山東萊蕪鋼鐵集團有限公司 李曉光，朱琳琳 摘要：文中闡述了現(xiàn)場總線的主要產品及其控制系統(tǒng)的種類和結構，針對網(wǎng)絡拓撲結構論述網(wǎng)絡傳輸?shù)奈锢斫橘|及網(wǎng)絡協(xié)議。 關鍵詞：現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡拓撲、網(wǎng)絡協(xié)議 1 前言 現(xiàn)場總線在控制領域嶄露頭角不過是最近幾年，然而其來勢洶涌，且呈愈演愈烈之勢?，F(xiàn)場總線的技術基礎是一種全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，是應用于各種計算機控制領域的工業(yè)總線。用現(xiàn)場總線將現(xiàn)場各控制器及儀表設備互連，構成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，同時控制功能徹底下放到現(xiàn)場，降低了安裝成本和維護費用。 當今現(xiàn)場總線技術一直是國際上各大公司激烈競爭的領域，由于現(xiàn)場總線技術的不斷創(chuàng)新，過程控制系統(tǒng)由第四代的DCS發(fā)展至今的FCS（Fieldbus Control System）系統(tǒng)，已被稱為第五代過程控制系統(tǒng)。而FCS和DCS的真正區(qū)別在于其現(xiàn)場總線技術?，F(xiàn)場總線技術以數(shù)字信號取代模擬信號，在3C（Computer計算機、Control控制、Commcenication通信）技術的基礎上，大量現(xiàn)場檢測與控制信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移至現(xiàn)場設備。 2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的種類 隨著網(wǎng)絡技術發(fā)展和市場需求的變化，工業(yè)設備實現(xiàn)網(wǎng)絡化管理控制已經(jīng)成為一種必然趨勢。改善工業(yè)控制系統(tǒng)同樣也需要在不同生產設備之間實現(xiàn)高效、可靠、標準化的互聯(lián)，例如利用USB來實現(xiàn)外圍設備與控制主機的互聯(lián)，利用Ethernet和CAN (Controller Area Network，控制器區(qū)域網(wǎng))建立基本網(wǎng)絡架構等。為此，引起了許多關于現(xiàn)場總線的標準問題。 2.1 兩種主流總線Profibus和DeviceNet Profibus有全球最多的供貨廠商數(shù)，在國內第一個取得了行業(yè)標準JB/10308.3-2001，國內生產Profibus產品的廠商有十多家，并且有能夠進行國際認證的實驗室。以上情況表明Profibus在國內已經(jīng)得到了很好的發(fā)展，并且它目前在國內市場占有率也是最高的?？梢灶A見在未來幾年內，Profibus還將在國內占主導地位。DeviceNet是現(xiàn)場總線中技術最成熟的一種，由于DeviceNet的出現(xiàn)比Profibus要晚，現(xiàn)在的供貨商數(shù)在眾多總線中次于Profibus，但是DeviceNet目前占有世界兩個最大市場美國和日本50%以上的份額。從全球來看每年新增的結點數(shù)和Profibus不相上下，另外DeviceNet在國內第一個取得了國家標準GB/T 18858.2-2002。國內目前DeviceNet的開發(fā)商大約有7、8家左右，但由于RA對DeviceNet產品的報價遠高于西門子對Profibus產品的報價，所以大家普遍認為DeviceNet沒有價格優(yōu)勢。 2.2 Lonworks樓宇自動化 LONWORKS技術在樓宇自控系統(tǒng)中的應用，其技術上的優(yōu)勢是顯而易見的： ·直接互聯(lián)性。不同品牌、功能的DDC組成一個統(tǒng)一控制網(wǎng)絡協(xié)同工作。 ·自主通訊。數(shù)個小規(guī)模DDC分布式布置，聯(lián)合運行，在功能完全替代了單CPU多I／O點的中大型DDC。 ·網(wǎng)絡結構多樣化，易于適應用戶的不同需求。 ·系統(tǒng)響應速度。在合理配置網(wǎng)絡設備和選擇合理的網(wǎng)絡結構的前提下，LONWORKS系統(tǒng)的響應速度和數(shù)據(jù)傳輸率都是較高的。 目前常見的所謂LONWORKS系統(tǒng)按互聯(lián)性大致可分為三類： （1） 采用部分LONWORKS器件的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)通常僅在現(xiàn)場總線通訊端口的物理層采用LONWORKS技術，如采用FTT-10收發(fā)器、TP/XT-10、TP/XF-78網(wǎng)絡接口等，所以這類系統(tǒng)可與其它LONWORKS系統(tǒng)共享同一條總線，即DDC可掛在一條總線上。這類系統(tǒng)采用主從令牌網(wǎng)方式實現(xiàn)系統(tǒng)呼應，多數(shù)不具備點對點通訊功能。 （2） 采用LONWORKS開發(fā)系統(tǒng)的非LONMARK產品。這類系統(tǒng)通常全套采用了LONWORKS開發(fā)平臺，而未采用LONMARK協(xié)會規(guī)定的網(wǎng)絡變量來定義DDC間的通訊。由于完全采用了LONTALK協(xié)議，通常采用自定義用戶包進行數(shù)據(jù)通訊，系統(tǒng)現(xiàn)場總線的通訊效率高，DDC功能強，LONWORKS技術所有技術特征除互聯(lián)性外幾乎均能得到充分體現(xiàn)，但由于其網(wǎng)絡傳輸變量的非標準化，使這類系統(tǒng)在互聯(lián)性上大打折扣，其不符LONMARK規(guī)定的網(wǎng)絡變量只能在本系統(tǒng)內傳輸，外系統(tǒng)是無法正確接收的。 （3） 完全符合LONMARK規(guī)約的產品。由于LONWORKS網(wǎng)絡技術的高速發(fā)展，及廠商大量介入LONMARK領域進行二次開發(fā)，如今，即使完全符合LONMARK規(guī)約的產品，其互聯(lián)性也不敢說完全地實現(xiàn)。目前，LONWORKS系統(tǒng)的DDC基礎編程軟件為Visual Control，Lonbuilder，Neuron C，Visio等，由于各廠商的DDC編程工具不同，DDC通訊連接表征文件也不盡相同，時有個別類別的網(wǎng)絡變量在異系統(tǒng)中無法調用。當然這類問題通過修改連接表征文件或網(wǎng)絡變量的表達方式，一般還是能夠解決互聯(lián)性問題的。 LONWORKS系統(tǒng)要有效工作，除了DDC之間的互聯(lián)性外，系統(tǒng)網(wǎng)絡組網(wǎng)方式也很重要，特別是LONWORKS現(xiàn)場總線與上一級高速----網(wǎng)絡管理總線之間的連接，是LONWORKS系統(tǒng)應用中的關鍵問題。LONWORKS作為控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線，其大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)需要通過上一級高速網(wǎng)絡----管理總線來傳送，以解決整個系統(tǒng)的響應速度以及與管理總線（一般是以太網(wǎng)）之間的數(shù)據(jù)交換和共享?？刂破鲄^(qū)域網(wǎng)(Controller Area Network)CAN現(xiàn)場總線已經(jīng)成為在儀表裝置通訊的新標準。它提供高速數(shù)據(jù)傳送，在短距離(40m)條件下具有高速(1Mbit/s)數(shù)據(jù)傳輸能力，而在最大距離10000m時具有低速(5kbits/s)傳輸能力，極適合在高速的工業(yè)自控應用上。 2.3 CAN總線（Controller Aera Network） CAN總線與其他總線相比有如下特點： ·它是一種多主總線，即每個節(jié)點機均可成為主機，且節(jié)點機之間也可進行通信。 ·通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1Mbps。 ·CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗、優(yōu)先級判別等項工作。 ·CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡內的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識碼可由11位或29位二進制數(shù)組成，因此可以定義211或229個不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接受到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分步式控制中非常重要。 · 數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領域中控制命令，工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。 ·CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN總線所具有的卓越性能、極高的可靠性和獨特設計，特別適合工業(yè)設備測控單元互連。因此倍受工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。而且，CAN總線沒有任何組織來管理 (當然DeviceNet是基于CAN的)，系統(tǒng)開發(fā)成本極低，特別適用于只有I/O的系統(tǒng)。 2.4 隨PLC進行系統(tǒng)配套的兩種常用總線Modbus和CC-link Modbus算是最老的幾種現(xiàn)場總線之一了(當然還有HART更老)，經(jīng)過20年的發(fā)展，也培養(yǎng)出了一大批設備供貨商。因此，國內大型項目采用Modbus的實例比較多。但是，Modbus今后將主要作為Schneider主機系統(tǒng)的配套，發(fā)展空間相對較小。 CC-Link是和DeviceNet同時期推出的一種現(xiàn)場總線。從技術上看CC-link基本是RS485的改進，很多人認為CC-link在技術上首先不夠先進。但是不管那種現(xiàn)場總線本來都不是很先進的技術，實用和可靠才是最重要的。CC-link由于是基于485開發(fā)的，產品價格較低同，特別適合485網(wǎng)絡換網(wǎng)的用戶。 2.5 FF現(xiàn)場總線 FF的名字不能說不好聽，技術也不能說不先進，但是因為沒有大廠支持，在國際上始終沒有找到自己的市場。其實對于現(xiàn)場總線，事實的標準才是最重要的，什么是事實的標準，就是誰的市場份額大。國內現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出不少FF的產品了，因為FF產品開發(fā)的時候大多都得到了國家的支持。 2.6 HART 在中國也開了不少花，結了不少果，只是現(xiàn)在提的人少了，HART技術落后了是不爭的事實。 3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結構及其特點 國際電工協(xié)會（IEC）的SP50委員會對現(xiàn)場總線有以下三點要求：同一數(shù)據(jù)鏈路上過程控制單元（PCU）、 PLC等與數(shù)字1/ O設備互連；現(xiàn)場總線控制器可對總線上的多個操作站、傳感器及執(zhí)行機構等進行數(shù)據(jù)存??；通信媒體安裝費用較低?，F(xiàn)場總線是一種串行的數(shù)字數(shù)據(jù)通訊鏈路，它溝通了生產過程領域的基本控制設備（即現(xiàn)場級設備）與更高層次自動控制領域的自動化控制設備（即車間級設備）之間的聯(lián)系?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)主要包括一些實際應用的設備，如PLC、掃描器、電源、輸入輸出站、終端電阻等。其它系統(tǒng)也可以包括變頻器、智能儀表、人機界面等。 系統(tǒng)中的主控器（Host）可以是PLC或PC，通過總線接口對整個系統(tǒng)進行管理和控制。其總線接口，有時可以稱為掃描器?？梢允欠謩e的卡件，也可以集成于PLC中?？偩€接口作為網(wǎng)絡管理器和作為主控器到總線的網(wǎng)關，管理來自總線節(jié)點的信息報告，并且轉換為主控器能夠讀懂的某種數(shù)據(jù)格式傳送到主控器。總線接口的缺省地址通常設為“0”電源，是網(wǎng)絡上每個節(jié)點傳輸和接收信息所必需的。通常輸入通道與內部芯片所用電源為同一個電源，習慣稱為總線電源。而輸出通道使用獨立的電源，稱為輔助電源。 系統(tǒng)中的輸入輸出節(jié)點雖然有許多不同的類型，但在應用中最常用的是24V直流的2線、3線傳感器或機械觸點。該節(jié)點具有IP67的防護等級，有防水、防塵、抗振動等特性，適合于直接安裝在現(xiàn)場。另一個節(jié)點是端子式節(jié)點，獨立的輸入/輸出端子塊安裝在DIN導軌上，并連接著一個總線耦合器。該總線直流耦合器是連接總線的網(wǎng)關。這種類型的節(jié)點是開放式的結構，其防護等級為IP20，它必須安裝在機箱中。端子式輸入/輸出系統(tǒng)包含有許多種開關量與模擬量輸入/輸出模塊，以及串行通訊、高速計數(shù)與監(jiān)控模塊。端子式輸入/輸出系統(tǒng)可以獨立使用也可以結合使用。而節(jié)點地址連接一個輔助電源，該電源用于驅動電磁閥和其他的電器設備。通過將輔助電器與總線電源分開可以極大地降低在總線信號中的噪音。另外大部分總線節(jié)點可以診斷出電器設備中的短路狀態(tài)并且報告給主控器，即使發(fā)生短路也不會影響整個系統(tǒng)的通訊。普通傳感器等現(xiàn)場裝置可以通過輸入輸出模塊連接到現(xiàn)場總線系統(tǒng)工程中，也可以單獨裝入總線通訊接口，連接到總線系統(tǒng)中。 總線電纜和終端電阻：總線電纜一般分為主干纜和分支電纜。各種總線協(xié)議對于總線電纜的長度都有所規(guī)定，不同的通訊波特率，對應不同的總線電纜長度。同時，分支電纜的長度也是有所限制的。網(wǎng)絡的最后部分是終端電阻。在一些總線系統(tǒng)中，這個終端電阻只是連接到兩數(shù)據(jù)線的簡單電阻，用來吸收網(wǎng)絡信號傳輸過程中的剩余能量。 3.1現(xiàn)場總線特點 與傳統(tǒng)的PLC點對點的控制方法相比，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有無可比擬的優(yōu)勢。其特點包括： · 具有較高的性能價格比，系統(tǒng)綜合成本及一次性安裝費用減少40%。由于導線、連接附件的大幅度的減少，使原來的幾百根，甚至幾千根控制電纜減少到一根總線電纜，從而也使接線端子、電纜橋架等附件大幅度的減少，所以設計、安裝、調試、維護的費用大幅度地減少，維護和改造的停工時間減少60%。原來繁瑣的原理圖、布線圖設計變得簡單易行；標準接插件快速、簡便的安裝，耗費的人力、物力大量減少；強大的故障診斷能力，使系統(tǒng)的調試和維護工作量大幅減少。 · 系統(tǒng)性能大幅度提高?？煽康臄?shù)據(jù)傳輸，快速的數(shù)據(jù)響應，強大的抗干擾能力，使控制系統(tǒng)的檔次跨越了一個臺階。許多總線在通訊介質、信息檢驗、信息糾錯、重復地址檢測等方面都有嚴格的規(guī)定，從而確?？偩€通訊快速、完全可靠的進行。 · 系統(tǒng)具有強大的自動診斷、故障顯示功能。診斷包括總線節(jié)點的通訊故障、電源故障，以及現(xiàn)場裝置和連接件的斷路、短路故障，從而迅速地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的各種故障位置和狀態(tài)。 · 采用數(shù)字信號通訊，有效提高系統(tǒng)的測量和控制精度。各種開關量、模擬量信號就近轉變?yōu)閿?shù)字信號，避免了信號的衰減和變形。 · 總線節(jié)點具有IP67的防護等級，具有防水、防塵、抗振動的特性?？梢灾苯影惭b于工業(yè)設備上，大量減少了現(xiàn)場接線箱，使系統(tǒng)可靠性提高。 · 本質安全型總線。更加適合直接安裝于石油、化工等危險防爆場所，減少系統(tǒng)發(fā)生危險的可能性。 · 由于可以將PID功能植入到變送器或執(zhí)行器中去，使控制周期大為縮短。目前可以從DCS的每秒調節(jié)2～3次增加到每秒調節(jié)10～20次，從而改善了調節(jié)性能。 · 由于免除了主機入口處的瓶頸現(xiàn)象，既可以提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，也可使主機騰出手來從事優(yōu)化等工作以提高效益。 · 組態(tài)簡單，安裝、運行、維護簡便。 · 用戶可以自己擇優(yōu)選擇，達到最佳集成。 3.2拓撲結構 網(wǎng)絡的拓撲結構主要有總線拓撲和自由拓撲兩種結構： （1）總線式拓撲結構 總線式拓撲結構如圖1所示。所有站點不需要經(jīng)交換設備，可直接連接到傳媒體上（即總線），即所有站點共享一條公共的傳輸媒體，任何一個站點都能在此媒體上發(fā)送傳播，并能被所有站點接收，因為所有站點共享一條公共傳輸媒體，所有在某一時刻只能有一個站點能夠發(fā)送，與其他站點的發(fā)送相競爭，故由載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測的媒體訪問控制器來控制。總線拓撲是由一條主干線和若干條分支線及兩個總線（bus）終端匹配器。 （2）自由拓撲式結構 自由拓撲式結構如圖2所示。其通信信道上只有一個終端匹配器，通信信道可以是總線星型、環(huán)型和混合型，所有的站點可直接連接到傳輸媒體（環(huán)）上，在環(huán)上循環(huán)地傳輸一個特定的位串（稱為令牌），獲得令牌的站點才有權發(fā)送，若無發(fā)送則把令牌傳給下一個站點。如：Lonworks 支持多種拓撲結構，選擇不同的收發(fā)器可構成星型環(huán)型、樹型、混合型，而尋址由協(xié)議來解決，這樣使得現(xiàn)場互聯(lián)更加靈活。 3.3網(wǎng)絡物理介質 在構造網(wǎng)絡時，必須了解構成網(wǎng)絡物理介質的特性，正確選擇網(wǎng)絡的物理介質，進行最優(yōu)化的布線設計、安裝與測試，以使所構成的網(wǎng)絡具有高的性能價格比。網(wǎng)絡的傳輸媒體通常采用雙絞線（有屏蔽和無屏蔽）、同軸電纜（細纜和粗纜）和光纜，而對現(xiàn)場總線網(wǎng)絡采用高質無屏蔽雙絞線取代同軸電纜時，有利于解決數(shù)據(jù)高速傳輸，降低線間串擾和電磁輻射等，并能便于管理系統(tǒng)的擴充。因光纜具有保密性強、體積小、重量輕、不怕電磁干擾、通信容量大、通信距離遠等優(yōu)點，在現(xiàn)場總線的互聯(lián)網(wǎng)中采用廉價的塑料光纜是一種性能價格比高的設計方案。但在網(wǎng)絡結構設計中首要的是根據(jù)所采用現(xiàn)場總線支持的物理介質，如：Lonwor-ks支持多種介質就是其主要的技術特點之一，對于不同的傳輸介質的支持是通過收發(fā)器(Transceiver)實現(xiàn)的，在一個通信信道上，只能使用相同類型的收發(fā)器產品，才可以直接連接。目前使用較多的收發(fā)器是FTT—10（非總線供電）和LPT—10（總線供電），對于終端匹配器的使用應引起足夠的重視，尤其是在通信電纜比較短時，若不使用終端匹配器會使網(wǎng)絡吞吐率下降20%—30%。終端匹配器的數(shù)量由網(wǎng)絡總線的拓撲結構決定，總線的拓撲結構的不同，網(wǎng)絡的覆蓋范圍有非常大的差異。 3.4網(wǎng)絡協(xié)議 網(wǎng)絡協(xié)議是指用于網(wǎng)絡之間相互溝通、傳輸信息所要共同遵守的基礎。網(wǎng)絡協(xié)議有專用網(wǎng)絡協(xié)議和非專用（標準）網(wǎng)絡協(xié)議之別?，F(xiàn)場總線通信協(xié)議基本遵照ISO/OSI參考模型，主要實現(xiàn)第1（物理層）、2（數(shù)據(jù)鏈路層）、7（應用層）層功能。OSI模型是建立在七層協(xié)議基礎上，作為一個起始點以發(fā)展計算機通信標準。每層都有一定等級功能，具有規(guī)定的高層或低層的接口；為提供一定功能通信標準，并不一定所有的層都需要。當與很好定義的程序模塊連接時，該模塊定義了數(shù)據(jù)意義及格式，OSI模塊將提供一個多賣主相互操作的高水平工具。一個典型的開放系統(tǒng)結構可以應用在工業(yè)和商業(yè)的控制系統(tǒng)上，按照布置，所有的開放系統(tǒng)元件，使用標準協(xié)議作為本系統(tǒng)語言，無需翻譯，可以相互通信。 物理層采用EIA-RS232、EIA-RS422/RS485等協(xié)議。由于在某些情況下，現(xiàn)場傳感器、變送器要從現(xiàn)場總線“竊取”電能作為它們的工作電源，因此對總線上數(shù)字信號的強度（驅動能力）、傳輸速率、信噪比以及電纜尺寸、線路長度等都提出一定要求。 數(shù)據(jù)鏈路層考慮到現(xiàn)場設備故障較多，更換頻繁，所以數(shù)據(jù)鏈路層媒體訪問控制多采用受控訪問（包括輪詢和令牌）協(xié)議，通常，各PCU、PLC作為主站，傳感器、變送器等作為從站。另外，須支持點對點、點對多點和廣播通信方式。 應用層解決的是應用什么樣的高級語言（或過程控制語言）作為面向用戶的編程（或組態(tài)）語言的問題，其中包括設備名稱、網(wǎng)絡變量與配置（捆綁）關系，參數(shù)與功能調用及相關說明等，一般應具有符合IEC1131-3標準的圖形用戶界面（GUI）。 4 以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術的比較 (1) 物理層比較 (2) 介質訪問控制方式比較 　　現(xiàn)場總線介質訪問控制方式： 　　現(xiàn)場總線的介質訪問控制方式要滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡的要求，即通信的實時性和確定性。確定性指站點每次得到網(wǎng)絡服務間隔和時間是確定的；實時性指網(wǎng)絡分配給站點的服務時間和間隔可以保證站點完成它確定的任務。 　　目前現(xiàn)場總線技術采用的介質訪問控制方式主要有：令牌、主從、生產者/客戶（producer/consumer）。 　　以太網(wǎng)介質訪問控制方式： CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測)是以太網(wǎng)（或IEEE802.3）采用的介質訪問控制方式。 5 結束語 任何一種現(xiàn)場總線都有各自適合的領域，并且各領域又有各自的都有其特點。有實力的廠商會投資很多相關技術，例如ABB、Siemens都有自己的現(xiàn)場總線產品，市場、技術是都是導向因素。以太網(wǎng)最終會進入工業(yè)現(xiàn)場，下放到車間層，成為車間層的控制網(wǎng)絡，而不是以前的純管理網(wǎng)。因此，下一代控制的目標是由對產品的宏觀控制（經(jīng)濟控制，如成本控制、運作控制、質量控制、財資控制）到細節(jié)控制（如制造控制），即人機化接口與管理信息系統(tǒng)的極大融合。