现场总线具有全数字化的网络系统,以智能仪表和控制器为节点的彻底分布式结构,可实现点对点、点对多点和广播式通信,使用多种传输介质和网络拓扑结构,具有开放性和互操作性,实现了一种全新的设计、安装布线、调试和运行方式,代表了新一代控制系统发展的方向。
现场总线技术具有如下特点:
(1)数字化的信号传输。以串行数字通信取代传统的4~20mA模拟信号,实现了高速、双向、多变量、多站点之间的数据交换。报文内容丰富、可靠性高,在数据传输方式和连线方法上与传统系统有重大不同。
(2)分布式的系统结构。把集散控制系统控制站中的功能全部分散到了每个智能节点(智能仪表)中,每个节点都带有中央处理器(central processing unit;CPU)和存储器,可独立完成测量、数据处理、调节、诊断等功能,任一节点的故障不会危及全局。
(3)方便的互操作性和互换性。互操作性是指可实现不同设备和系统之间的信息传递与沟通,互换性是指不同厂家的同类产品可以互相替代,异构为一个系统。
(4)开放的互联网络。技术标准、通信协议、产品检验方法都是公开的,面向所有的制造商和用户。开放性更是指对相关标准的一致性要求,强调对标准的共识和遵从。
(5)多种传输媒介和网络拓扑结构。双绞线、同轴电缆、光纤、电力线、无线射频,各种媒介通过网桥互联,总线型、星型、环型等可综合使用,仅布线工程一项可节省40%经费。
技术标准的制定十分重要,它是保证互操作性和互换性的基本条件,也是具有开放式通信协议的重要标志。1999年国际电工委员会工业过程测量控制和自动化技术委员会(IEC/TC65)通过了IEC 61158标准,2003年IEC/SC65C/MT9小组又推出了IEC 61158标准的第三版,新版标准总共规定了10种类型现场总线为国际标准。包括基金会现场总线的低速型H1、ControlNet现场总线、Profibus现场总线、P-Net现场总线、基金会现场总线的高速型H2、SwiftNet、WorldFIP现场总线、Interbus现场总线、PhL现场总线、PROFINET现场总线。另外国际电工委员会低压电器技术委员会(IEC/TC 17B)通过了IEC 62026决议,规定了3种现场总线国际标准,它们是SDS现场总线(智能分布系统),ASI现场总线(执行器-传感器-接口)和DeviceNet现场总线(设备网络)。国际上还有一个组织ISO(国际标准化组织)也推出了ISO 11898决议,认定控制局域网CAN总线为国际标准。
工业以太网(industrial EtherNet;IEN )或称实时以太网(real time EtherNet;RTE)是工业控制网络发展的方向。人们希望传统的信息以太网在工业控制系统中能向下延伸,直接在控制层和设备层中使用,成为贯穿三层(设备层、控制层、管理层)的网络技术,即工业以太网技术。将信息以太网的TCP/IP协议、通用物理层等完全推广到工业以太网中。也可以使用一个网络浏览器来查看各种自动化设备。但在通信的实时性、硬件和通信的可靠性、网络供电等方面还有不少需要解决的问题。已推出的几种工业以太网有FF-HSE、Modbus TCP/IP、EtherNet/IP、EPA等。
无线现场总线也是技术发展的热点。它具有降低安装成本和维护成本,减少接插件故障,节点移动不受限制,投运简单快速等优点。美国能源部的研究估计,无线传感器网络会为工业现场节能10%,降低排放或减少泄漏15%。无线现场总线将成为有线现场总线的重要补充。已推出的几种无线现场总线有ZigBee技术、无线HART技术等。