现场通信网络综述

现场通信网络综述: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-485CAN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ISO11898标准，列车通信网标准IEC61375，用于低压配电与掌握装置的控置器与设备接口标准IEC62026，用于工业机械(机床)运动装制的实时通信标准IEC61491(SERCOS)进展趁机。一、引言向数字通信网络(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:过程工业中的连续掌握、制造业的离散掌握及运动掌握、电力监控及变配电领域电气开关的掌握、车表系统、商品销咨系统等等。近年又进展到了家庭自动化领域。目前在这些领域议价格廉价，在一些规模不大的侧控系统中仍旧有着广泛的应用。二、承受RS-485的自定义现场总线1983年12月，美国EIA(ElectronicIndustriesAssociation)在RS一422(1978.12)标准的根底上制定了RS485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(TelecommunicationsIndustryAssociation)等组织的共同标准TIA/EIA一485一A一98.ITU(InternationalTelecommunication的相应标准为V.11,RS-485(平衡)传输。最大传抽速率10Mb/s(12m距离).最大传输距离1200m(100kb/s),24AWG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，快速获得了广泛的应用。一些厂商都承受RS-485作为他们开发的现场总线协议的物理接口(或之一)。如：BITBUS、Profibus、Modbus、P-net、LonWorks、研华的ADAM分布式测控产品等等。更有很多中小厂商或用户承受RS485物理接口自定义简洁的数据链路层和应用层协议开发分布式测控系统。CRC，传输的根本单位为字符，代码使用CCITI，的数据及信息传摘用国际字母5号表(与75号表的10个掌握字符中依据需要选用。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，可承受多种扩展的规程。RS一485收发器价格格外廉价，自定义的链路层和应用层协议开发简洁。但牺牲了开放性和互操作性。CAN总线CAN(ContorllerAeraNetwork，掌握器局域网)是1991年Bosch公司为汽车电气掌握的数字传输总线。CAN协议(CANSpecification2.0PortA十B)分为三层：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掌握子层以及物理层的物理信号局部。CAN总线的MAC子层承受CDMA/CA(载波侦听多路访问/冲突通免)特别的非破坏性逐位仲裁方法得以避开冲突，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顿发送。CAN总线上传物的比特流分为显(dominant)比特和隐式(recessive)比特两类。分别表示规律“0”显式比特时，媒体上应消灭显式比特，或者说显式比特可以写在隐式比特上。CAN总线的这种特别的物理信号编码方式使得非破坏性仲裁得以实现。由于CAN具有低本钱、易开发、实时性好、抗嗓声性能好等优点，一些线，使用在各个不同的领域(见下文)。也有很多厂商或用户通过选择适宜的物理接口(如符合IS011898一2标准的接口)、自定义简洁的应用层，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80年月中期开头，世界上各大掌握厂商及标准化组织推出了多种互不2001984年起。IEC(国际电工委员会)/TC65(工业过程侧It及掌握技术委员会)和ISA(美国仪表学会)就开头制订国际标准的工作。但由于受到大掌握厂商相互竞争的形响，国际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IEC61158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: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标准，基金会现场总线FF的H“低速现场总线)是它的一个子集。公司、Rockwell开发，ContorlNetIntemational(CI)组织支持。支持。欧洲现场总线标准三大总线之一。Type4，P一Net现场总线，丹麦ProcessData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。高速以太网)。现场总线基金会FF开发的H2(高速现场总线)。Type6，SwiftNet现场总线。美国SHIPSTAR协会主持制定，波音公司支持。Type7，WorldFIP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。PhoenixContact公司开发，InterbusClub支持。8Typel是为过程掌握开发的，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Type2(ContmINet)为监控级总线，它的底层(设备级)总线为ofibus一DP和profibus一PA，承受不同的物理层，分别用于监控级、断续生产的制造业的现场级和过程掌握的现场级。Type7(WorldFIP)也有不同的物理层，可et)多用于食品、饲养业、农业及工Type6(SwiftNet)(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、物理层标准协议标准6个局部，它的用户层功能块是IEC61804标准，再加上IEC61784(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用于其它领域的国际标准IEC61158外，IEC及IS还制定了一些特别行业的现场总线国际标准。1993年ISO/TC22/SC3(大路车辆技术委员会电气电子分委员会)公布的ISO11898CAN以及低速标IS011519。该标准基于知名的CAN(掌握器局域网)总线，与之相关的还有ISO11992一/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。ISO11992一1100v以6V的地电位差，可用于严酷的电磁环境。ISO11898一3的特点是具有总线治理功能和容错性能。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为差分传输，故障时转为单线传输，故障消退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.其中比较知名的有下文提到的DeviceNet,SDS以及CANopen等。1999年9月IECTC9(铁路电气设备技术委员会)公布的国际标准IEC61375该标准定义了两层总线:列车总线(WTB,WireTrainBus)和多功能车辆总线(MVB,MultifunctionVehicleBus)。MVB用于车辆或机车内部通信，速率1.5Mb/s，供给3种物理接口:RS-485距离不大于20m)，屏蔽双绞线变压器隔离接口(200m)，允许使用IEC61158一2标准的变压器和收发器;点对点或星型的光纤连接(2023m).MVB具有冗余媒体，媒体访问承受具有冗余主站(总线治理站)的主从方式。在任何时刻总线上都只有治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编码，速率1.5Mb/s。由于总线长，接收信号动态范围大，解码器承受SDSP(统计数字信号处理器)。媒体访问承受主从方式，主站固定，但全部节点均有作为主站的力量，必要时(如主站失效、列车重组等)可转变主站节点。MVB和WTB的链路层支持周期和非周期两类数据，供给过程数据、报文数据和治理数据3的3-7层称为实时协议文和网络治理3种根本效劳。为了提高实时性，变量效劳只有应用层。IECSC17B(低压配电与掌握装It分委员会)公布的国际标准IEC62026(CDIs)这个标准包括了已有的4种现场线：2023年，7月公布的DevieoNet，SIDS(Smartdistributedsystem)和AS一i(Actuatorsensorinterface)，以及2023年11月审议通过的Seriplex总线(SerialmultiplexedcontrolBus)。DeviceNet和SIDS都是基于CAN的，即它们的低两层协议承受了CAN，补充了物理层，增加了应用层和设备标准文件(deviceprofile)，构成了完整的开放的现场总线。ASi和Seriplex是两种面对位(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，承受无屏蔽双绞线，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芯加屏嵌有SeriplexASIC(专用集成电路)的掌握元件或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全部总线，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。IECTC44(机械设备电气安全技术委员会)1995年11月公布的IEC61491工业机械电气设备一掌握单元与驭动装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、掌握单元与驱动装A之间的实时间纤申行接口，又被称作SERCOS(SErielReal一timeCommunicationSystem,串行实时通信系统)主要用于动等场合。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。节点的主掌握器或驭动装里中嵌人SERCOS专用芯片(SERCON410B等，版为SERCON816)完成通信及驱动功能。几种有影响的非国际标准现场总线线的进展史上有过肯定的影响。BITBUS1984年INTELRS一485,数据链路层为IBM公司的同步数据链路掌握规程SDLC的一个子集，应用层定义了一个报文协议、远程访问和掌握(RAQ协议。BITBUS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，开发格外便利。BITBUS曾在欧洲获得较广泛的应用，我国也有曾不少系统在运行。HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)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信号上迭加一个调制解调器标准的FSK(预移键控)信号。承受起止式同步，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。MODBUS这是GouldModicon公司于70年月设计的一种主/从方式的简洁的应用层协议.支持存放器的读写，有ASCI码和二进制(RTU)两种模式。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。LonWorks总线LonWorks是埃斯朗(Echelon)公司1991年推出的一种工业LonTalk和1.25Mbps(130m)等速率。不同(或一样)通信介质的信道可用路由器(包括桥和重复器)ManchesterCSMA/CD算法，PredictiveP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、恳求/响应、重复或非确认重复、非确认等4种效劳。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。LonWorks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，用户程序承受NeuronC语言编程。埃斯朗公司LonWorks导作用的总线，美国的列车通信标准也承受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)的治理掌握所需的通信，目前尚无国际标准。地区性标准有:美国的X一10,CEBus和LonWorks,欧洲的BatiBUS、EIB(EuropeanInstallationBus)和EHS(EuropeHomeSystem)。日本的HomeBus、澳洲奇胜(Clipsal)公司的C-BUS等等。X-101976年到1978年.它以家庭内普迫存在的电力线系统为通信媒体，不用重布线。X一10码方式。CEBus(ConsumerElectronicsBus，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)的消费电子小组开头着手制定，于1992年正式成为EIA一600标准，且最有可能成为国际标准。CEBu，协议由物理层、数据链路层、网络层和应用层4层及系统治理构成。物理层定义了7种媒体电力线(TP)缆(CX)(FO)和音频视频总线(刀VBus)的节点能够发送成功。LonWorks亦被EIA集成家庭系统技术委员会(IntegratedHomeSystemsTechnicalCommittee)定为EIA一709标准。七、关于工业以太网和TCP/IP协议簇几年以前，Ethernet(以太网)还被认为不能用于工业掌握领域，这主要是由于Ethemet的CDMA/CD媒体访问方式不能保证网络(传输时间)确实定性，负荷重时DCS中不得不承受昂贵的令牌网如MAP网。但是Ethernet技术的快速进展和广泛应用以及低廉的价格吸引着工业器件，开头将Ethernet用于DCS的监控级。事实证明，由于其高速、低负Ethernet用作工业网络的争论并推出了他们的解决方案。除上述的FFHSE外，还有Ethemet/IP(TheOpenDeviceNetVendorAssociation支持)、ProfiNet(TheProfibusTradeOrganization支持),InterfaceforDistributedAutomatino(TheIDAGorup支持),Modbus/TCP(TheModbusUsersGroup支持)等。实现所谓“一网到底”。支持推动这些争论活动的国际组织有工业以太网协会(IndustrialEthemetAssociation)(IAONA)五”863第一批工程也将工业以太网现场总线列为重点攻关工程。以上的解决方案根本上都是承受快速以太网(IEEE802.3u)作为低两层协议，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的格式进展传抽。工业以太网用作过程掌握领城的现场总线还要解决总