過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域現場(chǎng)總線(xiàn)的分類(lèi)

基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)
　　基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)，即Foudation Fieldbus，簡(jiǎn)稱(chēng)FF，這是在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以美國Fisher-Rousemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門(mén)子Siemens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WordFIP協(xié)議。屈于用戶(hù)的壓力，這兩大集團于1994年9月合并，成立了現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )，致力于開(kāi)發(fā)出國際上統一的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。它以ISO/OSI開(kāi)放系統互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶(hù)層。
　　基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為 3125Kbps，通信距離可達 1900m （可加中繼器延長(cháng)），可支持總線(xiàn)供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為 1Mbps和 2 5Mbps兩種，其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持比絞線(xiàn)、光纜和無(wú)線(xiàn)發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼，每位發(fā)送數據的中心位置或是正跳變，或是負跳變。正跳變代表0，負跳變代表1，從而使串行數據位流中具有足夠的定位信息，以保持發(fā)送雙方的時(shí)間同步。接收方既可根據跳變的極性來(lái)判斷數據的“1”、“0”狀態(tài)，也可根據數據的中心位置精確定位。
　　為滿(mǎn)足用戶(hù)需要，Honeywell、Ronan等公司已開(kāi)發(fā)出可完成物理層和部分數據鏈路層協(xié)議的專(zhuān)用芯片，許多儀表公司已開(kāi)發(fā)出符合FF協(xié)議的產(chǎn)品，1總線(xiàn)已通過(guò)a測試和β測試，完成了由 13個(gè)不同廠(chǎng)商提供設備而組成的FF現場(chǎng)總線(xiàn)工廠(chǎng)試驗系統。2總線(xiàn)標準也已經(jīng)形成。
　　1996年10月，在芝加哥舉行的ISA96展覽會(huì )上，由現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )組織實(shí)施，向世界展示了來(lái)自40多家廠(chǎng)商的70多種符合FF協(xié)議的產(chǎn)品，并將這些分布在不同樓層展覽大廳不同展臺上的FF展品，用醒目的橙紅色電纜，互連為七段現場(chǎng)總線(xiàn)演示系統，各展臺現場(chǎng)設備之間可實(shí)地進(jìn)行現場(chǎng)互操作，展現了基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)的成就與技術(shù)實(shí)力。
　　LonWorks
　　LonWorks是又一具有強勁實(shí)力的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，它是由美國Ecelon公司推出并由它
　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)
　　們與摩托羅拉Motorola、東芝Hitach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(guò)網(wǎng)絡(luò )變量把網(wǎng)絡(luò )通信設計簡(jiǎn)化為參數設置，其通訊速率從300bps至15Mbps不等，直接通信距離可達到2700m（78kbps，雙絞線(xiàn)），支持雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線(xiàn)、電源線(xiàn)等多種通信介質(zhì)，并開(kāi)發(fā)相應的本安防爆產(chǎn)品，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò )。
　　LonWorks技術(shù)所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱(chēng)之為Neuron的芯片中并得以實(shí)現。集成芯片中有3個(gè)8位CPU；一個(gè)用于完成開(kāi)放互連模型中第 1～ 2層的功能，稱(chēng)為媒體訪(fǎng)問(wèn)控制處理器，實(shí)現介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)的控制與處理 ；第二個(gè)用于完成第3～6層的功能，稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )處理器，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )變量處理的尋址、處理、背景診斷、函數路徑選擇、軟件計量時(shí)、網(wǎng)絡(luò )管理，并負責網(wǎng)絡(luò )通信控制、收發(fā)數據包等；第三個(gè)是應用處理器，執行操作系統服務(wù)與用戶(hù)代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區，以實(shí)現CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò )緩沖區和應用緩沖區。如Motorola公司生產(chǎn)的神經(jīng)元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM。
　　LonWoeks技術(shù)的不斷推廣促成了神經(jīng)元芯片的低成本 （每片價(jià)格約 5～9美元），而芯片的低成本又返過(guò)來(lái)促進(jìn)了LonWorks技術(shù)的推廣應用，形成了良好循環(huán)，據Ecelon公司的有關(guān)資料，到1996年7月，已生產(chǎn)出 500萬(wàn)片神經(jīng)元芯片。
　　LonWorks公司的技術(shù)策略是鼓勵各OEM開(kāi)發(fā)商運用LonWorks技術(shù)和神經(jīng)元芯片，開(kāi)發(fā)自己的應用產(chǎn)品，據稱(chēng)目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技術(shù)：1000多家公司已經(jīng)推出了LonWorks產(chǎn)品，并進(jìn)一步組織起LonWark互操作協(xié)會(huì )，開(kāi)發(fā)推廣LonWorks技術(shù)與產(chǎn)品。它被廣泛應用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統、辦公設備、運輸設備、工業(yè)過(guò)程控制等行業(yè)。為了支持LonWorks與其它協(xié)議和網(wǎng)絡(luò )之間的互連與互操作，該公司正在開(kāi)發(fā)各種網(wǎng)關(guān)，以便將LonWorks與以太網(wǎng)、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互連為系統。
　　另外，在開(kāi)發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面，LonWorks神經(jīng)元芯片也具有獨特的優(yōu)勢。LonWorks技術(shù)已經(jīng)被美國暖通工程師協(xié)會(huì )ASRE定為建筑自動(dòng)化協(xié)議BACnet的一個(gè)標準。根據剛剛收到的消息，美國消費電子制造商協(xié)會(huì )已經(jīng)通過(guò)決議，以L(fǎng)onWorks技術(shù)為基礎制定了EIA-709標準。
　　這樣，LonWorks已經(jīng)建立了一套從協(xié)議開(kāi)發(fā)、芯片設計、芯片制造、控制模塊開(kāi)發(fā)制造、OEM控制產(chǎn)品、最終控制產(chǎn)品、分銷(xiāo)、系統集成等一系列完整的開(kāi)發(fā)、制造、推廣、應用體系結構，吸引了數萬(wàn)家企業(yè)參與到這項工作中來(lái)，這對于一種技術(shù)的推廣、應用有很大的促進(jìn)作用。
　　Profibus
　　Profibus是作為德國國家標準DIN 19245和歐洲標準prEN 50170的現場(chǎng)總線(xiàn)。ISO/OSI模型也是它的參考模型。由Profibus -Dp、Profibus -FMS、Profibus-PA組成了Profibus系列。DP型用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應用。FMS意為現場(chǎng)信息規范，適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等一般自動(dòng)化，而PA型則是用于過(guò)程自動(dòng)化的總線(xiàn)類(lèi)型，它遵從IEC1158-2標準。該項技術(shù)是由西門(mén)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、數據鏈路層，由這兩部分形成了其標準第一部分的子集，DP型隱去了3～7層，而增加了直接數據連接擬合作為用戶(hù)接口，FMS型只隱去第3～6層，采用了應用層，作為標準的第二部分。PA型的標準目前還處于制定過(guò)程之中，其傳輸技術(shù)遵從IEC1158-2 （1 ）標準，可實(shí)現總線(xiàn)供電與本質(zhì)安全防爆。
　　Porfibus支持主—從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式。主站具有對總線(xiàn)的控制權，可主動(dòng)發(fā)送信息。對多主站系統來(lái)說(shuō)，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點(diǎn)可在一個(gè)事先規定的時(shí)間內擁有總線(xiàn)控制權，共事先規定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長(cháng)時(shí)間。按Profibus的通信規范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行方向進(jìn)行傳遞。主站在得到控制權時(shí)，可以按主—從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)通信。主站可采取對所有站點(diǎn)廣播 （不要求應答）或有選擇地向一組站點(diǎn)廣播。
　　Profibus的傳輸速率為96～12kbps最大傳輸距離在12kbps時(shí)為1000m，15Mbps時(shí)為400m，可用中繼器延長(cháng)至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)，也可以是光纜，最多可掛接 127個(gè)站點(diǎn)。
　　CAN
　　CAN是控制網(wǎng)絡(luò )Control Area Network的簡(jiǎn)稱(chēng)，最早由德國B(niǎo)OSCH公司推出，用于汽車(chē)內部測量與執行部件之間的數據通信。其總線(xiàn)規范現已被ISO國際標準組織制訂為國際標準，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應用在離散控制領(lǐng)域。
　　CAN協(xié)議也是建立在國際標準組織的開(kāi)放系統互連模型基礎上的，不過(guò)，其模型結構只有3層，只取OSI底層的物理層、數據鏈路層和頂上層的應用層。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線(xiàn)，通信速率最高可達 1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達 1 0km/kbps，可掛接設備最多可達 110個(gè)。
　　CAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。當節點(diǎn)嚴重錯誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能以切斷該節點(diǎn)與總線(xiàn)的聯(lián)系，使總線(xiàn)上的其它節點(diǎn)及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。
　　CAN支持多主方式工作，網(wǎng)絡(luò )上任何節點(diǎn)均在任意時(shí)刻主動(dòng)向其它節點(diǎn)發(fā)送信息，支持點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)和全局廣播方式接收/發(fā)送數據。它采用總線(xiàn)仲裁技術(shù)，當出現幾個(gè)節點(diǎn)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò )上傳輸信息時(shí)，優(yōu)先級高的節點(diǎn)可繼續傳輸數據，而優(yōu)先級低的節點(diǎn)則主動(dòng)停止發(fā)送，從而避免了總線(xiàn)沖突。
　　已有多家公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了符合CAN協(xié)議的通信芯片，如Intel公司的 82 52 7，Motorola公司的MC68HC05X4，Philips公司的82 C2 50等。還有插在PC機上的CAN總線(xiàn)接口卡，具有接口簡(jiǎn)單、編程方便、開(kāi)發(fā)系統價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。
　　HART
　　HART是Highway Addressable Remote Transduer的縮寫(xiě)。最早由Rosemout公司開(kāi)發(fā)并得到80多家著(zhù)名儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會(huì )。這種被稱(chēng)為可尋址遠程傳感高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議，其特點(diǎn)是現有模擬信號傳輸線(xiàn)上實(shí)現數字通信，屬于模擬系統向數字系統轉變過(guò)程中工業(yè)過(guò)程控制的過(guò)渡性產(chǎn)品，因而在當前的過(guò)渡時(shí)期具有較強的市場(chǎng)競爭能力，得到了較好的發(fā)展。
　　HART通信模型由3層組成 ：物理層、數據鏈路層和應用層。物理層采用FSK(Frequency Shift Keying）技術(shù)在4～20mA模擬信號上迭加一個(gè)頻率信號，頻率信號采用Bell202國際標準；數據傳輸速率為1200bps，邏輯0的信號頻率為2200Hz，邏輯1的信號傳輸頻率為 1200Hz。
　　數據鏈路層用于按HART通信協(xié)議規則建立HART信息格式。其信息構成包括開(kāi)頭碼、顯示終端與現場(chǎng)設備地址、字節數、現場(chǎng)設備狀態(tài)與通信狀態(tài)、數據、奇偶校驗等。其數據字節結構為1個(gè)起始位，8個(gè)數據位，1個(gè)奇偶校驗位，1個(gè)終止位。應用層的作用在于使HART指令付諸實(shí)現，即把通信狀態(tài)轉換成相應的信息。它規定了一系列命令；按命令方式工作。它有 3類(lèi)命令，第一類(lèi)稱(chēng)為通用命令，這是所有設備理解、執行的命令；第二類(lèi)稱(chēng)為一般行為命令，它所提供的功能可以在許多現場(chǎng)設備 （盡管不是全部 ）中實(shí)現，這類(lèi)命令包括最常用的現場(chǎng)設備的功能庫；第三類(lèi)稱(chēng)為特殊設備命令，以便在某些設備中實(shí)現特殊功能，這類(lèi)命既可以在基金會(huì )中開(kāi)放使用，又可以為開(kāi)發(fā)此命令的公司所獨有。在一個(gè)現場(chǎng)設備中通?？砂l(fā)現同時(shí)存在這3類(lèi)命令。HART支持點(diǎn)對點(diǎn)主從應答方式和多點(diǎn)廣播方式。按應答應方式工作時(shí)的數據更新速率為2～3次/s，按廣播方式工作時(shí)的數據更新速率為 3～4次 /s，它還可支持兩個(gè)通信主設備?？偩€(xiàn)上可掛設備數多達 15個(gè)，每個(gè)現場(chǎng)設備可有256個(gè)變量，每個(gè)信息最大可包含4個(gè)變量。最大傳輸距離3000m，HART采用統一的設備描述語(yǔ)言DDL?，F場(chǎng)設備開(kāi)發(fā)商采用這種標準語(yǔ)言來(lái)描述設備特性，由HART基金會(huì )負責登記管理這些設備描述并把它們編為設備描述字典，主設備運用DDL技術(shù)，來(lái)理解這些設備的特性參數而不必為這些設備開(kāi)發(fā)專(zhuān)用接口。但由于這種模擬數字混信號制，導致難以開(kāi)發(fā)出一種能滿(mǎn)足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用總線(xiàn)供電，可滿(mǎn)足本安防爆要求。
　　RS-485
　　盡管RS-485不能稱(chēng)為現場(chǎng)總線(xiàn)，但是作為現場(chǎng)總線(xiàn)的鼻祖，還有許多設備繼續沿用這種通訊協(xié)議。采用RS-485通訊具有設備簡(jiǎn)單、低成本等優(yōu)勢，仍有一定的生命力。以RS-485為基礎的OPTO-22命令集等也在許多系統中得到了廣泛的應用。