现场总线技术

现场总线技术张浩陈刚（西安交通大学，710049，西安）摘要本文综述近年来在工业自动化领域发展迅速、应用日益广泛的现场总线技术，主要评析RS485总线、CANBUS、PROFIBUS和LONWORKS等，侧重说明它们的通信机理与网络性能。关键词现场总线；RS485；CANBUS；PROFIBUS；LONWORKS以计算机在工业控制和管理中的应用为主要标志的工业自动化技术在过去二十年间有了长足的进步。进人90年代以来，作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线（FIELDBUSFB）技术发展迅速、影响巨大，引起了工程技术界的普遍兴趣与重视，被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。1现场总线的概念11什么是现场总线所谓现场总线，是指将现场设备（如数字传感器、变送器、仪表与执行机构等）与工业过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网络，具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求（1）同一数据链路上过程控制单元（PCU）、PLC等与数字1/O设备互连；（2）现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取；（3）通信媒体安装费用较低。SP50委员会提出的两种现场总线结构模型是（1）星型现场总线用短距离、廉价、低速率电缆取代模拟信号传输线，如图1所示；（2）总线型现场总线数据传输距离长、速率高，采用点点、点多点和广播式通信方式，如图2所示。为了理解现场总线的概念，这里不妨再作些解释。一般来说，现场级的控制网络可以分为三个层次SENSORBUS、DEVICEBUS和FIELDBUS。其中SENSORBUS面向的是简单的数字传感器和执行机构，主要传输状态信息，网上交换的数据单元是位（BIT）；DEVICEBUS面向的是模拟传感器和执行器，主要传输模拟信号的采集转换值、校正与维护信息等，网上交换的数据单元是字节（BYTE）；而FIELDBUS面向的是控制过程，除了传输数字与模拟信号的直接信息外，还可传输控制信息，即FIELDBUS上的结点可以是过程控制单元（PCU），FIELDBUS网络交换的数据单元是帧（FRAME）。网3列出了几种现场级网络及其在控制网络三个层次中所处的位置。目前，现场总线技术与产品已进入“战国时期”，1999年在德国举办的“99INTERMARK国际博览会”即为例证。为此，IEC下属的SC65C决定修改IECII58协议，不再讨论建立统一标准的问题，而将至少8种现场总线产品纳入其中。12现场总线技术特征现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有以下几项技术特征。（1）现场设备已成为以微处理器为核心的数字化设备，彼此通过传输媒体（双绞线、同轴电缆或光纤）以总线拓扑相连；（2）网络数据通信采用基带传输（即数字数据数字传输），数据传输速率高（为MBIT/S或10MBIT/S级），实时性好，抗干扰能力强；3）废弃了集散控制系统（DCS）中的1/O控制站，将这一级功能分配给通信网络完成；4）分散的功能模块，便于系统维护、管理与扩展，提高可靠性；（5）开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互连设备与控制级网络或管理信息级网络相连；（6）互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需要的网络。13现场总线通信协议特点现场总线通信协议基本遵照ISO/OSI参考模型，主要实现第1、2、7层功能。（1）物理层采用EIARS232、EIARS422/RS485等协议。由于在某些情况下，现场传感器、变送器要从现场总线“窃取”电能作为它们的工作电源，因此对总线上数字信号的强度（驱动能力）、传输速率、信噪比以及电缆尺寸、线路长度等都提出一定要求。（2）数据链路层考虑到现场设备故障较多，更换频繁，所以数据链路层媒体访问控制多采用受控访问（包括轮询和令牌）协议，通常，各PCU、PLC作为主站，传感器、变送器等作为从站。另外，须支持点点、点多点和广播通信方式。（3）应用层解决应用什么样的高级语言（或过程控制语言）来作为面向用户的编程（或组态）语言，其中包括设备名称、网络变量与配置（捆绑）关系，参数与功能调用及相关说明等，一般应具有符合IEC11313标准的图形用户界面（GUI）2典型现场总线技术与产品当前国际上具有代表性的现场总线技术与产品是EIARS485总线、PROFIBUS、CANBUS与LONW0RKS等，下面分别予以简要说明。21EIARS485总线EIA一RS一485总线是工业领域广泛应用的LSO/OSI模型物理层标准协议之一。（1）机械特性采用RS232/RS485连接器（如ADAM4520）将PC串口RS232信号转换成RS485信号，或接入TTL/RS485转换器（如MAX485）将I/O接口芯片TTL电平信号转换成RS485信号，进行远距离高速双向串行通信。（2）电气特性信号负逻辑，2V6V表示“0”，6V2V表示“1”，二线双端半双工差分电平发送与接收，无公共地线，能有效克服共模干扰、抑制线路噪声，传输距离12KM，最高数据传输速率可达10MBIT/S（40M）。（3）功能与规程特性网络媒体采用双绞线、同轴电缆或光纤，安装简易，电缆数量、连接器、中继器、滤波器使用数量较少（每个中继器可延长线路12KM），网络成本低廉。RS485总线的数据链路协议，除有的采用符合ISO高级数据链路控制协议（HIGHDATALINKCONTROLHDLC）的数据链路处理器件或专有接口器件执行外，多数是参照HDLC或其他一些标准自行定义而成，由此可组建经济实用型工业局域网（见参2）由于国内许多电子产品都含有用通用异步串行传输接口（UNIVERSALASYNCHRONOUSRECEIVEANDTRANSFERUART），另外RS232接口也是PC的标准配置，因此，开发RS485总线数据链路协议较好的方案是以字节式异步通信为基础，相应的帧格式如图4所示。至于媒体访问控制部分则可采用受控访问或随机访问等不同方式。帧起地址控制帧长数据帧校始域域度验图4RS485总线数据链路协议一般帧格式22PROFIBUSPROFIBUS（PROCESSFIELDBUS），欧洲开放式现场总线标准（EN50170），由PROFIBUSFMS（FIELDBUSMESSAGESPECIFICATION）、PROFIBUSPA（PROCESSAUTOMATION）和PROFIBUSDP（DISTRIBUTIVEPERIPHERAL）等三部分组成。其中PROFIBUSDP是一种高速（数据传输速率96KBIT/S12MBIT/S）、经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O之间的通信，可满足交直流调速系统快速响应的时间要求；PROFIBUSPA用IECII58一2标准，传输速率为3125KBIIS，提供本质安全特性，适用于安全性要求较高以及由总线供电的场合；PROFIBUS一FMS主要解决车间级通信问题，完成中等传输速度的循环或非循环数据交换任务。使用PROFIBUS技术的核心公司有SIEMENS、EH、SANSON和SOFTING等。221总线拓朴结构PROFIBUSDP的典型结构如图5所示。图中MASTER（PLC）为主站、变频器、整流器为从站（SLAVE），与之配套的通信处理器分别是CB1和CB24。从站数32（接人中继器，可增至128），传输距离2KM。上位机装有STEP7基本软件和DVAS7通信软件，用于对PLC编程和对网络进行组态与设置。2，22PROFIBUS一DP通信协议PROFIBUS一DP物理层与ISO/OSI参考模型的第一层相同，采用EIA一RS485协议，根据数据传输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输媒体。PROFIBUS一DP数据链路层协议媒体访问控制（MAL）部分采用受控访问的令牌总线（TOKENBUS）和主从方式。其中令牌总线与局域网IEEE8024协议一致，令牌在总线上的各主站间传递，持有令牌的主站获得总线控制权，该主站依照关系表与从站或与其他主站进行通信。主从方式的数据链路胁议与局域网标准不同，它符合HDLC中的非平衡正常响应模式（NRM）。该模式的工作特点是总线上一个主站控制着多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路；主站发出命令（COMMANDE），从站给出响应（PESPONSE）；从站可以连续发送多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链路中帧的传输过程分为三个阶段数据链路建立、帧传输和链路释放。正常响应模式主站与从站之间传输帧的格式如图6所示。PKWPARAMETERIDPZDPROCESSDATA图6PROFIBUSDP的帧格式图中F为帧标志字段（8位）。A为从站地址字段。控制字段C表示帧类型、编号、命令和控制信息，它将HDLC帧分为三种类型信息帧（1）、监控帧（S）和无编号帧（U）。其中信息帧用于应用数据（USEFULDATA）的传输并捎带应答；监控帧用于监视链路上的正常操作，对链路状态作出各种响应（如认可帧、请求重传或暂停等）；无编号帧（不含信息字段）用于传输各种元编号命令和响应，例如建立链路工作模式，释放链路及报告特殊情况等。信息字段由PKWPZD的应用数据构成，PKW用于读写参数值，如写入控制字或读出状态字等，一般为4B长，而PZD用于存放控制器的具体控制值，设置站点或状态字的参数，一般为210B长。例如，PKWP5541代表向变频器的主驱动模块写入一个16位的控制字，控制字的每一位都代表一种不同的控制含义；PZD的第二个字节为07电机的起停控制位。FCS是帧校验字段，它对整个帧的内容进行循环冗余码（CRC）校验。该HDLC帧最长可达24B。PROFIBUSDP并未采用ISO/OSI的应用层，而是自行设置一用户层。该层定义了DP的功能、规范与扩展要求等。综上所述可知，PROFIBUSDP的实时性远高于其他局域网，因而特别适用于工业现场。它的缺陷是，若向网中增删站点，就要重新初始化整个网络，并对各站重新排序。23CANBUS作为ISO11898CAN标准的CANBUS（CONTROLLERAREANETWORKBUS），是制造厂中连接现场设备（传感器、执行器、控制器等）、面向广播的串行总线系统，最初由美国通用汽车公司（GM）开发用于汽车工业，后日渐增多地出现在制造自动化行业中。231CANBUS系统组成及性能CANBUS系统组成示意于图7中，它通过相应的CAN接口连接工业设备（如限位开关、光电传感器、管道阀门、电机启动器、过程传感器、变频器、显示板、PLC和PCI作站等）构成低成本网络。直接连接不仅提供了设备级故障诊断方法，而且提高了通信效率和设备的互换性。CANBUS数据传输速率为1MBIT/S，线路距离LKM，基本站点数64，传输媒体是屏蔽双绞线或光纤。图7CANBUS系统组成示意图232CANBUS数据链路控制特点CANBUS数据链路层协议采用平等式（PEERTOPEER）通信方式，即使主机出现故障，系统其余部分仍可运行（当然性能受一定影响）。当一个站点状态改变时，它可广播发送信息到所有站点。CANBUS的信息传输通过报文进行，报文帧有4种类型数据帧、远程帧、出错帧和超载帧，其中数据帧格式如图8所示。CANBUS帧的数据场较短，小于8B，数据长度在控制场中给出。短帧发送一方面降低了报文出错率，同时也有利于减少其他站点的发送延迟时间。帧发送的确认由发送站与接收站共同完成，发送站发出的ACK场包含两个“空闲”位（RECESSIVEBIT），接收站在收到正确的CRC场后，立即发送一个“占有”位（DOMINANTBIT），给发送站一个确认的回答。CANBUS还提供很强的错误处理能力，可区分位错误、填充错误、CRC错误、形式错误和应答错误等。帧间隔帧起始仲裁场控制场数据场CRC场ACK场帧结束帧间隔图8CANBUS数据帧组成CANBUS应用一种面向位型的损伤仲裁方法来解决媒体多路访问带来的冲突问题。其仲裁过程是当总线空闲时，线路表现为“闲置”电平（RECESSIVELEVEL），此时任何站均可发送报文。发送站发出的帧起始字段产生一个“占有”电平（DOMINANTLEVEL），标志发送开始。所有站以首先开始发送站的帧起始前沿来同步。若有多个站同时发送，那么在发送的仲裁场进行逐位比较。仲裁场包含标识符ID（标准为LLBIT），对应其优先级。每个站在发送仲裁场时，将发送位与线路电平比较，若相同则发送；若不同则得知优先级低而退出仲裁,不再发送。系统响应时间与站点数无关，只取决于安排的优先权。可以看出，这种媒体访问控制方式不像ETHETNET的CSMA/CD协议那样会造成数据与信道带宽受损。233CANOPEN协议CANBUS除配置设备网（DEVICNNET）协议外，还提供基于CAL（CANAPLLICATIONLAYER的CANOPEN协议（CIADS301），即支持设备参数的直接访问，又可实现有苛刻时间要求的过程数据通信。CANBUS的DEVICENET协议具有开放性，用户无须购买加入系统所需的硬件、软件和允许权，多厂家设备能够在单一网络上相互操作。CANHS也允许与ETHERNET或其他局域网相连，接人控制算法组态及管理信息PC系统，从而形成管控一体化的工业网络。24LONWORKSLONWORKS（LOCALOPERATINGNETWORKS是美国ECHLON公司1991年推出的现场总线技术与产品。目前它的使用已遍及世界56个国家和地区的工业、楼字、能源等自动化领域。241LONWORKS基本控制系统LONWORKS基本控制系统如图9所示，其主要组成部件简述如下。（1）LON结点（即SMARTI/0模块）包含一个NEURON（神经元）芯片、收发器、存储器和支持硬件，运行LONWORKS通信协议LONTALK的16层程序，完成局部控制与运算（如自辩识、自诊断、数字滤波、闭环调节等）功能。（2）主机（HOST）实现LONTALK第7层（应用层）协议的装置，一般为PC或其兼容机。主机是系统的控制算法组态和人机界面（MANMACHINEINTERFACEMMI）工具。一个主机结点使用网络接口与LONWORKS网络相连，各主机结点之间使用ETHERNET进行通信。ETHERNET上高档PC服务器运行SCADA和数据库软件，在更高层次实现管理一级功能。（3）LONWORKS网络部件由PC网络接口和传输媒体组成。前者有PCLTA和SLTA两种，PCLTA插在PC的ISA总线槽中，SLTA与PC的RS232串口相连，也可与MODEM配合，通过电话线进行远距离通信；后者可以采用双绞线、同轴电缆、光纤或者电话线、红外线、无线电等。242NEURON芯片与一般微控制器不同，LONWORKS的NEURON芯片除包含应用处理器（APPLICATIONCPUACPU）外，还有网络处理器（NETWORKCPUNCPU）和媒体访问控制处理器（MEDIAACCESSCPUMCPU）。其中MCPU功能对应ISO/OSI模型的1、2层，完成碰撞检测和回避算法。NCPU实现36层的协议，处理网络变量，执行地址认证、后台诊断、软件定时、网络管理和路由选择等进程。NEURON芯片一般有11个I/0点，以位、字节、串行（如移位、I2SPI）、脉冲计数等多达34种方式形成输入输出，可广泛应用于各种场合。243应用层接口LONTALK通信协议使用一个面向数据的应用层，该层中诸如温度、压力、状态、字符串等应用数据项及其相互关系被定义为网络变量和配置特性，标准网络变量类型（SNVTS和标准配置特性类型（SCPFS）通过定义设备单元、距离、分辩率等为众多数据项的表示提供一个公共平台。另外，为了保证基于LONWORKS的产品之间的互操作性，应用层使用一般LONMARK对象和专用LONMARK对象（由功能样本文件描述）LONMARK对象建立在网络基础之上，提供一个具体表示功能语义的简明的应用层接口。为了方便安装，每一个LON结点还必须包含自适应和自辩识功能，它们辩识一定数量的关键点信息，如设备制造厂商、设备类型、设备内神经元芯片的ID号、结点支持的功能样本文件、设备内使用的一般LONMARK对象、对象类型以及除标准对象之外支持的附加网络变量的类型信息等，所有这些信息都登记在由LONTALK协议建立的分层“设备文档”中，能够使用标准网络管理工具在网络上加以访问。数据文件的传输