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现场通信网络综述 成继勋 湘潭工学院湘潭4 1 1 2 0 1 摘 要 较全面地论述了 工业和家 用现场通信网包 括定义桩路层和应用层的R S 4 8 5 总线 C A N总线 以 及不同 工业领城的的 低层伞 行数字通信网 络的国际 标准 含8 类总线的 I E C 6 1 1 5 8 标准 用于公路牟辆数字信息交换的 I S O 1 1 8 9 8 标准 列牟通信网标准I E C 6 1 3 7 5 用于低压配电与撞例装1的控例器与设备接口 标准I E C 6 2 0 2 6 用于工业机械 机 床 运动妆制的实 时通信标准I E C 6 1 4 9 1 S E R C O S 等 论丈还简介了家瘫自 动化通信网 络 最后论述了高 速以太网 用作现场总线的发展趁势 关 词 场 总 标 食 哑 太 一 引官 现场通信网 或者称广义的 现场总线 是广泛应 角于计算机侧控领域的申行双向数字通 信网络 以 下统称现场总线 其功能是实现管控设备对现场 或底层 数据的收集 对现场 或底层 执行设备的 控制 完成系统管控设备与现场设备之间 现场设备相互之间的 信息交 换 其应用领域大致可以 分为 过程工业中的连续控制 制造业的离散控制及运动控制 电 力监控及变配电 领域电 气开关的 控制 车辆及其它可移动设备内 部的侧控 环境监控 实验 室自 动侧试系 统以 及其它地域分徽的一般自 动化领城的数据传递与集中 诸如自 来水系统 监控系统 水电气抄表系统 商品销咨系统等等 近年又发展到了家庭自动化领域 目前在 这些领域应用的 现场通信网络 有通信协议完善的 具有国际标准的现场总线 也有通信协议 不很完善的自 定义 部分协议的简单的现场总线 由于后者技术简单 开发容易 价格便宜 在一些规模不大的侧控系统中 仍然有着广泛的应用 二 采用R S 4 8 5 的自 定义现场总线 1 9 8 3 年1 2 月 美国E I A E l e c t r o n i c I n d u s t r i e s A s s o c i a t i o n 在R S 一 4 2 2 1 9 7 8 1 2 标准的 基础上制定了R S 4 8 5 标准 用于平衡数字多点系统的发送器和接收器的电气特性 1 9 9 8 年3 月成为E I A和T I A T e l e c o m m u n i c a t i o n s I n d u s t ry A s s o c i a t i o n 等组织的共同标准T I A E I A 一 4 8 5 一 A 一 9 8 I T U I n t e r n a t io n a l T e l e c o m m u n i c a t i o n U n i o n 的相应标准为V 1 1 R S 4 8 5 是一个物理接口电气标准 采用差分 平衡 传翰 最大传抽速率 I O M b s 1 2 m距 离 最大传翰距离1 2 0 0 m 1 0 0 k b s 2 4 A WG双纹线 使用较粗的双纹线时 实际通信 距离可达4 k m以上 1 自R S 4 8 5 标准推出以 后 迅速获得了广泛的应用 一些厂商都 采用R S 4 8 5 作为他们开发的现场总线协议的物理接口 或之一 如B I T B U S P r o f i b u s M o d b u s P n e t L o n W o r k s 研华的A D A M分布式测控产品等等 更有许多中小厂商或用 一2 7 一 户采用R S 4 8 5 物理接口自 定义简单的数据链路层和应用层协议开发分布式测控系统 自 定义的数据链路层多采用面向字符的数据传输控制规程 主 从通信方式 最简单的 基本型规程用等待发送方式进行流控制 水平垂直奇偶验或C R C 传输的基本单位为字符 代码使用C C I T I 的数据及信息传摘用国际字母5 号表 与7 单位A S C Il 码基本一致 传翰 控制字符在5 号表的1 0 个控制字符中 根据需要选用 传输一个8 位二进制数时需要编码 成两个A S C II 码字符 故传翰效率较低 为了提高传摘效率 可 采用多种扩展的规程 R S 一 4 8 5 收发器价格非常便宜 自 定义的链路层和应用层协议开发容易 但牺牲了开放 性和互操作性 三 自 定义应用层的C A N总线 2 C A N C o n t ro l l e r A re a N e t w o r k 控制器局域网 是1 9 9 1 年B o s c h 公司为汽车电气控制的 数字传输总线 C A N协议 C A N S p e c i f i c a t io n 2 0 P o rt A 十 B 分为三层 目 标层 传递层和 物理层 主要对应于I S O 国际标准化组织 的O S I 开放系统互连 七层模型中 数据链路层 的媒体访问控制子层以 及物理层的物理信号部分 C A N总线的M A C 子层采用C D M A C A 载波侦听多路访问 冲突通免 协议 它使用一 种特殊的非破坏性逐位仲裁方法得以 避免冲突 提高了 重负荷时的吞吐率 这是C A N的一 大特色 在C A N中每一类报文都有唯一的优先权 多个节点同时发送时优选级较离的报 文得到总线 优先级较低的 报文停止发送 C A N总线上传物的比特流分为显式 d o m i n a n t 比 特和隐式 r e c e s s i v e 比 特两类 分别表示逻辑 0 和 1 C A N的物理层必须保证 当多 个节点同时发送隐式比 特或显式比 特时 媒体上出现的分别为显式比 特和胜式比特 当同 时发送的比特既有隐式比 特又有显式比 特时 媒体上应出 现显式比特 或者说显式比特可以 写在隐式比 特上 C A N总线的这种特殊的物理信号编码方式使得非破坏性仲裁得以 实现 由 于C A N具有低成本 易开发 实时性好 抗嗓声性能好等优点 一些标准化组织 厂 商等为它定义了 完整的 物理层和应用层 构成多种完整的 现场总线 使用在各个不同的 领域 见下文 也有许多厂商或用户通过选择合适的物理接口 如符合I S 0 1 1 8 9 8 一 2 标准的接 口 自 定义简单的 应用层 将C A N总线用在各种各样的侧控系统或仪器仪表中 四 现场总线国际 标准I E C 6 1 1 5 8 3 4 5 1 自8 0 年代中 期开始 世界上各大控制厂商及标准化组织推出了多种互不兼容的现场总 线协议标准 据不完全统计 迄今为 止世界上已出现过的总线有近2 0 0 种 不同 标准的 现场 产品不能互换 将给用户造成极大的不便 从1 9 8 4 年起 I E C 国际电工委员会 T C 6 5 工 业过程侧It 及控制技术委员会 和I S A 美国仪表学会 就开始制订国际标准的工作 但由 于受到大控制厂商相互竞争的 形响 国际 标准的制订困难重重 商业集团为了自 身的 利益给 国际标准的投票通过制造阻力 使得国际标准迟迟不能完成 最终不得已在1 9 9 9 年1 2 月 通过了一个包含了 多种互不兼容的 协议的标准 即I E C 6 1 1 5 8 国际标准 该标准包括了目 前国际 上用 于过程工业及制 造 业的8 类主 要的 现场总线协议 1 T y p e l I E C 6 1 1 5 8 技术规 范 这是由I E C I S A负贵制订的 曾 试图使之成为统一的国际标准的一个技术规范 基金 会现场总线F F 的H 低速现场总线 是它的一个子集 2 T y p e 2 C o n t ro lN e t 现场总线 美国A B 公司 R o c k w e ll 开发 C o n t ro l N e t I n t e m a t io n a l C I 组织支持 3 T y p e 3 P ro f ib u s 一2 8 包装设计公司 现 场总线 德国 西门子公司开发 P ro f ib u s 用户组织 P N O 支持 欧洲现场总线标准三大 总 线 之 一 4 T y p e 4 P 一 N e t 现 场 总 线 丹麦P r o c e s s D a t a 公司 开发 P 一 N e t 用户 组 织支 持 欧 洲现场总 线标准 三大总线之一 5 T y p e 5 F F H S E H ig h S p e e d E t h e r n e t 高速以 太 网 现场总 线基金 会F F 开发的H 2 高速现场总线 6 T y p e 6 S w i f t N e t 现场总线 美 国S H I P S T A R协会主持制定 波音公司支持 7 T y p e 7 W o r l d F I P现场总线 法国 W o r l d F I P 协 会制 订并支 持 欧 洲现场总 线标准三大总线之一 8 T y p e 8 I n t e r b u s 现场总 线 德国P h o e n i x C o n t a c t 公司开发 I n t e r b u s C l u b 支持 上 述8 种总线中 T y p e l 是为过程控制开发的 支持总线供电 和本质安全 T y p e 5 F F H S E 是与之配套的高速现场总线 用于对时间有苛刻要求或数据量较大的场合 如断续生 产的 制 造业 以 及监控级 T y p e 2 C o n t m IN e t 为监控级总线 它的底层 设备级 总线为 D e v ic e N e t 两者有着共同的 应用层 T y p e 3 P ro f ib u s 有3 个部分P ro f ib u s 一 F M S P r o f ib u s 一 D P 和p ro f ib u s 一 P A 采用不同 的 物理 层 分别用 于 监控 级 断 续生产的制造业的现场级和 过 程控 制的 现 场级 T y p e 7 W o r ld F I P 也有不同的物 理层 可用于过程控制和制造业的现 场 级 T y p e 4 P N e t 多用于 食品 饲养 业 农 业及 工业一 般自 动化 T y p e 6 S w i f t N e t 主要 用 于航 空 航天领 域 介网 I n t e r b u s 主 要用 于制 造 业的 现 场级 设备 级 或一 般自 动化 I E C 6 1 1 5 8 E d 3 0 分成总论 物理层规范和服务定义 数据链路服务定义 数据链路协 议规范 应用层服务定义 应用层协议规范6 个部分 它的用户层功能块是I E C 6 1 8 0 4 标准 再加上I E C 6 1 7 8 4 连续与断 续制造用行规集 草案 构成一个完整的现场总线标准 五 现场总线的其它标准 1 用于其它领域的国际标准 除了I E C 6 1 1 5 8 外 I E C 及 I S 还制定了一些特殊行业的现场总线国际标准 1 1 9 9 3 年I S O T C 2 2 S C 3 公路车辆技术委员会电气电子分委员会 发布的I S O 1 1 8 9 8 公路车辆一数字信息交换一用于高 速通信的C A N以 及低速标准I S 0 1 1 5 1 9 该 标准 基于 有名的C A N 控 制器局 域网 总 线 与之相关的还有I S O 1 1 9 9 2 一 1 公路车 辆一主 拖与被拖车辆之间的电气连接一数字信息交换 一卡车 拖车收发器标准 和 I S O 1 1 8 9 8 一 3 容错收发器标准 两个低速的物理接口 标准 6 I S O 1 1 9 9 2 一 1 提高了 发送电 平 具有很高的 抗电磁干扰能力 能抵御l o o v以 上的共模 射频电压和约6 V的地电 位差 可用于严酷的电磁环境 I S O 1 1 8 9 8 一 3 的特点是具有总线管理功能和容错性能 在总线C A N一 H和C A N一 L 之一断线 C A N一 H和C A N一L之一对电源短路或对地短路 C A N一 H和C A N一L相互短 路及线路与终端电阻断开时均能给出指示 总线在正常状态时为差分传输 故障时转为单 线传翰 故障消除后又自 动转为差分传翰 由 于C A N没有规定应用层和物理接口 一些组织给它制定了不同的应用层和物理接 口 标准构成了 几种完整的现场总线协议 其中比 较有名的有下文提到的D e v i c e N e t S D S以 及C A N o p e n 等 2 1 9 9 9 年9 月I E C T C 9 铁路电气设备技术委员会 发布的国际标准I E C 6 1 3 7 5 列车 通信网 T C N 7 o 该标准定义了两层总线 列车总线 WT B W i r e T r a i n B u s 和多功能车辆总线 M V B 一2 9 一 Mu l t i f u n c t i o n V e h i c l e B u s M V B 用于车辆或机车内 部通信 速率1 5 M b s 提供3 种物理接口 R S 4 8 5距离不 大于2 0 m 屏蔽双 纹线变压器隔离接口 2 0 0 m 允许使用I E C 6 1 1 5 8 一 2 标准的变压器和 收发器 点对点或星型的光纤连接 2 0 0 0 m M V B 具有冗余媒体 媒体访问采用具有冗余 主站 总线管理站 的主从方式 在任何时刻总线上都只有一个能发起通信的主站 但有两 个或几个能转变为主站的总线管理站 几个总线管理站通过令牌传递来转移主站行使权 每隔几秒钟转移一次 WT B 用于车辆之间的连接 每一车辆一个节点 WT B可有 3 2 个节点 最大6 2个 8 6 0 m 媒体冗余 采用有护层的屏蔽双纹线 变压器隔离 受彻斯特 M a n c h e s t e r 编码 速率 1 5 M b s 由 于总线长 接收信号动态范围大 解码器采用S D S P 统计数字信号处理器 媒体访问采用主从方式 主站固定 但所有节点均有作为主站的能力 必要时 如主站失效 列车重组等 可改变主站节点 M V B 和W T B 的链路层支持周期和非周期两类数据 提供过程数据 报文数据和管理 数据3 种服务 高层协议 O S I 的3 7 层 称为R T P 实时协议 提供变I 报文和网络管 理3 种基本服务 为了 提高实时性 变A服务只有应用层 3 I E C S C 1 7 B 低压配电与控制装It分委员会 发布的国际标准I E C 6 2 0 2 6 低压配电 与控制装X一控制器与设备接口 C D I s 3 这 个标准包括了已有的4 种现场总线 2 0 0 0年 月发布的D e v i oe N e t S ID S S m a rt d is t r ib u t e d s y s t e m 和A S 一 i A c t u a t o r 二 in t e r f a c e 以及2 0 0 1 年1 1 月审议通过的 S e r i p l e x 总线 S e r i a l m u l t i p l e x e d c o n t ro l B u s D e v ic e N e t 和S ID S 都是 基于C A N的 即 它们的低 两层协 议采纳了C A N 补充了 物理层 增加了 应用 层和 设备 规范文 件 d e v ic e p ro f ile 构 成了 完整的 开 放的 现 场总 线 A S i 8 和S e r i p l e x 9 是两种面向位 b i t 的价格低廉的总线 特别适合以开关A为主 的 智 能 配 线系 统 A S 一 i 是 一 种轮 循 方 式的 打峪系 统 每次 交 换4 位数据 采用无 屏蔽 双 纹 线 支 持总线 供电 距离l o o m 可加重复器扩展到3 0 0 m 最 大响 应时间5 m s S e r ip le x 使 用电源十 数据 时钟 公共线 地 4 芯加屏蔽的专用电级完成主 从或点对点通信 拓扑任 意 距离达1 5 0 0 m 它可以 直接与 嵌有S e r i p l e x A S I C 专用集成电路 的控制元件或I O模 块连 接 每个网 络可多至2 5 5 节点 响应时间小于l m s S e r ip le x 的传 物方式几乎不同 于其 它所有总线 它的A S I C 不停地对时钟线上的脉冲记数 当 记数等于自己的地址时 A S I C与 数据线交换1 位数据 4 I E C T C 4 4 机械设备电 气安全技术委员会 1 9 9 5 年1 1 月发布的I E C 6 1 4 9 1 工业机 械电 气设备 一控制单元与驭动装t之间的实时通信申 行数据链路 3 1 0 1 1 1 该标准定义了 一种开放的 控制单元与驱动装A之间的实时光纤申 行接口 又被称作 S E R C O S S E r ie l R e a l 一 t im e C O m m u n ic a t io n S y s t e m 申 行实时 通信 系统 主 要用于机床驭动 等运动控制系统中对位里 速度 扭矩等的控制 尤其用在多轴协调驭动等场合 此外也可 用于P L C接口 或其它的I O模块 S E R C O S 是一个2 4 Mb i t 的光纤环 正在改进的2 0 版速率为2 4 8 1 6 M b i t s 每环可多至2 5 4 个节点 节点的主控制器或驭动装里中嵌人 S E R C O S 专用芯片 S E R C O N 4 1 0 B 等 新版为S E R C O N 8 1 6 完成通信及驱动功能 2 几种有影响的非国际标准现场总线 一3 0 一 包装设计公司 还有一些现场总线虽然不是国际标准 但已获得了 广泛应用 或在现场总线的 发展史上 有过一定的影响 1 B I T B U S 1 9 8 4 年I N T E L 公司推出 物理层使用了R S 一 4 8 5 数据链路层为I B M 公司的同 步数据链路控制规程S D L C的一个子集 应用层定义了一个报文协议 远程访问和 控制 R A Q协议 B I T B U S 有单片机芯片8 0 4 4 8 3 4 4 支持 片内集成了通信处理器 完成 链路层功能 8 0 4 4中还固化了 应用层和一个实时多任务执行程序i R MX 5 1 开发十分方便 B I T B U S 曾 在欧洲获得较广泛的应用 我国 也有曾不少系统在运行 2 H A R T H ig h w a y A d d r e s s a b le R e m o t e T r a n s d u ce r H A R T协议是一 种由4 2 0 m A 信号向 真正的现场总线过渡的一种 协议 它在4 一 2 0 m A信号上迭加一个符合 刀w w w 一 in t e r f a c e m m d e f a u l t a s p 9 h t t p 刀w w w a u b u m a r m a m r e m m 八 m h s u p p n e t w o r k s m r ip l e x h t m l 1 0 h tt p s e r c o s m m 1 1 h t t p w w w s e r c m d e 1 2 E I A E 认 一6 的 1 0 I n t t o d u tt i m 钩 t h e C E S u s S t a n d a r d 1 3 h t t p w w w b a ti b m w m a n g l a i s g e n i n d m h m 1 4 h t t p w w w e ib a c o m 1 5 h t t p w w w t r ia 吮 m m 1 6 h tt p 二in d u s t r i a le t h e m e t c o rn 1 7 O D V A C I E t h e me t I P S p e c i f i c a ti o n R e l e a s e 1 0 J u n e 5 2 0 0 1 3 4 包装设计公司 现场通信网络综述现场通信网络综述 作者 成继勋 作者单位 湘潭工学院 湘潭 相似文献 10条 相似文献 10条 1 期刊论文 李嘉 杨佃福 LI Jia Yang Tianfu 引入以太网技术是现场总线技术发展的一个必然趋势 自动化仪表2001 22 5 工业控制领域需要一种高速廉价的网络 在过去几年 以太网标准有了许多进步 特别是确定性 速度和信息优先级等方面 交换技术的快速发展大大消除了以太网应用于控制领域的障碍 目前许多组织和公司致力于将以太网与现场总线实现无缝连接 发展的趋势是以太网越来越向底层延伸 还介绍了现场总线基金会的HSE和PROFIBUS联合会的 PROFIBUS以太网发展计划 2 学位论文 滕斌 自动化控制系统中多现场总线兼容性问题探讨 以太网和现场总线的互连 2004 本文本着现场总线将在一定时期内向以太网靠拢 这样才能实现多现场总线的集成这个研究方向 通过分析目前现有的常见现场总线及其协议的特点 结合分析隧道技术中几种常见的协议 研究了利用隧道技术的思想 通过简单的路由把现有的现场总线产品连接到以太网上的方法 通过隧道技术 把现场总线和以太网之间的数据进行封装打包 能够实现 现场总线和以太网之间的互连 最后利用socket技术进行现场总线和以太网互连的仿真实现 仿真表示以太网能比较好地与现场设备进行通讯 完全能胜任工业控制网络的要求 最后 展望了以太网和现场总线的应用前景 认为以太网会和现场总线紧密结合 形成混合控制网络 最终实现全开放 全分散 网络化的控制系统 3 期刊论文 成功 杨佃福 李嘉 以太网技术在现场总线中的应用和前景 计算机工程2001 27 12 工业控制需要高速 廉价 易于集成的通信网络 以太网就是这样的一种网络 现在许多组织和公司正在致力研究如何将以太网技术应用于现场总线 并真正实现低层的以太网通信 在论述了以太网技术在工业应用中的发展情况并给出具体实例后 得出这样的结论 现场总线与以太网相结合将是未来发展的方向 4 学位论文 曲阳 基于以太网和现场总线的异构化网络集成的研究 2006 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一 由于各种现场总线技术的竞争与发展 形成了当今多种现场总线标准并存和共同发展的局面 因此现场总线互操作问题的研究已经迫在眉睫 随着TCP IP和以太网技术在工业自动化领域应用的逐步深入 以太网和现场总线的结合是目前解决多种现场总线互联与控制系统集成问题的发展趋势 本文对以太网和现场总线异构化网络集成的问题进行了理论分析与应用研究 针对异构化网络的互操作性 电子设备描述技术的应用 嵌入式网关的开发 现场总线本质安全栅的开发 异构化网络的工程应用等方面进行了深入的探讨 提出了 e网透明 的观点 解决了异构化网络集成的关键技术问题 1 分析了以太网和现场总线各自的特点 总结出以太网与现场总线相结合才是网络控制的最佳选择手段 通过对几种基于以太网的现场总线的研究 发现OPC OLEfor Process Control 用于过程控制的对象链接嵌入 技术与EDDL ElectronicDevice Description Language 电子设备语言 结合 是当前实现数据集成和互操作的唯一合理方法 并以此提出 了 e网透明 观点 2 分析了功能块 设备分类 对象字典和设备描述等实现互操作的关键技术 研究了基于工业以太网的现场总线协议 提出了HSE High Speed Ethemet 高速以太网 和H1之间的网桥的设计方案 给出了网桥的软 硬件体系结构 对主要的模块和功能做了说明 应用网桥技术实现了同族总线协议之间的互操作 达到了透明网络通信的目的 3 研究了不同现场总线协议之间实现互操作的原理 为多总线的集成提供了理论指导 实现了针对于工业以太网的嵌入式网关的软 硬件设计和基于Modbus TCP协议的OPC服务器的设计 并在实际项目中得到了应用 取得了良好的效果 4 对EDDL的主要特性和原理进行了分析 并对改进的EDDL增强功能进行了设计 探讨了设备数据库技术 简称GSD 和FDT Field Device Tool 现场设备工具 技术 研究了基于驱动器部件的解决方案 介绍了EDD Electronic DeviceDescription 电子设备描述 的开发与生成过程 5 以 攀钢1450mm热连轧自动化系统改造 项目作为异构化网络的应用背景 介绍了此项目庞大的自动化系统组成方案和应用技术的主要特点 按照该项目设计的基本原则和系统的控制功能 实现了多种控制器 多总线产品的集成 在过程级和控制级实现了基于以太网的数据交换 形成了一系列具有自主知识产权的成套软件和技术 应用EDDL实现了复 杂设备互操作及参数整定 在实践中验证了基于 e网透明 观点的核心技术的可行性 6 根据现场总线FISCO Fieldbus Intrinsically Safe Concept 现场总线本质安全概念 的原理 分析了它和传统 整体 本质安全的区别 进行了参数对比和在防爆场合的应用 开发出基于FISCO原理的 具有自主知识产权的安全栅产品 并在攀钢1450热连轧工程中进行了应用 填补了我国在本安防爆领域里的一项空白 缩小了我国仪表自动化和国际 先进水平的差距 5 期刊论文 沈艳 古天祥 基于以太网现场总线的实时测试技术研究 电子测量与仪器学报2002 16 2 目前 由于多种现场总线并存 制约了现场总线技术的推广和应用 本文首先通过对几种典型的现场总线的比较 提出基于以太网现场总线的测试系统 然后对其中的关键技术一实时性进行研究并描述基于以太网现场总线的实时通信协议 6 学位论文 张学锋 基于以太网的现场总线通信接口研究 2003 与其它现场总线相比 由于以太网技术具有开放性 结构简单 带宽易于扩展 兼容性能好和成本低廉等优点 近年来在工业控制的高层已得到了广泛的应用 而把以太网技术用于工业控制的底层网络 却还没有得到充分的研究 利用以太网技术作为现场总线 用于工业控制的底层网络 既有利于现场总线的发展 又能有效地提高现场总线的传输速率和 简化现场总线的种类 本论文首先简单介绍了当前现场总线的发展情况 在分析和比较各种现场总线技术的基础上 指出了其存在的问题 在参照国内外关于用以太网技术作为现场总线研究的基础上 提出了在以太网协议的应用层对现场传输的信息进行规范的方法 该方法能提供报文服务和短帧信息结构 满足现场通信的实时性要求 接下来为了实现这个方法 论文介绍了利 用W78LE516B单片机和RTL8019AS网卡驱动芯片开发的RS 232C转以太网通信协议的嵌入式以太网通信模块 利用该模块可实现将现场设