现场总线技术与应用

现场总线技术与应用

现场总线是应用生产现场、在微机化测控设备之间实现双向数字通信系统，是开放式、数字化、多点通信的低层控制网络。

现场总线是在20世纪年代中期发展起来的。现场总线技术是将专用的微处理器植入传统的测控仪表，使其具备了数字计算和通信能力，采用连接简单的双绞线、同轴电缆、光纤等作为总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测控仪表之间、远程监控计算机之间实现数据共享，形成适应现场实际需要的控制系统。它的出现改变了以往采用电流、电压模拟信号进行测控信号变化慢，信号传输抗干扰能力差的缺点，也改变了集中式控制可能造成的全线瘫痪的局面。由于微处理器的使用，使得现场总线有了较高的测控能力，提高了信号的测控和传输精度，同时丰富了控制信息内容，为远程传送创造了条件。

现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，一出现便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普通遍关注。现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制系统--现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。 一、现场总线的特点

现场总线系统打破了传统模拟控制系统采用的一对一的设备连线模式，而采用了总线通信方式，因而控制功能可不依赖控制室计算机直接在现场完成，实现了系统的分散控制，现场总线控制系统与传统的控制系统结构对经如图1所示。 1、增强了现场级的信息采集能力

现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够很好地满足工厂自动化乃至CIMS系统的信息集成要求。现场总线是数字化的通信网络，它不单纯取代4~20mA信号，还可实现设备状态、故障和参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。

2、开放式、互操作性、互换性、可集成性

不同厂家产品只要使用同一种总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其他厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺方法、配方等集成到通用控制系统中，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控制系统。 3、系统可靠性高、可维护性好

基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警和记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、

修改等参数化工作，也增强了系统的可靠性。 4、降低了系统及工程成本

对于大范围、大规模I/O分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。 二、几种典型现场总线的比较

现场总线技术的研究启始于20世纪80年代，90年代逐步走向实用化。到目前为止国际上已经出现了多种现场总线通信协议，包括CAN,Lon Works，Profibus，HART,FF等。由于各大公司努力维护既得利益，希望在竞争中保持并扩大自身的市场份额，目前统一的现场总线技术标准尚难以确立，多种现场总线协议共存估计还要维持很长一段时间。这给现场总线技术的应用和发展带来了很多困难。下面对集中典型的现场总线作简要的介绍。

1、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、支持优先级处理器等特点。CAN的通信速率为1Mbps（40m）和5kbps（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。

2、由西门子支持的Profibus，作为德国国家DIN19245现场总线标准，也是欧洲EN50170标准之一，已成为大多欧洲过程控制厂商所普遍接受的标准。其系列有用于自动化系统和分散外设间高速数据传输的Profibus-DP，适用于一般自动化的Profibus-FMS和用于自动化的Profibus-PA。Profibus-PA用于自动化系统和分散的现场设备的互连，其数据传输遵从IEC61158-2标准。Profibus已渗透进石油、化工和酿造行业。

3、FF现场总线基金会是国际公认的不附属于其企业的公正的非商业化的国际标准组织，其宗旨是制定统一的国际现场总线标准，无专业许可要求，供任何人使用。FF承诺全部遵从IEC61158标准。网络拓扑结构采用总线型和树型，信息编码方式是曼彻斯特编码。为了确保互用性，用户应用层定义了资源块、功能块和探头块等标准模块，和相关设备说明描述。FF现场总线分为两种：FF H1（低速现场总线）和FF H2(高速现场总线)。FF H1主要用于如温度、料位和流量等控制场合。但是，在1998年4月FF现场总线基金会宣布FF H2现场总线技术作废，FF H2将来的发展将基于高速以太网技术。FF现场总线已获得120

多个控制厂商（如Honeywell，Fisher-Rosemount等）的支持，已经在北美、南美和亚洲取得了显著的进步。

4、HART是可寻址远程传感器数据通路（Highway Addressable Remote Transduce）的缩写。最早由Rosemount公司开发，得到80多家仪表公司的支持，并于1993年成立了HART通信基金会。HART协议参考了OSI参考模型的物理层、数据链路层和应用层。HART工作方式有点—点式或全数字式。点—点式是在4-20Ma的模拟信号上叠加FSK数字信号不影响4-20Ma的信号；全数字式的优点是可连15台仪表，减少了投入。

5、控制网络（Control Net）总线是设备级现场总线，它是用于 PLC 和计算机之间、逻辑控制和过程控制系统之间的通信网络，已成为 IEC61158 标准子集2，1995 年由 Rockwell Automation 公司推出。它是基于生产者/消费者 (Producer/Consumer) 模式的网络，是高度确定性、可重复性的网络。确定性是预见数据何时能够可靠传输到目标的能力；可重复性是数据传输时间不受网络节点添加/删除操作或网络繁忙状况影响而保持恒定的能力。在逻辑控制和过程控制领域，ControlNet 总线也被用于连接输入输出设备和人机界面。

ControlNet 现场总线采用并行时间域多路存取 CTDMA (Concurrent Time Domain Multiple Access) 技术，它不采用主从式通信，而采用广播或一点到多点的通信方式，使多个节点可精确同步获得发送方数据。通信报文分显式报文 ( 含通信协议信息的报文 ) 和隐式报文 ( 不含通信协议信息的报文 )，其传输特点如下。

(1)网络带宽的利用率高 采用 CTDMA 技术，数据一旦发送到网络，网络上的其他节点就可同时接收，因此，与主从式传输技术比较，不需要重复发送同样的信息到不同的从站，从而减少在网络上的通信量。

(2)同步性好 由于在网络上的数据可同时被多个节点接收，与主从式传输(3)实时性好 采用在预留时间段的确定时间内周期重复发送，保证有实时方式比较，各节点可同时接收数据，因此，同步性好。

要求的数据能够正确发送。并且，可根据实时性要求，设置时间片的大小，进行预留，从而保证实时性。

(4)避免数据访问的冲突 采用虚拟令牌，只有获得令牌的节点可发送数据，(5)高吞吐量 传输速率 5Mbps 时，网络刷新速率为 2ms。

该总线可寻址节点数达 99 个，传输速率 5Mbps，采用同轴电缆和标准连接避免了数据访问的冲突现象，提高了传输效率。

头的传输距离可达 1km，采用光缆的传输距离可达 25km。

针对控制网络数据传输的特点，该总线采用时间分片的方式对数据通信进行调

度。重要 的数据 ( 如过程输入输出数据的更新、 PLC 之间的互锁等 ) 采用预留时间片中确定的时间段进行周期通信，而对无严格时间要求的数据 ( 如组态数据和诊断数据等 ) 采用预留时间片外的非周期通信方式。此外，对时间的分配还预留用于维护的时间片，用于节点的同步和网络的维护，例如，用于增删节点，发布网络链路参数等。

6、设备网络（Device Net）总线是基于 CAN 总线技术的设备级现场总线，它由嵌入 CAN 通信控制器芯片的设备组成，是用于低压电器和离散控制领域的现场设备，例如，开关、温度控制器、机器人、伺服电机、变频器等设备之间通信的现场总线。它已成为 IEC62026 标准子集。

DeviceNet 总线采用总线型网络拓扑结构，每个网段可连接 64 个节点，传输速率有 l25kbps、250kbps 和 500kbps 等。主干线最长为 500m，支线为 6m。支持总线供电和单独供电，供电电压 24V 。

该总线采用基于连接的通信方式，因此，节点之间的通信必须先建立通信连接，然后才 能进行通信。报文的发送可以是周期或状态切换，采用生产者/消费者的网络模式。通信连接有输入输出连接和显式连接两种。输入输出连接用于对实时性要求较高的输入输出数据的 通信，采用点对点或点对多点的数据连接方式，接收方不必对接收报文做出应答。显式连接 用于组态数据、控制命令等数据的通信，采用点对点的数据连接方式，接收方必须对接收报 文做出是否正确的应答。

7、LonWorks（Local Operation Network）局部操作网络技术是美国Echelon公司开发的现场总线技术。它采用了与ISO参考模型相似的7层协议结构，LonWorks技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片实现完整的Lonworks的LonTalk通信协议，节点间可以对等通信。LonWorks支持多种物理介质，有双绞线、光纤、同轴电缆、电力线载波、无线电等；并支持多种拓扑结构，组网形式灵活。在LonTalk的全部7层协议中，介质访问方式为P-P CSMA（预测P-坚持载波监听多路复用），采用网络逻辑地址寻址方式，优先级机制保证了通信的实时性，安全机制采用证实方式，因此能构建大型网络控制系统。其IS-78本安物理通道使得它可以应用于易燃易爆危险区域。LonWorks应用范围包括工业控制、楼宇自动化等，在组建分布式监控网络方面有优越的性能。因此业内许多专家认为LonWorks总线是一种颇有希望的现场总线。 三、现场总线技术应用实例

1、 纺织工业信息化建设是未来几年纺织工厂追求和建设重点，而数字化纺织生产体系正是其不可或缺基础。它将全面提升纺织工厂管理水平，对工厂技术、质量、经济和服务推动进步都将产生直接明显推进作用。

数字化纺织机械采用现代先进控制技术：以CPU为核心控制器，以电力电子技术为基础新型驱动技术，以现场总线技术为代表网络及高速数据通讯技术。实现数据实时准确采集和高速传输，实现分布式、现场化和抗干扰性能提高，实现生产过程自动化、智能化，完成纺织机械与现代先进控制技术结合，为纺织企业信息化从设备层打下坚实基础。

网络连接结构，一般将企业网络系统分为4层：控制层、监控层、管理层、信息层，是基于现场总线技术的纺织生产信息化系统。

现场总线控制层是各种生产信息来源。各种棉纺、织造、印染机械控制器具有现场总线通讯接口，适当编程，就可以将机械运行数据实时传送到监控系统。现场总线监控层完成车间级设备检测和控制。应用组态软件编程和现场总线网络，整合车间内各个单台机械设备控制系统，以清晰友好人机界面实现全车间设备生产状态、产量、效率监视，同时还可以对设备工艺参数进行统一设置，故障报警、参数记录、显示历史趋势和实时曲线，生成和打印各种生产报表。管理层是工厂级信息管理系统。控制系统均可以用户需求，多种总线、工业网络建立数据库，对数据进行处理并分类送到各个管理部门，实现数据查询、统计、分析和数据报表。现场总线信息层将控制过程、信息管理、通信网络融为一体，实现数据共享，有关人员登陆到Web 服务器，就可各自权限监控到生产现场设备运行情况。

2、2003年5月6日，PHILIPS正式授权：广州周立功单片机发展有限公司为汽车电子产品线（含CAN-bus、汽车防盗器RFID、汽车传感器）中国地区代理商。

依靠强大的专业开发团队、PHILIPS半导体的领先技术与国际CiA协会、ODVA协会的支持，我们致力于发展中国的CAN产品与应用事业。至现在，我们已成功开发出一系列CAN-bus教学、接口、工具、应用产品，能够为客户提供从“芯片”、“工具”、“模块”、“方案”等各个方面的服务，涉及CAN-bus多个行业与应用领域。我们自主开发的数个型号产品已经领先于国外技术水平，并已投入广泛的实际应用。

CAN-bus（Controller Area Network）即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。起先，CAN-bus被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置。

CAN-bus是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到

10Km时，CAN-bus仍可提供高达5Kbps的数据传输速率。由于CAN串行通讯总线具有这些特性，它很自然地在汽车、制造业以及航空工业中受到广泛应用。

作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，CAN-bus 已被广泛应用到各个自动化控制系统中。从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN-bus。例如，在汽车电子、自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等各领域，CAN-bus 都具有不可比拟的优越性。

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