编者按：从本期开始，特辟“总线论坛”，采用此种形式，一方面，从一角度，以一种总线为例，介绍其技术、产品、应用等。另一方面，在此热情诚恳欢迎广大专家、学者及工程技术人员积极参与、各抒己见、百家争鸣，以推动现场总线技术在国内的成功广泛应用。
 

     欢迎来电、来函、来E-mail参与讨论！

     前言
 

    自2000年IEC学会宣布的八种现场总线技术作为国际标准后，在国际上已结束关于究竟采用哪种总线技术的争论。但是现场总线仍是一种正在发展中的技术，而且一直处在不断完善的过程中。所以现在正是我们加快自己开发的步伐，缩短与国外技术差距的的最好时机。问题是我们要发展，要开发现场总线的前提是要掌握和了解现场总线是一种什么样的技术和在工业自动控制领域中占有的地位。尤其重要的是——现在不是争论到底应该用哪一种现场总线，哪一种现场总线应该成为中国的总线标准的时候，而是对几种比较重要的现场总线的技术进行深入的研究，取精用弘，融会贯通，以形成一个完整的中国式现场总线的发展体系。基于这种想法，我想借“总线论坛“一角，抛砖引玉，先介绍一种在国内尚未“成名”，但又在国际上得到最广泛应用的现场总线——INTERBUS（采用这种技术的设备90％是进口的），然后再讨论一下目前几种重要的现场总线。

    INTERBUS技术是德国PHOENIXCONTACT公司（一家中小型私人企业）研究和开发的现场总线，作为一种最早开发的现场总线，现已广泛地应用于汽车工业、仓储及传送技术、烟草工业、造纸工业、包装工业、食品工业等。1996年成为DIN19825德国标准，1998年成为EN50254欧洲标准，2000年成为IEC61158国际标准。全球1000多个生产厂家提供2500多种总线产品，目前已经超过400万节点，四十多万个系统应用在世界各地，使INTERBUS成为国际上应用最广泛的现场总线之一。

为什么INTERBUS现场总线能成为一种非常成熟、稳定、可靠的总线，如果说八种现场总线国际标准的产生是一个政治的产物，是协调各国利益的最后产物，那么为什么德国却有两种国际标准的现场总线。如果说一般具有国际标准的现场总线都是由著名的跨国公司研制开发出来，并通过强大的经济实力和政治背景推广到市场上，那么为什么一家以生产工业连接件为主导产品的中小型企业也能研制开发具有国际先进水平的现场总线，而且在世界自动化领域中占有一席之地？以下就这些问题我想作些分析，并希望与同行进行交流。

    一  为什么要采用现场总线技术

    为什么要采用现场总线技术，再次提出这个问题似乎是老生长谈了，但是明确这个问题对于开发什么样的现场总线却有重要的意义。所以这里不妨再总结一下。

    1  控制系统的发展推动了现场总线技术的诞生

    总线（Bus）的概念由来已久，现场总线（Fieldbus）的诞生是在80年代初。它的出现根本原因是实践和用户的需要，实践的需要是产生现场总线的动力。在80年代初，工业自动化控制领域发生了什么变化呢？计算机技术、IC技术的迅猛发展越来越广泛地应用到PLC控制器上，使之能力越来越强，可带检测，变送器和执行器的点数和控制回路越来越多。越来越多的信号需要进行传输，需要越来越多点到点的电缆，这样增加了线路敷设设计的复杂性，也增加了投资和安装，调试与维护的费用。系统的安全型和可靠性也大大降低。因此用户迫切需要一种新的工业通信技术，通过采用这种技术可降低电缆及其相关的成本，并能将一部分的控制功能分散到现场输入/输出设备上，提高系统的安全性和可靠性。

    2  串联通讯方法实现了现场总线的技术

    要实现新的工业通信技术的关键是要采用新的传输方法。常规的点到点的传输方法，即并联传输方法已明显地不能满足大量现场数据的传输任务，特别对于模拟量信号的传输更需要用特殊的导线，以提高传输的抗干扰能力。并联传输时，传输的信号越多、需要连接的导线也越多。更重要的是采用并联传输方法的控制系统都属于封闭式的控制系统，很难实现不同系统之间的信号交换。而采用串联传输方法就可将以上问题迎刃而解。图1表示的是用

 

    3  采用简化的通讯网络结构实现了现场总线在工业领域中的成功应用

    对于传统的并联传输来说，信号的传输都采用点到点的传输（实际是简单的连接），不存在传输网络的问题，当确定采用串联传输方法来实现工业控制器与现场设备的信号传输后，就产生了另一个问题：怎么样才能使控制器发出的信号送入每个现场设备（执行器）中去，又怎样从每个现场设备上（变送器）取得信号，这也就是工业通信应该采用什么样的网络。计算机的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是不确定，而且可以采用多种路径。但是在工业网络中就不必采用这种网络。所以现在大部分现场总线的结构采用线状的或环状的，虽然它的拓扑可以是总线型、回路型，但是通讯路径是固定的。这种简化的网络结构使通信技术能够在工业控制领域得到应用，也使工业控制系统的设计更加能适应实践的需要。

    实践证明，现场总线与并联传输方法相比有很大的优点，由于减少导线，节省了设计时间，也节省了连接件，减少了控制柜的尺寸，同时先进诊断功能也可以减少停机时间，提高生产效率。同时现场总线对于模拟量信号的传输要比并联传输具有更高的可靠性。开放性的现场总线统一了与不同现场设备的接线方法，使系统更加灵活，方便。实践证明，采用现场总线技术可以减少50％以上的控制柜的空间，免去DA及AD的传换，提高了控制精度，减少66％以上的电缆的用量，并能使控制系统智能分散化。所有这些优点无疑使现场总线在最近十年在全世界得到了越来越多的应用。图2表示的是控制柜过去和现在的重大变化。

 

图2
 

    二  选择现场总线系统的关键是什么

    现场总线的技术实际是采用串联数据传输和连接的方法代替传统的并联信号传输连接的方法，以此实现了控制层与现场设备层之间的数据传输。所以选择现场总线系统的关键首先是要区别两种传输方法的优缺点和不同点。图3表示了两种不同传输方法的不同的导线连接方法。表1列出了并联传输与串联传输的特点。通过对这两种传输方法的分析，可以了解到什么是选择现场总线系统的关键。

 

    从表1可以看到串联传输方法在安装、设计、调试以及连接技术上有明显的优点，但在通信的方面，如传输时间、实时时间、循环时间、传输的确定性以及诊断等方面逊于并联传输方法。因此当我们选择现场总线系统的时候，要注意以下几点：

(1)  总线能传输不同类的数据 由于一个总线系统必须能与不同的设备相连，从传输数据长度仅为1位到16位的简单数字量（过程数据）输入/输出模块，到复杂、智能式的仪器仪表，变频器，控制器和机器人等。此类设备需要传输的数据较为复杂（参数数据），从32位到1K。这些数据主要作为智能化的现场总线设备的参数设定，设备的初始化。这两种数据具有完全不同的要求和特点，但是选择的总线系统中必须能同时传输过程数据和参数数据。

表1

    (2)  总线系统的开放性 一个总线必须具有强大的开放性，这开放性指两方面，一方面能与不同的控制系统相连接，另一方面其通讯的需要必须开放，便于用户的自行开发。
 

    (3)  总线的循环周期 一个总线系统中所有过程数据更新一次的时间，一般应在1～5ms之间

    (4)  总线的传输时间 总线的传输速度要求越快越好。速度越快，表示系统的响应时间就越短，但是传输速度的快速不能仅靠提高传输速率来解决。

    (5)  传输周期的确定性 总线系统传输必须具有确定的时间，即控制器发出控制值的时间间隔及接收现场总线设备实际值的时间间隔必须是一个定值，这样才能保证完成控制和调节的任务。

    (6)  协议效率 指采用数据传输的协议帧中必须要有程序处理的用户数据所占的比率。

    (7)  传输的安全性 在选择总线系统时必须注意到传输效率这一点，在传输效率高的前提下，可以选择比较低的传输速率。因为采用低的传输速率接线数据通信，有较高的抗干扰能力，而且传输距离长。（如500K的传输速率，最大传输距离为400米；而12M的传输速率，最大距离是100米）

    (8)  传输媒介 一个完整的现场总线系统，除了构成网络的范围（即最大距离）是一个重要的指标外，同时能否在一个总线系统中实现在不同的总线段之间采用不同的传输媒介，也是一个重要的因素。它使系统的构成更为灵活，更符合工况实际的要求。

    (9)  诊断功能 当系统发生故障时，诊断功能不仅能找出错误，而且不需特殊的工具，就能纠正故障。同时能够方便地替换坏的模块，以减少停机时间，提高工作效率。

    (10)  成熟的现场总线技术 选择的总线系统必须有生命力，是一种成熟的技术，具有国际标准的技术，这样才能保证其总线产品能长期提供。

    综上所述，如果我们选择一个变送器/执行器总线，就必须满足以下要求：① 同时互不干扰地传输过程数据和参数数据；② 总线的采样周期必须少于5ms；③ 每个现场总线设备的字长为8～16位；④ 整个总线系统至少可以带100个以上的现场总线模块；⑤ 循环周期的时间必须可以计算；⑥ 循环周期的时间是恒定的；⑦ 尽量低的传输速率，尽量高的传输效率。