“旻瑶珠”通过精心收集，向本站投稿了6篇dcs及现场总线技术总结，下面是小编给各位读者分享的dcs及现场总线技术总结，欢迎大家分享。
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3：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4：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5：COM组件技术在现场总线控制系统组态软件中的应用
COM组件技术在现场总线控制系统组态软件中的应用
摘要：简要介绍现场总线控制系统的组成以及组成软件的功能，重点讲述了COM组件技术在组态软件中的应用及VxD驱动程序的开发。关键词：现场总线组态软件COMVxD
COM（ComponentObjectModel）组件技术是构造二进制兼容软件的规范，通过它可以建立能够相互传输数据的组件，其服务器-客户机结构非常适合工控软件应用程序的开发。由于工控软件不仅包括PC机上的HMI（人-机界面）程序，还包括与各种基于ISA或PCI总线的数据采集卡进行数据交换的程序，这部分程序对开人员的硬件水平要求较高，而且开发难度较大，与HMI程序是相互独立的，所以可以把工控软件分成两部分，即把HMI程序作为客户机端程序，把与硬件进行数据交换的程序作为服务器端程序。基于这种思想，本文将服务器-客户机结构应用到现场总线控制系统的组态软件中，着重介绍客户机和服务器的功能及实现。首先介绍现场总线控制系统的组成。
1系统组成
现场总线控制系统主要由PC机、ISA或PCI总线智能适配器、智能测控模块、组态软件、HMI软件、COM服务器、用户软件等构成。
现场总线系统中所有信息的传递都是双向的，COM服务器介于智能适配器和上位机软件之间，负责完成数据的传输。上位机软件相当于客户机端应用软件，它使用COM服务器提供的接口来操作适配器，对适配器进行初始化及向特定单元写入和读出数据。
由于在Windows保护模式下不能直接访问存储器，所以需要编写VxD驱动程序，将物理地址转换成线性地址，然后COM就可以象使用DLL一样调用VxD的函数，完成对ISA或PCI总线智能适配器的操作。
从测控模块到上位机软件自下而下的数据传输完成了用户对测控模块的监测；而上层软件通过COM将数据送往适配器，再由适配器送往测控模块，实现了用户对测控模块工作参数的设置及工作状态的管理。图1给出了系统软件结构框图。
2组态软件的功能
现场总线控制系统组态软件是一套基于Windows98和Windows平台（或更高版本）、用于快速构造和生成上位机监控系统的组成软件，它提供了从数据采集到数据处理、远程控制、报警处理、报表输出等实际工程问题的完整解决方案。它使用COM服务器提供的接口与适配器进行数据交换，是COM客户机端的程序。
3COM组件技术
组件是完成一定功能的软件块，可以被其它程序使用，而且容易替换。为了使每个人编写的组件具有可移植性，必须建立一个标准，保证其兼容性和可互换性。COM正是这样一种标准，遵循COM规则就可以建立能够相互交换数据的.组件。
在现场总线控制系统中，COM组件服务器负责组态软件等上位机软件与智能适配器之间的数据传输，因为适配器通过CAN现场总线与测控模块连接，所以对适配器的操作就是对模块的监测与控制。
COM服务器提供的接口中有适配器初始化、模块检查、向模块发送数据及读取模块数据等函数。下面着重介绍数据发送接收模式及如何编写这4个有代表性的函数。
3.1适配器初始化函数
只有适配器初始化成功后，才能进行其它操作。由于在Windows保护模式下不能直接访问适配器，COM程序需要调用VxD程序将存储对应的物理地址转换成线性地址指针lpBaseAddress，这样对适配器的操作就转换成对以该指针为首地址的数组的操作。向这个数组的0x3F0、0x3F1和0x3F8单元分别写入上闰机节点号以及适配器与模块间的通信波特率和适配器程序规定的命令字0xC6（表示适配器初始化），等待几十ms后，如果适配器接收到上面的数据并做出适当的反应，它会将0x3F8单元清零，这就表示初始化适配器成功；如果该单元不为零，则初始化失败。
3.2数据传输格式
适配器初始化成功后，就可以同它交换数据了。下而简单说明一下发送数据和接收数据的格式。
适配器初始化得到的线性地址指针lpBaseAddress的1～5单元分别存放上位机节点号、模块节点号、保留字、发送或接收字节长度及模块操作的命令字。lpBaseAddress[6]～lpBaseAddress[256]存放所要发送的数据；从lpBaseAddress[0x106]单元开始存放接收到的数据，lpBaseAddress[0x3F8]存放操作适配器的命令字，适配器根据这个单元内容进行处理，如果是0xC6，则初始化适配器和模块上的CAN控制器；如果是0xC7，则将数组里的数送给模块上的E2PROM，模块收到数据后根据lpBaseAddress[5]的命令字进行相应处理；如果是0xB0，则按照接收到的数据配置模块工作状态；如果是0xA5，则将此时的测量值送到适配器上，由COM程序读出。
3.3模块检查函数
适配器初始化成功后，还要检查适配器与下面的测控模块
是否连接好，或者是否存在组态软件要组态的模块，也就是要进行模块检查操作。模块检查的命令字是0xAD，向数组的1～5单元分别写入上位机节点号、模块节点号、保留字、发送数据长度和模块检查命令字0xAD，向0x3F8单元写入0xC7（表示向适配器写入数据），等待几十ms后，如果0x3F8单元清零而且0x100单元被置为0xAA，表示该模块存在而且可以通信；否则，表明该模块不存在或者硬件上有问题。
3.4写适配器数据函数
在确定了网络中存在哪些可通信的模块之后，就可以向它们发送数据并进行配置。为了实现向适配器发送数据，总共编写了4个函数、SendData（[in]BYTESendBuf[256]）、SendFinish([in]BOOLbFinish)、FinishQuery（[out]BOOL*bFinish）和ReceiveResult([out]BOOL*bSendFinish)。SendData负责把一个模块所需要发送的数据以数组的形式放到服务器的一个二维数组（Room[64][256]）里，每个模块的数据作为一行。由于向适配器发送数据后，要等待一段时间判断模块是否接收成功，所以SendFinish中开启辅助线程来发送数据并等待结果，这相可不占用COM主程序的时间，使客户调用接口函数后能立即返回，执行其它操作。FinishQuery查询数据发送是否结束。ReceiveResult弹出一个非模式对话框，显示哪些模块接收到数据，哪些没有。
3.5读适配器数据函数
除了向适配器发送数据，还可以从适配器上读取模块传上来的数据。读取数据的命令字是0xA5。实现该任务的函数是GetPV([in]BYTEbDesNode，[out]floatvalue[8])，第一个参数是模块节点号，第二个参数是返回的测量值数组。
这里，COM是用ATL编写的本地服务器，COM对象的线程是套间线程。接口定义了6个函数，COM程序流程图如图2所示。
COM对象接口的函数声明以及适配器初始化的程序如下：
COM接口定义：
interfaceINCardWork:IDispatch
{
[id(1),helpstring(“适配器初始化函数，返回值为是否成功”)]
HRESULTNcardInit([in]BYTE
bSrcNode,[in]BYTEbIntrAdd,[in]BYTEbRate,[in]longbSegmantAdd,[out]BOOL*flag);
[id(2),helpstring(“将客户端传送的数组赋值给Room[][]”)]
HRESULTSendData[in]BYTESendBuf[256])；
[id(3),helpstring(“启动多线程”)]
HRESULTSendFinish([in]BOOLbFinish);
[id(4),helpstring(“此函数返回值表示数据是否已向下位机发送完毕，同时可显示哪些模块未被配置，通常在此函数前先用FinishQuery([out]BOOL*bFinish)查询发送是否完毕”)]
HRESULTReceiveResult([out]BOOL*bSendFinish);
[id(5)],helpstring(“此函数返回值表示数据是否已向下位机发送完毕，“真”表示发送完毕”)]
HRESULTFinishQuery([out]BOOL*bFinish);
[id(6)，helpstring(“网络检查，用来在发送数据前检测是否有该节点存在”)]
HRESULTNetCheck[in]BYTEsour,[in]BYTEdes,[in]BYTEtype,[out]BOOL*flag);
[id(7),helpstring(“读取模块的测量值”)]
HRESULTGetPV([iv]BYTEbDesNode,[out]floatvalue[256])；
}
适配器初始化函数：
#include
#include“winioctl.h”
//包含其它头文件
……
STDMETHODIMPCNCardWork::NcardInit(BYTEbSrcNode,BYTEbIntrAdd,BYTEbRate,longbSegmentAdd,BOOL*flag)
{
NcardCtrlcardctrl;//NcardCtrl类的函数调用VxD函数
exbSrcNode=bSrcNode;//给上位机节点赋值
exbRate=bRate;//下位机与适配器的通信波特率
BOOLtransfersign;//初始化是否成功标志
DWORDdwSegmentaddress=bSegmentAdd;//适配器段地址
HANDLEhDevice=NULL;//指向线性指针对句柄
LpBaseAddress=(PBYTE)cardctrl.MapLinearAddress(dwSegmentaddress,0x400,hDevice);
//调用VxD函数，获得指向ISA总线物理地址的线性地址指针
cardctrl,UnMapLinearAddress(lpBaseAddress,hDevice);
//关闭VxD
//调用适配器初始化函数
_outp(0x310,0x01);//打开邮箱锁
lpBaseAddress[0x3F0]=bSrcNodeNumber;//上位机节点号
lpBaseAddress[0x3F1]=bRate;//波特率
lpBaseAddress[0x3F8]=0xC6;//适配器初始化命令字
DrvDelay(20,false);//延时20ms
…………//初始化后其它操作
_outp(0x310,00)；//关闭邮箱锁
returnS_OK;
}
4虚拟设备驱动程序
VxD是虚拟设备驱动程序（VirtualDeviceDriver）的缩写，中间的x表示某一设备。它能够无限制地访问所有硬件设备、自由地检测操作系统的数据结构（如描述符和页表）以及访问任何内存位置。
本文中，VxD将ISA总线对应的物理地址转换成段线性地址，供应用程序使用。VxD的开发工具是VtoolsD，转换时用的函数为MapPhysToLinear。以下是部分程序代码：
//定义结构体
typedefstruct_MapDevRequest
{
PVOIDmdr_PhysicalAddress;DWORDmdr_SizeInBytes;
PVOIDmdr_LinearAddress;WORDmdr_Status;
}MAPDEVREQUEST,*PMAPDEVREQUEST;
#include
//包含其它头文件
…………
PARAMSpDIOCParams
{
PMAPDEVREQUESTpRea;//自己定义的结构体
switch(pDIOCParams->dioc_IOCtlCode)
{
caseDIOC_OPEN:
caseDIOC_CLOSEHANDLE:break;
caseMDR_SERVICE_MAP:
pReq=*(PMAPDEVREQUEST*)pDIOCParams->dioc_InBuf;
pReq->mdr_LinearAddress=MapPhysToLinear
(pReq->mdr_PhysicalAddress,pReq->mdr_SizeInBytes,0);
if(pReq->mdr_LinearAddress==NULL)
pReq->mdr_Status=MDR_STATUS_ERROR;
else
pReq->mdr_Status=MDR_STATUS_SUCCESS;
break;
caseMDR_SERVICE_UNMAP:break;
default:
returnERROR_INVALID_FUNCTION;
}
returnDEVIOCTL_NOERROR;
}
在现场总线控制系统中使用COM组件技术，不仅可以使数据传输部分的功能独立于客户端程序，减小开发难度，而且使其可以被任何支持二进制代码的程序如Excel电子表格等直接调用。当系统中采用服务器和客户端方式时，代码更加易于维护。即使要升级服务器端程序，只要接口不变，其客户端程序也完全不需要修改，大量后续工作被减轻。象服务器端一样，客店端也只需关心服务器的接口，而不必考虑其如何实现数据交换。也就是说，COM服务器或客户机中的一端功能发生改变，只要其接口保持不变，另一端不需修改就可以工作。本文所介绍的技术已在胜利油田某注水站等实际工程项目中得到成功的应用。
篇6：COM组件技术在现场总线控制系统组态软件中的应用
COM组件技术在现场总线控制系统组态软件中的应用
摘要：简要介绍现场总线控制系统的组成以及组成软件的功能，重点讲述了COM组件技术在组态软件中的应用及VxD驱动程序的开发。关键词：现场总线 组态软件 COM VxD
COM（Component Object Model）组件技术是构造二进制兼容软件的规范，通过它可以建立能够相互传输数据的组件，其服务器-客户机结构非常适合工控软件应用程序的开发。由于工控软件不仅包括PC机上的HMI（人-机界面）程序，还包括与各种基于ISA或PCI总线的数据采集卡进行数据交换的程序，这部分程序对开人员的硬件水平要求较高，而且开发难度较大，与HMI程序是相互独立的，所以可以把工控软件分成两部分，即把HMI程序作为客户机端程序，把与硬件进行数据交换的程序作为服务器端程序。基于这种思想，本文将服务器-客户机结构应用到现场总线控制系统的组态软件中，着重介绍客户机和服务器的功能及实现。首先介绍现场总线控制系统的组成。
1 系统组成
现场总线控制系统主要由PC机、ISA或PCI总线智能适配器、智能测控模块、组态软件、HMI软件、COM服务器、用户软件等构成。
现场总线系统中所有信息的传递都是双向的，COM服务器介于智能适配器和上位机软件之间，负责完成数据的`传输。上位机软件相当于客户机端应用软件，它使用COM服务器提供的接口来操作适配器，对适配器进行初始化及向特定单元写入和读出数据。
由于在Windows保护模式下不能直接访问存储器，所以需要编写VxD驱动程序，将物理地址转换成线性地址，然后COM就可以象使用DLL一样调用VxD的函数，完成对ISA或PCI总线智能适配器的操作。
从测控模块到上位机软件自下而下的数据传输完成了用户对测控模块的监测；而上层软件通过COM将数据送往适配器，再由适配器送往测控模块，实现了用户对测控模块工作参数的设置及工作状态的管理。图1给出了系统软件结构框图。
2 组态软件的功能
现场总线控制系统组态软件是一套基于Windows 98和Windows 2000平台（或更高版本）、用于快速构造和生成上位机监控系统的组成软件，它提供了从数据采集到数据处理、远程控制、报警处理、报表输出等实际工程问题的完整解决方案。它使用COM服务器提供的接口与适配器进行数据交换，是COM客户机端的程序。
3 COM组件技术
组件是完成一定功能的软件块，可以被其它程序使用，而且容易替换。为了使每个人编写的组件具有可移植性，必须建立一个标准，保证其兼容性和可互换性。COM正是这样一种标准，遵循COM规则就可以建立能够相互交换数据的组件。
在现场总线控制系统中，COM组件服务器负责组态软件等上位机软件与智能适配器之间的数据传输，因为适配器通过CAN现场总线与测控模
[1] [2] [3] [4] [5] [6]
