几种典型现场总线的比较与应用

几种典型现场总线的比较与应用

摘要：技术是目前正在兴起的一种全新的控制技术。该文阐述了现场总线的技术特点及发展现状，并且对当前典型的几种现场总线做了详细的介绍和对比，以利于现场总线技术的推广应用。。

一现场总线的背景及发展状况

工业现场控制随着通信、微电子、微处理器等技术的进步而不断的展,60~70年代采用两线制4~20 mA标准信号;进入80年代,微处理器被嵌入到各种仪表设备之中,形成了分布式控制系统(DCS)。在分布式控制系统中,虽然现场仪表因含有微处理器而形成智能现场仪表,但由于是三层结构模式,成本较高,且各公司的DCS系统有各自的标准,不能互联。鉴于以上情况,国外提出了现场总线概念,现场总线是用于智能化现场设备和基于微处理器的控制室自动化系统间的全数字化、多站总线式的双向多信息数字通讯的通迅规程,是互相操作以及数据共享的公共协议。

现场总线技术是当今自动化领域技术发展的热点课题,并受到各国自动化设备制造商与用户的广泛关注。它的出现,给工业控制技术领域带来了又一次革命,以现场总线为基础的全数字控制系统———现场总线控制系(FCS)将是21世纪自动控制系统的主流。

二现场总线的特点

(1)实现自动化仪表技术从模拟数字混合向全数字的转变，自

动化系统从封闭式向开放式的转变。

(2)不同厂家的产品互操作性与互用性给用户进行系统集成提

供了方便，即用户具有高度的系统集成主动权。

(3)控制、报协、趋势分析等功能分散到现场级仪表和装置中，

简化了上层系统。

(4)从根本上改变了现有DCs集中与分散相结合的集散控制系

统体系，简化了系统结构，提高了系统的实时性和可靠性。

三几种类型的现场总线

现场总线出现于20世纪80年代中后期。从本质上讲,它是一种数字通信协议,是一种应用于生产现场,在智能控制设备之间实现双向、多节点的串行数字通信系统,是一种开放的、数字化的、多点通讯的底层控制网络。现场总线具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通讯速率快、符合环境保护要求、造价低廉和维护成本低等特点。它的发展带来了自动化领域的重大变革。国际上现有各种现场总线达40多种。其中具有一定影响并占有一定市场份额的现场总线主要有CAN、Profibus、FF、Lonworks、WordFIP、HART、P-NET 等。

3.1 基金会现场总线FF

FF总线是由现场总线基金会组织（FF）开发的现场总线标准，被公认为最具有发展前途的现场总线。FF总线的体系结构是参照国际标准化组织（ISO）的开放系统互连协议（OSI）而制定的。OST 有七层，FF总线提取了其中的物理层，数据链路层和应用层，另外有在应用层上增加了一层即用户层。其中,物理层规定了信号如何发送;数据链路层规定如何在设备间共享网络和调度通信;应用层规定了设备间交换数据、命令、时间信息以及请求应答的信息格式,实现网络和系统管理,为每个对象(包括系统内的各种资源块、功能块、转换块和过程对象)提供标准化的通信服务;用户层则用于组成用户需要的应用程序。FF总线的突出特点在于设备的互操作性、更早的预测维护及可靠的安全性。FF总线的传输介质为双绞线，同轴电缆，光线和无线电。协议符合IEC1158-2标准,其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。有两种速率现场总线：H1低俗总线和H2高速总线。

FF总线设备分为链路主设备、基本设备和网桥等3类。链路主设备指有能力成为链路活动调度器LAS的设备,它是总线段的访问控制中心,担负通信的发起和管理的任务。基本设备则只能对来自总线的链路数据作出响应,控制本设备对总线的活动。网桥用于网络中几段总线间的连接,网桥属于链路主设备。

在一个总线段上可连接多种通信设备,可以挂接多个链路主设备,但一个总线上某一时刻只能由一个链路主设备成为链路活动调度器LAS,没有成为LAS的链路主设备起着后备的作用。FF总线的通信活动分为受调度通信和非调度通信两类。由链路活动调度器按预定的时间表周期依次发起的通信活动为受调度通信。在预定的调度时间表之外的时间,链路活动调度器发送令牌,基本设备通过得到令牌的机会发送信息的通信方式为非调度通信。当总线上存在多个链路主

设备时,在系统启动或链路活动调度器因出错失去LAS权时,总线上的链路主设备通过竞争争夺LAS权。竞争过程中将选具有最低节点地址的链路主设备成为链路活动调度器,这样可以很方便地实现通信的冗余配置。Honeywell，Ronan等公司完成了物理层和部分数据链路层的协议的专用芯片，我国的一些仪表研究所及高等院校也开展了FF总线的研究工作。国家电力公司热工研究院汽轮机热力性能试验装备改造是国内第一个在电力系统中采用基于FF的FCS的应用项目。该项目取得了显著的效益。

3.2 CAN总线

CAN是控制网络Control Area Network的简称，CAN协议是一种通信速率高、可靠性高，支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，是建立在150/OSI模型基础上的。它的协议结构分成为三层，即物理层、链路层和应用层。CAN为多主工作方式,网络上任一节点在任何时刻可主动向网络其他节点发送信息而不分主从. CAN的介质访问控制采用非破坏性的基于优先级的CSMA/CD仲裁技术。即多个节点同时发送信息时，优先级较低的节点主动退出发送，优先级高的节点可不受影响的继续传输数据。CAN采用报文通信协议，所有节点都会收到总线上传送的报文。其受干扰的概率低，重发时间短，从而保证了通信的实时性。CAN总线具备复杂的错误检测和恢复能力,数据出错率极低,且节点在错误严重情况下具有自动关闭输出的功能,使总线上其他节点的操作不受影响。CAN的通讯介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,且接口十分简单。由于CAN的介质访问控制采用基于优先级的非破坏性总线仲裁方式,要求网络一定要同步,对优先级较低的CAN节点存在传输延迟不确定的问题,因此较适于介质单一、节点数较少的网络。CAN是针对相对少量的信息系统设计的串行网络,成本低,系统的开发廉价。CAN器件丰富价格低廉,有INTEL、MOTOROLA、NEC、PHILIPS等多家产品可选择。

3.3 LON总线

LON总线是美国Echolon公司推出的局部操作网络，为支持LON 总线，Echelon公司开发了LonWorks技术，为LON总线设计，成品化提供了一套完整平台。

LonWorks使用的是支持OSI的七层LonTalk协议。该协议是直接面向对象的网络协议,利用简单的网络变量的互相连接方便可靠地实现网络各节点间的数据交换。这点是其他现场总线所不支持的。除了网络变量服务外,LonTalk协议还提供了较为复杂灵活的显示报