现场总线概述,现场总线的概述

('现场总线概述一、现场总线简介随着控制、计算机、通讯、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次、覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着工业控制领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。现场总线是应用在生产现场、在微型计算机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用背景。现场总线技术将专用于微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有数字计算和通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微型计算机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。它给自动化领域带来的变化正如众多分散的计算机被网络连接在一起，使计算机的功能、加入到信息网络的行列。因此把现场总线技术说成是一个控制技术新时代的开端并不过分。使用现场总线技术给用户带来的好处：1、节省硬件成本2、设计组态安装调试简便3、系统的安全可靠性好4、减少故障停机时间5、用户对系统配置设备选型有最大的自主权6、系统维护设备更换和系统扩充方便7、完善了企业信息系统为实现企业综合自动化提供了基础二、现场总线的种类在过去的10年内，出现了许多的总线产品，较流行的有：德国Bosch公司设计的CAN网络（ControllerAreaNetwork）,美国Echelon公司设计的LonWorks网络（LocalOperationNetwork），按德国标准生产的Profibus(ProfessFieldBus)总线，Rosemount公司设计的Hart（HighwayAddressableRemoteTransducer）总线，罗克韦尔自动化公司的DeviceNet和ControlNet等。它们在一定的程度上获得了应用并取得了效益，对现场总线技术的发展和促进发挥了重要的作用，但都未能统一成为国际标准，因而其应用必然受到产品技术程度不足的限制，难以构成真正的FCS。1现场总线的分类方法很多，这里，我们采用IECSC65c/WG6委员会主席RichardH.Caro的分类方法，将现场总线分为以下3类。（1）全功能数字网络这类现场总线提供从物理层到用户层的所有功能，标准化工作进行得较为完善。这类总线包括：IEC/ISA现场总线，IEC和美国国家标准。FoundationFieldBus实现了IEC/ISA现场总线的一个子集。Profibus-PA和DP是德国标准，欧洲标准的一部分。LonWorks是Echelon公司的专有现场总线，在建筑自动化、电梯控制、安全系统中得到广泛的应用。（2）传感器网络这类现场总线包括罗克韦尔自动化公司的DeviceNet，HoneywellMicroswitch公司的SDS。它们的基础是CAN（高速ISO11898；低速ISO11519）。CAN出现于20世纪80年代，最初应用于汽车工业。许多自动化公司在CAN的基础上建立了自己的现场总线标准。（3）数字信号串行线这是最简单的现场总线，不提供应用层和用户层。例如Seriplex，Interbus-S，ASI等。三、现场总线的原理和发展概况现场总线的实质：现场总线由于标准实质上并未统一，所以对现场总线的定义是各有各的定义。下面给出是现场总线的一种定义：国际电工委员会IEC标准。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。现场总线的实质含义表现在以下6个方面：1现场通信网络用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互联的通信网络。2现场设备互联现场设备或现场仪表是指传感器、变速器和执行器等，这些设备通过一对传感线互联，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等，并可根据需要因地制宜地选择不同类型的传输介质。3互操作性现场设备或现场仪表种类繁多，没有任何一家制造商可以提供一个工厂所需要的全部现场设备，所以，互相连接不同制造商的产品是不可避免的。用户希望对不同品牌的现场设备统一组态，构成他所需的控制回路。这些就是现场总线设备互操作性的含义。现场设备互联是基本的要求，只有实现互操作性，用户才能自由地集成FCS。4分散功能块FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DSC控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。由于功能块分散在多台仪表中，并可统一组态，故供用户灵活选用各种功能，构成所需地控制系统，实现彻底地分散控制。5通信线供电通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，对于要求本特种征安全的低功能现场仪表，可以采用这种供电方式。26开放式互联网络现场总线为开放式互联网络，它既可以于同层网络互联，也可与不同层网络，还可以实现网络数据库的共享，不同的制造商的网络互联十分简便，用户不必在硬件或软件上花太多气力。通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的FCS。现场总线的协议因为没有统一的标准，目前各种现场总线采用的通信协议不尽相同。各家制定的产品协议的依据是国际标准组织（ISO）的开放系统互联（OSI）协议。OSI协议是为计算机联网而制定的7层参考模型，只要网络中所有要处理的要素都是要通过共同的路径进行通信的，各厂商在实际制定自己的通信协议时，并非都在产品中实现了这7层协议，而往往依据侧重电的不同，仅仅实现该7层的子集。系统组成从物理结构来看，现场总线系统有两各主要组成部分：一时现场设备；二时形成系统的传输介质。现场设备由现场处理芯片以及外围电路构成。现场总线系统使用根多的传输介质是双绞线。应用层表达层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层总线访问子层数据链路层物理层现场总线网络结构按照国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互联OSI（OpenSystemInterconnection）参考模型建立的。OSI参考模型共分7层，即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表达层和应用层。该标准规定了每一层的功能以及对上一层所提供的服务。从OSI模式的角度来看，现场总线将上述的7层简化为3层，分别由OSI参考模式的第1层物理层，第2层数据链路层，第7层应用层组成。现场总线结构划分为4层：即物理层、数据链路层、应用层和用户层。4个层次的任务概括如下：1．物理层物理层规定了传输媒介（铜导线、无线电和光缆3种）传输速率、每条线路可接仪器数量、最大传输距离、电源以及连接方式和信号类型等。2．数据链路层数据链路层规定了物理层和应用层之间的接口，如数据结构、从总线上存取数据的规则、传输差错识别处理、噪声检测、多主站使用的3规范化等。现场总线网络存取有3种方式：令牌传送立即响应申请令牌。3．应用层应用层提供设备之间以及网络要求的数据服务，对现场过程控制进行支持，为用户提供一个简单的接口，定义如何读、写、解释和执行一条信息或命令。4．用户层应用层是把数据规格化为特定的数据结构。用户层标准功能块由10个基本功能块如AI,AO,PID等。各厂商必须用标准的输入输出和基本参数以保证现场仪表的互操作性。四、CAN总线CAN总线是德国BOSCH公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种数据通信协议。4．1CAN总线的主要特点1、通信介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤，通信距离最远可达10km（5kb/s），最高速率可达1Mb/s（40m）；2、用数据块编码方式代替传统的站地址编码方式，用一个11位或29位二进制数祖成的标识码来定义211或1129个不同的数据块，让各节点通过滤波的方法分别接受指定的标识码的数据，这种编码方式使得系统配置非常灵活；3、网络上的任意一个节点均可以主动地向其他节点发送数据，是一种多主总线，可以方便地构成多机备份系统；4、网络上的节点可以定义成不同的优先级，利用接口电路的“线与”功能，巧妙地实现了无破坏性的基于优先权的仲裁，当两个节点同时向网络发送数据时，优先级低的节点会主动停止数据发送，而优先级高的节点则不受影响地传送数据，大大节省了总线冲突裁决时间；5、数据帧中的数据字段长度最多为8B，这样不仅可以满足工控领域中传送控制命令、工作状态和测试数据的一般要求，而且保证了通信的实时性；6、在每一个帧中都有CRC校验以及校错，数据差错率低；7、网络上的节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，退出网络通信，保证总线上的其他操作不受影响。4．2网络结构CAN总线是开放系统，但没有严格遵循ISO的开放系统互联的7层参考模型（OSI），处于对实时性和降低成本等原因的考虑，CAN总线只采用了其中最关键的两层，即物理层和数据链路层。物理层的主要内容是规定了通信介质的机械、电器、功能和规程特性。用户可以根据需要选择双绞线、同轴电缆或光纤。物理层还规定了CAN总线的电平为两种状态：隐性（逻辑1）和显形（逻辑0）。数据链路层的主要功能是将要发送的数据进行包装，即加上差错校验位、数据链路协议的控制信息、头尾标记等附加信息组成数据帧，从物理信道上发送出去；在接受到数据帧后，再把附加信息去掉，得到通信数据。在通信过程中，收发双方都要对附加的控制信息进行检查判别，并作响应的处理，从而实现数据传输过程中的流量控制、差4错检测，保证数据的无差错传输。CAN总线的数据链路层包括逻辑控制（LLC-LogicallinkControl）子层和媒体访问控制（MAC-MediumAccessControl）子层。其中MAC子层的主要功能是传输规则，它是CAN总线协议的核心，主要包括控制帧的结构、传输时的非归零(NRZ-NoneReturntoZero)编码方式（检测到连续5个数值相同流后自动插入一个补码位），执行仲裁、错误检测、出错检测、出错标定和故障界定，同时还要确定总线是否空闲（出现连续7个以上隐性位）或者能否马上接受数据（检测同步信号）。LLC子层的主要功能是报文的滤波（根据数据块的编码地址进行选择性接收）和报文的处理。CAN总线的物理层和数据链路层的功能在CAN控制器中完成。4．3CAN总线的协议CAN总线的协议规定了4种不同的帧格式，即数据帧、远程帧、错误帧和超载帧。CAN总线基于下列5条基本规则进行通信协调。1总线访问CAN控制器只能在总线空闲状态期间开始发送。所有CAN控制器同步于帧起始的前沿（硬同步）。2仲裁若两个或更多的CAN控制器同时发送，总线访问冲突通过仲裁场发送期间位仲裁处理方法予以解决。3编码解码帧起始、仲裁场、控制场、数据场和CRC序列使用位填充技术进行编码。4出错标记当检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，检测出错条件的CAN控制器将发送一个出错标志。5超载标注一些CAN控制器发送一个多个超载帧以延迟下一个数据帧或远程帧的发送。由于现场总线时双向的，因此能够从中心控制室对现场智能仪表进行标定、调整以及运行诊断，甚至可在故障发生前进行预测。远程维护和控制在采用数字通信和现场仪表后也将成为可能。概括起来，它具有如下特点。可建立1024条虚拟链路CAN控制器的ID号共由11号，其中1位作为优先级。其余作为数据标识符。其链路可在任意两点之间或一点至任意电之间建立。数据长度有两种格式：小于8B的数据可选用单页Page格式，大于8B的数据可选用数据块Block格式。发送时将需要的数据填入发送信箱并在信箱中置发发送标志，CAN驱动程序循环查询此标志，带有发送标志的信箱会自动发送出去。接受时经硬件滤波后，从信中取出信箱号与本节点的接受信箱号逐一比较，相符即把信件放入接受信箱中。数据的优先级根据信箱号而定，心想好越小，优先级越高，同时还提供为发送紧急数据的优先级。CAN总线时一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN可实现全分布式多机系统，且无主、从机之分；CAN可以用点对点、5一点对多点以及全局广播几种方式传送和接收数据；CAN直接通信距离最远可达19km（传输率为55kb/s），通信速率最高可达1Mb/S（传输距离为40km）；CAN总线上节点数可达110个。五、现场总线的发展现状现场总线是一种全数字化的、实时、双向、多站的通信系统，用于现场级设备互连，以及现场设备与控制系统相连。按照其应用范围，可将现场总线分为二类，即：用于加工制造自动化的现场总线，其特征是高速、短信息；用于过程控制的现场总线，其特征是低速、长信息，有时候还要求本质安全。受工业市场需求的驱动，迫切需要基础自动化这一层面的设备（如变送器、执行器等），即使由不同的厂商供货，也具有互操作性并确保管理系统可对这些设备进行数据存取。不过由于应用领域的不同，要求的功能也不同，近十多年来市场上出现多种现场总线网络，其开放性、网络容量、硬件/软件的可用性和标准支持，都有很大的差异。不同类型的现场总线在功能、性能和价格上有很大区别，各有自己的适用范围。据美国ARC公司的市场调查，世界市场对各种FCS需求的实际份额为：过程自动化15％（FF、Profibus-PA、WorldFIP）；医药领域\uf0d818％（FF、Profibus-PA、WorldFIP）；加工制造18％（Profibus-DP、CC-Link）；交通运输15％（Profibus-DP、CANBus、DeviceNet）；航空、国防\uf0d834％（Profibus-FMS、Lonworks、DeviceNet、ControlNet）；农业（未统计，P-Net、CANBus、Profibus-DP/PA、DeviceNet、ControlNet）；楼宇（未统计，Lonworks、Profibus-FMS、DeviceNet）。但现阶段，DCS仍然是自动化控制中的主要方式，最可行的方案是考虑如何使现场总线与传统的DCS系统尽可能地协同工作，这种集成方案能够得到灵活的系统组态，以适用于更广泛的、富于实用价值的应用。利用现场总线实现控制功能下移至现场层，使DCS的多层网络被扁平化，各个现场设备节点的独立功能得以加强。5.2现场总线的发展趋势现场总线的国际标准虽然制订出来了，但是，由于采用了不同的网络技术，现场总线技术不能实现统一，它与IEC（国际电工委员会）于1984年开始制订现场总线时的初衷是相违背的。因此，现场总线今后的发展将呈以下趋势。1．多种总线并存现场总线国际标准IEC61158中采用的8种类型，以及其他一些现场总线，如Lonworks等，将在今后一段时间内共同发展，并相互竞争相互取长补短。此外；国际跨国公司除了从事他们所支持的现场总线技术的研究与开发，还兼顾其他总线的应用。2.每种现场总线将形成其特定的应用领域目前全球用于连接分散的I/O产品和控制器的总线和网络产品多6种多样，但未来将有越来越多的市场份额集中在越来越少的总线和网络产品上，随之会产生新的市场领导者。随着时间的推移，占有市场80％左右的总线将只有六七种，而且其应用领域比较明确。3．以大网的引入成为新的热点以太网在没有任何标准化组织的支持，但它是目前通讯技术事实上的标准，正在工业自动化和过程控制市场上迅速增长。据1999年10月Inter-Kama展览会的情况看，几乎所有远程I/O接术的供应商均提供一个支持TCP/IP协议的以太网接口，在销售各自PLC产品的同时，提供与远程I/O和基于PC的控制系统相连接的接口。在今后3年以太网的市场占有率将达到20％以上。可以肯定的是，TCP（传输控制协议）已成为以太网事实上的网络层、传送层的通信规约；以太网已变为网络拓扑的唯一选择。Ethernet技术渗透到工业控制中，出现了现场总线型网络技术与以太网／因特网开放型网络技术的自然结合，以太网不仅可以成为工业高层网络上的信息系统，也可以上下贯通直接与现场设备相连。有专家预言，Ethernet是高性能现场总线极好的选择。六、未来趋势由于现场总线技术的发展和实际应用，控制和自动化行业正在经历着巨大的技术变革。从自动控制系统的发展史来看，曾有过两次大的革新：一次是50年代末由旧式模拟仪表向电动或气动单元组合仪表的转变；另一次是80年代从电子模拟仪表到DCS的转变。这两次大的转变，远远不及现场总线对控制系统发展的影响那样深刻。现场总线使控制系统发生了概念上的全新变化。它使传统的控制系统结构发生了根本的变化，在某种意义上，可认为现场总线最终将完全代替DCS。它将开辟过程控制的新纪元。7',)