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(Con troller Area Net work),美国 Echelon 公司设计的Lon Works网络(Local Opera tion Net work),按德国标 准生产的 Profibus(Profess Field Bus)总线，Rosemount 公司设计的 Hart (Highway Addressable Remote Transducer)总线，罗克韦尔自 动化公司的Device Net和Control Net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。现场总线的分类方法很多，这里，我们采用IECSC65c/WG6委员会 主席Richard H.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。 Foundation Field Bus 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。 Lon Works 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Device Net, Honeywell Micro swi tch 公司的 SDS。它们的基础是CAN （高速IS011898；低速IS011519）。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。F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。6 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 （Open System Interconnection）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IMb/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2 1 1 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。42 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 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-Logical link Control ）子层和媒体访问控制（MAC-Medium Access Control）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-None Ret urn to Zero）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OCAN 总线的物理层和数据链路层的功能在CAN控制器中完成。43CAN 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