現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)技術(shù)分析論文

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摘要：現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是80年代末、90年代初國(guó)際上發(fā)展形成的，用于過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系……

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是80年代末、90年代初國(guó)際上發(fā)展形成的，用于過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開(kāi)放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項(xiàng)以智能傳感、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注，成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，并將導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。國(guó)際上許多實(shí)力、有影響的公司都先后在不同程度上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過(guò)程設(shè)備的底層，作為工廠設(shè)備級(jí)基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)，要求具有協(xié)議簡(jiǎn)單、容錯(cuò)能力強(qiáng)、安全性好、成本低的特點(diǎn):具有一定的時(shí)間確定性和較高的實(shí)時(shí)性要求,還具有網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定，多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點(diǎn)。由于上述特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù)，都具有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。

一般把現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng)，也稱作FCS——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。人們一般把50年代前的氣動(dòng)信號(hào)控制系統(tǒng)PCS稱作第一代，把4～20mA等電動(dòng)模擬信號(hào)控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計(jì)算機(jī)集中式控制系統(tǒng)稱為第三代，而把70年代中期以來(lái)的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng)，一方面，突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開(kāi)化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)。可以說(shuō)，開(kāi)放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)最顯著的特征。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在歷經(jīng)了群雄并起，分散割據(jù)的初始階段后，盡管已有一定范圍的磋商合并，但至今尚未形成完整統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。其中有較強(qiáng)實(shí)力和影響的有:FoudationFieldbus（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。它們具有各自的特色，在不同應(yīng)用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢(shì)。本文將在簡(jiǎn)要描述現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)，緊扣系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性等，介紹現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)及目前較為流行的幾種有實(shí)力的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)狀，最后闡述現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展趨勢(shì)與技術(shù)展望。

一、現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)

1、系統(tǒng)的開(kāi)放性。開(kāi)放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開(kāi)，各不同廠家的設(shè)備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現(xiàn)信息交換，現(xiàn)場(chǎng)總線開(kāi)發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放系統(tǒng)。這里的開(kāi)放是指對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致、公開(kāi)性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個(gè)具有總線功能的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開(kāi)放的，開(kāi)放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對(duì)象把來(lái)自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。

2、互可操作性與互用性，這里的互可操作性，是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實(shí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互用。

3、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性。它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

4、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能，使得現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

5、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。工作在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專為在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工作而設(shè)計(jì)的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。

二、現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)

由于現(xiàn)場(chǎng)總線的以上特點(diǎn)，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。

1、節(jié)省硬件數(shù)量與投資。由于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報(bào)警和計(jì)算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的控制器、計(jì)算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控PC機(jī)作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設(shè)備的減少，還可減少控制室的占地面積。

2、節(jié)省安裝費(fèi)用。現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的接線十分簡(jiǎn)單，由于一對(duì)雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個(gè)設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備時(shí)，無(wú)需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計(jì)、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測(cè)算資料，可節(jié)約安裝費(fèi)用60%以上。

3、節(jié)省維護(hù)開(kāi)銷。由于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過(guò)數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除。縮短了維護(hù)停工時(shí)間，同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，連線簡(jiǎn)單而減少了維護(hù)工作量。

4、用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來(lái)集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品被“框死”了設(shè)備的選擇范圍，不會(huì)為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過(guò)程中的主動(dòng)權(quán)完全掌握在用戶手中。

5、提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號(hào)相比，它從根本上提高了測(cè)量與控制的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能加強(qiáng):減少了信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和功能模塊化，因而還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。

三、典型現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介

1、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線，即FoudationFieldbus,簡(jiǎn)稱FF，這是在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以美國(guó)Fisher-Rousemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等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(tuán)于1994年9月合并，成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)，致力于開(kāi)發(fā)出國(guó)際上統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。它以ISO/OSI開(kāi)放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)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(dá)1900m(可加中繼器延長(zhǎng)),可支持總線供電，支持本質(zhì)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(zhì)可支持比絞線、光纜和無(wú)線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。其物理媒介的傳輸信號(hào)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(fù)跳變。正跳變代表0，負(fù)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(shí)間同步。接收方既可根據(jù)跳變的極性來(lái)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(kāi)發(fā)出可完成物理層和部分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的專用芯片，許多儀表公司已開(kāi)發(fā)出符合FF協(xié)議的產(chǎn)品，1總線已通過(guò)a測(cè)試和β測(cè)試，完成了由13個(gè)不同廠商提供設(shè)備而組成的FF現(xiàn)場(chǎng)總線工廠試驗(yàn)系統(tǒng)。2總線標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)形成。

1996年10月，在芝加哥舉行的ISA96展覽會(huì)上，由現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)組織實(shí)施，向世界展示了來(lái)自40多家廠商的70多種符合FF協(xié)議的產(chǎn)品，并將這些分布在不同樓層展覽大廳不同展臺(tái)上的FF展品，用醒目的橙紅色電纜，互連為七段現(xiàn)場(chǎng)總線演示系統(tǒng)，各展臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間可實(shí)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)互操作，展現(xiàn)了基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的成就與技術(shù)實(shí)力。

2、LonWorks

LonWorks是又一具有強(qiáng)勁實(shí)力的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，它是由美國(guó)Ecelon公司推出并由它們與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，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?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，其通訊速率從300bps至15Mbps不等，直接通信距離可達(dá)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(zhì)，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的本安防爆產(chǎn)品，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。

LonWorks技術(shù)所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為Neuron的芯片中并得以實(shí)現(xiàn)。集成芯片中有3個(gè)8位CPU;一個(gè)用于完成開(kāi)放互連模型中第1～2層的功能，稱為媒體訪問(wèn)控制處理器，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問(wèn)的控制與處理;第二個(gè)用于完成第3～6層的功能，稱為網(wǎng)絡(luò)處理器，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量處理的尋址、處理、背景診斷、函數(shù)路徑選擇、軟件計(jì)量時(shí)、網(wǎng)絡(luò)管理，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信控制、收發(fā)數(shù)據(jù)包等;第三個(gè)是應(yīng)用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶代碼。芯片中還具有存儲(chǔ)信息緩沖區(qū)，以實(shí)現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。如Motorola公司生產(chǎn)的神經(jīng)元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM。

LonWorks技術(shù)的不斷推廣促成了神經(jīng)元芯片的低成本(每片價(jià)格約5～9美元)，而芯片的低成本又返過(guò)來(lái)促進(jìn)了LonWorks技術(shù)的推廣應(yīng)用，形成了良好循環(huán)，據(jù)Ecelon公司的有關(guān)資料，到1996年7月，已生產(chǎn)出500萬(wàn)片神經(jīng)元芯片。

LonWorks公司的技術(shù)策略是鼓勵(lì)各OEM開(kāi)發(fā)商運(yùn)用LonWorks技術(shù)和神經(jīng)元芯片，開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用產(chǎn)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(shù):1000多家公司已經(jīng)推出了LonWorks產(chǎn)品，并進(jìn)一步組織起LonWark互操作協(xié)會(huì)，開(kāi)發(fā)推廣LonWorks技術(shù)與產(chǎn)品。它被廣泛應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、工業(yè)過(guò)程控制等行業(yè)。為了支持LonWorks與其它協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)之間的互連與互操作，該公司正在開(kāi)發(fā)各種網(wǎng)關(guān)，以便將LonWorks與以太網(wǎng)、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互連為系統(tǒng)。

另外，在開(kāi)發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面，LonWorks神經(jīng)元芯片也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。LonWorks技術(shù)已經(jīng)被美國(guó)暖通工程師協(xié)會(huì)ASRE定為建筑自動(dòng)化協(xié)議BACnet的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)剛剛收到的消息，美國(guó)消費(fèi)電子制造商協(xié)會(huì)已經(jīng)通過(guò)決議，以LonWorks技術(shù)為基礎(chǔ)制定了EIA-709標(biāo)準(zhǔn)。

這樣，LonWorks已經(jīng)建立了一套從協(xié)議開(kāi)發(fā)、芯片設(shè)計(jì)、芯片制造、控制模塊開(kāi)發(fā)制造、OEM控制產(chǎn)品、最終控制產(chǎn)品、分銷、系統(tǒng)集成等一系列完整的開(kāi)發(fā)、制造、推廣、應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，吸引了數(shù)萬(wàn)家企業(yè)參與到這項(xiàng)工作中來(lái)，這對(duì)于一種技術(shù)的推廣、應(yīng)用有很大的促進(jìn)作用。

3、Profibus

Profibus是作為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)prEN50170的現(xiàn)場(chǎng)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(shè)間的高速傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMS意為現(xiàn)場(chǎng)信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等一般自動(dòng)化，而PA型則是用于過(guò)程自動(dòng)化的總線類型，它遵從IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國(guó)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用層，作為標(biāo)準(zhǔn)的第二部分。PA型的標(biāo)準(zhǔn)目前還處于制定過(guò)程之中，其傳輸技術(shù)遵從IEC1158-2(1)標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)總線供電與本質(zhì)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(duì)總線的控制權(quán)，可主動(dòng)發(fā)送信息。對(duì)多主站系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點(diǎn)可在一個(gè)事先規(guī)定的時(shí)間內(nèi)擁有總線控制權(quán)，共事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長(zhǎng)時(shí)間。按Profibus的通信規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號(hào)順序，沿上行方向進(jìn)行傳遞。主站在得到控制權(quán)時(shí)，可以按主—從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。主站可采取對(duì)所有站點(diǎn)廣播(不要求應(yīng)答),或有選擇地向一組站點(diǎn)廣播。

Profibus的傳輸速率為96～12kbps最大傳輸距離在12kbps時(shí)為1000m，15Mbps時(shí)為400m，可用中繼器延長(zhǎng)至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。

4、CAN

CAN是控制網(wǎng)絡(luò)ControlAreaNetwork的簡(jiǎn)稱，最早由德國(guó)BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測(cè)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。

CAN協(xié)議也是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的開(kāi)放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，不過(guò)，其模型結(jié)構(gòu)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(yīng)用層。其信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率最高可達(dá)1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/kbps,可掛接設(shè)備最多可達(dá)110個(gè)。

CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

CAN支持多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)均在任意時(shí)刻主動(dòng)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(shù)，當(dāng)出現(xiàn)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)則主動(dòng)停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。

已有多家公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了符合CAN協(xié)議的通信芯片，如Intel公司的82527，Motorola公司的MC68HC05X4，Philips公司的82C250等。還有插在PC機(jī)上的CAN總線接口卡，具有接口簡(jiǎn)單、編程方便、開(kāi)發(fā)系統(tǒng)價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

5、HART

HART是HighwayAddressableRemoteTransduer的縮寫。最早由Rosemout公司開(kāi)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(huì)。這種被稱為可尋址遠(yuǎn)程傳感高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議，其特點(diǎn)是現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中工業(yè)過(guò)程控制的過(guò)渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過(guò)渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(yīng)用層。物理層采用FSK(FrequencyShiftKeying)技術(shù)在4～20mA模擬信號(hào)上迭加一個(gè)頻率信號(hào)，頻率信號(hào)采用Bell202國(guó)際標(biāo)準(zhǔn);數(shù)據(jù)傳輸速率為1200bps,邏輯“0”的信號(hào)頻率為2200Hz，邏輯“1”的信號(hào)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(gòu)成包括開(kāi)頭碼、顯示終端與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備地址、字節(jié)數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)與通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)、奇偶校驗(yàn)等。其數(shù)據(jù)字節(jié)結(jié)構(gòu)為1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位，1個(gè)終止位。應(yīng)用層的作用在于使HART指令付諸實(shí)現(xiàn)，即把通信狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(shè)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(chǎng)設(shè)備(盡管不是全部)中實(shí)現(xiàn)，這類命令包括最常用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能庫(kù);第三類稱為特殊設(shè)備命令，以便在某些設(shè)備中實(shí)現(xiàn)特殊功能，這類命既可以在基金會(huì)中開(kāi)放使用，又可以為開(kāi)發(fā)此命令的公司所獨(dú)有。在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中通常可發(fā)現(xiàn)同時(shí)存在這3類命令。HART支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)主從應(yīng)答方式和多點(diǎn)廣播方式。按應(yīng)答應(yīng)方式工作時(shí)的數(shù)據(jù)更新速率為2～3次/s,按廣播方式工作時(shí)的數(shù)據(jù)更新速率為3～4次/s,它還可支持兩個(gè)通信主設(shè)備。總線上可掛設(shè)備數(shù)多達(dá)15個(gè)，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可有256個(gè)變量，每個(gè)信息最大可包含4個(gè)變量。最大傳輸距離3000m，HART采用統(tǒng)一的設(shè)備描述語(yǔ)言DDL。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備開(kāi)發(fā)商采用這種標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言來(lái)描述設(shè)備特性，由HART基金會(huì)負(fù)責(zé)登記管理這些設(shè)備描述并把它們編為設(shè)備描述字典，主設(shè)備運(yùn)用DDL技術(shù)，來(lái)理解這些設(shè)備的特性參數(shù)而不必為這些設(shè)備開(kāi)發(fā)專用接口。但由于這種模擬數(shù)字混信號(hào)制，導(dǎo)致難以開(kāi)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。

6、RS-485

盡管RS-485不能稱為現(xiàn)場(chǎng)總線，但是作為現(xiàn)場(chǎng)總線的鼻祖，還有許多設(shè)備繼續(xù)沿用這種通訊協(xié)議。采用RS-485通訊具有設(shè)備簡(jiǎn)單、低成本等優(yōu)勢(shì)，仍有一定的生命力。以RS-485為基礎(chǔ)的OPTO-22命令集等也在許多系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。四、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)展望與發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域廣為注的焦點(diǎn)課題，國(guó)際上現(xiàn)場(chǎng)總線的研究、開(kāi)發(fā)，使測(cè)控系統(tǒng)沖破了長(zhǎng)期封閉系統(tǒng)的禁錮，走上開(kāi)放發(fā)展的征程，這對(duì)我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的發(fā)展是個(gè)極好的機(jī)會(huì)，也是一次嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是控制、計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的交叉與集成，涉及的內(nèi)容十分廣泛，筆者認(rèn)為應(yīng)不失時(shí)機(jī)地抓好我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與產(chǎn)品的研究與開(kāi)發(fā)。自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展的大趨勢(shì)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)受計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響是十分深刻的。現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異，發(fā)展十分迅猛，一些具有重大影響的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)必將進(jìn)一步融合到現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之中，這些具有發(fā)展前景的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有:智能儀表與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開(kāi)發(fā)的軟硬件技術(shù);組態(tài)抗術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)段互連等;網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)管理軟件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)操作與傳輸;人機(jī)接口、軟件技術(shù);現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)集成技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)總線屬于尚在發(fā)展之中的技術(shù)，我國(guó)在這一技術(shù)領(lǐng)域還剛剛起步，了解國(guó)際上該項(xiàng)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)向，對(duì)我國(guó)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，對(duì)自動(dòng)化技術(shù)、設(shè)備的更新，無(wú)疑具有重要的作用。總體說(shuō)來(lái)，自動(dòng)化系統(tǒng)與設(shè)備將朝著現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)的方向前進(jìn)，這一發(fā)展趨勢(shì)是肯定的。既然是總線，就要向著趨于開(kāi)放統(tǒng)一的方向發(fā)展，成為大家都遵守的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但由于這一技術(shù)所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，幾乎覆蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領(lǐng)域，如過(guò)程自動(dòng)化、制造加工自動(dòng)化、樓半自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等等。大千世界，眾多領(lǐng)域，需求各異，一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線體系下可能不止容納單一的標(biāo)準(zhǔn)。另外，從以上介紹也可以看出，幾大技術(shù)均具有自己的特點(diǎn)，已在不同應(yīng)用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢(shì)。加上商業(yè)利益的驅(qū)使，它們都各自正在十分激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中求得發(fā)展。有理由認(rèn)為:在從現(xiàn)在起的未來(lái)10a內(nèi)，可能出現(xiàn)幾大總線標(biāo)準(zhǔn)共存，甚至在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)內(nèi)，幾種總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備通過(guò)路由網(wǎng)關(guān)互連實(shí)現(xiàn)信息共享的局面。在連續(xù)過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，今后10a內(nèi)，F(xiàn)F基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線將成為主流發(fā)展趨勢(shì)，LonWorks將成為有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，HART作為過(guò)渡性產(chǎn)品也能有一定的市場(chǎng)。這3種技術(shù)是從這一領(lǐng)域的工業(yè)需求出發(fā)，其用戶層的各種功能是專業(yè)連續(xù)過(guò)程設(shè)計(jì)的，而且充分考慮到連續(xù)工業(yè)的使用環(huán)境，如支持總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。另外，F(xiàn)F基金會(huì)幾乎集中了世界上主要自動(dòng)化儀表制造商;LonWorks形成了全面的分工合作體系。這些因素對(duì)成為這一領(lǐng)域的主流技術(shù)是十分關(guān)鍵的。

由于HART建立在目前廣泛采用的模擬系統(tǒng)之上，它可以充分照顧到現(xiàn)有設(shè)備和已有投資的效益，技術(shù)上也充分考慮連續(xù)過(guò)程使用環(huán)境的需要。目前它已經(jīng)占有一定的市場(chǎng)份額，其技術(shù)本身還在不斷完善與更新，如提高傳輸速率等。目前國(guó)外HART儀表的市場(chǎng)份額還在不斷增長(zhǎng)，呈上升趨勢(shì)，但是它畢竟是過(guò)渡性產(chǎn)品，其生存周期不會(huì)很長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)則由于很多項(xiàng)目都是新項(xiàng)目，所以對(duì)兼容性的考慮較少，而對(duì)先進(jìn)性的考慮較多，相信HART在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)份額不會(huì)很大。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)與國(guó)外市場(chǎng)會(huì)有比較大的差異。一方面國(guó)外市場(chǎng)上占優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品會(huì)不斷滲透到國(guó)內(nèi);另一方面，由于國(guó)內(nèi)廠商的規(guī)模相對(duì)較小，研發(fā)能力較差，更多的是依賴技術(shù)供應(yīng)商的支持，比較容易受現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)供應(yīng)商(芯片制造商等)對(duì)國(guó)內(nèi)的支持和市場(chǎng)推廣力度的影響。國(guó)內(nèi)目前僅LonWorks技術(shù)有實(shí)質(zhì)性的市場(chǎng)活動(dòng)，所以大部分國(guó)內(nèi)廠商將首先將接受LonWorks技術(shù)。盡管FF號(hào)稱儀器儀表行業(yè)的未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)，但是由于沒(méi)有明確的市場(chǎng)策略和在國(guó)內(nèi)的積極的市場(chǎng)活動(dòng)，市場(chǎng)份額將會(huì)受到很大影響。而且事實(shí)表明，所有的現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(FF)會(huì)員在研制符合FF標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，都同時(shí)推出采用LonWorks技術(shù)的應(yīng)用，由此可見(jiàn)LonWorks技術(shù)的生命力十分頑強(qiáng)。在離散制造加工領(lǐng)域，由于行業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)和歷史原因，其主流技術(shù)會(huì)有一些差別。Profibus和CAN在這一領(lǐng)域具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。他們已經(jīng)在這一領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢(shì)。

在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、智能通信產(chǎn)品等方面，LonWorks則具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于LonWorks技術(shù)的特點(diǎn)，在多樣化控制系統(tǒng)的應(yīng)用上將會(huì)有較大的發(fā)展。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的興起，開(kāi)辟了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的新天地。它將促進(jìn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，為企業(yè)帶來(lái)新的效益，因而會(huì)得到廣泛的應(yīng)用，并推動(dòng)自動(dòng)化相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。