八大現(xiàn)場總線技術(shù)全解析！

近幾年，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的研究與應用得到了迅速的發(fā)展，以其應用廣泛、通信速率高、成本低廉等優(yōu)勢進入工業(yè)控制領域，成為新的熱點。

現(xiàn)場總線 (Fieldbus) 自產(chǎn)生以來，一直是自動化領域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)，各自動化廠商紛紛推出自己的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，并在不同的領域和行業(yè)得到了越來越廣泛的應用，現(xiàn)在已處于穩(wěn)定發(fā)展期。近幾年，無線傳感網(wǎng)絡與物聯(lián)網(wǎng) (IoT)技術(shù)也融人工業(yè)測控系統(tǒng)中。

按照IEC對現(xiàn)場總線一詞的定義，現(xiàn)場總線是一種應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設備之間、現(xiàn)場設備與控制裝置之間實現(xiàn)雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術(shù)。這是由IEC/TC65 負責測量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信部分國際標準化工作的SC65/WG6定義的。它作為工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的基礎，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場級控制設備之間及其與更高控制管理層之間的聯(lián)系。它不僅是一個基層網(wǎng)絡，還是一種開放式、新型全分布式控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)據(jù)通信為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已受到世界范圍的關注而成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點，并將引發(fā)自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設備的深刻變革。

目前國際上存在著幾十種現(xiàn)場總線標準，比較流行的主要有FF、CAN、DeviceNet、LonWorks、PROFIBUS、HART、INTERBUS、CC-Link、 ControlNet、 WorldFIP、P-Net、SwiftNet 等現(xiàn)場總線。本文節(jié)選自《現(xiàn)場總線及其應用技術(shù)》，對其中六大現(xiàn)場總線技術(shù)進行解析。

01、FF

基金會現(xiàn)場總線(Foundation Fieldbus，F(xiàn)F)是在過自動化領域得到廣泛支持和具有好發(fā)展前景的技術(shù)。以美國Fisher-Rousemount 公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制定了ISP 協(xié)議；以 Honeywell 公司為首、聯(lián)合歐洲等地的150家公司制定了WorldFIP。1994 年9月，制定上述兩種協(xié)議的多家公司成立了現(xiàn)場總線基金會，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎，取其物理層、數(shù)據(jù)銷鏈路層、應用層為 FF 通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。基金會現(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25 kbit/s，通信距離可達1900m(可加中繼器延長)，可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為1Mbit/s和2.5Mbit/s兩種，其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標準。

02、CAN和CAN?FD

控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)最早由德國Bosch公司提出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標準組織制定為國際標準，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應用在離散控制領域。CAN協(xié)議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎上的，不過，其模型結(jié)構(gòu)只有3層，只取OSI的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線，在40m的距離時，通信速率最高可達1Mbit/s；在通信速率為5kbit/s時，直接傳輸距離最遠可達10km，最多可掛接設備110個。已有多家公司開發(fā)生產(chǎn)了符合CAN協(xié)議的通信控制器，如NXP公司的SJA1000、Mirochip公司的MCP2515、內(nèi)嵌CAN通信控制器的ARM和DSP等。還有插在 PC上的CAN總線適配器，具有接口簡單，編程方便、開發(fā)系統(tǒng)價格便宜等優(yōu)點。此外，為了縮小CAN網(wǎng)絡(最大1Mbit/s)與FlexRay(最大10Mbit/s)網(wǎng)絡的帶寬差距，Bosch公司于2011年推出了CAN FD(CAN
with Flexible Data-Rate)方案。

03、DeviceNet

DeviceNet是一種低成本的通信連接，它將工業(yè)設備連接到網(wǎng)絡，從而免去了昂貴的硬按線。DeviceNet又是一種簡單的網(wǎng)絡解決方案，在提供多供貨商同類部件間的可互換性的同時，減少了配線和安裝工業(yè)自動化設備的成本和時間。DeviceNet 的直接互連性不僅改善了設備間的通信，而且提供了相當重要的設備級診斷功能，這是通過硬接線 I/O接口很難實現(xiàn)的。DeviceNet是一個開放式網(wǎng)絡標準。規(guī)范和協(xié)議都是開放的，廠商將設備連接到系統(tǒng)時，無須購買硬件、軟件或許可權(quán)。任何人都能以少量的復制成本從開放式 DeviceNet 供貨商協(xié)會(Open DeviceNet Vendor Association，ODVA)獲得 DeviceNet 規(guī)范。任何制造 DeviceNet產(chǎn)品的公司都可以加人ODVA，并參加對 DeviceNet規(guī)范進行增補的技術(shù)工作組。DeviceNet規(guī)范的購買者將得到一份不受限制的，真正免費的開發(fā) DeviceNet 產(chǎn)品的許可。尋求開發(fā)幫助的公司可以通過任何渠道購買使其工作簡易化的樣本源代碼、開發(fā)工具包和各種開發(fā)服務。關鍵的硬件可以從世界上最大的半導體供貨商那里獲得。

04、LonWorks

美國Echelon公司于 1992 年成功推出了 LonWorks 智能控制網(wǎng)絡。LON (Local Operating Networks)總線是該公司推出的局部操作網(wǎng)絡，Echelon 公司開發(fā)了LonWorks 技術(shù)，為 LON總線設計和成品化提供了一套完整的開發(fā)平臺。其通信協(xié)議 LonTalk 支持 OSI/RM 的所有七層型，這是LON總線最突出的特點。LonTalk 協(xié)議通過神經(jīng)元芯片 (Neuron Chip)上的硬件和固件 (Firmware) 實現(xiàn)，提供介質(zhì)存取、事務確認和點對點通信服務；還有一些如認證、優(yōu)先級傳輸、單一/廣播/組播消息發(fā)送等高級服務。網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)可以是總線型、星形、環(huán)形和混合網(wǎng)，可實現(xiàn)自由組合。另外，通信介質(zhì)支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線和電力線等。應用程序采用面向?qū)ο蟮脑O計方法，通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信的設計簡化為參數(shù)設置，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。LonWorks控制網(wǎng)絡技術(shù)可用于各主要工業(yè)領域，如工廠廠房自動化、生產(chǎn)過程控制、樓宇及家庭自動化、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和運輸業(yè)等，為實現(xiàn)智能控制網(wǎng)絡提供完整的解決方案。

05、PROFIBUS

PROFIBUS支持主-從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。主站具有對總線的控制權(quán)，可主動發(fā)送信息。對多主站系統(tǒng)來說，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點可在一個事先規(guī)定的時間內(nèi)擁有總線控制權(quán)，并事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長時間。按PROFIBUS的通信規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行方向進行傳遞。主站在得到控制權(quán)時，可以按主-從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實現(xiàn)點對點通信。主站可對所有站點廣播(不要求應答)，或有選擇地向一組站點廣播。

PROFIBUS的傳輸速率為96kbit/s~12Mbit/s，最大傳輸距離在9.6kbit/s時為1200m，1.5Mbit/s時為200m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個站點。

06、CC-Link

CC-Link是Control& Communication Link(控制與通信鏈路系統(tǒng))的簡稱，即在工控系統(tǒng)中，可以將控制和信息數(shù)據(jù)同時以10 Mbit/s 的速率高速傳輸?shù)默F(xiàn)場網(wǎng)絡。CC-Link 具有性能卓越、應用廣泛、使用簡單、節(jié)省成本等突出優(yōu)點。作為開放式現(xiàn)場總線，CC-Link 是唯一起源于亞洲地區(qū)的總線系統(tǒng)，CC-Link 的技術(shù)特點尤其適合亞洲人的思維習慣。

CC-Link 現(xiàn)場總線由CC-Link、CC-Link/LT、CC-Link Safety、CC-Link IE Control、CC-Link IE Field、SLMP 組成。

CC-Link 是一個技術(shù)先進、性能卓越、應用廣泛、使用簡單、成本較低的開放式現(xiàn)場總線，其在中國的技術(shù)發(fā)展和應用有著廣闊的前景。

07、ControlNet

ControlNet是一個高速的工業(yè)控制網(wǎng)絡，在同一電纜上同時支持I/O信息和報文信息(包括程序、組態(tài)、診斷等信息)，集中體現(xiàn)了控制網(wǎng)絡對控制(Control)、組態(tài)(Configuration)、采集(Collect)等信息的完全支持，ControlNet以生產(chǎn)者/消費者這一先進的網(wǎng)絡模型為基礎，該模型為網(wǎng)絡提供更高的有效性、一致性和柔韌性。

ControlNet協(xié)議的制定參照了OSI七層協(xié)議模型，并參照了其中的1、2、3、4、7層。既考慮到網(wǎng)絡的效率和實現(xiàn)的復雜程度，沒有像 LonWorks一樣采用完整的7層；又兼顧到協(xié)議技術(shù)的向前兼容性和功能完整性，與一般現(xiàn)場總線相比增加了網(wǎng)絡層和傳輸層。這對和異種網(wǎng)絡的互連和網(wǎng)絡的橋接功能提供了支持，更有利于大范圍的組網(wǎng)。

08、HART

HART(Highway Addressable Remote Transducer，可尋址遠程傳感器高速通道)開放通信協(xié)議是美國Rosemount公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設備之間的雙向通信協(xié)議。

HART并不是真正的現(xiàn)場總線，而是從模擬控制系統(tǒng)向現(xiàn)場總線過渡的一塊“踏腳石”。它在4~20mA的模擬信號上疊加FSK (Frequency Shift Keying，頻移鍵控)數(shù)字信號，可以兼容模擬和數(shù)字兩種信號。符合 HART 協(xié)議的現(xiàn)場儀表，在不中斷過程信號傳輸?shù)那闆r下，在同一模擬回路上可以同時進行數(shù)字通信，使用戶獲得了診斷和維護的信息以及更多的過程數(shù)據(jù)。

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▊《現(xiàn)場總線及其應用技術(shù) 第3版》李正軍 李瀟然 編著

本書從科研、教學和工程應用出發(fā)，理論聯(lián)系實際，全面、系統(tǒng)地介紹了現(xiàn)場總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及其應用系統(tǒng)設計，力求所講內(nèi)容具有較強的可移植性、先進性、系統(tǒng)性、應用性、資料開放性，起到舉一反三的作用。

全書共分9章，主要內(nèi)容包括：現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)概述、CAN現(xiàn)場總線與應用系統(tǒng)設計、CAN FD現(xiàn)場總線與應用系統(tǒng)設計、PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線、基金會現(xiàn)場總線、CC-Link現(xiàn)場總線與開發(fā)應用、DeviceNet現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)，以及基于現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)的新型DCS的設計。全書內(nèi)容豐富，體系先進，結(jié)構(gòu)合理，理論與實踐相結(jié)合，尤其注重工程應用技術(shù)。

撰? 稿? 人：楊健亭責任編輯：?李馨馨審? 核? 人：曹新宇