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三种工业总线及其中的现场总线


一, 工业总线三种基本类型
*传感器级总线,即 485 总线网络 *设备级总线,即 HART 总线网络 *现场总线,即 FieldBus 现场总线网络 现场总线定义:现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网
络,也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯 进行特化的网络。这些机器间的主体配线是 ON/OFF 、接点信号和模拟信号,通过通讯的数 字化, 使时间分割、 多重化、 多点化成为可能, 从而实现高性能化、 高可靠化、 保养简便化、 节省配线(配线的共享) 。

现场总线分为以下几种:
下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。 1、基金会现场总线(FoundationFieldbus 简称 FF ) 这是以美国 Fisher-Rousemount 公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等 80 家公司制定的 ISP 协议和以 Honeywell 公司为首的联合欧洲等地 150 余家公司制定的 WorldFIP 协议于 1994 年 9 月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用,具有 良好的发展前景。 基金会现场总线采用国际标准化组织 ISO 的开放化系统互联 OSI 的简化模型(1, 2 , 7 层),即物理层、数据链路层、应用层,另外增加了用户层。FF 分低速 H1 和高速 H2 两 种通信速率,前者传输速率为 31.25Kbit/秒,通信距离可达 1900m,可支持总线供电和本 质安全防爆环境。后者传输速率为 1Mbit/秒和 2.5Mbit/秒,通信距离为 750m 和 500m,支 持双绞线、光缆和无线发射,协议符号 IEC1158-2 标准。FF 的物理媒介的传输信号采用曼 切斯特编码。 2、CAN(ControllerAreaNetwork 控制器局域网) 最早由德国 BOSCH 公司推出,它广泛用于离散控制领域,其总线规范已被 ISO 国际 标准组织制定为国际标准,得到了 Intel、Motorola、NEC 等公司的支持。CAN 协议分为二 层:物理层和数据链路层。CAN 的信号传输采用短帧结构,传输时间短,具有自动关闭功 能,具有较强的抗干扰能力。CAN 支持多主工作方式,并采用了非破坏性总线仲裁技术, 通过设置优先级来避免冲突,通讯距离最远可达 10KM/5Kbps/s,通讯速率最高可达 40M /1Mbp/s,网络节点数实际可达 110 个。已有多家公司开发了符合 CAN 协议的通信芯片。 3、Lonworks 它由美国 Echelon 公司推出, 并由 Motorola、 Toshiba 公司共同倡导。 它采用 ISO/OSI 模型的全部 7 层通讯协议,采用面向对象的设计方法,通过网络变量把网络通信设计简化 为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质,通讯速率从 300bit/s

至 1.5M/s 不等,直接通信距离可达 2700m(78Kbit/s),被誉为通用控制网络。Lonworks 技术采用的 LonTalk 协议被封装到 Neuron (神经元) 的芯片中, 并得以实现。 采用 Lonworks 技术和神经元芯片的产品,被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、 交通运输、工业过程控制等行业。 4、DeviceNet DeviceNet 是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案,有着开放的网络 标准。 DeviceNet 具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级 阵地功能。DebiceNet 基于 CAN 技术,传输率为 125Kbit/s 至 500Kbit/s,每个网络的最大节 点为 64 个,其通信模式为:生产者/客户(Producer/Consumer ),采用多信道广播信息发 送方式。位于 DeviceNet 网络上的设备可以自由连接或断开,不影响网上的其他设备,而 且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet 总线的组织结构是 Open DeviceNet Vendor Association(开放式设备网络供应商协会,简称“ODVA” )。 5、PROFIBUS PROFIBUS 是德国标准(DIN19245)和欧洲标准(EN50170)的现场总线标准。由 PROFIBUS--DP、PROFIBUS-FMS、PROF IBUS-PA 系列组成。DP 用于分散外设间高 速数据传输,适用于加工自动化领域。FMS 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低 压开关等。PA 用于过程自动化的总线类型,服从 IEC1158-2 标准。PROFIBUS 支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS 的传输速率为 9.6Kbit/s 至 12Mbit/s,最大传输距离在 9.6Kbit/s 下为 1200m,在 12Mbit/s 小为 200m,可 采用中继器延长至 10km,传输介质为双绞线或者光缆,最多可挂接 127 个站点。 6、HART HART 是 Highway Addressable Remote Transducer 的缩写,最早由 Rosemount 公 司开发。 其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信, 属于模拟系统向数字系统转 变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层,支持点对点主从应答方 式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和,难以开发通用的通信接口芯片。HART 能利用总线供电, 可满足本质安全防爆的要求, 并可用于由手持编程器与管理系统主机作为 主设备的双主设备系统。 7、CC-Link CC-Link 是 Control&Communication Link (控制与通信链路系统)的缩写,在 1996 年 11 月,由三菱电机为主导的多家公司推出,其增长势头迅猛,在亚洲占有较大份额。在 其系统中,可以将控制和信息数据同是以 10Mbit/s 高速传送至现场网络,具有性能卓越、 使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题,同时具有 优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link 是一个以设备层为主的网络,同时也可覆盖较高层次的 控制层和较低层次的传感层。2005 年 7 月 CC-Link 被中国国家标准委员会批准为中国国家 标准指导性技术文件。 8、WorldFIP WorkdFIP 的北美部分与 ISP 合并为 FF 以后,WorldFIP 的欧洲部分仍保持独立,总 部设在法国。其在欧洲市场占有重要地位,特别是在法国占有率大约为 60%。WorldFIP 的

特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求, 而且没有任何网关或网桥, 用软 件的办法来解决高速和低速的衔接。WorldFIP 与 FFHSE 可以实现“透明联接”,并对 FF 的 H1 进行了技术拓展, 如速率等。 在与 IEC61158 第一类型的连接方面, WorldFIP 做得最好, 走在世界前列。 9、INTERBUS INTERBUS 是德国 Phoenix 公司推出的较早的现场总线,2000 年 2 月成为国际标准 IEC61158。INTERBUS 采用国际标准化组织 ISO 的开放化系统互联 OSI 的简化模型( 1 , 2,7 层),即物理层、数据链路层、应用层,具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。 其采用集总帧型的数据环通信,具有低速度、高效率的特点,并严格保证了数据传输的同步 性和周期性;该总线的实时性、抗干扰性和可维护性也非常出色。INTERBUS 广泛地应用 到汽车、烟草、仓储、造纸、包装、食品等工业,成为国际现场总线的领先者。 此外较有影响的现场总线还有丹麦公司 Process-Data A/S 提出的 P-Net, 该总线主要 应用于农业、林业、水利、食品等行业;SwiftNet 现场总线主要使用在航空航天等领域,还 有一些其他的现场总线这里就不再赘述了。

补充:工业以太网的出现
现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成,几乎涵盖了所有连续、离散 工业领域,如过程自动化、制造加工自动化、楼宇自动化、家庭自动化等等。现场总线技术 的发展体现为两个方面: 一个是低速现场总线领域的不断发展和完善; 另一个是高速现场总 线技术的发展。而现场总线产品主要是低速总线产品,应用于运行速率较低的领域,对网络 的性能要求不是很高。从实际应用状况看,大多数现场总线,都能较好地实现速率要求较低 的过程控制。因此,在速率要求较低的控制领域,谁都很难统一整个市场。由于 FF 基金会 几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商, 其全球影响力日益增加, 但其在中国市场营销力 度似乎不足,市场份额不是很高,LonWorks 形成了全面的分工合作体系,在国内有一些实 质性的进展,在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面,LonWorks 则具有独特的 优势。在离散制造加工领域,由于行业应用的特点和历史原因,Profibus 和 CAN 经在这一 领域形成了自己的优势,具有较强的竞争力。国内厂商的规模相对较小,研发能力较差,更 多的是依赖技术供应商的支持,比较容易受现场总线技术供应商 (芯片制造商等)对国内的 支持和市场推广力度的影响。 而且, 还有一个不可忽视的一点就是在构建自动化管理系统时, 选择的上位机,比如组态软件对总线设备的支持程度,有些监控组态软件,比如紫金桥监控 组态软件或者 InTouch 等对一些主流的总线设备比如 Lonworks、PROFIBUS、CAN 等有 着良好的支持,通过 DDE、OPC 或者直接连接等方式进行通讯,采集数据。这样可以方便 用户的选择,而一些组态软件则支持的种类较少,是用户选择的范围也随之减少。 由于自动化技术从单机控制发展到工厂自动化 FA,发展到系统自动化。工厂自动化信 息网络可分为以下三层结构:工厂管理级、车间监控级、现场设备级,而现场总线是工厂底 层设备之间的通信网络。这里先介绍一下以太网,本文特指工业以太网,工业以太网是作为 办公室自动化领域衍生的工业网络协议,按习惯主要指 IEEE 802.3 协议,如果进一步采用

TCP/IP 协议族,则采用“以太网+TCP/IP” 来表示,其技术特点主要适合信息管理、信息处理 系统,并在 IT 业得到了巨大的成功。在工厂管理级、车间监控级信息集成领域中,工业以 太网已有不少成功的案例, 在设备层对实时性没有严格要求场合也有许多应用。 由于现场总 线种类繁多,标准不一,很多人都希望以太网技术能介入设备低层,广泛取代现有现场总线 技术, 施耐德公司就是该想法的积极倡导者和实践者, 已有一批工业级产品问世和实际应用, 以太网还不能够真正解决实时性和确定性问题, 大部分现场层仍然会首选现场总线技术。 由 于技术的局限和各个厂家的利益之争, 这样一个多种工业总线技术并存, 以太网技术不断渗 透的现状还会维持一段时间。用户可以根据技术要求和实际情况来选择所需的解决方案。


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