各自推出了不同设计、风格各异的即使是同一厂家，其早期产品和近期产品也有不少的差异。但是，尽管种种的DCS千差万别，其核心却基本上是一致的，我们可以简单的将其归纳为“三点一线”式的结构。“一线”是指DCS的骨架计算机网络，“三点”则是指连接在网络上的3个不同类型的节点。这3种不同类型的节点是：面向被控制过程现场的I/O控制站；面向操作人员的控制站；面向DCS监督管理人员的工程师站。DCS主要的基本组成部分如下：
1、DCS的系统网络SNET
用于DCS的计算机网络很多方面的要求不同于通用的计算机网络。它是一个实时网络，也就是说，网络需要根据现场通信的实时性的要求，在确定的时限内完成信息的传送。
2、现场I/O控制站
现场I/O控制站是完成对过程现场I/O处理并实现直接数字控制（DDC）的网络节点。
3、操作员站
DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面（OI—Operator Interface）或（MMI—Man Machine Interface）功能的网络节点，其主要功能就是为系统的运行操作人员提供人机界面，使操作员可以通过它及时了解现场的运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况发生等。
4、工程师站
工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统的监督、控制、维护的网络节点。其主要功能是提供对DCS进行组态、配置工作的工具软件，并在DCS在线运行实时的监控DCS网络上各个节点的.运行情况，使系统工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。
现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。主要用于制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面的自动化系统中。
现场总线的特点及优点：
1、全数字化通信。
2、开放型的互联网络。
3、可互操作性与互用性。
4、现场设备的智能化。
5、系统结构的高度分散性。
6、对现场环境的适应性。
现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成，而通信部分的硬、软件是它最有特色的部分。
1、现场总线控制系统：
它的软件是系统的重要组成部分，控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等。首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件MMI。通过组态软件，完成功能块之间的连接，选定功能块参数，进行网络组态。在网络运行过程中对系统实时采集数据、进行数据处理、计算。优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。
2、现场总线的测量系统：
其特点为多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多功能，由于采用数字信号，具有高分辨率，准确性高、抗干扰、抗畸变能力强，同时还具有仪表设备的状态信息，可以对处理过程进行调整。
3、设备管理系统：
可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息（包括智能仪表）、厂商提供的设备制造信息。
4、总线系统计算机服务模式：
以客户机/服务器模式是目前较为流行的网络计算机服务模式。服务器表示数据源（提供者），应用客户机则表示数据使用者，它从数据源获取数据，并进一步进行处理。客房机运行在PC机或工作站上。服务器运行在小型机或大型机上，它使用双方的智能、资源、数据来完成任务。
5、数据库：
它能有组织的、动态的存储大量有关数据与应用程序，实现数据的充分共享、交叉访问，具有高度独立性。
6、网络系统的硬件与软件：
网络系统硬件有：系统管理主机、服务器、网关、协议变换器、集线器，用户计算机等及底层智能化仪表。
下面介绍一下DCS和现场总线之间的一些联系：
1、现场总线集成于DCS系统是现阶段控制网络的发展趋势：
尽管用户对控制系统的结构改进表示欢迎，但他们并不希望对他们现有的仪表系统做大的改动。目前在现场总线的发展初期，大多数用户更倾向于对他们现有的仪表系统进行逐步的增添和替换；另一方面DCS系统及其仪表的消失或完
全被取代，对于费用或人力而言也都是不合理的。现阶段最可行的方案是考虑如何使现场总线与传统的DCS系统尽可能地协同工作，这种集成方案能够得到灵活的系统组态，以适用于更广泛的、富于实用价值的应用。
2、现场总线于DCS系统I/0总线上的集成：
在DCS系统的I/O总线上集成现场总线的关键是通过一个现场总线接口卡挂在DCS的I/O总线上，实现现场总线系统中的数据信息映射成原有DCS的I/O总线上相对应的数据信息，如基本测量值、报警值或工艺设定值等，使得在DCS控制器所看到的现场总线来的信息就如同来自一个传统的DCS设备卡一样。这样便实现了在I/O总线上的现场总线技术集成。
3、现场总线于DCS系统网络层的集成。
4、现场总线通过网关与DCS系统并行集成。
综上所述，我们相信现场总线系统将广泛地应用到过程工业控制中，通过对过程控制系统进行一些必要的修改，将现场总线技术引入到DCS中，将会给用户带来大量的收益；另一方面，即使大多数的连续控制环路将由现场总线系统来完成，DCS系统仍将在许多诸如实时要求较高的控制场合扮演重要的角色。现阶段现场总线与DCS系统的共存将使用户拥有更多的选择，以实现更合理的控制系统。
篇2：现场总线
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯，
现场总线
，
目前使用的现场总线有：AnyBus，CAN，Profibus，Fieldbus，WorldFIP，P-NET，LonWorks，INTERBUS，DNET，CNET，LIGHTBUS，MODBUS，CC-LINK。
篇3：现场总线基础技术综述
现场总线(Fieldbus)是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络，它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点 :具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。
一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS——现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把 4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷;另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。
现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。其中有较强实力和影响的有:FoudationFieldbus(FF)、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势。本文将在简要描述现场总线技术特点的基础，紧扣系统的可靠性、实用性等，介绍现场总线网络结构、体系结构等关键技术及目前较为流行的几种有实力的现场总线技术的现状，最后阐述现场总线的发展趋势与技术展望。
一、现场总线的技术特点
1、系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。
2、互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
3、现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
4、系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。
5、对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
二、现场总线的优点
由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。
1、节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。
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。
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，并通过数字通将相关的诊断维护送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护，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。
4、用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。
5、提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强:减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。
三、典型现场总线简介
1、基金会现场总线
基金会现场总线，即FoudationFieldbus，简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以 Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议。屈于用户的压力，这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。
基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为3125Kbps，通信距离可达1900m，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离为750m和500m。物理传输介质可支持比绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变，或是负跳变。正跳变代表 0，负跳变代表1，从而使串行数据位流中具有足够的定位，以保持发送双方的时间同步。接收方既可根据跳变的极性来判断数据的“1”、“0”状态，也可根据数据的中心位置精确定位。
为满足用户需要，Honeywell、Ronan等公司已开发出可完成物理层和部分数据链路层协议的专用芯片，许多仪表公司已开发出符合FF协议的产品，1总线已通过a测试和β测试，完成了由13个不同厂商提供设备而组成的FF现场总线工厂试验系统。2总线标准也已经形成。
10月，在芝加哥举行的ISA96展览会上，由现场总线基金会组织实施，向世界展示了来自40多家厂商的70多种符合 FF协议的产品，并将这些分布在不同楼层展览大厅不同展台上的FF展品，用醒目的橙红色电缆，互连为七段现场总线演示系统，各展台现场设备之间可实地进行现场互操作，展现了基金会现场总线的成就与技术实力。
2、LonWorks
LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国Ecelon公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七层通协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通速率从300bps至15Mbps不等，直接通信距离可达到2700m，支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为通用控制网络。
LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的芯片中并得以实现。集成芯片中有3个8位CPU;一个用于完成开放互连模型中第1～2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理;第二个用于完成第3～6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等;第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储缓冲区，以实现 CPU之间的传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。如Motorola公司生产的神经元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和 2KEEPROM。
LonWorks技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本，而芯片的低成本又返过来促进了LonWorks技术的推广应用，形成了良好循环，据Ecelon公司的有关资料，到197月，已生产出500万片神经元芯片。
LonWorks公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonWorks技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技术:1000多家公司已经推出了LonWorks产品，并进一步组织起LonWark互操作协会，开发推广LonWorks技术与产品。它被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。为了支持LonWorks与其它协议和网络之间的互连与互操作，该公司正在开发各种网关，以便将LonWorks与以太网、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互连为系统。
另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，LonWorks神经元芯片也具有独特的优势，
LonWorks技术已经被美国暖通工程师协会ASRE定为建筑自动化协议BACnet的一个标准。根据刚刚收到的消息，美国消费电子制造商协会已经通过决议，以LonWorks技术为基础制定了EIA-709标准。
这样，LonWorks已经建立了一套从协议开发、芯片设计、芯片制造、控制模块开发制造、OEM控制产品、最终控制产品、分销、系统集成等一系列完整的开发、制造、推广、应用体系结构，吸引了数万家企业参与到这项工作中来，这对于一种技术的推广、应用有很大的促进作用。
3、Profibus
Profibus 是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准prEN50170的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模型。由Profibus-Dp、 Profibus-FMS、Profibus-PA组成了Profibus系列。DP型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化，而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158-2标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子集，DP型隐去了3～7层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口，FMS型只隐去第3～6层，采用了应用层，作为标准的第二部分。PA型的标准目前还处于制定过程之中，其传输技术遵从IEC1158-2标准，可实现总线供电与本质安全防爆。
Porfibus支持主—从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送。对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递，得到令牌的可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，共事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按Profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主—从方式，向从站发送或索取，实现点对点通信。主站可采取对所有广播，或有选择地向一组广播。
Profibus的传输速率为 96～12kbps最大传输距离在12kbps时为1000m，15Mbps时为400m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个。
4、CAN
CAN是控制网络ControlAreaNetwork的简称，最早由德国BOSCH 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准，得到了Motorola、Intel、 Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。
CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有3层，只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达 1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/kbps，可挂接设备最多可达110个。
CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。
CAN支持多主方式工作，网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。
已有多家公司开发生产了符合CAN协议的通信芯片，如Intel公司的82527，Motorola公司的 MC68HC05X4，Philips公司的82C250等。还有插在PC机上的CAN总线接口卡，具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。
5、HART
HART是HighwayAddressableRemoteTransduer的缩写。最早由Rosemout公司开发并得到 80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。
HART 通信模型由3层组成:物理层、数据链路层和应用层。物理层采用FSK技术在4～20mA模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用Bell202国际标准;数据传输速率为1200bps，逻辑“0”的信号频率为2200Hz，逻辑“1”的信号传输频率为1200Hz。
数据链路层用于按 HART通信协议规则建立HART格式。其构成包括开头码、显示终端与现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等。其数据字节结构为1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位，1个终止位。应用层的作用在于使HART指令付诸实现，即把通信状态转换成相应的。它规定了一系列命令;按命令方式工作。它有3类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备理解、执行的命令;第二类称为一般行为命令，它所提供的功能可以在许多现场设备中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库;第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这3类命令。HART支持点对点主从应答方式和多点广播方式。按应答应方式工作时的数据更新速率为2～3次 /s，按广播方式工作时的数据更新速率为3～4次/s，它还可支持两个通信主设备。总线上可挂设备数多达15个，每个现场设备可有256个变量，每个最大可包含4个变量。最大传输距离3000m，HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术，来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本安防爆要求。
6、RS-485
尽管RS-485不能称为现场总线，但是作为现场总线的鼻祖，还有许多设备继续沿用这种通协议。采用RS-485通具有设备简单、低成本等优势，仍有一定的生命力。以RS-485为基础的OPTO-22命令集等也在许多系统中得到了广泛的应用。
四、现场总线技术展望与发展趋势
发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程，这对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战。现场总线技术是控制、计算机、通技术的交叉与集成，涉及的内容十分广泛，笔者认为应不失时机地抓好我国现场总线技术与产品的研究与开发。自动化系统的网络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。现在网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中，这些具有发展前景的现场总线技术有:智能仪表与网络设备开发的软硬件技术;组态抗术，包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等;网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输;人机接口、软件技术;现场总线系统集成技术。现场总线属于尚在发展之中的技术，我国在这一技术领域还刚刚起步，了解国际上该项技术的现状与发展动向，对我国相关行业的发展，对自动化技术、设备的更新，无疑具有重要的作用。总体说来，自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。大千世界，众多领域，需求各异，一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准。另外，从以上介绍也可以看出，几大技术均具有自己的特点，已在不同应用领域形成了自己的优势。加上商业利益的驱使，它们都各自正在十分激烈的市场竞争中求得发展。有理由认为:在从现在起的未来10a内，可能出现几大总线标准共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现共享的局面。在连续过程自动化领域内，今后10a内，FF基金会现场总线将成为主流发展趋势，LonWorks将成为有力的竞争对手，HART作为过渡性产品也能有一定的市场。这3种技术是从这一领域的工业需求出发，其用户层的各种功能是专业连续过程设计的，而且充分考虑到连续工业的使用环境，如支持总线供电，可满足本质安全防爆要求等。另外，FF基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商;LonWorks形成了全面的分工合作体系。这些因素对成为这一领域的主流技术是十分关键的。
由于HART建立在目前广泛采用的模拟系统之上，它可以充分照顾到现有设备和已有投资的效益，技术上也充分考虑连续过程使用环境的需要。目前它已经占有一定的市场份额，其技术本身还在不断完善与更新，如提高传输速率等。目前国外HART仪表的市场份额还在不断增长，呈上升趋势，但是它毕竟是过渡性产品，其生存周期不会很长。国内则由于很多项目都是新项目，所以对兼容性的考虑较少，而对先进性的考虑较多，相信HART在国内的市场份额不会很大。国内市场与国外市场会有比较大的差异。一方面国外市场上占优势的产品会不断渗透到国内;另一方面，由于国内厂商的规模相对较小，研发能力较差，更多的是依赖技术供应商的支持，比较容易受现场总线技术供应商对国内的支持和市场推广力度的影响。国内目前仅LonWorks技术有实质性的市场活动，所以大部分国内厂商将首先将接受LonWorks技术。尽管FF号称仪器仪表行业的未来标准，但是由于没有明确的市场策略和在国内的积极的市场活动，市场份额将会受到很大影响。而且事实表明，所有的现场总线基金会会员在研制符合FF标准的同时，都同时推出采用LonWorks技术的应用，由此可见LonWorks技术的生命力十分顽强。在离散制造加工领域，由于行业应用的特点和历史原因，其主流技术会有一些差别。Profibus和CAN在这一领域具有较强的竞争力。他们已经在这一领域形成了自己的优势。
在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面，LonWorks则具有独特的优势。由于LonWorks技术的特点，在多样化控制系统的应用上将会有较大的发展。
现场总线技术的兴起，开辟了工厂底层网络的新天地。它将促进企业网络的快速发展，为企业带来新的效益，因而会得到广泛的应用，并推动自动化相关行业的发展。
篇4：现场总线基础技术分析的论文
关于现场总线基础技术分析的论文
摘要：现场总线（Fieldbus）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系……
关键词：现场总线技术特点优点
现场总线（Fieldbus）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点:具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。
一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS——现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。
现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。其中有较强实力和影响的有:FoudationFieldbus（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势。本文将在简要描述现场总线技术特点的基础，紧扣系统的可靠性、实用性等，介绍现场总线网络结构、体系结构等关键技术及目前较为流行的几种有实力的现场总线技术的现状，最后阐述现场总线的发展趋势与技术展望。
一、现场总线的技术特点
1、系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。
2、互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
3、现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
4、系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。
5、对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
二、现场总线的优点
由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。
1、节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。
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。
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。
4、用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。
5、提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强:减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。
三、典型现场总线简介
1、基金会现场总线
基金会现场总线，即FoudationFieldbus,简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议。屈于用户的压力，这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。
基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为3125Kbps,通信距离可达1900m(可加中继器延长),可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离为750m和500m。物理传输介质可支持比绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变，或是负跳变。正跳变代表0，负跳变代表1，从而使串行数据位流中具有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。接收方既可根据跳变的极性来判断数据的“1”、“0”状态，也可根据数据的中心位置精确定位。
为满足用户需要，Honeywell、Ronan等公司已开发出可完成物理层和部分数据链路层协议的专用芯片，许多仪表公司已开发出符合FF协议的产品，1总线已通过a测试和β测试，完成了由13个不同厂商提供设备而组成的FF现场总线工厂试验系统。2总线标准也已经形成。
年10月，在芝加哥举行的ISA96展览会上，由现场总线基金会组织实施，向世界展示了来自40多家厂商的70多种符合FF协议的产品，并将这些分布在不同楼层展览大厅不同展台上的FF展品，用醒目的橙红色电缆，互连为七段现场总线演示系统，各展台现场设备之间可实地进行现场互操作，展现了基金会现场总线的成就与技术实力。
2、LonWorks
LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国Ecelon公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通讯速率从300bps至15Mbps不等，直接通信距离可达到2700m(78kbps，双绞线),支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为通用控制网络。
LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的芯片中并得以实现。集成芯片中有3个8位CPU;一个用于完成开放互连模型中第1～2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理;第二个用于完成第3～6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等;第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。如Motorola公司生产的神经元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM。
LonWorks技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本(每片价格约5～9美元)，而芯片的低成本又返过来促进了LonWorks技术的推广应用，形成了良好循环，据Ecelon公司的有关资料，到1996年7月，已生产出500万片神经元芯片。
LonWorks公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonWorks技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技术:1000多家公司已经推出了LonWorks产品，并进一步组织起LonWark互操作协会，开发推广LonWorks技术与产品。它被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。为了支持LonWorks与其它协议和网络之间的互连与互操作，该公司正在开发各种网关，以便将LonWorks与以太网、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互连为系统。
另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，LonWorks神经元芯片也具有独特的优势。LonWorks技术已经被美国暖通工程师协会ASRE定为建筑自动化协议BACnet的一个标准。根据刚刚收到的消息，美国消费电子制造商协会已经通过决议，以LonWorks技术为基础制定了EIA-709标准。
这样，LonWorks已经建立了一套从协议开发、芯片设计、芯片制造、控制模块开发制造、OEM控制产品、最终控制产品、分销、系统集成等一系列完整的开发、制造、推广、应用体系结构，吸引了数万家企业参与到这项工作中来，这对于一种技术的推广、应用有很大的促进作用。
3、Profibus
Profibus是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准prEN50170的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模型。由Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA组成了Profibus系列。DP型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化，而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158-2标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子集，DP型隐去了3～7层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口，FMS型只隐去第3～6层，采用了应用层，作为标准的第二部分。PA型的标准目前还处于制定过程之中，其传输技术遵从IEC1158-2(1)标准，可实现总线供电与本质安全防爆。
Porfibus支持主—从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，共事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按Profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主—从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播(不要求应答),或有选择地向一组站点广播。
Profibus的传输速率为96～12kbps最大传输距离在12kbps时为1000m，15Mbps时为400m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。
4、CAN
CAN是控制网络ControlAreaNetwork的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。
CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有3层，只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/kbps,可挂接设备最多可达110个。
CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。
CAN支持多主方式工作，网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。
已有多家公司开发生产了符合CAN协议的通信芯片，如Intel公司的82527，Motorola公司的MC68HC05X4，Philips公司的82C250等。还有插在PC机上的CAN总线接口卡，具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。
5、HART
HART是HighwayAddressableRemoteTransduer的缩写。最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。
HART通信模型由3层组成:物理层、数据链路层和应用层。物理层采用FSK(FrequencyShiftKeying)技术在4～20mA模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用Bell202国际标准;数据传输速率为1200bps,逻辑“0”的信号频率为2200Hz，逻辑“1”的信号传输频率为1200Hz。
数据链路层用于按HART通信协议规则建立HART信息格式。其信息构成包括开头码、显示终端与现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等。其数据字节结构为1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位，1个终止位。应用层的作用在于使HART指令付诸实现，即把通信状态转换成相应的信息。它规定了一系列命令;按命令方式工作。它有3类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备理解、执行的命令;第二类称为一般行为命令，它所提供的功能可以在许多现场设备(尽管不是全部)中实现，这类命令包括最常用的'现场设备的功能库;第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这3类命令。HART支持点对点主从应答方式和多点广播方式。按应答应方式工作时的数据更新速率为2～3次/s,按广播方式工作时的数据更新速率为3～4次/s,它还可支持两个通信主设备。总线上可挂设备数多达15个，每个现场设备可有256个变量，每个信息最大可包含4个变量。最大传输距离3000m，HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术，来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本安防爆要求。
6、RS-485
尽管RS-485不能称为现场总线，但是作为现场总线的鼻祖，还有许多设备继续沿用这种通讯协议。采用RS-485通讯具有设备简单、低成本等优势，仍有一定的生命力。以RS-485为基础的OPTO-22命令集等也在许多系统中得到了广泛的应用。
四、现场总线技术展望与发展趋势
发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程，这对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战。现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，涉及的内容十分广泛，笔者认为应不失时机地抓好我国现场总线技术与产品的研究与开发。自动化系统的网络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。现在网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中，这些具有发展前景的现场总线技术有:智能仪表与网络设备开发的软硬件技术;组态抗术，包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等;网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输;人机接口、软件技术;现场总线系统集成技术。现场总线属于尚在发展之中的技术，我国在这一技术领域还刚刚起步，了解国际上该项技术的现状与发展动向，对我国相关行业的发展，对自动化技术、设备的更新，无疑具有重要的作用。总体说来，自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。大千世界，众多领域，需求各异，一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准。另外，从以上介绍也可以看出，几大技术均具有自己的特点，已在不同应用领域形成了自己的优势。加上商业利益的驱使，它们都各自正在十分激烈的市场竞争中求得发展。有理由认为:在从现在起的未来10a内，可能出现几大总线标准共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。在连续过程自动化领域内，今后10a内，FF基金会现场总线将成为主流发展趋势，LonWorks将成为有力的竞争对手，HART作为过渡性产品也能有一定的市场。这3种技术是从这一领域的工业需求出发，其用户层的各种功能是专业连续过程设计的，而且充分考虑到连续工业的使用环境，如支持总线供电，可满足本质安全防爆要求等。另外，FF基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商;LonWorks形成了全面的分工合作体系。这些因素对成为这一领域的主流技术是十分关键的。
由于HART建立在目前广泛采用的模拟系统之上，它可以充分照顾到现有设备和已有投资的效益，技术上也充分考虑连续过程使用环境的需要。目前它已经占有一定的市场份额，其技术本身还在不断完善与更新，如提高传输速率等。目前国外HART仪表的市场份额还在不断增长，呈上升趋势，但是它毕竟是过渡性产品，其生存周期不会很长。国内则由于很多项目都是新项目，所以对兼容性的考虑较少，而对先进性的考虑较多，相信HART在国内的市场份额不会很大。国内市场与国外市场会有比较大的差异。一方面国外市场上占优势的产品会不断渗透到国内;另一方面，由于国内厂商的规模相对较小，研发能力较差，更多的是依赖技术供应商的支持，比较容易受现场总线技术供应商(芯片制造商等)对国内的支持和市场推广力度的影响。国内目前仅LonWorks技术有实质性的市场活动，所以大部分国内厂商将首先将接受LonWorks技术。尽管FF号称仪器仪表行业的未来标准，但是由于没有明确的市场策略和在国内的积极的市场活动，市场份额将会受到很大影响。而且事实表明，所有的现场总线基金会(FF)会员在研制符合FF标准的同时，都同时推出采用LonWorks技术的应用，由此可见LonWorks技术的生命力十分顽强。在离散制造加工领域，由于行业应用的特点和历史原因，其主流技术会有一些差别。Profibus和CAN在这一领域具有较强的竞争力。他们已经在这一领域形成了自己的优势。
在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面，LonWorks则具有独特的优势。由于LonWorks技术的特点，在多样化控制系统的应用上将会有较大的发展。
现场总线技术的兴起，开辟了工厂底层网络的新天地。它将促进企业网络的快速发展，为企业带来新的效益，因而会得到广泛的应用，并推动自动化相关行业的发展。
篇5：DCS操作学习总结
作为自动化专业的学生，在初步学习了现场总线控制技术后，我对以后工作中可能会运用到的一些知识以及信息作了收集和整理，如下：
现场总线技术是在80年代后期发展起来的一种先进的现场工业控制技术。它集数字通信、智能仪表、微机技术、网络技术于一身，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字－模拟信号控制的局限性，为真正的“分散式控制，集中式管理”提供了技术保证。现场设备互连、良好的互操作性、分散的功能模块、开放式互连网络等特点，不仅可以保证目前工业控制对数字通信的要求，而且使它与Intranet或Internet互连构成多层次的复杂网络成为可能。
1、现场总线的特点
现场总线通讯协议的结构是根据国际标准化组织提供的ISO/OSI模型来制定的。标准ISO/OSI模型有七层框架，但根据工业控制的特点，多数数据总线协议都是采用了其中的物理层、通信层和应用层。这样可以保证实时通信，并在此基础上已经发展起来了FF、CAN、Profibus、LONworks、ControlNet等总线协议。
2、现场总线的应用
目前，CAN总线、Profibus以及LONworks在世界范围都有着非常广泛的应用。CAN总线以其可靠性、实时性等特点在工业控制场合得到广泛应用，如国际上的几大汽车生产厂商多使用该总线。但是，随着新型现场总线的性能不断改进，CAN在传输速度和传输距离方面，特别是在远程通信方面，慢慢暴露出了它的不足。但是由于它推出的较早（是进入中国市场最早的总线之一），所以在工控方面仍然占据了很大的市场。
Profibus是目前极为成熟的一种现场总线。由于它以西门子的PLC系统为控制核心，具有强大的控制功能和可靠性，所以很多大型项目都青睐Profibus。Profibus在欧洲市场占有主导地位，其三个子标准DP，FMS和PA分别在分布式控制系统的高速数据传输方面、楼宇自动化和电气传动方面、过程自动化方面具有绝对的市场。在中国，Profibus在离散控制和过程控制方面，特别是在一些重大项目中（如近期中标的三峡大坝闸门控制系统），均有广泛的应用。
LONworks具有比其他总线更显著的智能性，所以在智能楼宇、家庭自动化方面有得天独厚的优势。在我国，LONworks主要占据了这个方面的市场。
另外，FF总线和ControlNet进入市场较晚，特别是在中国市场，所占据的市场份额不大。但是它们的发展趋势极为强大，由于它们在技术上具有比其他总线更为明显的优势，所以被越来越多的用户所青睐。可以肯定的说，这两种总线在几年之后将成为市场上的主流总线。
学习中我发现了很多的不足，除了需要吃透专业知识以外，还应该不断的去更新自己的知识，这样才能在自动化这片领地闯出属于自己的天空。
篇6：DCS操作学习总结
首先感谢卓资电厂及设备检修部的领导给我们提供了这么好的一个学习机会，这次能有机会参加DCS系统的培训我感到非常荣幸。虽然只有短短的两周时间，但是通过这次培训使我对DCS控制系统有了一个新的认识和了解。
我们热工专业一行两人前往国电南自参加TCS3000分散控制系统DCS组态学习。通过此次学习使自己由一名对DCS系统了解得不深到比较系统的掌握，自己在对DCS系统的认识上也有了一个质的飞跃，从而提高了自己解决和处理问题的能力，对工作的热情也在不断的高涨。
集散控制系统简称DCS，主要作用是对生产过程进行控制、监视、管理和决策。它能比较详细的观察到生产装置的运行情况，保护生产装置，使生产事故消灭在萌芽状态。可见整个DCS分散控制在生产中是起着多么重要的作用。此次学习也进一步肯定了DCS系统在生产工作中的重要性。
下面就将学习情况作一总结：
我厂采用的TCS3000仪电一体化分散控制系统下位软件是采用MOX公司成熟的MOXGRAF软件，其中包括大量工控应用所需功能模块，同时也可以采用符合IEC16331-31标准的编程语言定制用户自定义模块，采用该软件提供的模块和自定义模块，可以构建各种规模的分散控制系统。
培训分两个阶段：
1. 理论学习
首先在工作人员的介绍下我们系统的了解了TCS3000分散控制系统的概况、创建工程、操作员站功能、工程师站功能、数据组态、控制策略组态、系统配置和维护。DCS（Distributed Control System）近年来在热电生产中应用越来越广泛。DCS控制系统逐步形成顺序控制SCS、数据采集DAS、燃烧器管理BMS4大系统、模拟量控制MCS等等方面都得到了极大的提高。DCS分散控制系统是由操作员站、工程师站、历史站、输出设备、分布式处理单元及IO模块、电源机柜等组成。操作员站是DCS的重要组成部分，是指具有人机交互功能的计算机的一种。工程师站是系统组态、管理和维护工程的计算机。历史站是记录并保留生产过程中的历史数据。
DCS系统设计合适的冗余配置和诊断至模件极的自诊断功能，具有高度的可靠性，系统内任一组件发生故障均不会影响整个系统工作，DCS系统的特点是集中管理分散控制。
其次，我们学习了逻辑编程与修改，我厂现在用的DCS系统逻辑经常会因为设备的变动而进行修改，通过这次机会，我们在专业工作人员的带领下，认真对DCS系统的逻辑编程与修改进行了系统的学习。
以下是我厂DCS系统组态软件的一般使用步骤：
学习内容如下：
1、新建工程（数据库总控）：在正式进行应用工程的组态之前，必须针对该应用工程定义一个工程名，该目标工程新建后便新建起了该工程的数据目录。
2、硬件配置（设备组态）：在工程中定义应用系统的硬件配置。数据库定义（数据库总控）：定义和编辑系统各站的点信息，这是形成整个应用系统的基础。
3、工程基本编译（数据库总控）：在设备组态编译成功的基础上，数据库编辑完成后可以进行基本编译。
4、服务器控制算法组态（服务器算法组态）：是用来编制服务器算法程序的。
5、工程完全编译 （数据库总控）：在服务器控制算法工程编译和基本编译成功之后可以进行联编，生成控制器算法工程。
6、控制器控制算法组态 （控制器算法组态）：是用来编制控制器算法程序及下装控制器的。
7、绘制图形（图形组态）：用来绘制工艺流程图的。
8、制作报表（报表组态）：用来制作反映现场工艺数据的报表。
9、工程完全编译 （数据库总控）:生成下装文件。
10、登录控制器，将工程下装到主控单元（控制器算法组态）。
11、下装服务器、操作员站（工程师在线下装）。
12、运行程序并在线调试。
在系统组态前，先进行前期工作，包括确定测点清单、控制运算方案、系统硬件配置（系统的规模、各站IO单元的配置和测点的配置等），还要提出对流程图、报表、历史库、追忆库的设计要求。MACS系统容量：模块0~125、现场控制站10~49、操作站50~79的范围。总体使用IP协议，分为130、131、128、129四个网段，其中130和131网段联系工程师站与操作员站，它们组成的网络称做监控网；128和129网段联系工程师站和现场控制站，它们组成的网络称做系统网。现场控制站与现场设备组成控制网，期间不使用网络协议。服务器与操作员站和现场控制站连接，使用HSIE网络协议，无IP地址 MACS系统的硬件和软件。根据现场检测仪表检测到物理量（如热电阻、热电偶、变送器等设备）传送到DCS系统，通过DCS系统对现场的调节机构和执行机构（如调节阀、泵、风机等）对现场进行相应的动作。对于大多的DCS系统，多使用冗余机构（成对使用、互为备用）。
2. 实践上机操作
理论学习结束后，为更好的理解所学习的理论知识，我们进行了热电厂DCS控制系统的模拟搭建，用学习的理论知识完全从零开始搭建一个新的控制系统，从而达到对整套系统的结构精确细致的了解。同样也是对动手能力差的我们进行加强训练。
以下是我们在模拟搭建热电厂DCS控制系统的过程和一些注意事项：
1、新建工程是整个组态中的第一个步骤。在正式进行应用工程的组态之前，必须针对该应用工程定义一个工程名，该目标工程新建后便新建起了该工程的数据目录。对该工程进行编组分域。工程创建完毕后系统自动在组态软件安装路径下创建了一个以工程名命名的文件夹，以后关于组态产生的文件都是存放在这个文件夹中的。也可以导入工程：将其它计算机上组态的工程导入到本机上作为参考或者继续组态。
2、设备组态是在工程中定义应用系统的硬件配置。设备组态分为：系统设备组态和I/O设备组态两个部分。
（1）系统设备组态
系统设备组态是完成系统网和监控网上各网络设备的硬件配置； 系统设备组态要用到的基本概念：
节点：网络上所连接的能完成独立功能的单元，包括服务器节点(SVR节点)、现场控制站节点(FCS节点)、操作员站节点(OPS节点) 等。服务器：站号为0；现场控制站：站号为10~49；操作员站：站号为50~79； 设备：网络上每个节点中所挂接的硬件设备。
（2）I/O设备组态
I/O设备组态是以现场控制站为单位来完成每个站的I/O单元配置。 I/O设备组态要用到的基本概念：
通信链路：指有相同通信介质、通信参数和通信端口的`物理线路。 通信参数：指完成链路通信所需要的参数及设备配置信息。
设备：指挂接在通信链路上，可以独立寻址的I/O设备，如各种类型的I/O单元。每个设备都有对应的设备地址、设备说明，以及不同的设备属性。
篇7：DCS操作学习总结
首先感谢蔡总和郁主任给我提供了这么好的一个学习机会去上海参加横河CS3000 DCS系统组态的培训。使我能在更好的环境中更加系统的学习我公司所使用到的DCS系统。这是我毕业大约5年时间第一次脱产学习，我非常珍惜这次学习机会，在十多天的学习生活中，我始终保持较高的学习热情，争取能更好的为公司服务。
20xx年3月4日，我受公司安排前往上海横河电机中国培训中心学习CS3000 DCS系统组态。在这十多天的学习过程中，通过课程学习，了解了DCS系统的硬件构成、软件安装，以及项目创建、常规反馈、顺序控制和人机界面定义等内容。
DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4种技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。
首先，DCS的骨架—系统网络，它是DCS的基础和核心。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。 其次，这是一种完全对现场I/O处理并实现直接数字控制（DDC）功能的网络节点。一般一套DCS中要设置现场I/O控制站，用以分担整个系统的I/O和控制功能。这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效，提高系统可靠性，也可以使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能。DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面（HMI-Human Machine Interface或operator interface）功能的网络节点。
工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。与集中式控制系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能，可以说，没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。
目前我公司使用的的DCS有横河与浙大中空的DCS。
在这十天的学习生活中，课程安排如下：
第一天、系统概述、系统结构、人机接口操作站、操作员操作。
第二天、现场控制站及硬件造型与构成。
第三天、系统硬件、软件安装，硬件的安装原则，站号设置原则、站号设置技巧，软件安装系统要求。
第四天、系统生成及工程软件制作：
1、系统生成。
2、操作站的组态3现场控制站FCS的组态。
第五天、反馈控制和计算功能的组态。
第六天、顺序控制功能的组态。
第七天、流程图的制作：图素的使用、动态数据显示、触摸框、功能键、仪表面板等。 第八天、报表制作与打印：报表数据的采集、报表内容的填写、报表的打印。 第九天、CS3000系统的运行及维护常识。
第十天、工程软件练习，下载，仿真测试的运行环境、仿真测试的步骤。
在这十天的学习过程中，我整理出学习笔记一份。通过学习，目前已经能对公司横河DCS进行维护，简单的编程。今后，我还将继续努力，尽量将自己的所学与实际相结合，不断提高自己工作能力，为公司发展增添一份力量。
篇8：现场技术管理制度
现场技术管理制度
1 定位放线测量制度要点:
定位放线测量工作必需要有书面记录,必须由业主提供原始标高及作标点,并现场交接。定位放线测量工作须施工员、质检员、测量员共同执行,由项目技术负责人复核,并将结果交业主监理确认后方可进行下道工序,否则不得进行施工。定位坐标点要长期保存,直至交工后一年保修期完成,工程完工后重要坐标点要移交业主。并配合业主进行定位验收。
2 隐蔽验收制度要点:
隐蔽验收工程应由施工班组及施工员先自行检查,认为合格后,方可通知质检员核检。再请业主代表、监理代表共同进行检查隐蔽。重要部位项目技术负责人应参加,隐蔽工程应真实、可靠,数据清楚的反映隐蔽工程实际,隐蔽工程内容由施工员认真填写。项目技术负责人或专职质检员审签,后交建设单位及质监人员签认,方可进行隐蔽作业,隐蔽工程签认应及时办理。
3 技术复核制度要点:
重要部位技术复核应由项目技术负责人主持。在技术复核工作时,应认真填写交接班记录。技术复核工作应由施工员组织,质检员、班组长参加,结合分项工程质量评定工作进行。交接班负责人即班组长应认真填写该项工作质量及实际工程施工质量。资料员要收集归档。
4 成品半成品登记制度要点:
施工所需的材料成品半成品应按计划进行,进入施工现场均应由现场材料员登记验收,必须附有出厂合格证、注明规格、数量、进场日期等要符合规范及设计要求。质检员应组织物检工作。取样员按材料品种分批将成品、半成品、复检和材料试验报告单整理归类,与施工员配合编制工程档案。项目技术负责人应检查审核。
5 原材料混凝土砂浆试件取样:
原材料试件、混凝土试件、砂浆试件应由按管理制度统一安排专人配合取样员取样,取样员应负责编号、归档资料交资料员保管,混凝土砂浆试块要按照'规范'要求制做,确实保证试件所反映数据真实可靠并具有现场代表性。
6 质量检查制度执行:
按公司质量检查制度总工室和工程部组织有关科室每月一次,项目经理率项目部有关人员每周一次,进行职责范围内质量工作、技术工作检查。促进强化工程技术质量管理工作,对于存在的问题要限期整改并认真复查,对于在质量工作中做出成绩的给予表扬、奖励。全司将检查情况发内部通报,以加强互相交流达到共同提高目的。
7 样板引路制度执行:
每个工序分项工程或工种正式施工前,特别是量大面广的工序和分项工程,都要在大面积开始操作前做出示范样板,统一操作要求,明确质量目标。施工操作要注意工序的优化,工艺的改进及工序的标准化操作,积累必要的管理和操作经验,提高工艺的操作水平,确保操作质量。
8 执行施工挂牌制度:
施工现场执行操作挂牌制,主要工作如钢筋、混凝土、模板、砌砖、抹灰等,施工过程中要在现场实行挂牌制,注明管理者、操作者、施工日期,并做出相应的图文记录,因现场不按规范、规程施工而造成质量事故的要追究有关人员责任。
9 贯彻技术交底制度:
每个工种、每道工序施工前要组织进行各级技术交底,包括项目技术负责人对施工员的.技术交底,施工员对班组长的技术交底,班组长对作业班组操作人的技术交底,各级交底以口头进行,并有文字记录。因技术措施不当或交底不清而造成质量事故的要追究有关部门和人员的责任。针对特殊工序要编制有针对性的作业指导书,并由技术负责珍审定执行。
篇9：现场总线技术在流程工业中的应用及前景
现场总线技术在流程工业中的应用及前景
通过现场总线控制系统在实际工业过程中的一个应用案例,阐述基于电仪一体化的现场总线技术在工业对象控制中的.解决方案,及其应用软件的组态开发和调试投运的过程与方法.
作 者：朱晓青 Zhu Xiaoqing 作者单位：株洲工学院,株洲,41 刊 名：自动化仪表 ISTIC PKU英文刊名：PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION 年，卷(期)： 26(4) 分类号： 关键词：现场总线 电仪一体化 控制系统篇10：智能传感器、现场总线与FCS
智能传感器、现场总线与FCS
一、引言以现场总线为基础的全数字控制系统将现有的模拟信号电缆用高容量的现场总线网络代替，从而大大减轻现场信号电缆连接的费用和工作量，提高信号的传输效率。实际上现场总线控制系统就是以现场总线技术为核心，以基于现场总线的智能I/O或智能传感器、智能仪表为控制主体、以计算机为监控指挥中心的系统编程、组态、维护、监控等功能为一体的工作平台。
二、智能传感器的性能特点
一般的传感器只能作为敏感元件，须配上变换仪表来检测物理量、化学量等的变化。随着微电子技术的发展，出现了智能仪表。智能仪表采用超大规模集成电路，利用嵌入软件协调内部操作，在完成输入信号的非线性补偿、零点错误、温度补偿、故障诊断等基础上，还可完成对工业过程的控制，使控制系统的功能进一步分散。智能传感器集成了传感器、智能仪表全部功能及部分控制功能，具有很高的线性度和低的温度漂移，降低了系统的复杂性、简化了系统结构。特点如下：
1、一定程度的人工智能是硬件与软件的结合体，可实现学习功能，更能体现仪表在控制系统中的作用。可以根据不同的测量要求，选择合适的方案，并能对信息进行综合处理，对系统状态进行预测。
2、多敏感功能将原来分散的、各自独立的单敏传感器集成为具有多敏感功能的传感器，能同时测量多种物理量和化学量，全面反映被测量的综合信息。
3、精度高、测量范围宽随时检测出被测量的变化对检测元件特性的影响，并完成各种运算，其输出信号更为精确，同时其量程比可达100：1，最高达400：1，可用一个智能传感器应付很宽的测量范围，特别适用于要求量程比大的控制场合。
4、通信功能可采用标准化总线接口，进行信息交换，这是智能传感器的关键标志之一。
智能传感器的出现将复杂信号由集中型处理变成分散型处理，即可以保证数据处理的质量，提高抗干扰性能。同时又降低系统的成本。它使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多变量检测发展，使传感器由被动进行信号转换向主动控制和主动进行信息处理方向发展，并使传感器由孤立的元件向系统化、网络化发展。
三、现场总线的体系结构与特点
根据IEC/ISA定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支的通信网络。它是用于过程自动化最底层的现场设备以及现场仪表的互连网络，是现场通信网络和控制系统的集成。现场总线将当今网络通信与管理的概念带入控制领域，代表了今后自动化控制体系结构发展的一种方向。
现场总线是以ISO的OSI模型为基本框架的，并根据实际需要进行简化了的`体系结构系统，它一般主要包括物理层、数据链路层、应用层、用户层。
物理层向上连接数据链路层，向下连接介质。物理层规定了传输介质(双绞线、无线和光纤)、传输速率、传输距离、信号类型等。在发送期间，物理层编码并调制来自数据链路层的数据流。在接收期间，它用来自媒介的合适的控制信息将收到的数据信息解调和解码并送给链路层；数据链路层负责执行总线通信规则，处理差错检测、仲裁、调度等。应用层为最终用户的应用提供一个简单接口，它定义了如何读、写、解释和执行一条信息或命令。用户层实际上是一些数据或信息查询的应用软件，它规定了标准的功能块、对象字典和设备描述等一些应用程序，给用户一个直观简单的使用界面。
现场总线除具有一对N结构、互换性、互操作性、控制功能分散、互连网络、维护方便等优点外，还具有如下特点：
1、网络体系结构简单其结构模型一般仅有4层，这种简化的体系结构具有设计灵活，执行直观，价格低廉，性能良好等优点，同时还保证了通信的速度。
2、综合自动化功能把现场智能设备分别作为一个网络节点，通过现场总线来实现各节点之间、节点与管理层之间的信息传递与沟通，易于实现各种复杂的综合自动化功能。
3、容错能力强现场总线通过使用检错、自校验、监督定时、屏蔽逻辑等故障检测方法，大大提高了系统的容错能力。
4、提高了系统的抗干扰能力和测控精度现场智能设备可以就近处理信号并采用数字通信方式与主控系统交换信息，不仅具有较强的抗干扰能力，而且其精度和可靠性也得到了很大的提高。
现场总线的这些特点，不仅保证了它完全可以适应目前工业界对数字通信和传统控制的要求，而且使它具有不同层次的复杂控制与先进控制、优化控制功能成为可能。
四、现场总线控制系统（FCS）
随着复杂过程工业的不断发展，工业过程控制对大量现场信号的采集、传递和数据转换以及对精度、可靠性、管控一体化都提出了更新、更高的要求。现有的DCS已不能满足这些要求；况且现有的DCS具有诸如控制不能彻底分散、故障相对集中、系统不彻底开放、成本较高等缺点。于是通过数字通信技术、传感器技术和微处理器技术的融合，把传统的数字信号和模拟信号的混合系统变成全数字信号系统，从而产生了新一代的控制系统FCS。
1、智能传感器和现场总线是组成FCS的两个重要部分
FCS用现场总线在控制现场建立一条高可靠性的数据通信线路，实现各智能传感器之间及智能传感器与主控机之间的数据通信，把单个分散的智能传感器变成网络节点。智能传感器中的数据处理有助于减轻主控站的工作负担，使大量信息处理就地化，减少了现场仪表与主控站之间的信息往返，降低了对网络数据通信容量的要求。经过智能传感器预处理的数据通过现场总线汇集到主机上，进行更高级的处理(主要是系统组态、优化、管理、诊断、容错等)，使系统由面到点，再由点到面，对被控对象进行分析判断，提高了系统的可靠性和容偌能力。这样FCS把各个智能传感器连接成了可以互相沟通信息，共同完成控制任务的网络系统与控制系统，能更好地体现DCS中的“信息集中，控制分散”的功能，提高了信号传输的准确性、实时性和快速性。
以现场总线技术为基础，以微处理器为核心，以数字化通信为传输方式的现场总线智能传感器与一般智能传感器相比，需有以下功能：
共用一条总线传递信息，具有多种计算、数据处理及控制功能，从而减少主机的负担。取代4-20mA模拟信号传输，实现传输信号的数字化，增强信号的抗干扰能力。采用统一的网络化协议，成为FCS的节点，实现传感器与执行器之间信息交换。系统可对之进行校验、组态、测试，从而改善系统的可靠性。接口标准化，具有“即插即用”特性。
现场总线智能传感器是未来工业过程控制系统的主流仪表，它与现场总线组成FCS的两个重要部分，将对传统的控制系统结构和方法带来革命性的变化。但现场总线国际标准的制定却进展缓慢，现场总线标准不统一影响了现场总线智能传感器的应用。
从世界范围看，已流行的几种现场总线都有各自的优点、各具特色，难以统一到某一种现场总线标准上，其原因是多方面的。首先是技术的原因，现有各种现场总线都具有各自的协议规范和行业标准，要统一存在许多技术难题。其次是商业利益，各现场总线与其背后的开发公司息息相关，各企业为今后占有更多的市场份额，都希望在现场总线的国际标准中采用自己的技术。再次是组织上的原因，现场总线的标准化必须有一个统一的国际性组织来完成。然而，多年来，用户迫切需要现场总线有一个统一的国际标准，以实现现场设备的互操作性和互换性。在这种情况下，产生了FF
(Foundation Fieldbus--基金会现场总线)，FF的宗旨就是开发一种统一的现场总线标准，并推动现场总线的应用。目前，FF包括了世界上95%的仪表及控制系统制造商，已制定了低速H1标准(31．25kb/s)，高速H2标准正在制定中。现场总线统一标准曲最终制定必将全面推进FCS的应用，使用户在实现控制策赂和系统开发方面发生巨大的变化。
2、FCS对DCS的影响
传统的DCS系统由各种工作站通过局域网络连接而成，操作站和信息管理站完成系统的组态、监控和运行管理，现场测控站则完成生产过程信息的采集和控制。DCS的主要问题是开放性差，分散不够，需要用大量的电缆传递信号。FCS则突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于开放、通用标准化的解决方案，把集散系统结构变成了新型全分布式结构，把DCS控制站中基本且可独立的功能块彻底下放到现场智能仪表中去，从而构成虚拟控制站，更好地体现了DCS思想的精华。
实际上，工业过程控制的发展大体分气动仪表控制-电动仪表控制-计算机集中控制-DCS几个阶段，电动仪表控制以电2型表为主，基本上是简单闭环控制，其最大特点是危险性完全分散在各单回路上，最大弱点是难于实现复杂控制、先进控制及优化控制。为此，60年代出现计算机集中控制，结果可以实现复杂控制、先进控制及优化控制，然而危险性集中未能继承电Ⅲ型系统的危险性完全分散的特点；从而70年代出现DCS系统，综合前两种优点，即实现复杂等控制，又把危险性分散在各控制器上，但还不能彻底分散，且不能完全开放。80年代韧提出即能继承DCS全部功能，并使系统完全开放，又能实现危险性彻底分散在各回路中去(与电皿型系统一样)的系统--FCS．由于FCS具有明显优于DCS的特点，FCS必将代替DCS。
然而在目前，在我国绝大部分过程工业都以DCS作为主流控制系统，电皿型仪表作为主导仪表；加上因认识上的原因和现场总线智能仪表尚为非主导产品，暂不能大量普及FCS。单从利用现有资源角度，DCS系统的消失或完全被取代，短期内也是不合理的，应立足于现有DCS，充分挖掘现有设备的潜力(如可以在DCS与FCS之间安装网关，以实现信息的传递)，使即有投资又不至于浪费。另外，DCS是一个不断发展的控制系统，它必然采用现场总线技术对自身进行改造，使DCS能与现场总线智能传感器(智能仪表)和局部FCS连接起来。目前一段时期所有这些情况造成FCS与DCS共存的局面。据估计，用左右的时间才能真正过渡到FCS的主导地位。
五、现场总线企业网
现场总线作为今后控制系统的发展方向，以其所具有的开放性，网络化等优点，使它与Intrenet的结合成为可能。企业内部网络系统Intranet-Interconnect Networks)就是二者结合的产物。Intranet作为Internet技术在企业内部的应用，为企业内部管理和信息交流提供了一个完善的技术方案，它已成为连接企业内部各部门交流信息的重要设施。伴随着Intranet的逐渐深入企业，未来的企业信息管理模式将是一种分布式的基于现场总线控制网络的管理模式。Intranet出现后，各企业相互共享信息的Extranet(企业外连网)也应运而生。这样从单一的生产过程到全企业各个生产过程的统一管理控制，再到与企业有关的外部信息的共享，网络技术被大大地拓展了。
因为Intranet采用的是Internet技术，有很好的开放性，支持多种网络协议和标准，因此在组建Intranet时完全可以在企业现有的网络环境下实现。由现场总线技术与Intranet结合构成的分布式网络控制系统将高度分散的工业现场前端的智能型传感器、变送器、执行器等智能仪表通过现场总线网络连接到控制机或管理机构成局域网络控制系统。这种分布式的局域网络系统，可节省大量的传输线，增强整个系统的可扩充性，具有较长的传输距离和较强的抗干扰能力，可实现无上位机的全分布式无主工作，为工业控制和企业管理决策带来了一种全新的解决方案。同时，将现场总线技术和Intranet技术的结合，也大大促进了控制技术的发展和加快了信息时代的步伐。
使用现场总线企业网，给企业的管理与控制带来了很多好处：首先，通过企业网，加强了企业内部及内部与外部之间的信息共享，提高了资源的利用率。其次，将企业的有关信息发布在Intranet上，用电子文件代替书面文件，节省了人力，提高了工作效率。再次，Intranet采用Internet的技术，使开发工具易于得到，软件的开发周期短，而且可以直接利用Intrenet的一些优秀的软件，节省了开发费用。最后，使用现场总线企业网能够更容易地实现工业过程管理决策与控制的一体化--CIPS(计算机集成过程系统)。
六、结束语
FCS的关键是现场总线技术与现场总线智能传感器(现场总线智能仪表)。随着电m型仪表改造为智能仪表，能构想出现场总线；随着数字通信技术的成熟，能出现现场总线，从而从DCS脱颖出FCS．可以说FCS是工业过程控制系统的第三次大革命，即模拟仪表分散控制(电皿型为代表)。集散控制系统(DCS)-全开放、全分散、全集中控制系统(FCS)。国外从90年代中期开始陆续投用FCS；而在国内，从开始有个别试用FCS，但尚不完善，尚不完整。目前正是步入FCS的实施阶段，它有利于CIPS真正开发实施，它是完全可靠、完全分散的开放系统，易于安装、投运、维护，节省投资和人力、物力。依据目前的发展趋势，今后10年内，FCS将代替DCS，并在工业过程控制系统中占主导地位。
当前在工业过程控制界面临的重要任务之一是：大力推广FCS及PF协议、基于PF协议的智能传感器(留能仪表)及现场总线技术，研究开发FCS集成软件乎台，推动基于PF的FCS的开发与应用。另外，如何实现FCS与Intranet的结合，建立基于现场总线的Internet体系，实现工业过程管控一体化(基于FCS的CIPS)也是今后研究的重要方向。
付兴建 陈义俊 申东日 李迎春（抚顺石油学院）
摘自：中国机电一体化网
篇11：智能传感器、现场总线与FCS
智能传感器、现场总线与FCS
一、引言以现场总线为基础的全数字控制系统将现有的模拟信号电缆用高容量的现场总线网络代替，从而大大减轻现场信号电缆连接的费用和工作量，提高信号的传输效率。实际上现场总线控制系统就是以现场总线技术为核心，以基于现场总线的智能I/O或智能传感器、智能仪表为控制主体、以计算机为监控指挥中心的系统编程、组态、维护、监控等功能为一体的工作平台。
二、智能传感器的性能特点
一般的传感器只能作为敏感元件，须配上变换仪表来检测物理量、化学量等的变化。随着微电子技术的'发展，出现了智能仪表。智能仪表采用超大规模集成电路，利用嵌入软件协调内部操作，在完成输入信号的非线性补偿、零点错误、温度补偿、故障诊断等基础上，还可完成对工业过程的控制，使控制系统的功能进一步分散。智能传感器集成了传感器、智能仪表全部功能及部分控制功能，具有很高的线性度和低的温度漂移，降低了系统的复杂性、简化了系统结构。特点如下：
1、一定程度的人工智能是硬件与软件的结合体，可实现学习功能，更能体现仪表在控制系统中的作用。可以根据不同的测量要求，选择合适的方案，并能对信息进行综合处理，对系统状态进行预测。
2、多敏感功能将原来分散的、各自独立的单敏传感器集成为具有多敏感功能的传感器，能同时测量多种物理量和化学量，全面反映被测量的综合信息。
3、精度高、测量范围宽随时检测出被测量的变化对检测元件特性的影响，并完成各种运算，其输出信号更为精确，同时其量程比可达100：1，最高达400：1，可用一个智能传感器应付很宽的测量范围，特别适用于要求量程比大的控制场合。
4、通信功能可采用标准化总线接口，进行信息交换，这是智能传感器的关键标志之一。
智能传感器的出现将复杂信号由集中型处理变成分散型处理，即可以保证数据处理的质量，提高抗干扰性能。同时又降低系统的成本。它使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多变量检测发展，使传感器由被动进行信号转换向主动控制和主动进行信息处理方向发展，并使传感器由孤立的元件向系统化、网络化发展。
三、现场总线的体系结构与特点
根据IEC/ISA定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支的通信网络。它是用于过程自动化最底层的现场设备以及现场仪表的互连网络，是现场通信网络和控制系统的集成。现场总线将当今网络通信与管理的概念带入控制领域，代表了今后自动化控制体系结构发展的一种方向。
现场总线是以ISO的OSI模型为基本框架的，并根据实际需要进行简化了的体系结构系统，它一般主要包括物理层、数据链路层、应用层、用户层。
物理层向上连接数据链路层，向下连接介质。物理层规定了传输介质(双绞线、无线和光纤)、传输速率、传输距离、信号类型等。在发送期间，物理层编码并调制来自数据链路层的数据流。在接收期间，它用来自媒介的合适的控制信息将收到的数据信息解调和解码并送给链路层；数据链路层负责执行总线通信规则，处理差错检测、仲裁、调度等。应用层为最终用户的应用提供一个简单接口，它定义了如何读、写、解释和执行一条信息或命令。用户层实际上是一些数据或信息查询的应用软件，它规定了标准的功能块、对象字典和设备描述等一些应用程序，给用户一个直观简单的使用界面。
现场总线除具有一对N结构、互换性、互操作性、控制功能
[1] [2] [3] [4]
篇12：VXI总线与虚拟仪器技术
20世纪80年代后期，仪器制造商发现GPIB总线和VME总线产品无法再满足军用测控系统的需求了。在这种情况下，HP、Tekronix等五家国际著名的仪器公司成立了VXIbus联合体，并于1987年发布了VXI规范的第一个版本。几经修改和完善，与1992年被IEEE接纳为IEEE-1155-1992标准。
VXIbus规范是一个开放的体系结构标准，其主要目标是使VXIbus器件之间、VXIbus器件与其它标准的器件（计算机）之间能够以明确的方式开放地通信；使系统体积更小；通过使用高带宽的吞吐量，为开发者提供高性能的测试设备；采用通用的接口来实现相似的仪器功能，使系统集成软件成本进一步降低。
(本网网收集整理)
VXIbus规范发布后，由于军方对测控系统的大量需求，许多仪器生产厂商都加入到VXIplug&play（VXI既插既用）联盟。联盟是VXIbus联合体的固有补充机构。联盟通过规定连接器的统一方法、UUT接口和测试夹具、共享存储器通信的仪器协议、可选VXI特性的统一使用方法以及统一文件的编制方法来增加硬件的兼容性，并开发一种统一的校准方法。联盟还通过规定和推广标准系统软件框架来实现系统软件的“plug&play”互换性。
虚拟仪器（Vitual Instrumentation，VI）最早是适应PC卡式仪器于1986年由NI公司提出的。所谓虚拟仪器，简单地说就是一组完成传统仪器功能的硬件和软件部件。VI通过软件将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面（通常称为虚拟面板）
操作这台计算机，就象在操作自己定义、自己设计的一台单个传统仪器一样。VI透明地将计算机资源和仪器硬件（如A/D、D/A、数字I/0、定时器和信号调理器等）的测试、控制能力结合在一起，通过软件实现地数据的分析处理和表达，从而能更迅速、更经济、更灵活地解决测试问题，并有效地降低了系统组建成本。
2 VXI总线系统规范简介
VXI总线系统或者其子系统由一个VXIbus主机箱、若干VXIbus器件、一个VXIbus资源管理器和主控制器组成，零槽模块完成系统背板管理，包括提供时钟源和背板总线仲裁等，当然它也可以同时具有其它的仪器功能。资源管理器在系统上电或者复位时对系统进行配置，以使系统用户能够从一个确定的状态开始系统操作。在系统正常工作后，资源管理器就不再起作用。主机箱容纳VXIbus仪器，并为其提供通信背板、供电和冷却。
VXIbus不是设计来替代现存标准的，其目的只是提高测试和数据采集系统的总体性能提供一个更先进的平台。因此，VXIbus规范定义了几种通信方法，以方便VXIbus系统与现存的VMEbus产品、GPIB仪器以及串口仪器的混成。
2.1 VXI总线系统机械结构
VXIbus规范定义了四种尺寸的VXI模块。较小的尺寸A和B是VMEbus模块定义的尺寸，并且从任何意义上来说，它们都是标准的VEMbus模块。较大的C和D尺寸模块是为高性能仪器所定义的，它们增大了模块间距，以便对包含用于高性能测量场合的敏感电路的模块进行完全屏蔽。A尺寸模块只有P1、P2和P3连接器。
目前市场上最常见的是
C尺寸的VXIbus系统，这主要是因为C尺寸的VXIbus系统体积较小，成本相对较低，又能够发挥VXIbus作为高性能测试平台的优势。
2.2 VXI总线系统电气结构
VXIbus完全支持32位VME计算机总线。除此之外，VXIbus还增加了用于模拟供电和ECL供电的额外电源线、用于测量同步和触发的仪器总线、模拟相加总线以及用于模块之间通信的本地总线。
VXIbus规范定义了3个96针的DIN连接器P1、P2和P3。P1连接器是必备的，P2和P3两个连接器可选。三个连接器的具体的信号分配可参见文献[2]。下面对VXIbus在VMEbus总线基础上增加的用于高性能仪器的部分总线作一个简要的介绍。
CLK10时钟线 是一个10MHz的系统时钟，用于模块之间的精确同步。该信号源于0号槽，被分别差分送至各个模块插槽。
MODID线 模块识别线，可以通过特有的物理位置或插槽类识别逻辑器件。这些线自0号槽分别送至1号槽至12号槽。系统自动配置时必须用到MODID线。
TTL触发线 包括TTLTRG0~TTLTRG7，是一组用于模块间通信的、集电极开路的TTL信号线。包括0号槽在内所有模块都可以驱动这些线或者从这些线上接受信息。这是一组通用线，可用于触发、挂钩、时钟或逻辑状态的传送。VXIbus规范已经定义了同步（SYNC）触发、时钟传送、数据传送、起/停（STST）和外部触发缓冲7种标准工作方式。
ECL触发线 包括ECLTRG0-ECLTRG5，同TTL触发线一样，是一组用于模块之间通信和定时的信号线，但具有更高的工作速度。VXIbus规范已经定义了7种跟TTL触发线类似的标准工作方式。
SUMBUS 相加总线是VXIbus背板上的一条模拟相加接点。每个模块都可以用一个模拟电流源驱动器来驱动这条线，或者通过一个高阻接收器如一个高阻抗模拟放大器。接收来自该总线的信息。
LBUS 本地总线是一种菊花链总线，可以用于相邻安装模块的本地通信。规范已经规定了使用LBUS传送TTL、ECL、模拟低、模拟中和模拟高五种信号的标准。
CLK100和SYNC100 分别是100MHz系统时钟和100MHz同步信号。用于系统中更高精度的定时和触发。
STARX和STARY 星形触发线提供了模块间的异步通信。两条STAR线连接在各模块插槽和0号槽之间。0号槽可提供一个交叉矩阵开关，通过对该开关进行编程可以确定任何两根STARX和STARY线之间的信号路径。
电源线 VXIbus加大了+5和+12V电压的供电功率，增加了+12V（为模拟电路提供）和-2V、-5.2V(为ECL电路提供)电源线。
2.3 VXIbus系统EMC、供电和冷却
VXIbus总线规范规定了系统传导及辐射EMC（电磁兼容）产生和敏感度的上限值。EMC的限定保证了包含敏感电路的模块能够完成所期望的操作，而不受到系统中其他模块的干扰。
为了方便系统集成VXIbus规范要求机箱制造商和模块制造商在其产品规范中给机箱供电和冷却能力以及模块的电源需求和冷却指标。系统集成者可以根据这些指标选择合适的机箱和模块。
2.4 VXlbus系统通信
通信是VXibus标准的又一个重要组成部分。VXIbus总线规范定义了几种器件类型和通信协议。然而，规范为了保证开放性，并没有规定VXIbus主机箱和器件的控制方式，以便厂商可以灵活定义并与高速发展的PC技术同步。下一节将要详细讨论当前流行的几种方式。
每个VXIbus器件都有一个唯一逻辑地址（unique logical address,ULA），编号从0到255，即一个VXIbus系统最多有256个器件。VXIbus规范允许许多器件驻留在一个插槽中以提高系统的集成度和便携性，降低系统成本，也允许一个复杂器件占用多个插槽，VXIbus通过ULA进行器件寻址，而不是通过器件的物理位置。
每个VXIbus器件必须具有图1所示的一组寄存器，这些器件占用VXIbus A16地址空间的高16K。图中所标注的地址是相对于器件基地址的偏移地址。器件基地址计算公式为：
基地址=ULA×3F16+0C00016 （1）
图中A32指针高是指数据的高16位，A32指针低是指数据的低16位，A24指针高是指数据的高12位，A24指针低是指数据的低12位，数据低是指数据的低8位，数据高是指数据的高8位。
最常见的VXIbus器件
是寄存器基器件和消息基器件。
寄存器基器件是最简单的VXIbus器件，通过寄存器读写来通信，常用于功能简单的器件。它通过VXIbus定义的配置元素来完成配置，并通过器件相关寄存器来工作。寄存器基器件具有很高的通信速度，随着众多产品对VXIplug&play标准的支持，其编程难的问题也得到了解决。
消息基器件通常是VXIbus系统中具有本地智能的器件。高性能仪器通常都是消息基的。除了VXIbus系统最基本的配置寄存器外，消息基仪器还具有一组通信寄存器，并支持基于ASCII码的字串行协议，以同系统中的其它消息基器件通信。这样尽管会因为对ASCII码命令进行解析而降低通信速度，但是它可以简化多厂商支持，并简化编码（当然随着VXIplug&play标准的普及而不再显著）。消息基器件的成本较高。
3 VXI总线控制方式
总的来说，VXI控制器有嵌入式和外接式两类，而外接控制器又有很多不同的方案可供选择。
3.1 嵌入式VXI控制器
嵌入式VXI控制器就是把计算机做成VXIbus模块，直接安装到VXI主机箱中，并通常占据0槽位置。大多数嵌入式控制器都基于PC体系，也有部分是基于HP-UX和其它如Lynx-OS实时系统的。采用嵌入式控制器的VXI系统具有最小可能的体积。
嵌入式控制器能够直接访问VXIbus背板信号，并直接读写VXIbus器件的寄存器，而不会像外接控制器那样进行总线转换而引入软件开销，因此具有最高的数据传输性能。
3.2 外接式控制器
VXI总线外接式控制方式是一种灵活而且性能价格比很高的控制方案，得到了十分广泛的应用。根据所采用的外部总线，外接式控制器又有直接扩展和转换扩展两种方式。
直接扩展就是将部分VXI总线信号线直接扩展机箱外作为外总线，连接计算机和VXI机箱控制器，例如MXI/MXI-2总线控制方案。图2给出了一个典型MXI/MXI/MXI-2总线控制方案。图2给出了一个典型MXI/MXI-2系统配置，MXI/MXI-2总线直接将PC扩展总线和VXI总线耦合起来，通过硬件数据传输周期转换，在PC扩展总线和VXI总线之间并行地进行数据传输，具有很高的随机读写和字串行性能。MXI/MXI-2总线还扩展了VXI总线的状态、中断、时钟和触发等总线，是一种高性能外接控制方案。
转换扩展就是用一些跟VXI总线无直接联系的通用总线（如GP-IB、1394、MAX-3、光纤通路等），来连接计算机和VXI总线控制器，从而构成GPIB-VXI、VXI-1394、MXI-3、FOXI等控制方案。图3给出了一个典型的VXI-1394系统。由于这些外总线通常都是串行的或者位数很少的`并行总线，数据传输过程中需要作大量的总线转换工作，首字节延迟较长，随机读写和字串行性能较低。并且采用这些控制方式的计算机不能直接访问VXI总线的状态、中断、时钟和触发等信号线，系统的实时性和同步性能要受到影响。但是这些系统的组建成本通常都相对较低，GPIB-VXI系统可利用已有的GPIB仪器，VXI-1394和MXI-3系统的块数据传输性能高，MXI-3和FOXI总线的工作距离远，因此它们适合在一些性能要求不是很高、经费不很充裕或者有特殊要求的场合中应用。
4虚拟仪器技术的新进展
近年来，虚拟仪器因其强大的性能价格比优势得到了广泛的应用。随着一些新的PC技术和数据采集技术逐渐应用到VI中，VI技术也有了一些新的进展。
4.1 基于Web的虚拟仪器
Web技术在Internet的广泛应用，导致了Browser/Web(B/W)这一新的软件模型的流行。Web与VI技术相结合，便产生了基于Web的VI，其模型如图4所示。
VI服务器实际上就是一台运行了Web服务器和VI应用的计算机，客户机通过浏览器请求运行服务器上的VI。服务器接收到请求后，运行相应的VI，并将结果返回到客户机。基于Web的VI系统可以建立在通用的WWW软件和客户/服务端开发技术基础上，例如使用IIS、Apache等作服务器，使用脚本语言、CGI、XML、JAVA等开发客户端和服务器应用，也可以采用VI厂商的提供的专用软件环境，例如NI公司的DataSocket和Gweb Server等。
4.2 虚拟硬件（VH）
虚拟硬件（Virtual Hardware，VH）的思想源于可编程器件。用户可以通过编程方便地改变硬件的功能和性能参数，从而依靠硬件设备的柔性（Flexibility）来增强其适应性和灵活性。
NI公司的NI5911/5912就是一种典型的采用了柔性精度技术的数字化仪。它由一个专门的数字滤波器、高速ADC、DAC和用于抽取与线性化的DSP组成。对于4～100MHz带宽的信号，系统工作在传统模式下，采样精度为8-bit。当输入信号带宽在4MHz以下时，系统将进入柔性精度状态，采用信号中的宽带量化噪音，对噪音进行电路滤除，然后数据被送到DSP进行线性化处理，并由DSP中的抗混叠滤波器进一步滤除高频噪音，最后用抽取技术按较低速
率重构波形，使有效垂直精度达到8～21bit。
4.3 可互换虚拟仪器（IVI）
IVI技术试图提供一个仪器驱动程序标准，为可互换的仪器提供了一个健壮的框架，并着力解决困优测试系统开发者的仪器性能问题。IVI规范把仪器分成一个系列的子类，例如DMM、示波器、开关等，并按照某一子类仪器最通用的特征和功能来为该子类仪器制定规范。IVI建立在VISA I/O层以上，把传统的仪器驱动程序分成子类驱动程序和仪器专有驱动程序两个子层。专有驱动程序执行传统的仪器驱动程序功能，但是具有性能优化的低层结构和仪器仿真功能。子类驱动程序包含该类仪器的通用功能函数，这些函数直接调用相应的专有仪器驱动程序函数。图5给出了一个采用IVI技术的虚拟示波器体系结构。
“软件就是仪器”是虚拟仪器带给仪器工业的一次革命。虚拟仪器的硬、软件的开放性、模块化、可重复使用的特点，同时借助于VXI总线的系统结构这一构筑虚拟仪器的理想的平台，虚拟仪器系统必然会给现代控制测试领域带来一片新天地。
篇13：VXI总线与虚拟仪器技术
摘要：虚拟仪器技术和VXI总线是当前测试控制领域的热门话题，也是仪器发展和设计的研究前沿。本文回顾了VXI 总线和虚拟仪器技术的发展过程，详细介绍了VXI总线规范并阐述了当前虚拟仪器技术的最新发展。
关键词：VXI总线 虚拟仪器 虚拟硬件
虚拟仪器是以一种全新的理念来设计和发展的仪器。和传统仪器不同，虚拟仪器本质上是一个开放式的结构，用户能够根据自己的需要定义仪器的功能。VXI总线测试平台是公认的21世纪仪器总线系统和自动测试系统的优秀平台。VXI总线模块仪器的`优良的交互操作性，数据传输速率高，可靠性高。体积小，重量轻，功耗低、可移动性好、易维修，价格与传统自动测试系统相比具有巨大的潜力。它的出现为虚拟仪器的发展提供了新的动力，进一步增强了虚拟仪器的功能。
篇14：VXI总线与虚拟仪器技术
20世纪80年代后期，仪器制造商发现GPIB总线和VME总线产品无法再满足军用测控系统的需求了。在这种情况下，HP、Tekronix等五家国际著名的仪器公司成立了VXIbus联合体，并于1987年发布了VXI规范的第一个版本。几经修改和完善，与1992年被IEEE接纳为IEEE-1155-1992标准。
VXIbus规范是一个开放的体系结构标准，其主要目标是使VXIbus器件之间、VXIbus器件与其它标准的器件（计算机）之间能够以明确的方式开放地通信；使系统体积更小；通过使用高带宽的吞吐量，为开发者提供高性能的测试设备；采用通用的接口来实现相似的仪器功能，使系统集成软件成本进一步降低。
VXIbus规范发布后，由于军方对测控系统的大量需求，许多仪器生产厂商都加入到VXIplug&play（VXI既插既用）联盟。联盟是VXIbus联合体的固有补充机构。联盟通过规定连接器的统一方法、UUT接口和测试夹具、共享存储器通信的仪器协议、可选VXI特性的统一使用方法以及统一文件的编制方法来增加硬件的兼容性，并开发一种统一的校准方法。联盟还通过规定和推广标准系统软件框架来实现系统软件的“plug&play”互换性。
虚拟仪器（Vitual Instrumentation，VI）最早是适应PC卡式仪器于1986年由NI公司提出的。所谓虚拟仪器，简单地说就是一组完成传统仪器功能的硬件和软件部件。VI通过软件将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面（通常称为虚拟面板）
操作这台计算机，就象在操作自己定义、自己设计的一台单个传统仪器一样。VI透明地将计算机资源和仪器硬件（如A/D、D/A、数字I/0、
[1] [2] [3] [4] [5] [6]
篇15：小卫星常用数据总线技术
小卫星常用数据总线技术
从20世纪80年代开始,微电子技术的.发展使得制造较高功能密度的小卫星(重量<500kg)成为可能,许多国家开展了相关研究.近几年来,随着微纳米技术的发展,小卫星有了更广阔的发展空间.与大卫星相比.小卫星具有成本低、重量轻、体积小、性能高、功耗低、研制周期短等特点.
作 者：赵剑 尤政 张高飞 作者单位： 刊 名：中国航天 PKU英文刊名：AEROSPACE CHINA 年，卷(期)： “”(2) 分类号：V4 关键词：篇16：VXI总线和虚拟仪器技术论文
20世纪80年代后期,仪器制造商发现GPIB总线和VME总线产品无法再满足军用测控系统的需求了。在这种情况下,HP、Tekronix等五家国际著名的仪器公司成立了VXIbus联合体,并于1987年发布了VXI规范的第一个版本。几经修改和完善,与1992年被IEEE接纳为IEEE-1155-1992标准。
VXIbus规范是一个开放的体系结构标准,其主要目标是使VXIbus器件之间、VXIbus器件与其它标准的器件(计算机)之间能够以明确的方式开放地通信;使系统体积更小;通过使用高带宽的吞吐量,为开发者提供高性能的测试设备;采用通用的接口来实现相似的仪器功能,使系统集成软件成本进一步降低。
VXIbus规范发布后,由于军方对测控系统的大量需求,许多仪器生产厂商都加入到VXIplug&play(VXI既插既用)联盟。联盟是VXIbus联合体的固有补充机构。联盟通过规定连接器的统一方法、UUT接口和测试夹具、共享存储器通信的仪器协议、可选VXI特性的统一使用方法以及统一文件的编制方法来增加硬件的兼容性,并开发一种统一的校准方法。联盟还通过规定和推广标准系统软件框架来实现系统软件的“plug&play”互换性。
虚拟仪器(Vitual Instrumentation,VI)最早是适应PC卡式仪器于1986年由NI公司提出的。所谓虚拟仪器,简单地说就是一组完成传统仪器功能的硬件和软件部件。VI通过软件将通用计算机与仪器硬件结合起来,用户可以通过友好的图形界面(通常称为虚拟面板)
操作这台计算机,就象在操作自己定义、自己设计的一台单个传统仪器一样。VI透明地将计算机资源和仪器硬件(如A/D、D/A、数字I/0、定时器和信号调理器等)的测试、控制能力结合在一起,通过软件实现地数据的.分析处理和表达,从而能更迅速、更经济、更灵活地解决测试问题,并有效地降低了系统组建成本。
2 VXI总线系统规范简介
VXI总线系统或者其子系统由一个VXIbus主机箱、若干VXIbus器件、一个VXIbus资源管理器和主控制器组成,零槽模块完成系统背板管理,包括提供时钟源和背板总线仲裁等,当然它也可以同时具有其它的仪器功能。资源管理器在系统上电或者复位时对系统进行配置,以使系统用户能够从一个确定的状态开始系统操作。在系统正常工作后,资源管理器就不再起作用。主机箱容纳VXIbus仪器,并为其提供通信背板、供电和冷却。
VXIbus不是设计来替代现存标准的,其目的只是提高测试和数据采集系统的总体性能提供一个更先进的平台。因此,VXIbus规范定义了几种通信方法,以方便VXIbus系统与现存的VMEbus产品、GPIB仪器以及串口仪器的混成。
2.1 VXI总线系统机械结构
VXIbus规范定义了四种尺寸的VXI模块。较小的尺寸A和B是VMEbus模块定义的尺寸,并且从任何意义上来说,它们都是标准的VEMbus模块。较大的C和D尺寸模块是为高性能仪器所定义的,它们增大了模块间距,以便对包含用于高性能测量场合的敏感电路的模块进行完全屏蔽。A尺寸模块只有P1、P2和P3连接器。
目前市场上最常见的是C尺寸的VXIbus系统,这主要是因为C尺寸的VXIbus系统体积较小,成本相对较低,又能够发挥VXIbus作为高性能测试平台的优势。
2.2 VXI总线系统电气结构
VXIbus完全支持32位VME计算机总线。除此之外,VXIbus还增加了用于模拟供电和ECL供电的额外电源线、用于测量同步和触发的仪器总线、模拟相加总线以及用于模块之间通信的本地总线。
VXIbus规范定义了3个96针的DIN连接器P1、P2和P3。P1连接器是必备的,P2和P3两个连接器可选。三个连接器的具体的信号分配可参见文献[2]。下面对VXIbus在VMEbus总线基础上增加的用于高性能仪器的部分总线作一个简要的介绍。
CLK10时钟线 是一个10MHz的系统时钟,用于模块之间的精确同步。该信号源于0号槽,被分别差分送至各个模块插槽。
MODID线 模块识别线,可以通过特有的物理位置或插槽类识别逻辑器件。这些线自0号槽分别送至1号槽至12号槽。系统自动配置时必须用到MODID线。
TTL触发线 包括TTLTRG0~TTLTRG7,是一组用于模块间通信的、集电极开路的TTL信号线。包括0号槽在内所有模块都可以驱动这些线或者从这些线上接受信息。这是一组通用线,可用于触发、挂钩、时钟或逻辑状态的传送。VXIbus规范已经定义了同步(SYNC)触发、时钟传送、数据传送、起/停(STST)和外部触发缓冲7种标准工作方式。
ECL触发线 包括ECLTRG0-ECLTRG5,同TTL触发线一样,是一组用于模块之间通信和定时的信号线,但具有更高的工作速度。VXIbus规范已经定义了7种跟TTL触发线类似的标准工作方式。
SUMBUS 相加总线是VXIbus背板上的一条模拟相加接点。每个模块都可以用一个模拟电流源驱动器来驱动这条线,或者通过一个高阻接收器如一个高阻抗模拟放大器。接收来自该总线的信息。
LBUS 本地总线是一种菊花链总线,可以用于相邻安装模块的本地通信。规范已经规定了使用LBUS传送TTL、ECL、模拟低、模拟中和模拟高五种信号的标准。
CLK100和SYNC100 分别是100MHz系统时钟和100MHz同步信号。用于系统中更高精度的定时和触发。
STARX和STARY 星形触发线提供了模块间的异步通信。两条STAR线连接在各模块插槽和0号槽之间。0号槽可提供一个交叉矩阵开关,通过对该开关进行编程可以确定任何两根STARX和STARY线之间的信号路径。
电源线 VXIbus加大了+5和+12V电压的供电功率,增加了+12V(为模拟电路提供)和-2V、-5.2V(为ECL电路提供)电源线。
篇17：WorldFip-现场总线的又一颗新星
WorldFip-现场总线的又一颗新星
一、概述
WorldFip现场总线组织成立于1987年。目前已有一百多个成员，其中许多是工控领域的世界著名大公司，如Honeywell、西技来克(Cegelec)、阿尔斯通(Alstom)、施耐德(Schneider)等。前期产品是Fip(Factory Instrumentation Protocol)。Fip是法国标准，后来采纳了IEC国际标准(61158-2)改名为WorldFip。相应的欧州标准是EN50170-3。不久前国内也成立了“WorldFip技术推广中心”。我国引进的一些大型工程，如上海地铁、岭奥核电站、军粮城电厂等都可以看到这种现场总线。目前正在建造的世界上能量最高的大型强子对撞机已选定WorldFip为工程标准总线之一。该加速器周长27公里，耗资数十亿美元，将于2004年建成。笔者在参与该工程现场总线评估和应用过程中，对该总线的特点有所了解，简介如下。
由于篇幅的限制，这里只介绍其有特色之处。网络管理、远程服务、远程下载、出错处理、广播方式、重新同步、应答方式等等与其它网络协议差不多的部分不在这里介绍。
二、WorldFip的特点
WorldFip总线是面向工业控制的，其主要特点可归纳为实时性、同步性、可靠性。
WorldFip 目前使用的传输速率是31.5K，1M和2.5M。典型速率为1M bit/s。典型的传输介质是工业级屏蔽双绞线。对接线盒、9针D型插头座等都有严格的规定。每个网段最长为1公里。加中继器(Repeater)以后可扩展到5公里。
WorldFip与Internet类似，使用曼彻斯特码传输。但它是一种令牌网。网络由仲裁器和若干用户站组成。
WorldFip 使用信息生产者和消费者的概念，和通常意义上的输出量、输入量略有区别。每个生产者或消费者变量有一个IP地址。每个用户站可以有例如16个生产者/消费者变量。任何时候，生产者只能有一个，而消费者可以是1个或多个。
WorldFip的设计思想是，按一定的时序，为每个信息生产者分配一个固定的时段，通过总线仲裁器诸个呼叫每个生产者，如果该生产者已经上网，应在规定时间内应答。生产者提供必要的信息，同时提供一个状态字，说明这一信息是最新生产的，还是过去传送过的老信息。消费者接收到信息时，可根据状态字判断信息的价值。
WorldFip 将信息分为：周期性同步数据、周期性异步数据和非周期性消息包。同步数据严格地按确定的时序呼叫，接下去是周期性异步数据，用于对同步性要求不太高的数据传送。最后呼叫消息包。周期性同步数据、异步数据用于时序要求严格，数据包不大的信息(8~128字节)，消息包指时序要求不严格，数据量大的信息，例如每包256字节。形象地比喻，网线可以看成一个流水的管道。一半(或1/3、2/3,由用户设计)流的是水，是不可压缩的。即周期性同步和异步数据。另一半可以看成是空的，留给非周期性消息包的传送。
网络仲裁器是整个网络通信的主宰者。网络仲裁器轮番呼叫每一个生产者变量。整个网线上总是有信号的。如果若干时间间隔内(例如几十毫秒)没有监听到网上的信号、则可以诊断为网络故障，此时可以自动将冗余热备份网线切换上去，也可以设计成各用户站回本质安全态。WorldFip 在网络安全性方面的考虑有其独到之处。在一个网络中可以有一个或多个网络仲裁器。在任意给定时刻，只有一个在起作用，其他处于热备份态，监听网络状态。而每个用户站的网络冗余则是通过一个控制器驱动两路驱动器，接入两个独立的网线实现的。当一个网线被破坏，自动切换到另一网线。
三、WorldFip 协议
除用户层外，WorldFip使用以下三层通信协议：应用层、数据链路层、物理层。
用户层指有用的信息，一个变量(生产者或消费者)，可以是8字节，也可以是16、32、48......乃至128字节。一则消息，则可以长至256字节。以下三层是在WorldFip网络控制器中自动实现的，不需要用户CPU干预。它相应于7层网络通信协议的1、2和7层。
应用层在用户层信息的前面加上两个字节的识别码（ID）。这两个字节第一个是变量类型即所谓PDU类型。第二个字节是数据长度。
数据链路层则在应用层基础上加上一头一尾。头上是一个字节的状态字，表示该信息是最近刷新的，还是重复以前的数据。尾上加两个字节，用于CRC校验。
到物理层，则在数据链路层基础上再加上头尾。头上加两个字节，一个是前同步字符，由10101010组成，第二个是帧开始分界符，由1、高电平、低电平、1、零、高电平、低电平、零组成。尾部加一个帧结束字节，由1、高电平、低电平、高电平、低电平、1、零、1、组成。
综上所述，三层协议一共在有用信息两端增加了8个字节。当速率为1M时，帧与帧之间的间隔可设定在10～70μS之间。如果每个数据都是8字节，有用通量在200K～300 Kbit/s之间。如果数据长度为128字节，有用通量可达800K bit/s。
在1M速率下，如果扫描周期为10mS。假设5mS用于周期性同步和异步数据，5mS用于传送信息包，则5mS中可以扫描23个8字节变量或4个128字节变量。如果网上真的有250个用户站，每站有16个变量，即总共4000个变量，一半的时间留给消息包传输，则一次扫描约需要2秒。
四、WorldFip总线典型器件
1、用于总线仲裁器的典型IC是VLSI公司的FullFip2。这是一个84引脚的芯片，使用时需要外扩独享存储器(Private memory)。有最多2M寻址空间，可主管最多4000个用户站，6万个以上变量。考虑到上述扫描周期不宜太长，用户站不可能这么多。
该芯片可方便地与Intel CPU或Motorola 单片机接口。可设计成PC机内的一块总线仲裁
卡，也可以方便地与Motorola 16/32位单片机接口，例如MC68HC3XX、MC68HC16等。
FullFip2与WorldFip的连接是通过总线驱动器经变压器耦合实现的。
FullFip2主要用于总线仲裁，也可用于用户站。FullFip2内部有近100个寄存器，编程时较为复杂。一些公司提供C语言的函数库用于总线仲裁器的编程与开发。
2、MicroFip是一种低价位、用于用户站的IC，也是VLSI产品。对于I/O端口≤16的用户站，MicroFip可独立工作(Stand alone 方式)。用户事先定义的，网络故障时各输出端口应该输出的值、初值等参数可远程下载。这是一个100引脚的`表面贴芯片。
作为单片机接口芯片，它可以方便地与8051、68HC11/12/16等单片机接口，此时该用户站可处理16个变量(生产者或消费者)。由于片内有512字节的变量缓冲区，每个数据变量的大小可为n×8字节(0≤n≤7)。而最长的消息包可以大到256字节。
3、总线驱动与变压器。WorldFip用的总线驱动器与其它总线驱动器的不同之处在于，除了实现曼彻斯特编码、解码功能之外，它还提供总线监听与看门狗功能，这为总线的热备份、总线冗余提供了方便，提高了总线的安全性。
总线驱动芯片是一个28引脚的表面贴芯片。
变压器用于驱动器与传输介质的隔离，驱动器与变压器之间应加上保护与抗干扰措施。
符合WorldFip协议的芯片还有一些，如FIPIU2、FIPCOI等。不在此详述。
五、开发工具
除一些公司提供用于FullFip2和MicroFip编程的C语言程序库以外，最值得一提的是WorldFip协议分析器。其硬件是插在PC机内的一块卡。用于采集WorldFip网线上的信号。软件名为Fip Watcher。在Windows下运行。开发者给定触发条件以后，Fip Watcher在屏幕上显示数据包的内容和每个数据包之间的时间关系。这个工具硬件相当简单，而使用起来比示波器、逻辑分析仪都方便、直观，价格也便宜许多。
另外，一些公司还提供开发散件，包括主要控制器芯片，驱动器芯片，变压器等。也有PC机上的演示板，用于总线仲裁器。或者一块PC 机上的卡，使某一PC机成为一个用户站。还有以MicroFip芯片加驱动、变压器耦合等三部分组成的评估板可供使用。该板可单独使用，也可以方便地与Intel 8051或各种Motorola 单片机接口。
六、目前存在的一些问题和应用前景
由于WorldFip的发展经历了一个十余年的发展过程，而最终被国际上认可成为国际标准还是最近几年的事。各公司都声称支持WorldFip现场总线协议，而不少公司使用的是他们自己设计的专用芯片。使用的类似标准有Fip、FipIO等等。如果全部使用某公司的产品，一般不会有什么问题。这些公司还提供上层的编程工具等。如果同时使用两家不同公司的产品，或将根据WorldFip协议自行开发的设备连入从某公司购得的网络，则会出现数据格式不一致，不能接入的问题。
在大型强子对撞机工程中，欧洲核子研究中心希望购买施耐德公司的PLC，用于总线仲裁，而用户站则将根据需要自行开发，结果出现了上述问题。目前此类问题正在解决之中。
由于WorldFip现场总线依照工业控制系统的要求，不但严格定义了通信协议，也严格定义了符合工业标准的传输介质、接线盒、插头座等。在实时性、同步性、冗余性方面独具特色。速度更高的、以光纤为介质的高速网也不断推出。预计将来的几年中，在工控领域，WorldFip总线将会得到越来越广泛的应用。
