摘要：本文介紹了現場總線技術的發展沿革，分析現場總線控制系統與集散控制系統差異，以LonWorks技術為例，分析現場總線系統可靠、高效、低成本等諸多優勢。介紹了現場總線的發展及其特點，然后以LonWorks為例，詳盡說明了LonWorks的技術特點。
關鍵詞： 現場總線控制系統 集散控制系統 LonWorks
隨著國家節能減排戰略的實施，工業自動化、建筑能耗監測、空調及環境集中監控管理系統在國內得到了廣泛的推廣與應用。現場總線控制系統（FCS）成為工業控制領域中的一個熱點，世界上幾乎所有的儀器、儀表制造商都卷入了這一場競爭，紛紛推出自己的現場總線控制系統。在國內，現場總線技術正處于普及與應用的階段，部分監控廠商在計算機監控系統實施過程中，將現場總線技術應用其中，如LonWorks、CANBus等。
一．現場總線技術的發展
70年代后期，日新月異的計算機技術融入到了工業自動化領域，出現了集散控制系統（Distributed Control System，簡稱為DCS），把分散的、單回路的測控系統采用計算機進行統一管理，用各種I/O模板代替控制室的儀表，利用計算機的強大功能，對被控系統集中進行實時監測、控制、參數調節、告警顯示及存貯歷史數據等操作。DCS極大地推動了工控技術的發展。但是，在通信方式上，處于現場的控制級和檢測級仍采用4~20mA模擬量通信。而在DCS中，現場采集設備所占的比例最大，數量也最多，這就使得一對一的布線方式相當繁雜、安裝費用增加、維護量加大。
進入90年代以后，隨著網絡與通信技術的發展，現場總線（FieldBus）技術逐漸成熟與發展起來，它是現代計算機、通信和控制技術的集成，即通常人們所稱的3C（Computer，Communication，Control）技術。
現場總線是一種工業總線，它是自動化領域中計算機通信體系最低層的低成本網絡。國際電工委員會（IEC）和現場總線基金會（FF）對現場總線作了如下定義：現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸多分支結構的通信網絡。現場總線技術的基本內容包括：以串行通信方式取代傳統的4~20mA的模擬信號，一條現場總線可為眾多的可尋址現場設備實現多點連接，支持底層的現場智能設備與高層的系統通過公用傳輸介質交換信息。現場總線的核心是它的通信協議，這些協議必須根據國際標準化組織ISO的計算機網絡開放系統互連的OSI參考模型來制定。
在現場總線技術早期的發展過程中，不同的國家和公司制定了各自的現場總線標準，如法國的WORLDFIP、德國的PROFIBUS、丹麥的P-NET，以及歐洲現場總線標準EN 50170。后來，由于美國Rosemount、Honywell、Foxboro等著名大公司的參與，使得美國在現場總線技術上獨領風騷，于1994年成立了FF（Fieldbus Foundation）現場總線基金會。目前，FF有100多個成員單位，包括了全世界主要的過程控制產品及系統的生產公司，在IEC現場總線標準的制定過程中起著舉足輕重的作用。
目前，國內已有眾多公司將現場總線技術應用于工廠自動化、工業過程控制、鐵路運輸及樓宇自動化等領域。
二．現場總線控制系統的特點
現場總線控制系統（FCS）與傳統的集散控制系統（DCS）相比，有以下特點：
1）傳統的DCS系統現場儀表到控制站之間采用4~20mA模擬信號傳輸，FCS則采用數字化的信號傳輸。現場總線控制系統在通信質量和連線方式上都有其優越之處，在現場底層傳感器、執行器、控制器及上層工作站之間的傳輸全部為數字信號。在網絡傳輸中采用了防止碰撞、檢查糾錯等技術措施，實現了高速、雙向、多站點之間的可靠通信。
2）傳統的DCS采用“操作站—控制站—現場儀表”三層主從結構方式，而現場總線則把輸入/輸出單元，控制站的功能分散到現場智能儀表中。每個智能儀表都有自己的CPU單元，進行測量、調節、診斷、輸出等功能的操作。每個智能儀表成為總線中的一個節點，節點間通過現場總線連接，任何一個節點的故障都不會影響到其它節點。
3） 不同廠家的DCS產品往往無法兼容，FCS則特別強調“互聯”和“互操作性”。即
不同廠家的現場總線產品可以互聯組成統一的系統，統一組態，從而方便了用戶。
4） FCS技術從總線標準、產品檢驗到信息發布都是公開的，面向所有的產品制造商和
用戶，通信網絡可以和其他系統網絡相連，用戶可共享網絡資源。
5）FCS采用數字通信方式，因此可以采用多種傳輸介質進行傳輸。根據控制系統中節點的空間分布情況，也可以采用靈活的拓撲結構。這些為自動化系統的施工帶來了極大的方便，省時間，省材料。
由此可見，現場總線控制系統與傳統的集散控制系統相比，具有鮮明的技術特點與無可比擬的優勢。因此，世界各國和許多大的工業控制公司紛紛推出自己的現場總線產品。表1所示為幾種現場的性能比較。
表1. 幾種現場總線的性能比較
|
總線名稱 特性 |
CAN |
LonWorks |
WorldFIP |
|
應用目標 |
汽車 |
所有 |
過程控制 |
|
OSI層 |
1，2 |
1，2，3，4，5，6，7 |
1，2，7 |
|
系統控制（基于命令或狀態） |
命令 |
兩者 |
兩者 |
|
系統類型 |
總線 |
網絡 |
總線 |
|
媒介訪問 |
CSMA/CR |
CSMA/CA |
主從，令牌方式 |
|
差錯控制 |
CRC |
CRC |
CRC |
|
支持的媒介 |
光纖，雙絞線 |
光纖，雙絞線，動力線，同軸電纜，紅外 |
光纖，雙絞線 |
|
尋址方式（單一，多目，廣播） |
廣播 |
所有 |
廣播 |
|
最大速率（Mb/s） |
1 |
1．25 |
2．5 |
|
網絡管理 |
無 |
有 |
有 |
|
網絡互連（中繼器，網橋，路由器） |
無 |
所有 |
網橋 |
在眾多的現場總線中，Echelon公司的LonWorks是發展較快、最具有競爭力的現場總線系統之一，在我國也有部分廠商采用了LonWorks技術。事實上，國內有些監控廠商本身也是LonWorks的OEM廠商。本文將以LonWorks為例，說明現場總線在計算機監控系統的應用。
三．LonWorks技術概述及在計算機監控系統的應用
圖1 LonWorks智能模塊接線圖
LonWorks技術是美國Echelon公司90年12月推出的一種現場總線技術，Lon（Local Operating Network）的意思為局部操作網絡，具有現場總線技術的一切特點。目前，世界上許多著名的自動化廠商如Honeywell、Johnsen Controls、ABB、Philips、Hp等都采用了LonWorks技術。迄今為止，使用LonWorks技術的生產廠商已有3000多家，并安裝了500多萬個節點。在中國，Echelon北京代表處于1995年成立，目前有六十多家中國廠商加入了LonWorks控制網絡的OEM行列，LonWorks控制網絡技術已大量應用于各主要工業領域，如工業廠房自動化、樓宇及家庭自動化、農業、醫療和運輸業等。
LonWorks網絡系統由智能節點組成，每個智能節點可具有多種功能的I/O功能。如圖1所示為一可編程的智能模塊，具有4路模擬差分輸入或8路單端輸入，并可通過跳線設置為電壓輸入或電流輸入。用戶可以對模塊進行再編程，實現用戶自定義的算法和功能。如上圖所示的智能模塊在實際使用中構成LonWorks網絡的一個智能節點。各個節點之間可通過不同的傳輸介質進行數據傳輸，并遵循ISO/OSI的7層模型，LonWorks技術包括監控網絡的設計、安裝、開發和調試的一整套方法，要使用多種專用的硬件設備和軟件程序，主要包括以下幾個方面：
１） LonWorks技術的基本元件為神經元專用芯片（Neuron Chip），是LonWorks技術
的核心器件，由Echelon公司研制的集通信、控制、調度和I/O支持為一體的高級VLSI器件，只授權MOTOROLA和TOSHIBA公司生產。在片內存貯單元固化了７層通信協議中的６層內容，只有第７層需用戶編寫。
２） LonWorks技術的核心為LonTalk通信協議，協議遵循由國際標準化組織（ISO）
定義的開放系統互連（OSI）模型，提供了７層協議所有內容的服務。在通信方式上采用一種改進的CSMA（載波監聽多路訪問），稱為帶預測的P-Persistent CSMA算法。
３） LonTalk協議支持多種傳輸介質，如雙絞線、電力線、超聲波、紅外線、光纖等。
每一種介質稱為一種信道，每一種信道有專用的收發器作為智能節點與通信介質的接口器件。不同的傳輸信道可通過路由器實現互聯。在不同的介質中有不同的傳輸速率，最高達到1.25Mbps，傳輸距離最遠為2.7Km，每個信道最多可接3.2萬個節點。
4）在網絡結構上， LonTalk協議支持分散的Peer to Peer的通信，節點可以組成總線型、環型、樹型等多種網絡拓撲結構，并可組成自由拓撲結構。
5） 網絡通信采用面向對象的設計方法，可使用一種稱為Neuron C的語言進行編程，
通過網絡變量進行節點之間的邏輯安裝。
在通信局（站）電源監控系統中，現場監控模塊構成LonWorks網絡的各個節點，為各個監控系統集成商或工控廠商所生產，主要用于采集環境量和非智能設備的監測量。
圖2 計算機監控系統LonWorks網絡結構圖
如果現場設備具有LonWorks通信接口，則可以方便的與任何遵循LonTalk協議的產品實現互連。如圖2的接入方式1所示，SM1、SM2和SM3都具有LonWorks通信接口，其中，SM3為智能電源設備，SM1和SM2為監控廠商安裝的采集模塊，用于采集非智能設備的監控量及環境量。此時，所有的現場監控模塊可組成 LonWorks網絡，通過網絡接口卡接入前置機。
目前，國內廠商的設備大都只提供RS232或RS485/422接口，不能直接納入LonWorks網絡。如圖2的接入方式2所示，如果智能設備具有RS232接口，可以直接將智能設備接入前置機。而對于具有LonWorks通信接口的采集模塊，既可以直接通過網絡接口卡接入前置機，也可以如方式2所示，通過接口轉換器轉換為RS232接口，接入現場前置機。
圖3 基于LON總線技術的計算機監控系統
對于其它非智能設備與環境量，使用了具有LonWorks通信接口的采集模塊，組成LonWorks網絡，實現對現場模擬量、開關量的采集及控制量的輸出。對于RS232/485設備，則通過LonTalk協議轉換器就近接入LonWorks網絡，在監控中心轉換為RS232接口后接入監控主機。
四．LonWorks技術應用前瞻
現場總線技術已在世界范圍內得到了廣泛的應用，同時，我們也應該看到，在現場總線技術的發展過程中，各個國家與公司為開發應用和迅速占領市場的需要，均制定了各自的國家標準或協會標準。由于巨大的商業利益影響，IEC現場總線標準的制定工作進展緩慢。但是，現場總線標準的統一是大勢所趨，只有標準的盡快統一，才能使現場總線技術得到更快速的發展與提高。
作為一種低成本的網絡技術，現場總線技術為計算機監控系統的發展展現了一個全新的面貌。LON總線綜合了當今現場總線的多種功能，同時具備了局域網的一些特點，使得它被廣泛地應用于航空/航天，農業控制、計算機/外圍設備、診斷/監控、電子測量設備、測試設備、醫療衛生、軍事/防衛、辦公室設備系統、機器人、安全警衛、保密、運動/游藝、電話通信、運輸設備等領域。其通用性表明，它不是針對某一個特殊領域的總線，而是具有可將不同領域的控制系統綜合成一個以LONWORKS為基礎的更復雜系統的網絡技術。
相關產品：Lonworks智能控制器
