工业系统集成架构综述

综述

08007130 谢荣平工业系统集成架构这门课结束了，从课堂上学习到的知识依然记忆深刻。在这门课中，我们接触到各种网络，从通信网络、工业局域网到工业以太网再到现场总线等等。我们还接触到了由EtherNet、ControlNet、DeviceNet组成的工业网络，并通过实验让我们亲自接触到了这了网络，虽然只有一次的实验，但是这一次实验使我们对工业网络的结构有了实在的、客观的认识，之前所学到的知识不再是纸上谈兵了。

对于这篇综述，我想结合课上说提到的工业总线知识，加上我从网上搜到的内容，对当前的比较广泛使用的总线进行一个简要的概括，并根据他们的性能做一个比较，希望借此机会对这些总线有更加深刻的认识，并得出一定的结论。

在本片综述中，我将会提及比较常用的CAN总线、M-bus总线、CC-link总线、Profibus、modpus plus还有以太网在工业中的应用。

现场总线是近几年来迅速发展起来的一种工业数据总线，是一种串行的数字数据通信链路，是应用在生产现场，在微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，也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。按照国际电工委员会IEC61158的标准定义，现场总线是“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动化控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线”。

CAN总线：

1. CAN总线的产生与发展

CAN总线的全称是控制器局部网（CONTROLLER AREA NETWORK）是由大名鼎鼎的BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其高性能、高可靠性、实时性等优点现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网将在我国迅速普及推广。

控制器局部网CAN产生的背景是现场总线成为了工业总线领域的热门，但没有一完善的现场总线标准提出来，各个现场总线走着沿着不同的方式发展的时代。我们相信纷繁复杂的现场总线种类将会极大地促进总线的发展。

CAN总线十分适合于分散式工业控制系统，这类系统是以微型机为核心，将5C技术--计算机技术（COMPUTER）、自动控制技术（CONTROL）、通信技术（COMMUNICA TION）、显示技术（CRT）和转换技术（CHANGE）紧密结合的产物。它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。

2. CAN总线特点

CAN总线是德国BOSCH公司从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串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1MBPS。

（1）、总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。这些工作确保了CAN高可靠性。

（2）、协议用对通信数据块进行编码代替了传统的站地址编码，使网络内的节点个数在理论上不受限制。数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义2的11次方或2的29次方个不同的数据块。同时CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误

处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN通过文件标识符的设置，将节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在134us内得到传输。并采用非破坏总线仲裁技术，避免了网络的阻塞。

（3）、采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。从而可以实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据（4）结构简单，只有2跟线与外部相连，一般为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。

（5）直接通信距离最远可达10km(速率5kbps以下)；通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m)。

（6）节点数目前可达110个。

（7）报文采用短帧格式，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。而且每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。在错误帧的情况下具有自动关闭输出功能，而总线上其它节点的操作不受影响。

总的说来，CAN总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

工业以太网总线

以太网（Ethernet）作为一种成功的网络技术,在办公自动化和工业界获得了广泛地应用。因为Ethernet具有成本低、稳定和可靠等诸多优点,已经成为最受欢迎的通信网络之一。然而, 由于Ethernet 的MAC 层协议是CSMA/ CD ,具有排队延迟不确定的缺陷,无法保证确定的排队延迟,使之无法在工业控制中得到有效地使用。

但是事物总是在变化的，伴随着IT技术的发展Ethernet的技术也取得了本质性的飞跃,先后产生高速Ethernet 和千兆Ethernet 产品和国际标准,以及即将出现的十千兆Ethernet 产品和国际标准。针对排队延迟不确定性,Ethernet 又增加了双工通信技术、交换技术、信息优先级等来提高实时性。同时又改进了容错技术。这些新的变化，是以太网用于工业网络中成为了可能。

在工业控制领域中，随着控制系统规模的不断增大，被控对象、测控装置等物理设备地域分散性也越来越明显，集中控制系统已经不能满足要求。集散控制系统和其后出现的现场总线控制系统就是顺应这一趋势发展起来的技术。但是，1999年现场总线技术标准IEC-61158出台，8种现场总线都成为IEC的现场总线技术标准，其实质是没有真正统一的通信标准。因此，世界各大工控厂商纷纷寻找其他途径以求解决扩展性和兼容性的问题。以太网的应用广泛，价格低廉、多种传输介质可选、高速度、易于组网应用等优点，于是成为首选的目标。

以太网作为工业现场总线有很多无法比拟的优点：

首先，基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式通信网络，不同厂商的设备很容易互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作等问题。

其次，低成本、易于组网是以太网的优势。以太网网卡价格低廉，以太网与计算机、服务器等接口十分方便。

第三，以太网具有相当高的数据传输速率，可以提供足够的带宽。而且以太网资源共享能力强，利用以太网作现场总线，很容易将I/O数据连接到信息系统中，数据很容易以实时方式与信息系统上的资源、应用软件和数据库共享。

第四，以太网易与Internet连接。任何地方都可以通过Internet对企业生产进行监视控制;以太网方便实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接的优势可以使电子商务与工业生产控制紧密结合，实现企业管控一体化。

同时，以太网应用作现场总线还存在着很多的问题：