摘要：本文介绍了现场总线技术的发展沿革，分析现场总线控制系统与集散控制系统差异，以LonWorks技术为例，分析现场总线系统可靠、高效、低成本等诸多优势。介绍了现场总线的发展及其特点，然后以LonWorks为例，详尽说明了LonWorks的技术特点。

关键词： 现场总线控制系统 集散控制系统 LonWorks

   随着国家节能减排战略的实施，工业自动化、建筑能耗监测、空调及环境集中监控管理系统在国内得到了广泛的推广与应用。现场总线控制系统（FCS）成为工业控制领域中的一个热点，世界上几乎所有的仪器、仪表制造商都卷入了这一场竞争，纷纷推出自己的现场总线控制系统。在国内，现场总线技术正处于普及与应用的阶段，部分监控厂商在计算机监控系统实施过程中，将现场总线技术应用其中，如LonWorks、CANBus等。

一．现场总线技术的发展

    70年代后期，日新月异的计算机技术融入到了工业自动化领域，出现了集散控制系统（Distributed Control System，简称为DCS），把分散的、单回路的测控系统采用计算机进行统一管理，用各种I/O模板代替控制室的仪表，利用计算机的强大功能，对被控系统集中进行实时监测、控制、参数调节、告警显示及存贮历史数据等操作。DCS极大地推动了工控技术的发展。但是，在通信方式上，处于现场的控制级和检测级仍采用4~20mA模拟量通信。而在DCS中，现场采集设备所占的比例最大，数量也最多，这就使得一对一的布线方式相当繁杂、安装费用增加、维护量加大。

   进入90年代以后，随着网络与通信技术的发展，现场总线（FieldBus）技术逐渐成熟与发展起来，它是现代计算机、通信和控制技术的集成，即通常人们所称的3C（Computer，Communication，Control）技术。

   现场总线是一种工业总线，它是自动化领域中计算机通信体系最低层的低成本网络。国际电工委员会（IEC）和现场总线基金会（FF）对现场总线作了如下定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输多分支结构的通信网络。现场总线技术的基本内容包括：以串行通信方式取代传统的4~20mA的模拟信号，一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连接，支持底层的现场智能设备与高层的系统通过公用传输介质交换信息。现场总线的核心是它的通信协议，这些协议必须根据国际标准化组织ISO的计算机网络开放系统互连的OSI参考模型来制定。

   在现场总线技术早期的发展过程中，不同的国家和公司制定了各自的现场总线标准，如法国的WORLDFIP、德国的PROFIBUS、丹麦的P-NET，以及欧洲现场总线标准EN 50170。后来，由于美国Rosemount、Honywell、Foxboro等著名大公司的参与，使得美国在现场总线技术上独领风骚，于1994年成立了FF（Fieldbus Foundation）现场总线基金会。目前，FF有100多个成员单位，包括了全世界主要的过程控制产品及系统的生产公司，在IEC现场总线标准的制定过程中起着举足轻重的作用。

   目前，国内已有众多公司将现场总线技术应用于工厂自动化、工业过程控制、铁路运输及楼宇自动化等领域。

二．现场总线控制系统的特点

    现场总线控制系统（FCS）与传统的集散控制系统（DCS）相比，有以下特点：

1）传统的DCS系统现场仪表到控制站之间采用4~20mA模拟信号传输，FCS则采用数字化的信号传输。现场总线控制系统在通信质量和连线方式上都有其优越之处，在现场底层传感器、执行器、控制器及上层工作站之间的传输全部为数字信号。在网络传输中采用了防止碰撞、检查纠错等技术措施，实现了高速、双向、多站点之间的可靠通信。

2）传统的DCS采用“操作站—控制站—现场仪表”三层主从结构方式，而现场总线则把输入/输出单元，控制站的功能分散到现场智能仪表中。每个智能仪表都有自己的CPU单元，进行测量、调节、诊断、输出等功能的操作。每个智能仪表成为总线中的一个节点，节点间通过现场总线连接，任何一个节点的故障都不会影响到其它节点。

3） 不同厂家的DCS产品往往无法兼容，FCS则特别强调“互联”和“互操作性”。即

不同厂家的现场总线产品可以互联组成统一的系统，统一组态，从而方便了用户。

4） FCS技术从总线标准、产品检验到信息发布都是公开的，面向所有的产品制造商和

用户，通信网络可以和其他系统网络相连，用户可共享网络资源。

5）FCS采用数字通信方式，因此可以采用多种传输介质进行传输。根据控制系统中节点的空间分布情况，也可以采用灵活的拓扑结构。这些为自动化系统的施工带来了极大的方便，省时间，省材料。

由此可见，现场总线控制系统与传统的集散控制系统相比，具有鲜明的技术特点与无可比拟的优势。因此，世界各国和许多大的工业控制公司纷纷推出自己的现场总线产品。表1所示为几种现场的性能比较。

表1. 几种现场总线的性能比较

    在众多的现场总线中，Echelon公司的LonWorks是发展较快、最具有竞争力的现场总线系统之一，在我国也有部分厂商采用了LonWorks技术。事实上，国内有些监控厂商本身也是LonWorks的OEM厂商。本文将以LonWorks为例，说明现场总线在计算机监控系统的应用。

三．LonWorks技术概述及在计算机监控系统的应用

 图1 LonWorks智能模块接线图

    LonWorks技术是美国Echelon公司90年12月推出的一种现场总线技术，Lon（Local Operating Network）的意思为局部操作网络，具有现场总线技术的一切特点。目前，世界上许多著名的自动化厂商如Honeywell、Johnsen Controls、ABB、Philips、Hp等都采用了LonWorks技术。迄今为止，使用LonWorks技术的生产厂商已有3000多家，并安装了500多万个节点。在中国，Echelon北京代表处于1995年成立，目前有六十多家中国厂商加入了LonWorks控制网络的OEM行列，LonWorks控制网络技术已大量应用于各主要工业领域，如工业厂房自动化、楼宇及家庭自动化、农业、医疗和运输业等。

    LonWorks网络系统由智能节点组成，每个智能节点可具有多种功能的I/O功能。如图1所示为一可编程的智能模块，具有4路模拟差分输入或8路单端输入，并可通过跳线设置为电压输入或电流输入。用户可以对模块进行再编程，实现用户自定义的算法和功能。如上图所示的智能模块在实际使用中构成LonWorks网络的一个智能节点。各个节点之间可通过不同的传输介质进行数据传输，并遵循ISO/OSI的7层模型，LonWorks技术包括监控网络的设计、安装、开发和调试的一整套方法，要使用多种专用的硬件设备和软件程序，主要包括以下几个方面：

１） LonWorks技术的基本元件为神经元专用芯片（Neuron Chip），是LonWorks技术

的核心器件，由Echelon公司研制的集通信、控制、调度和I/O支持为一体的高级VLSI器件，只授权MOTOROLA和TOSHIBA公司生产。在片内存贮单元固化了７层通信协议中的６层内容，只有第７层需用户编写。

２） LonWorks技术的核心为LonTalk通信协议，协议遵循由国际标准化组织（ISO）

    定义的开放系统互连（OSI）模型，提供了７层协议所有内容的服务。在通信方式上采用一种改进的CSMA（载波监听多路访问），称为带预测的P-Persistent CSMA算法。

３） LonTalk协议支持多种传输介质，如双绞线、电力线、超声波、红外线、光纤等。

每一种介质称为一种信道，每一种信道有专用的收发器作为智能节点与通信介质的接口器件。不同的传输信道可通过路由器实现互联。在不同的介质中有不同的传输速率，最高达到1.25Mbps，传输距离最远为2.7Km，每个信道最多可接3.2万个节点。

4）在网络结构上， LonTalk协议支持分散的Peer to Peer的通信，节点可以组成总线型、环型、树型等多种网络拓扑结构，并可组成自由拓扑结构。

5） 网络通信采用面向对象的设计方法，可使用一种称为Neuron C的语言进行编程，

通过网络变量进行节点之间的逻辑安装。

在通信局（站）电源监控系统中，现场监控模块构成LonWorks网络的各个节点，为各个监控系统集成商或工控厂商所生产，主要用于采集环境量和非智能设备的监测量。

图2 计算机监控系统LonWorks网络结构图 

   如果现场设备具有LonWorks通信接口，则可以方便的与任何遵循LonTalk协议的产品实现互连。如图2的接入方式1所示，SM1、SM2和SM3都具有LonWorks通信接口，其中，SM3为智能电源设备，SM1和SM2为监控厂商安装的采集模块，用于采集非智能设备的监控量及环境量。此时，所有的现场监控模块可组成 LonWorks网络，通过网络接口卡接入前置机。

   目前，国内厂商的设备大都只提供RS232或RS485/422接口，不能直接纳入LonWorks网络。如图2的接入方式2所示，如果智能设备具有RS232接口，可以直接将智能设备接入前置机。而对于具有LonWorks通信接口的采集模块，既可以直接通过网络接口卡接入前置机，也可以如方式2所示，通过接口转换器转换为RS232接口，接入现场前置机。

图3 基于LON总线技术的计算机监控系统 

   对于其它非智能设备与环境量，使用了具有LonWorks通信接口的采集模块，组成LonWorks网络，实现对现场模拟量、开关量的采集及控制量的输出。对于RS232/485设备，则通过LonTalk协议转换器就近接入LonWorks网络，在监控中心转换为RS232接口后接入监控主机。

四．LonWorks技术应用前瞻

   现场总线技术已在世界范围内得到了广泛的应用，同时，我们也应该看到，在现场总线技术的发展过程中，各个国家与公司为开发应用和迅速占领市场的需要，均制定了各自的国家标准或协会标准。由于巨大的商业利益影响，IEC现场总线标准的制定工作进展缓慢。但是，现场总线标准的统一是大势所趋，只有标准的尽快统一，才能使现场总线技术得到更快速的发展与提高。

    作为一种低成本的网络技术，现场总线技术为计算机监控系统的发展展现了一个全新的面貌。LON总线综合了当今现场总线的多种功能，同时具备了局域网的一些特点，使得它被广泛地应用于航空/航天，农业控制、计算机/外围设备、诊断/监控、电子测量设备、测试设备、医疗卫生、军事/防卫、办公室设备系统、机器人、安全警卫、保密、运动/游艺、电话通信、运输设备等领域。其通用性表明，它不是针对某一个特殊领域的总线，而是具有可将不同领域的控制系统综合成一个以LONWORKS为基础的更复杂系统的网络技术。

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