应用现场总线若干问题的思考-大鱼号登录入口

本文从应用的角度首先详细分析了五种现场总线的技术特点，然后针对应用现场总线的一些问题进行了探讨。  
关键字：现场总线、ff、profibus、can、lonworks、hart

　　1 前言

　　现场总线是90年代初期兴起的一种先进工业控制技术，和dcs相比有许多的优点，它是一种全数字化、全分散式、全开放、可互操作和开放式互联网络的新一代控制系统；是计算机技术，通信技术和控制技术的综合与集成;它将通信线一直延伸到生产现场生产设备，用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络，它将传统的 dcs三层网络结构变成两层网络结构“工作站现场总线智能现场仪表”，降低了成本，提高了可靠性，实现了控制管理一体化的结构体系，所以自它诞生之日起，就对dcs形成了强有力的挑战。目前现场总线己成为世界上自动化技术的热点，世界上许多工控领域的巨人如：honeywell，fisher-rosemount等都积极开展fcs技术的开发研究和应用，推出了自己的fcs产品，据不完全统计，目前各类现场总线产品有40多种，从而，使有的用户对之目不暇接，甚至感到困惑而不知所从。本文将从应用的角度出发，对目前比较流行的五种现场总线技术特点进行分析之后，针对应用现场总线系统时工程中关心的有关问题开展讨论。
2 几种现场总线的特点

　　1． can
　　can是控制器局域网络(controller area network)的简称，它是由德国的bosch公司及几个半导体生产商开发出来的，起初它是为汽车的检测和控制而设计的，后来逐步发展到用于其它工业部门，值得指出的是，can是目前唯一被批准为国际标准的现场总线，它有如下基本特点：
　　(1) can协议遵循 iso／osi模型，采用了其中的物理层，链路层与应用层的三层结构。
　　(2) can的通信速率为5kbps／10km，lmbps／40m，节点数可达110个：传输介质可以是双绞线，光纤等。
　　(3) can的信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低。并且，当can节点发生严重错误时， can具有自动关闭节点的功能，自动切断与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，所以，具有较强的抗干扰能力。
　　(4) can采用点对点，一点对多点及全局广播几种发送和接收数据，可实现全分布式多机系统，且无主从之分。
　　(5) can采用非破坏性的总线仲裁技术。
　　(6) can不能支持防爆区。
　　can自诞生以来，以其独特的设计思想，良好的功能特性和极高的可靠性越来越受到工业界的青睐，目前己在许多行业获得应用：汽车，机器人，楼宇自控，纺织机械，医疗器械，自动化仪表，传感器等。目前支持 can协议的世界有多家著名大公司：intel，motorla，honeywell，nec，siemens，philips等。其在测控和智能仪表方面的应用如图l和图2所示。
　　2．lonworks
　　lonworks是局部操作网络， lon是local operating network的简称，它是美国echelon公司于1991年3月推出的技术和产品，其主要特点为：
　　(1) lonworks采用lontalk通讯协议，该协议遵循 iso／osi参考模型，它提供了osi所定义的全部7层服务，在所有现场总线中，这是独一无二的特色。
　　(2)通信速率为78kbps／2700m，1．25mbps／130m，节点数32000个，传输介质可为双绞线，同轴电缆，光纤，电源线等。
　　(3)lonworks的核心是neuron(神经元)芯片，内含3个8位cpu。第一个cpu为介质访问控制处理器，处理lontalk协议的第一层和第二层。第二个cpu为网络处理器，实现lontalk的第3层到第6层的功能：第3个cpu为应用处理器，实现lontalk的第七层协议，执行由用户编的代码及用户的代码所调用的操作系统服务。 neuron芯片的编程语言为neuron c，是从ansi c中派生出来的。 lonworks提供一套开发平台， lon builder和node builder，价格为10-30万.
　　(4) lonworks可以构成：总线型、星型、环型和混合型等典型的网络结构，能实现网络拓扑结构的自由组合，可以通过网关实现不同现场总线的互联。见图3、图4。
　　(5) lontalk协议的介质访问协议对 csma作了改进，采用一种称作predictive p-persistent csma的新协议。
　　(6)lonworks能支持防爆区。
　　lonworks技术自1991年推出后，发展很快，到1996年已有2600家生产商，使用并且安装了200多万个节点，远远超过了任何其他测控现场总线，其应用范围包括工业控制，楼宇自动化，航空／航天等，几乎囊括了测控应用的所有范畴，在其销售额中，40％是工业控制，30％是楼宇自动化.(lonworks不属于iec现场总线标准之列)

　　3． hart
　　hart是可寻址远程传感器通路( highway addressable remote transducer)的简称，是美国的rosemount公司1986年研制的一种通讯协议，它具有如下特点：
　　(1) hart协议参照 iso／osi模型，其通讯模型由三层构成：物理层，数据链路层和应用层。
　　(2) hart支持模拟信号和数字信号在同一线路上同时存在，可实现与其它模拟设备混合使用，其通讯速率为：在4~20madc模拟信号上叠加fsk数字信号时为1200bps，用屏蔽双绞线单台设备距离可达3000m；而多台互连距离可达1500m．
　　(3) hart支持点对点，主从应答方式和多点广播方式，通讯模式为：“问答式”，或“广播式”。　　(4)hart能利用总线供电，可满足本安防爆要求。
严格地讲，hart不属于现场总线，而是模拟系统向数字系统过渡的一种产品，目前世界上hart协议的产品仍在生产，但现场总线的产品大量上市，而价格能与之接近，所以，它的生命周期不会太长。

　　4． profibus
　　profibus是process fieldbus的简称。它是1987年德国联邦科技部按照iso／osi参考模型制订的现场总线德国国家标准，于1991年正式成为德国现场总线国家标准 (dinl9245)；并于1998年又成为欧洲的标准(en50170)。它具有如下特点：
　　(1) profibus由三部分组成：
　　a． profibus—fms(fieldbus message speciflcation现场总线报文规范)。此部分是完成控制器和现场器件之间的通信以及控制器之间的信息交换，因此，它考虑的是系统功能而不是系统响应时间，适应于完成中等传输速度进行较大数据交换的循环和非循环通讯任务。
　　b． profibus—dp(decentralized periphery分散型外围设备)是一种优化的通讯模块，适用于自动控制系统和外围设备之间的通信，对时间要求苛刻的场合。
　　c． profibus—pa(process automation过程自动化)，应用于过程自动化，实现了 iecll58-2中规定的通信规程，用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。
　　(2) profibus遵循iso／osi模型，其通信模型由三层构成：物理层，数据链路层和应用层。
　　　(3) profibus的通信速率为：
　　a．profibus—fms：使用 rs—485时，为9．6k-500k波特，距离1．6km-4．8km，最多可接122个节点；使用 fsk(频移键控)时，最多32个节点，距离可达5km，介质可为双绞线或光缆。
　　b． profibus—dp：rs-485双绞线或光缆，为9．6k-12m波特；最大距离：12m波特时为100m；1．5m波特时为200m，可用中继器加大距离，最大站数126。
　　c． profibus-pa通信速率为31．25kbps，最大距离为≤1．9km，其每一段上可连接的仪表台数≤32台,但决定于所接入总线仪表设备的耗电量和应用的最大总线电流，只要馈入总线的电源不超过规定的最大电压值和电流值，就可以保证在危险区域中运行的本质安全性．
　　(4)总线存取协议：三种系列的profibus均使用单一的总线存取协议，数据链路层采用混合介质存取方式，即主站间按令牌方式，主站和从站间按主从方式工作。
　　(5)三种系列的profibus很容易集成在一起， dp和fms使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而这两套系统可在同一根电线上同时操作； pa和dp之间使用分段耦台器能方便地集成在一起，如图5所示。
　　(6)安全性： profibus-pa采用总线供电，支持安防爆要求。
profibus自1989问世以来，由于其严格的定义和完善的功能使其成为开放式系统的典范，目前世界上约有五百多家厂商加入了profibus用户协会，并提供近千种profibus产品，著名的siemens公司可提供100多种profibus产品，据统计到1999年世界上已有35万套profibus设备成功应用在5万多个工业现场。

　　5． ff
　　ff是现场总线基金会(fieldbus foundation)的简称，是国际公认的唯一不附属于某企业的公正的非商业化的国际标准化组织，其宗旨是制定单一的国际现场总线标准，无专利许可要求，供如何人使用，它具有如下特点：
　　(1) ff遵照 iso／osi模型，其通信模型由四层构成：物理层，数据链路层，应用层及用户层，在osi模型基础之外增加了一层(用户层)。
　　(2)通信速率： ff定义两种速率的总线，低速总线 h1，波特率为31．25kbps，传输距离为0．2km-1．9km(取决于介质)；高速总线 h2，其波特率为1.0mbps／750m或2．5mbps／500m。传输介质可为双绞线，同轴电缆，光纤或无线电。
　　(3)拓扑结构： h1：支持总线型或树型； h2支持总线型。
　　(4)介质访问：采用容令牌和查询通信方式为一体的技术，在一个网络中可以有几个主站。初始化时，仅容许一个站处于讲工作状态，讲工作状态传来后，主站查询从站，并且特殊的帧结构把讲工作状态送给另一个主站。
　　(5)安全性：低速总线h1采用本安型总线供电，满足本安防爆要求。
ff自1994年成立，世界上已有120多个成员公司加入，著名的现场设备制造商及控制系统供应商都在其列。 iec已批准了ff的物理层标准，国内冶金部自动化研究院1995年4月加入了 ff，1996年4月华控技术有限公司也参加了ff。

3 应用问题的探讨

　　可以看出：工业上还没有一种现场总线能覆盖所有的应用面，各类总线都有一些自己的特色。鉴于现场总线的国际标准尚未出来，在众多现场总线并存的局面下，作为一名准备应用现场总线技术产品的用户，必须根据自己的要求，结合各种现场总线的特色，来选择合理的产品。那么如何进行选择呢?
在具体确定选用那种现场总线产品之前，一般来说，应该弄明如下几方面的情况：
　　1．规模的大小，即需要运用现场总线构成网络的节点有多少个。
规模的大小对选用那种现场总线有影响，如： can最多可接设备110个，而 lonworks的节点数可达32000个， profibus的节点也是从几十个到一百多个。
　　2．环境条件：这包括节点分布的远近，现场的安全防爆要求，电磁环境等。
环境条件的不同，对选用那种现场总线也有影响，首先节点分布的远近决定通信线路的长度，而这方面不同的总线其能力是不一样的，其变化范围为几十米至10公里。现场的安全防爆要求是一项十分重要的指标，根据上面分析除 can总线外，其余几种都能满足安全防爆要求，依据目前的发展趋势最好选用 profibus-pa或 ff的 h1。现场电磁环境的优劣，决定了选用构成网络的通信介质，如果现场电磁干扰等很严重，最好选用光纤作为传输介质。
　　3．传输信号情况：这包括传输信号是模拟量或数字量，信息量的大小，对实时性的要求等。传输信号情况的不同对现场能力也提出不同的要求，如果是模拟与数字信号共存，可以选用hart；如果传输的信息量特别大，实时性不高，可以考虑选用profibus—fms；如果是信息量大，实时性高，可以考虑选用profibus—fms和profibus—dp构成系统.
　　4．现场设备情况：这是指对原老设备的技术改造，还是采用符合现场总线要求的新的智能仪表等。这种情况在国内的许多单位都存在，由于原来使用的许多仪表都是ii型或iii型表，且目前使用的效果又比较好，但又希望利用先进的现场总线技术提高生产的综合自动化水平，这样实际上是提出了一个在如果充分利用原来老设备的基础上建立现场总线网络。所幸的是目前市场提供的远程智能 i／o能满足这种要求如：国内的北京中机浦发工贸发展有限公司就能生产这种产品，通过这种 i／o能将传统仪表的模拟4—20ma或0-5v的信号转换成和现场总线相兼容的通信信号，从而实现与现场总线网络的联接与通信。这种方案对一些财力不是很充足的老企业进行技术改造是一种可取的途径。总之作为用户，总是希望选用性能价格比最优的产品，但是由于用户自身的需求千差万别，往往一种现场的产品很难满足各方面的需求，所以在实际选型时，我们可以利用网关技术，将不同的现场总线集成一起，从而满足自己的要求。
另外，如果针对自己的要求，有几种产品都能满足自己的要求，且性能价格比都差不多时，这时考虑的因素应该是服务，如果哪家的产品用户多，服务好(包括安装，培训，维修等)，就应该考虑优先选择该产品。照目前时情况profibus和ff在这方面比较有优势。