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现场总线技术的特点和应用
szzunzheng 发表于 2007/8/10 13:45:32 766 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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摘 要 现场总线技术是一种先进的现场工业控制技术,它具有现场通信功能、现场设备互连、良好的互操作性、分散的功能模块、开放式互连网络等特点，为真正的“分散式控制，集中式管理”提供了技术保证。文中介绍了基金会总线、CAN控制网络、LONworks总线、Profibus总线标准、ControlNet总线标准等特点与应用。
关键词 现场总线技术 协议 网络 应用
现场总线技术是在80年代后期发展起来的一种先进的现场工业控制技术。它集数字通信、智能仪表、微机技术、网络技术于一身，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字－模拟信号控制的局限性，为真正的“分散式控制，集中式管理”提供了技术保证。传统的过程控制系统中，设备与控制器之间总要通过点对点的物理连接，以及标准模拟信号传递信息。这样不仅投资大，而且具有控制精度低、抗干扰能力差、信号传输距离短、信息无法共享等缺点。80年代中期发展起来的DCS集散式控制系统虽然解决了点对点控制的诸多弊端，但其采用的I/O控制站模块又带来了组态不灵活、数据无法分级共享等弊端。相比之下，现场总线技术能很好的克服这些不利因素。它具有现场通信功能、现场设备互连、良好的互操作性 、分散的功能模块、开放式互连网络等特点，不仅可以保证目前工业控制对数字通信的要求，而且使它与Intranet或Internet 互连构成多层次的复杂网络成为可能。
1 现场总线的特点
现场总线通讯协议的结构是根据国际标准化组织提供的ISO/OSI模型来制定的。标准ISO/OSI模型有七层框架，但根据工业控制的特点，多数数据总线协议都是采用了其中的物理层、通信层和应用层。这样可以保证实时通信，并在此基础上已经发展起来了FF、CAN、Profibus、LONworks、ControlNet等总线协议。
1.1 基金会总线
基金会总线(Foundation Fieldbus)简称FF，是国际上几家现场总线经过激烈竞争后形成的一种现场总线，由现场总线基金会推出，不同于私有网络协议，FF总线是唯一不属于任何企业或国家的。FF的体系结构是参照ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层建立起来的，另外增加了用户层。由于FF遵守IEC协议规划，加之FF技术上的优势和有众多支持者，FF总线有望成为将来的主要标准。FF提供两种物理层标准：H1和H2。H1为用于过程控制的低速总线，传输速率为31.25kbit/s,传输距离为200m,450m，1200m、1900m四种。H1总线支持本质安全设备和非本质安全非总线设备；H2为制造自动化的高速总线，传输速率有1Mbit/s和2.5Mbit/s。其特点与优势在于，设备互操作性、改善的过程数据、更早的预测维护、可靠的安全性。FF总线作为一种比较新的总线，其发展势头迅猛，受到越来越多厂商的密切关注。
1.2 CAN控制网络
CAN (Control Area Network)控制局域网，是由德国Bosch汽车公司在1983～1985年推出的。其最初设计目的是为汽车和控制的车间级设备提供数据通路，而后由于Intel公司的加入，使得CAN在技术上更加成熟。CAN具有可靠性强、支持多处理器，链路简单、支持优先级处理等优点。CAN的通信速率为1Mbit/s (40m)和5kbit/s(10km)，节点数达到110个，传输介质为双绞线和光纤。此外，CAN还具有以下特点 ：
(1)其物理层类似于RS-485；
(2)有效字长不超过8位，传输快；
(3)有很强的容错能力，抗干扰性强，传输安全性高；
(4)提供多种接口标准，适用广泛。
由于以上优点，CAN已在火力发电、石油化工、冶金等领域有了广泛的应用 。CAN也是最早在我国得到应用的现场总线。现在基于CAN协议，又开发出了新一代的现场总线，如Rockwell公司(实际上是Allen-Brandley公司)开发的DeviceNet, Honeywell公司推出的SDS总线等，都具有良好的性能。
1.3 LONworks总线
Local Operation Network(LON)是美国Echelon公司、Motorola公司和日本东芝公司联合开发，并由Echelon公司于1993年推出的网络技术。LONworks网络技术是一个完整的平台，包括采用ASIC技术固化了完全基于国际标准化组织ISO制定的开放系统互连(OSI)七层模型的超大规模集成电路神经元芯片neuron、软件、开发工具及相应的配套产品。
LONworks是一个开放式的网络系统，它包括节点、路由器和网络适配器。线节点的核心器件是神经元芯片neuron，目前有MC 143120和MC 143150两种芯片。节点之间通信所采用的协议是LONtalk，它是开放式的网络协议，具有完整的七层协议结构。
Echelon公司为用户提供neuronC语言开发neuron芯片。它由ASIC发展，经扩展后支持输入/输出、事件处理、报文传送和分布对象，是开发neuron芯片应用程序的主要语言。Echelon公司在推出LONworks的同时，还为系统设计者和用户提供了系统集成开发工具LONbuilder。它包括一系列面向设计者的硬件卡，如neuron仿真器、单片机、路由器、发送器和接收器。这些卡件安装在IBM PC中，与所提供的网络接口协议分析器和网络管理器连接，通过LONtalk通信协议完成系统的开发 。LONbuilder开发工具允许用户利用PC设计两个节点以上的LONworks网络，最大可完成256个节点的系统仿真。
LONworks具有网络结构多样、结构简单、成本低、通信协议公开等特点，深受用户喜爱。LON作为现场总线技术的一种，目前已获得飞速发展。
1.4 Profibus总线标准
Profibus(Process fieldbus)是一种开放、独立的总线标准，它遵守欧洲现场总线协议ENS0170，因此主要用户分布在欧洲。Profibus在机械制造、工业过程自动化、智能楼宇中充当着通信系统的角色。Profibus最早是在1989年被标准化的，目前它有三种模式：
(1)Profibus-PA(H1，符合IEC1158-2标准，用于过程自动化)低速总线，可以提供总线供电和本质安全；
(2)Profibus-DP(H2)与Profibus-PA兼容，可实现高速传输，用于连接Profibus-PA和加工自动化；
(3)Profibus-PMS用于一般自动化。
Profibus通常用于多PLC控制系统。它的传输速率是上述几种现场总线中最高的，可达到12Mbit/s，也是一种比较成熟的现场总线。
1.5 ControlNet总线标准
Rockwell企业网对传统企业网的五层结构进行了大胆的简化，形成了具有Rockwell特点的三层网络结构：以太网——控制网——设备网。
以太网 (EtherNet)以TCP/IP 协议为基础，主要应用于高层数据采集，决策，并为Intranet和 Internet提供了接口和通信保障。
控制网（ControlNet）用来实现实时I/O控制，控制互锁和对等报文传送，它为数据通信提供了一个确定性的、可重复的高速通路。
设备网（DeviceNet）通过一个开放式的网络将底层设备直接和车间级控制器相连，为实现现场分散化的实时控制提供了底层数据通路。
Rockwell控制网网络(ControlNet)是一种高速确定性网络，用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传输。它作为设备网上层网络，担负着将从多个设备网网段采集来的数据信息共享，同时将控制层控制器指令下载到设备网上的功能。另外，它还要与上层信息网（EtherNet）交互信息，上载/下载数据。同时，ControlNet提供了远程I/O功能，可以实现远程监控。
简单地说，ControlNet具有如下技术特点：
(1) 对在同一链路的I/O、实时互锁、对等通信报文传送和编程操作，均具有相同带宽；
(2) 5Mbit/s的高吞吐量，I/O和编程可在同一物理介质链路上进行；
(3) 对离散和连续过程控制应用场合，均具有确定性和可重复性；
(4) 独特的生产者/消费者模型使数据传输效率大大提高；
(5) 具有强自诊断能力，易于组态和维护；
(6) 支持多种拓朴结构和冗余结构；
(7) 更先进的开放性。
正是由于这些特点，使ControlNet受到越来越多的供货商的支持。2000年3月6日，在美国俄亥俄州(Ohio)举行的IEC大会上，ControlNet已被国际标准化组织定为又一种国际现场总线标准协议，具有良好的应用前景。
2 现场总线的应用
目前，CAN总线、Profibus以及LONworks在世界范围都有着非常广泛的应用 。CAN总线以其可靠性、实时性等特点在工业控制场合得到广泛应用，如国际上的几大汽车生产厂商多使用该总线。但是，随着新型现场总线的性能不断改进，CAN在传输速度和传输距离方面，特别是在远程通信方面，慢慢暴露出了它的不足。但是由于它推出的较早（是进入中国市场最早的总线之一），所以在工控方面仍然占据了很大的市场。
Profibus是目前极为成熟的一种现场总线。由于它以西门子的PLC系统为控制核心，具有强大的控制功能和可靠性，所以很多大型项目都青睐Profibus。Profibus在欧洲市场占有主导地位，其三个子标准DP，FMS和PA分别在分布式控制系统的高速数据传输方面、楼宇自动化和电气传动方面、过程自动化方面具有绝对的市场。在中国，Profibus在离散控制和过程控制方面，特别是在一些重大项目中（如近期中标的三峡大坝闸门控制系统），均有广泛的应用。
LONworks具有比其他总线更显著的智能性，所以在智能楼宇、家庭自动化方面有得天独厚的优势。在我国，LONworks主要占据了这个方面的市场。
另外，FF总线和ControlNet进入市场较晚，特别是在中国市场，所占据的市场份额不大。但是它们的发展趋势极为强大，由于它们在技术上具有比其他总线更为明显的优势，所以被越来越多的用户所青睐。可以肯定的说，这两种总线在几年之后将成为市场上的主流总线
关键词 现场总线技术 协议 网络 应用
现场总线技术是在80年代后期发展起来的一种先进的现场工业控制技术。它集数字通信、智能仪表、微机技术、网络技术于一身，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字－模拟信号控制的局限性，为真正的“分散式控制，集中式管理”提供了技术保证。传统的过程控制系统中，设备与控制器之间总要通过点对点的物理连接，以及标准模拟信号传递信息。这样不仅投资大，而且具有控制精度低、抗干扰能力差、信号传输距离短、信息无法共享等缺点。80年代中期发展起来的DCS集散式控制系统虽然解决了点对点控制的诸多弊端，但其采用的I/O控制站模块又带来了组态不灵活、数据无法分级共享等弊端。相比之下，现场总线技术能很好的克服这些不利因素。它具有现场通信功能、现场设备互连、良好的互操作性 、分散的功能模块、开放式互连网络等特点，不仅可以保证目前工业控制对数字通信的要求，而且使它与Intranet或Internet 互连构成多层次的复杂网络成为可能。
1 现场总线的特点
现场总线通讯协议的结构是根据国际标准化组织提供的ISO/OSI模型来制定的。标准ISO/OSI模型有七层框架，但根据工业控制的特点，多数数据总线协议都是采用了其中的物理层、通信层和应用层。这样可以保证实时通信，并在此基础上已经发展起来了FF、CAN、Profibus、LONworks、ControlNet等总线协议。
1.1 基金会总线
基金会总线(Foundation Fieldbus)简称FF，是国际上几家现场总线经过激烈竞争后形成的一种现场总线，由现场总线基金会推出，不同于私有网络协议，FF总线是唯一不属于任何企业或国家的。FF的体系结构是参照ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层建立起来的，另外增加了用户层。由于FF遵守IEC协议规划，加之FF技术上的优势和有众多支持者，FF总线有望成为将来的主要标准。FF提供两种物理层标准：H1和H2。H1为用于过程控制的低速总线，传输速率为31.25kbit/s,传输距离为200m,450m，1200m、1900m四种。H1总线支持本质安全设备和非本质安全非总线设备；H2为制造自动化的高速总线，传输速率有1Mbit/s和2.5Mbit/s。其特点与优势在于，设备互操作性、改善的过程数据、更早的预测维护、可靠的安全性。FF总线作为一种比较新的总线，其发展势头迅猛，受到越来越多厂商的密切关注。
1.2 CAN控制网络
CAN (Control Area Network)控制局域网，是由德国Bosch汽车公司在1983～1985年推出的。其最初设计目的是为汽车和控制的车间级设备提供数据通路，而后由于Intel公司的加入，使得CAN在技术上更加成熟。CAN具有可靠性强、支持多处理器，链路简单、支持优先级处理等优点。CAN的通信速率为1Mbit/s (40m)和5kbit/s(10km)，节点数达到110个，传输介质为双绞线和光纤。此外，CAN还具有以下特点 ：
(1)其物理层类似于RS-485；
(2)有效字长不超过8位，传输快；
(3)有很强的容错能力，抗干扰性强，传输安全性高；
(4)提供多种接口标准，适用广泛。
由于以上优点，CAN已在火力发电、石油化工、冶金等领域有了广泛的应用 。CAN也是最早在我国得到应用的现场总线。现在基于CAN协议，又开发出了新一代的现场总线，如Rockwell公司(实际上是Allen-Brandley公司)开发的DeviceNet, Honeywell公司推出的SDS总线等，都具有良好的性能。
1.3 LONworks总线
Local Operation Network(LON)是美国Echelon公司、Motorola公司和日本东芝公司联合开发，并由Echelon公司于1993年推出的网络技术。LONworks网络技术是一个完整的平台，包括采用ASIC技术固化了完全基于国际标准化组织ISO制定的开放系统互连(OSI)七层模型的超大规模集成电路神经元芯片neuron、软件、开发工具及相应的配套产品。
LONworks是一个开放式的网络系统，它包括节点、路由器和网络适配器。线节点的核心器件是神经元芯片neuron，目前有MC 143120和MC 143150两种芯片。节点之间通信所采用的协议是LONtalk，它是开放式的网络协议，具有完整的七层协议结构。
Echelon公司为用户提供neuronC语言开发neuron芯片。它由ASIC发展，经扩展后支持输入/输出、事件处理、报文传送和分布对象，是开发neuron芯片应用程序的主要语言。Echelon公司在推出LONworks的同时，还为系统设计者和用户提供了系统集成开发工具LONbuilder。它包括一系列面向设计者的硬件卡，如neuron仿真器、单片机、路由器、发送器和接收器。这些卡件安装在IBM PC中，与所提供的网络接口协议分析器和网络管理器连接，通过LONtalk通信协议完成系统的开发 。LONbuilder开发工具允许用户利用PC设计两个节点以上的LONworks网络，最大可完成256个节点的系统仿真。
LONworks具有网络结构多样、结构简单、成本低、通信协议公开等特点，深受用户喜爱。LON作为现场总线技术的一种，目前已获得飞速发展。
1.4 Profibus总线标准
Profibus(Process fieldbus)是一种开放、独立的总线标准，它遵守欧洲现场总线协议ENS0170，因此主要用户分布在欧洲。Profibus在机械制造、工业过程自动化、智能楼宇中充当着通信系统的角色。Profibus最早是在1989年被标准化的，目前它有三种模式：
(1)Profibus-PA(H1，符合IEC1158-2标准，用于过程自动化)低速总线，可以提供总线供电和本质安全；
(2)Profibus-DP(H2)与Profibus-PA兼容，可实现高速传输，用于连接Profibus-PA和加工自动化；
(3)Profibus-PMS用于一般自动化。
Profibus通常用于多PLC控制系统。它的传输速率是上述几种现场总线中最高的，可达到12Mbit/s，也是一种比较成熟的现场总线。
1.5 ControlNet总线标准
Rockwell企业网对传统企业网的五层结构进行了大胆的简化，形成了具有Rockwell特点的三层网络结构：以太网——控制网——设备网。
以太网 (EtherNet)以TCP/IP 协议为基础，主要应用于高层数据采集，决策，并为Intranet和 Internet提供了接口和通信保障。
控制网（ControlNet）用来实现实时I/O控制，控制互锁和对等报文传送，它为数据通信提供了一个确定性的、可重复的高速通路。
设备网（DeviceNet）通过一个开放式的网络将底层设备直接和车间级控制器相连，为实现现场分散化的实时控制提供了底层数据通路。
Rockwell控制网网络(ControlNet)是一种高速确定性网络，用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传输。它作为设备网上层网络，担负着将从多个设备网网段采集来的数据信息共享，同时将控制层控制器指令下载到设备网上的功能。另外，它还要与上层信息网（EtherNet）交互信息，上载/下载数据。同时，ControlNet提供了远程I/O功能，可以实现远程监控。
简单地说，ControlNet具有如下技术特点：
(1) 对在同一链路的I/O、实时互锁、对等通信报文传送和编程操作，均具有相同带宽；
(2) 5Mbit/s的高吞吐量，I/O和编程可在同一物理介质链路上进行；
(3) 对离散和连续过程控制应用场合，均具有确定性和可重复性；
(4) 独特的生产者/消费者模型使数据传输效率大大提高；
(5) 具有强自诊断能力，易于组态和维护；
(6) 支持多种拓朴结构和冗余结构；
(7) 更先进的开放性。
正是由于这些特点，使ControlNet受到越来越多的供货商的支持。2000年3月6日，在美国俄亥俄州(Ohio)举行的IEC大会上，ControlNet已被国际标准化组织定为又一种国际现场总线标准协议，具有良好的应用前景。
2 现场总线的应用
目前，CAN总线、Profibus以及LONworks在世界范围都有着非常广泛的应用 。CAN总线以其可靠性、实时性等特点在工业控制场合得到广泛应用，如国际上的几大汽车生产厂商多使用该总线。但是，随着新型现场总线的性能不断改进，CAN在传输速度和传输距离方面，特别是在远程通信方面，慢慢暴露出了它的不足。但是由于它推出的较早（是进入中国市场最早的总线之一），所以在工控方面仍然占据了很大的市场。
Profibus是目前极为成熟的一种现场总线。由于它以西门子的PLC系统为控制核心，具有强大的控制功能和可靠性，所以很多大型项目都青睐Profibus。Profibus在欧洲市场占有主导地位，其三个子标准DP，FMS和PA分别在分布式控制系统的高速数据传输方面、楼宇自动化和电气传动方面、过程自动化方面具有绝对的市场。在中国，Profibus在离散控制和过程控制方面，特别是在一些重大项目中（如近期中标的三峡大坝闸门控制系统），均有广泛的应用。
LONworks具有比其他总线更显著的智能性，所以在智能楼宇、家庭自动化方面有得天独厚的优势。在我国，LONworks主要占据了这个方面的市场。
另外，FF总线和ControlNet进入市场较晚，特别是在中国市场，所占据的市场份额不大。但是它们的发展趋势极为强大，由于它们在技术上具有比其他总线更为明显的优势，所以被越来越多的用户所青睐。可以肯定的说，这两种总线在几年之后将成为市场上的主流总线