八大現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，以其應(yīng)用廣泛、通信速率高、成本低廉等優(yōu)勢(shì)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域，成為新的熱點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)總線 (Fieldbus) 自產(chǎn)生以來，一直是自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，各自動(dòng)化廠商紛紛推出自己的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，并在不同的領(lǐng)域和行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在已處于穩(wěn)定發(fā)展期。近幾年，無線傳感網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng) (IoT)技術(shù)也融人工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中。

按照IEC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線一詞的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制裝置之間實(shí)現(xiàn)雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的技術(shù)。這是由IEC/TC65 負(fù)責(zé)測(cè)量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信部分國際標(biāo)準(zhǔn)化工作的SC65/WG6定義的。它作為工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制設(shè)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(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，還是一種開放式、新型全分布式控制系統(tǒng)。這項(xiàng)以智能傳感、控制、計(jì)算機(jī)、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(guān)注而成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，并將引發(fā)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。

目前國際上存在著幾十種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，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(chǎng)總線。本文節(jié)選自《現(xiàn)場(chǎng)總線及其應(yīng)用技術(shù)》，對(duì)其中六大現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行解析。

01、FF

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(Foundation Fieldbus，F(xiàn)F)是在過自動(dòng)化領(lǐng)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(chǎng)總線基金會(huì)，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)銷鏈路層、應(yīng)用層為 FF 通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)。

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(cè)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(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。CAN協(xié)議也是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)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(yīng)用層。其信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線，在40m的距離時(shí)，通信速率最高可達(dá)1Mbit/s；在通信速率為5kbit/s時(shí)，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km，最多可掛接設(shè)備110個(gè)。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(jiǎn)單，編程方便、開發(fā)系統(tǒng)價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。此外，為了縮小CAN網(wǎng)絡(luò)(最大1Mbit/s)與FlexRay(最大10Mbit/s)網(wǎng)絡(luò)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(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，從而免去了昂貴的硬按線。DeviceNet又是一種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，在提供多供貨商同類部件間的可互換性的同時(shí)，減少了配線和安裝工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的成本和時(shí)間。DeviceNet 的直接互連性不僅改善了設(shè)備間的通信，而且提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級(jí)診斷功能，這是通過硬接線 I/O接口很難實(shí)現(xiàn)的。DeviceNet是一個(gè)開放式網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范和協(xié)議都是開放的，廠商將設(shè)備連接到系統(tǒng)時(shí)，無須購買硬件、軟件或許可權(quán)。任何人都能以少量的復(fù)制成本從開放式 DeviceNet 供貨商協(xié)會(huì)(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(duì) DeviceNet規(guī)范進(jìn)行增補(bǔ)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(fèi)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(jiǎn)易化的樣本源代碼、開發(fā)工具包和各種開發(fā)服務(wù)。關(guān)鍵的硬件可以從世界上最大的半導(dǎo)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(luò)。LON (Local Operating Networks)總線是該公司推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，Echelon 公司開發(fā)了LonWorks 技術(shù)，為 LON總線設(shè)計(jì)和成品化提供了一套完整的開發(fā)平臺(tái)。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(diǎn)。LonTalk 協(xié)議通過神經(jīng)元芯片 (Neuron Chip)上的硬件和固件 (Firmware) 實(shí)現(xiàn)，提供介質(zhì)存取、事務(wù)確認(rèn)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信服務(wù)；還有一些如認(rèn)證、優(yōu)先級(jí)傳輸、單一/廣播/組播消息發(fā)送等高級(jí)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>結(jié)構(gòu)可以是總線型、星形、環(huán)形和混合網(wǎng)，可實(shí)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(yīng)用程序采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可用于各主要工業(yè)領(lǐng)域，如工廠廠房自動(dòng)化、生產(chǎn)過程控制、樓宇及家庭自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和運(yùn)輸業(yè)等，為實(shí)現(xiàn)智能控制網(wǎng)絡(luò)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(duì)總線的控制權(quán)，可主動(dòng)發(fā)送信息。對(duì)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(diǎn)可在一個(gè)事先規(guī)定的時(shí)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(shí)間。按PROFIBUS的通信規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號(hào)順序，沿上行方向進(jìn)行傳遞。主站在得到控制權(quán)時(shí)，可以按主-從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。主站可對(duì)所有站點(diǎn)廣播(不要求應(yīng)答)，或有選擇地向一組站點(diǎn)廣播。

PROFIBUS的傳輸速率為96kbit/s~12Mbit/s，最大傳輸距離在9.6kbit/s時(shí)為1200m，1.5Mbit/s時(shí)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(gè)站點(diǎn)。

06、CC-Link

CC-Link是Control& Communication Link(控制與通信鏈路系統(tǒng))的簡(jiǎn)稱，即在工控系統(tǒng)中，可以將控制和信息數(shù)據(jù)同時(shí)以10 Mbit/s 的速率高速傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。CC-Link 具有性能卓越、應(yīng)用廣泛、使用簡(jiǎn)單、節(jié)省成本等突出優(yōu)點(diǎn)。作為開放式現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)尤其適合亞洲人的思維習(xí)慣。

CC-Link 現(xiàn)場(chǎng)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(gè)技術(shù)先進(jìn)、性能卓越、應(yīng)用廣泛、使用簡(jiǎn)單、成本較低的開放式現(xiàn)場(chǎng)總線，其在中國的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用有著廣闊的前景。

07、ControlNet

ControlNet是一個(gè)高速的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，在同一電纜上同時(shí)支持I/O信息和報(bào)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(luò)對(duì)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(fèi)者這一先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ)，該模型為網(wǎng)絡(luò)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(luò)的效率和實(shí)現(xiàn)的復(fù)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(chǎng)總線相比增加了網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。這對(duì)和異種網(wǎng)絡(luò)的互連和網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)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(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備之間的雙向通信協(xié)議。

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

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

本書從科研、教學(xué)和工程應(yīng)用出發(fā)，理論聯(lián)系實(shí)際，全面、系統(tǒng)地介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，力求所講內(nèi)容具有較強(qiáng)的可移植性、先進(jìn)性、系統(tǒng)性、應(yīng)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(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)概述、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、CAN FD現(xiàn)場(chǎng)總線與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線、CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線與開發(fā)應(yīng)用、DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)，以及基于現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)的新型DCS的設(shè)計(jì)。全書內(nèi)容豐富，體系先進(jìn)，結(jié)構(gòu)合理，理論與實(shí)踐相結(jié)合，尤其注重工程應(yīng)用技術(shù)。

撰? 稿? 人：楊健亭責(zé)任編輯：?李馨馨審? 核? 人：曹新宇