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现场通信网络综述摘 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RS- 4 85总线、CAN总线.以及不同工业领城的的低层串行数字通信网络的国际标准:含8类总线的IEC61158标准，用于公路车辆数字信息交换的ISO 11898标准，列车通信网标准IEC61375，用于低压配电与控制装置的控置器与设备接口标准IEC 62026，用于工业机械(机床)运动装制的实时通信标准IEC 61491(SERCOS)等。文章还简介了家庭自动化通信网络。最后论述了高速以太网用作现场总线的发展趁势。一、引言现场通信网或者称广义的现场总线，是广泛应用于计算机测控领域的串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测控、环境监控、实验室自动测试系统以及其它地域分散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RS - 485的自定义现场总线1983年12月，美国EIA(Electronic Industries Association)在RS一422(1978.12)标准的基础上制定了RS - 485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。1998年3月成为EIA和TIA(Telecommunications Industry Association)等组织的共同标准TIA/EIA一485一A一98.ITU(International Telecommunication Union)的相应标准为V.11,RS-485是一个物理接口电气标准，采用差分(平衡)传输。最大传抽速率10Mb/s(12m距离).最大传输距离1200m(100kb/s),24 # A WG双绞线)。使用较粗的双绞线时，实际通信距离可达4km以上。自RS - 485标准推出以后，迅速获得了广泛的应用。一些厂商都采用RS- 4 85作为他们开发的现场总线协议的物理接口(或之一)。如：BITB US、Pr ofibus、Modbus、P - n et、Lo nWorks、研华的ADAM分布式测控产品等等。更有许多中小厂商或用户采用RS - 485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CRC，传输的基本单位为字符，代码使用CCITI，的数据及信息传摘用国际字母5号表(与7单位ASCII码基本一致)，传输控制字符在5号表的10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ASCII码字符，故传输效率较低。为了提高传递效率，可采用多种扩展的规程。RS一485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CAN总线CAN( Contorller Aera Network，控制器局域网)是1991年Bosch公司为汽车电气控制的数字传输总线。CAN协议(CAN Specification 2.0 Port A十B)分为三层：目标层、传递层和物理层，主要对应于ISO(国际标准化组织)的OSI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。CAN 总线的MAC子层采用CDMA/CA(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CAN的一大特色。在CAN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。CAN总线上传物的比特流分为显(dominant)比特和隐式(recessive)比特两类。分别表示逻辑“0”和“1”，CAN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。CAN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IS011898一2标准的接口)、自定义简单的应用层，将CAN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IEC61158 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200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1984年起。IEC(国际电工委员会)/TC65(工业过程侧It及控制技术委员会)和ISA(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1999年12月通过了一个包含了多种互不兼容的协议的标准，即IEC 61158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)Ty pel，IE C6 1158技术规范。这是由IEC/ ISA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FF的H“低速现场总线)是它的一个子集。(2)Ty pe2，Co ntorlNet现场总线。美国AB公司、Rockwell开发，ContorlNetIn temational(CI)组织支持。(3) T ype3，Por fibus现场总线。德国西门子公司开发，Profibus用户组织(PNO)支持。欧洲现场总线标准三大总线之一。(4)Type4，P一Net现场总线，丹麦Process Data公司开发，P一Net用户组织支持。欧洲现场总线标准三大总线之一。(5)Type5，FF HSE(High Speed Ethernet,高速以太网)。现场总线基金会FF开发的H2(高速现场总线)。(6)Ty pe6，Sw iftNet现场总线。美国SHIPS TAR协会主持制定，波音公司支持。(7)T ype7，W orldFIP现场总线。法国WorldFIP协会制订并支持。欧洲现场总线标准三大总线之一。(8)Type8,Interbus现场总线。德国Phoenix Contact公司开发，Interbus Club支持。上述 8 种 总线中，Typel是为过程控制开发的，支持总线供电和本质安全。Type5(FFHSE)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。Type2 (ContmINet)为监控级总线，它的底层(设备级)总线为DeviceNet，两者有着共同的应用层。Type3(P orfibus)有3个部分Porfibus一FMS,Pr ofibus一DP和profibus一PA，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。Type7(WorldFIP)也有不同的物理层，可用于过程控制和制造业的现场级。Type4(P-N et)多用于食品、饲养业、农业及工业一般自动化。Type6(S wiftNet)主要用于航空航天领域。介网(Interbus)主要用于制造业的现场级(设备级)或一般自动化。IEC61158Ed.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IEC 61804标准，再加上IEC 61784(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 IEC61158外，IEC及IS还制定了一些特殊行业的现场总线国际标准。(1) 1993年ISO/TC22/SC3(公路车辆技术委员会电气电子分委员会)发布的ISO11898公路车辆一数字信息交换一用于高速通信的CAN以及低速标IS011519。该标准基于有名的CAN(控制器局域网)总线，与之相关的还有ISO1 1992一1(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ISO11898一3(容错收发器标准)两个低速的物理接口标准。ISO1199 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100v 以上的共模射频电压和约6V的地电位差，可用于严酷的电磁环境。ISO 1 189 8一3的特点是具有总线管理功能和容错性能。在总线CAN一H和CAN一L之一断线、CAN一H和CAN一L之一对电源短路或对地短路、CAN一H和CAN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，故障时转为单线传输，故障消除后又自动转为差分传输。由于CAN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DeviceNet,SD S以及CANopen等。(2) 1999年9月IECT C9(铁路电气设备技术委员会)发布的国际标准IEC6 1375列车通信网(TCN)。该标准定义了两层总线:列车总线(WTB,W ireT rainB us)和多功能车辆总线(MVB,Multifunction Vehicle Bus)。MVB用于车辆或机车内部通信，速率1.5Mb/s，提供3种物理接口:RS- 4 85距离不大于20m)，屏蔽双绞线变压器隔离接口(200m)，允许使用IEC 61158一2标准的变压器和收发器;点对点或星型的光纤连接(2000m). MVB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。WTB用于车辆之间的连接，每一车辆一个节点，WTB可有32个节点(最大62个)，860m,媒体冗余。采用有护层的屏蔽双绞线、变压器隔离、受彻斯(Manchester)编码，速率1.5M b/s。由于总线长，接收信号动态范围大，解码器采用SDSP(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。MVB和WTB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(OSI的3-7层)称为RTP(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，变量服务只有应用层。(3) IE C S C17B(低压配电与控制装It分委员会)发布的国际标准IEC6 2026低压配电与控制装X一控制器与设备接口(CDIs)这个标准包括了已有的4种现场线：2000年，7月发布的DevieoNet，SIDS( Smartdistributedsy stem)和AS一i(A ctuator sensor interface)，以及2001年11月审议通过的Seriplex总线(Serial multiplexed control Bus)。Device Net和SIDS都是基于CAN的，即它们的低两层协议采纳了CAN，补充了物理层，增加了应用层和设备规范文件(device profile)，构成了完整的开放的现场总线。AS -i和Seriplex 是两种面向位(bit)的价格低廉的总线，特别适合以开关量为主的智能配线系统。AS一i是一种轮循主/从方式系统，每次交换4位数据，采用无屏蔽双绞线，支持总线供电，距离100m(可加重复器扩展到300m)最大响应时间5ms, Seriplex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1500m。它可以直接与嵌有Seriplex ASIC(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255节点，响应时间小于lms, Seriplex的传物方式几乎不同于其它所有总线，它的ASIC不停地对时钟线上的脉冲记数，当记数等于自己的地址时，ASIC与数据线交换1位数据。(4) IE C T C44(机械设备电气安全技术委员会)1995年11月发布的IEC61491工业机械电气设备一控制单元与驭动装t之间的实时通信串行数据链路。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SERCOS(SEriel Real一time Communication System,串行实时通信系统)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PLC接口或其它的I/O模块。SERCOS是一个2/4Mbit/。的光纤环(正在改进的2.0版速率为2/4/8/16Mbit/s)，每环可多至254个节点。节点的主控制器或驭动装里中嵌人SERCOS专用芯片(SERCON410B等，新版为SERCON816)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 IT B US 1984年INTEL公司推出，物理层使用了RS一485,数据链路层为IBM公司的同步数据链路控制规程SDLC的一个子集，应用层定义了一个报文协议、远程访问和控制(RAQ协议。BIT BUS有单片机芯片8044/8344支持，片内集成了通信处理器(完成链路层功能),8044中还固化了应用层和一个实时多任务执行程序iRMX51，开发十分方便。BIT BUS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 AR T(HighwayA ddressableR emoteT ransducer) HART协议是一种由4-20mA信号向真正的现场总线过渡的一种协议。它在4一20mA信号上迭加一个符合&11202调制解调器标准的FSK(预移键控)信号。采用起止式同步，水平垂直奇偶校验。应用层共有读过程变f、通用信息、设备专用信息，写参数，读写数据库等100多条命令。(3) M OD BUS 这是GouldM odicon公司于70年代设计的一种主/从方式的简单的应用层协议.支持寄存器的读写，有ASC I码和二进制(RTU)两种模式。MODBUS使用在多种PLC系统中，同时也在楼宇自动化领域如采暖通风和空调、电气仪表等系统中得到较广泛的应用。(4) L onW orks总线LonWorks是埃斯朗(Echelon)公司1991年推出的一种工业控制通用网络产品，其通信协议称为LonTalk，按IS(的OSI模型定义了全部7层，网络功能很强。LonTalk协议在物理层上支持双绞线、电力线、同轴电组、无线、红外、光纤等介质，通信速率与距离取决于介质。用双绞线时，有78kbps(2.7km)和1.25 Mbps(130m)等速率。不同(或相同)通信介质的信道可用路由器(包括桥和重复器)连接。协议采用Manchester双相码。媒体访问采用改进的CSMA/CD算法，称为Predictive P一Persistent(预侧P坚持)CSMA算法。协议有选择地支持优先级，以保证重要报文的实时性。协议支持确认、请求/响应、重复或非确认重复、非确认等4种服务。在表示层和应用层中，数据用网络变量表示，它可以是单项数据和组。Lon W ork s的核心是Neuorn(神经元)芯片，片内含三个8位处理器:分别执行媒体访问.网络处理和用户程序，用户程序采用Neuron C语言编程。埃斯朗公司提供强有力的开发工具平台LonBuilder与NodeBuileler，它使得一个工程的设计与实现十分方便和迅速。Lon W ork s已在许多行业得到应用，是建筑自动化中起主导作用的总线，美国的列车通信标准也采用LonWorks,六、家庭自动化总线家庭自动化总线(网络)完成对家用电器(消费电子设备)的管理控制所需的通信，目前尚无国际标准。地区性标准有:美国的X一10,CE Bus 和LonWorks,欧洲的BatiBUS、E IB( European Installation Bus)和EHS( Europe Home System)。日本的HomeBus、澳洲奇胜(Clipsal)公司的C-BUS等等。X- 1 0是 一个简单的协议，用于家庭电器控制、安全监控等方面，开发于1976年到1978年.它以家庭内普迫存在的电力线系统为通信媒体，不用重新布线。X一10在工频交流的每个过零点传送一位数据，传摘速率较低，差错控制采用重复码方式。CE Bus (C onsumerE lectronicsB us，消费电子总线)是一种最有影响的家庭自动化总线，它于1984年由EIA(美国电子工业协会)的消费电子小组开始着手制定，于1992年正式成为EIA一600标准，且最有可能成为国际标准。CE Bu ，协议由物理层、数据链路层、网络层和应用层4层及系统管理构成。物理层定义了7种媒体:电力线(PL)、双绞线(TP)、红外线OR)、无线电(RF)、同轴电缆(CX)、光纤(FO)和音频视频总线(刀V Bus)。其中后两个媒体的规范尚未制定。目前多数品仅是基于RF和PL的。CEBu:的媒体访问协议为CSMA/CDCR，是对以太网协议CSMA/CD的一种改进，当几个节点争用媒体时，保证一个优先级较高的节点能够发送成功。Lon W ork s亦被EIA集成家庭系统技术委员会(IntegratedH omeS ystemsT echnicalCommittee)定为EIA一709标准。七、关于工业以太网和 TC P/ IP 协议簇几年以前，Ethernet(以太网)还被认为不能用于工业控制领域，这主要是因为Ethemet的CDMA/CD媒体访问方式不能保证网络(传输时间)的确定性，负荷重时网络的传输效率很低甚至崩溃。故在以往开放的DCS中不得不采用昂贵的令牌网如MAP网。但是Ethernet技术的快速发展和广泛应用以及低廉的价格吸引着工业控制领域。100Mb/s的快速Ethemet诞生以后，一些机构开发出适合于工业环境的Ethernet器件，开始将Ethernet用于DCS的监控级。事实证明，由于其高速、低负荷率，完全能保证系统的实时性。现在多个现场总线行业性组织都在进行Ethernet用作工业网络的研究并推出了他们的解决方案。除上述的FF HSE外，还有Ethemet/IP(The Open DeviceNet Vendor Association支持)、ProfiNet(The Profibus Trade Organization支持),Interface for Distributed Automatino(TheIDAG orup支持),M odbus/TCP(TheM odbusU sersG roup支持)等。这些研究不仅仅是把Etheme:用作高层网络，而且希望将它直接和现场设备连接，实现所谓“一网到底”。支持推进这些研究活动的国际组织有工业以太网协会(Industrial EthemetAssociation)、工业自动化开放网络协会(IAONA)等。我国的“十五”863第一批项目也将工业以太网现场总线列为重点攻关项目。以上的解决方案基本上都是采用快速以太网(IEEE802.3u )作为低两层协议，第3,4层采用TCP/ IP协议簇，再加上各自原来的现场总线应用层和设备行规，将各自的应用层数据封装成TCP/IP的格式进行传抽。工业以太网用作过程控制领城的现场总线还要解决总线供电和本质安全问题，这也是目前正在研究的童要问题。 由ODVA 支持的Ethemet/IP(以太网工业协议)是一种性能优良的协议，其应用层称为CIP(控制与信息协议)，和ControlNet,DeviceNet总线的应用层完全相同并使用相同的设备行规，从而实现和ControlNet/DeviceNet总线系统的无缝连接并共同使用。CIP采用了一种叫做生产者/消费者的通信模式，允许网络上所有节点同时从一个数据源存取同一效据，提高了通信效率。Ethemet/IP的结构如图