過程自動化領域現(xiàn)場總線的分類

基金會現(xiàn)場總線
　　基金會現(xiàn)場總線，即Foudation Fieldbus，簡稱FF，這是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術。其前身是以美國Fisher-Rousemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子Siemens等80家公司制訂的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的WordFIP協(xié)議。屈于用戶的壓力，這兩大集團于1994年9月合并，成立了現(xiàn)場總線基金會，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。
　　基金會現(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為 3125Kbps，通信距離可達 1900m （可加中繼器延長），可支持總線供電，支持本質安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為 1Mbps和 2 5Mbps兩種，其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質可支持比絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼，每位發(fā)送數(shù)據(jù)的中心位置或是正跳變，或是負跳變。正跳變代表0，負跳變代表1，從而使串行數(shù)據(jù)位流中具有足夠的定位信息，以保持發(fā)送雙方的時間同步。接收方既可根據(jù)跳變的極性來判斷數(shù)據(jù)的“1”、“0”狀態(tài)，也可根據(jù)數(shù)據(jù)的中心位置精確定位。
　　為滿足用戶需要，Honeywell、Ronan等公司已開發(fā)出可完成物理層和部分數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的專用芯片，許多儀表公司已開發(fā)出符合FF協(xié)議的產品，1總線已通過a測試和β測試，完成了由 13個不同廠商提供設備而組成的FF現(xiàn)場總線工廠試驗系統(tǒng)。2總線標準也已經形成。
　　1996年10月，在芝加哥舉行的ISA96展覽會上，由現(xiàn)場總線基金會組織實施，向世界展示了來自40多家廠商的70多種符合FF協(xié)議的產品，并將這些分布在不同樓層展覽大廳不同展臺上的FF展品，用醒目的橙紅色電纜，互連為七段現(xiàn)場總線演示系統(tǒng)，各展臺現(xiàn)場設備之間可實地進行現(xiàn)場互操作，展現(xiàn)了基金會現(xiàn)場總線的成就與技術實力。
　　LonWorks
　　LonWorks是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術，它是由美國Ecelon公司推出并由它
　　現(xiàn)場總線技術
　　們與摩托羅拉Motorola、東芝Hitach公司共同倡導，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數(shù)設置，其通訊速率從300bps至15Mbps不等，直接通信距離可達到2700m（78kbps，雙絞線），支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質，并開發(fā)相應的本安防爆產品，被譽為通用控制網絡。
　　LonWorks技術所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為Neuron的芯片中并得以實現(xiàn)。集成芯片中有3個8位CPU；一個用于完成開放互連模型中第 1～ 2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實現(xiàn)介質訪問的控制與處理 ；第二個用于完成第3～6層的功能，稱為網絡處理器，進行網絡變量處理的尋址、處理、背景診斷、函數(shù)路徑選擇、軟件計量時、網絡管理，并負責網絡通信控制、收發(fā)數(shù)據(jù)包等；第三個是應用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區(qū)，以實現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網絡緩沖區(qū)和應用緩沖區(qū)。如Motorola公司生產的神經元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM。
　　LonWoeks技術的不斷推廣促成了神經元芯片的低成本 （每片價格約 5～9美元），而芯片的低成本又返過來促進了LonWorks技術的推廣應用，形成了良好循環(huán)，據(jù)Ecelon公司的有關資料，到1996年7月，已生產出 500萬片神經元芯片。
　　LonWorks公司的技術策略是鼓勵各OEM開發(fā)商運用LonWorks技術和神經元芯片，開發(fā)自己的應用產品，據(jù)稱目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技術：1000多家公司已經推出了LonWorks產品，并進一步組織起LonWark互操作協(xié)會，開發(fā)推廣LonWorks技術與產品。它被廣泛應用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設備、運輸設備、工業(yè)過程控制等行業(yè)。為了支持LonWorks與其它協(xié)議和網絡之間的互連與互操作，該公司正在開發(fā)各種網關，以便將LonWorks與以太網、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互連為系統(tǒng)。
　　另外，在開發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面，LonWorks神經元芯片也具有獨特的優(yōu)勢。LonWorks技術已經被美國暖通工程師協(xié)會ASRE定為建筑自動化協(xié)議BACnet的一個標準。根據(jù)剛剛收到的消息，美國消費電子制造商協(xié)會已經通過決議，以LonWorks技術為基礎制定了EIA-709標準。
　　這樣，LonWorks已經建立了一套從協(xié)議開發(fā)、芯片設計、芯片制造、控制模塊開發(fā)制造、OEM控制產品、最終控制產品、分銷、系統(tǒng)集成等一系列完整的開發(fā)、制造、推廣、應用體系結構，吸引了數(shù)萬家企業(yè)參與到這項工作中來，這對于一種技術的推廣、應用有很大的促進作用。
　　Profibus
　　Profibus是作為德國國家標準DIN 19245和歐洲標準prEN 50170的現(xiàn)場總線。ISO/OSI模型也是它的參考模型。由Profibus -Dp、Profibus -FMS、Profibus-PA組成了Profibus系列。DP型用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動化領域的應用。FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等一般自動化，而PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC1158-2標準。該項技術是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，由這兩部分形成了其標準第一部分的子集，DP型隱去了3～7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用戶接口，F(xiàn)MS型只隱去第3～6層，采用了應用層，作為標準的第二部分。PA型的標準目前還處于制定過程之中，其傳輸技術遵從IEC1158-2 （1 ）標準，可實現(xiàn)總線供電與本質安全防爆。
　　Porfibus支持主—從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。主站具有對總線的控制權，可主動發(fā)送信息。對多主站系統(tǒng)來說，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點可在一個事先規(guī)定的時間內擁有總線控制權，共事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長時間。按Profibus的通信規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行方向進行傳遞。主站在得到控制權時，可以按主—從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實現(xiàn)點對點通信。主站可采取對所有站點廣播 （不要求應答）或有選擇地向一組站點廣播。
　　Profibus的傳輸速率為96～12kbps最大傳輸距離在12kbps時為1000m，15Mbps時為400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接 127個站點。
　　CAN
　　CAN是控制網絡Control Area Network的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標準組織制訂為國際標準，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應用在離散控制領域。
　　CAN協(xié)議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎上的，不過，其模型結構只有3層，只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂上層的應用層。其信號傳輸介質為雙絞線，通信速率最高可達 1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達 1 0km/kbps，可掛接設備最多可達 110個。
　　CAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當節(jié)點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。
　　CAN支持多主方式工作，網絡上任何節(jié)點均在任意時刻主動向其它節(jié)點發(fā)送信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術，當出現(xiàn)幾個節(jié)點同時在網絡上傳輸信息時，優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級低的節(jié)點則主動停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。
　　已有多家公司開發(fā)生產了符合CAN協(xié)議的通信芯片，如Intel公司的 82 52 7，Motorola公司的MC68HC05X4，Philips公司的82 C2 50等。還有插在PC機上的CAN總線接口卡，具有接口簡單、編程方便、開發(fā)系統(tǒng)價格便宜等優(yōu)點。
　　HART
　　HART是Highway Addressable Remote Transduer的縮寫。最早由Rosemout公司開發(fā)并得到80多家著名儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會。這種被稱為可尋址遠程傳感高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉變過程中工業(yè)過程控制的過渡性產品，因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較好的發(fā)展。
　　HART通信模型由3層組成 ：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。物理層采用FSK(Frequency Shift Keying）技術在4～20mA模擬信號上迭加一個頻率信號，頻率信號采用Bell202國際標準；數(shù)據(jù)傳輸速率為1200bps，邏輯0的信號頻率為2200Hz，邏輯1的信號傳輸頻率為 1200Hz。
　　數(shù)據(jù)鏈路層用于按HART通信協(xié)議規(guī)則建立HART信息格式。其信息構成包括開頭碼、顯示終端與現(xiàn)場設備地址、字節(jié)數(shù)、現(xiàn)場設備狀態(tài)與通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)、奇偶校驗等。其數(shù)據(jù)字節(jié)結構為1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個奇偶校驗位，1個終止位。應用層的作用在于使HART指令付諸實現(xiàn)，即把通信狀態(tài)轉換成相應的信息。它規(guī)定了一系列命令；按命令方式工作。它有 3類命令，第一類稱為通用命令，這是所有設備理解、執(zhí)行的命令；第二類稱為一般行為命令，它所提供的功能可以在許多現(xiàn)場設備 （盡管不是全部 ）中實現(xiàn)，這類命令包括最常用的現(xiàn)場設備的功能庫；第三類稱為特殊設備命令，以便在某些設備中實現(xiàn)特殊功能，這類命既可以在基金會中開放使用，又可以為開發(fā)此命令的公司所獨有。在一個現(xiàn)場設備中通?？砂l(fā)現(xiàn)同時存在這3類命令。HART支持點對點主從應答方式和多點廣播方式。按應答應方式工作時的數(shù)據(jù)更新速率為2～3次/s，按廣播方式工作時的數(shù)據(jù)更新速率為 3～4次 /s，它還可支持兩個通信主設備?？偩€上可掛設備數(shù)多達 15個，每個現(xiàn)場設備可有256個變量，每個信息最大可包含4個變量。最大傳輸距離3000m，HART采用統(tǒng)一的設備描述語言DDL。現(xiàn)場設備開發(fā)商采用這種標準語言來描述設備特性，由HART基金會負責登記管理這些設備描述并把它們編為設備描述字典，主設備運用DDL技術，來理解這些設備的特性參數(shù)而不必為這些設備開發(fā)專用接口。但由于這種模擬數(shù)字混信號制，導致難以開發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本安防爆要求。
　　RS-485
　　盡管RS-485不能稱為現(xiàn)場總線，但是作為現(xiàn)場總線的鼻祖，還有許多設備繼續(xù)沿用這種通訊協(xié)議。采用RS-485通訊具有設備簡單、低成本等優(yōu)勢，仍有一定的生命力。以RS-485為基礎的OPTO-22命令集等也在許多系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。