現(xiàn)場總線介紹

1.什么是現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是應用在生產現(xiàn)場、在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡。

2.現(xiàn)場總線的由來

集散控制系統(tǒng)DCS（distributedcontrolsystem）

隨著生產規(guī)模的擴大，操作人員需要綜合掌握多點的運行參數(shù)與信息，需要同時按多點的信息實行操作控制，于是出現(xiàn)了氣動、電動系列的單元組合式儀表，出現(xiàn)了集中控制室。生產現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，如0.02～0.1MPa的氣壓信號，0～10mA、4～20mA的直流電流信號，1～5V直流電壓信號等，送往集中控制室。

由于模擬信號的傳遞需要一對一的物理連接，信號變化緩慢，提高計算速度與精度的開銷、難度都較大，信號傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差，人們開始尋求用數(shù)字信號取代模擬信號，出現(xiàn)了直接數(shù)字控制。但是，在DCS系統(tǒng)形成的過程中，由于受計算機系統(tǒng)早期存在的系統(tǒng)封閉這一缺陷的影響，各廠家的產品自成系統(tǒng)，不同廠家的設備不能互連在一起，難以實現(xiàn)互換與互操作，組成更大范圍信息共享的網(wǎng)絡系統(tǒng)存在很多困難。新型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)則突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡的封閉系統(tǒng)來實現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標準化的解決方案，即可以把來自不同廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動化設備，通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡連接成系統(tǒng)，實現(xiàn)綜合自動化的各種功能；同時把DCS集中與分散相結合的集散系統(tǒng)結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設備本身便可實現(xiàn)基本控制功能?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(fieldbuscontrolsystem)

智能儀表為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)奠定了基礎

1983年，Honeywell推出了智能化儀表——Smar變送器，這些帶有微處理器芯片的儀表除了在原有模擬儀表的基礎上增加了復雜的計算功能之外，還在輸出的4～20mA直流信號上迭加了數(shù)字信號，使現(xiàn)場與控制室之間的連接由模擬信號過渡到了數(shù)字信號。

現(xiàn)場總線之所以具有較高的測控能力指數(shù)，一是得益于儀表的微機化，二是得益于設備的通信功能。把微處理器置入現(xiàn)場自控設備、使設備具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，一方面提高了信號的測量、控制和傳輸精度，同時為豐富控制信息的內容，實現(xiàn)其遠程傳送創(chuàng)造了條件。4幾種有影響的現(xiàn)場總線技術

自80年代末以來，有幾種現(xiàn)場總線技術已逐漸形成其影響并在一些特定的應用領域顯示了自己的優(yōu)勢。它們具有各自的特點，也顯示了較強的生命力。對現(xiàn)場總線技術的發(fā)展已經發(fā)揮并將會繼續(xù)發(fā)揮較大作用。

(1)基金會現(xiàn)場總線

基金會現(xiàn)場總線(FF，F(xiàn)oundationFieldbus)是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術。其前身是以美國Fisher—Rosemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的WorldFIP協(xié)議。屈于用戶的壓力，這兩大集團于1994年9月合并，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。H1的傳輸速率為31.25kbps，通信距離可達1900m(可加中繼器延長)，可支持總線供電，支持本質安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率可為1Mbps和2．5Mbps兩種，其通信距離分別為750m和500m。物理傳輸介質可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IECll58—2標準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼?；饡F(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。本質安全型電氣設備的原理：

通過選擇電氣設備電路的各種參數(shù)或采取保護措施來限制電路的火花放電能量和熱能，使其在正常工作和規(guī)定的故障狀態(tài)下，產生的電火花的熱效應均不能點燃周圍環(huán)境的爆炸性混合物，從而實現(xiàn)了電氣防爆。這種電氣設備的電路本身就具有防爆性能，也就是從“本質”上就是安全的，故稱為本質安全型（本安型）。基金會現(xiàn)場總線的主要技術內容，包括：

FF通信協(xié)議；用于完成開放互連模型中第2～7層通信協(xié)議的通信棧(CommunicationStack)；用于描述設備特征、參數(shù)、屬性及操作接口的DDL設備描述語言、設備描述字典；用于實現(xiàn)測量、控制、工程量轉換等應用功能的功能塊、實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、調度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技術；以及構筑集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術。(2)LonWorks

LonWorks是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術。它是由美國Echelon公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO／OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向對象的設計方法，通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信設計簡化為參數(shù)設置，其通信速率從300bps至1．5Mbps不等，直接通信距離可達2700m(78kbps，雙絞線)。支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質，并開發(fā)了相應的本質安全防爆產品，被譽為通用控制網(wǎng)絡。

集成芯片中有3個8位CPU，一個用于完成開放互連模型中第1和第2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實現(xiàn)介質訪問的控制與處理。第二個用于完成第3～6層的功能，稱為網(wǎng)絡處理器，進行網(wǎng)絡變量的尋址、處理、背景診斷、路徑選擇、軟件計時、網(wǎng)絡管理，并負責網(wǎng)絡通信控制，收發(fā)數(shù)據(jù)包等。第三個是應用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區(qū)，以實現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡緩沖區(qū)和應用緩沖區(qū)。

LonWorks技術所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為Neuron的神經元芯片中而得以實現(xiàn)。(3)PROFIBUS

PROFIBUS是德國國家標準DINl9245和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場總線標準。由PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA組成了PROFIBUS系列。DP型用于分散外設間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化領域的應用。FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，PROFIBUS-FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。而PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IECll58—2標準。該項技術是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。FMS還采用了應用層。傳輸速率為9，6kbps～12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時為lOOm，1．5Mhps時為400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質可以是雙絞線，也可以是光纜。最多可掛接127個站點?？蓪崿F(xiàn)總線供電與本質安全防爆。(4)CAN

CAN是控制局域網(wǎng)絡(ControlAreaNetwork)的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標準組織制訂為國際標準。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，只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應用層。信號傳輸介質為雙絞線。通信速率最高可達1Mbps／40m，直接傳輸距離最遠可達10km／5kbps?？蓲旖釉O備數(shù)最多可達110個。

CAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。(5)HART

HART是HighwayAddressableRemoteTransducer的縮寫。最早由Rosemount公司開發(fā)并得到八十多家著名儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會。這種被稱為可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉變過程中的過渡性產品，因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較快發(fā)展。

它規(guī)定了一系列命令，按命令方式工作。它有三類命令：第一類稱為通用命令，這是所有設備都理解、執(zhí)行的命令；第二類稱為一般行為命令，所提供的功能可以在許多現(xiàn)場設備(盡管不是全部)中實現(xiàn)，這類命令包括最常用的現(xiàn)場設備的功能庫；第三類稱為特殊設備命令，以便在某些設備中實現(xiàn)特殊功能，這類命令既可以在基金會中開放使用，又可以為開發(fā)此命令的公司所獨有。在一個現(xiàn)場設備中通?？砂l(fā)現(xiàn)同時存在這三類命令。

5控制器局域網(wǎng)總線CAN

5.1CAN的性能特點

CAN(ControllerAreaNetwork)即控制器局域網(wǎng)絡。CAN最初是由德國的BOSCH公司為汽車監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設計的。世界上一些著名的汽車制造廠商，如BENZ(奔馳)、BMW(寶馬)、PORSCHE(保時捷)、ROLLS-ROYCE(勞斯萊斯)和JAGUA