什么是現(xiàn)場總線？

現(xiàn)場總線（Fieldbus）是20世紀(jì)80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的，用于現(xiàn)場總線技術(shù)過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(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)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機(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，成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點，并將導(dǎo)致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革?，F(xiàn)場總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過程設(shè)備的底層，作為工廠設(shè)備級基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)，要求具有協(xié)議簡單、容錯能力強(qiáng)、安全性好、成本低的特點：具有一定的時間確定性和較高的實時性要求，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。由于上述特點，現(xiàn)場總線系統(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。

目前國際上有40多種現(xiàn)場總線，但沒有任何一種現(xiàn)場總線能覆蓋所有的應(yīng)用面，按其傳輸數(shù)據(jù)的大小可分為3類：傳感器總線（sensorbus），屬于位傳輸；設(shè)備總線（devicebus），屬于字節(jié)傳輸；現(xiàn)場總線，屬于數(shù)據(jù)流傳輸。下面讓我一起去認(rèn)識主要的幾種總線。

一、FF現(xiàn)場總線

FF現(xiàn)場總線基金會是由WORLDFIPNA(北美部分，不包括歐洲)和ISPFoundation于1994年6月聯(lián)合成立的，它是一個國際性的組織，其目標(biāo)是建立單一的、開放的、可互操作的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)。這個組織給予了IEC現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)起草工作組以強(qiáng)大的支持。這個組織目前有l(wèi)00多成員單位，包括了全世界主要的過程控制產(chǎn)品及系統(tǒng)的生產(chǎn)公司。1997年4月這個組織在中國成立了中國儀協(xié)現(xiàn)場總線專業(yè)委員會（CFC）。致力于這項技術(shù)在中國的推廣應(yīng)用。FF成立的時間比較晚，在推出自己的產(chǎn)品和把這項技術(shù)完整地應(yīng)用到工程上相對于PROFIBUS和WORLDFIP要晚。但是正由于FF是1992年9月成立的，是以FisherRosemount公司為核心的ISP（可互操作系統(tǒng)協(xié)議）與WORLDFIPNA兩大組織合并而成的，因此這個組織具有相當(dāng)實力：目前FF在IEC現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制訂過程中起著舉足輕重的作用。

二、LonWorks

LonWorks現(xiàn)場總線是美國埃施朗于1992年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，最初主要用于樓宇自動化，但很快發(fā)展到工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)。LonWorks技術(shù)為設(shè)計和實現(xiàn)可互操作的控制網(wǎng)絡(luò)提供了一套完整、開放、成品化的解決途徑。LonWorks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片(NeuronChip)。該芯片內(nèi)部裝有3個微處理器：MAC處理器完成介質(zhì)訪問控制；網(wǎng)絡(luò)處理器完成OSI的3～6層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；應(yīng)用處理器完成用戶現(xiàn)場控制應(yīng)用。它們之間通過公用存儲器傳遞數(shù)據(jù)。在控制單元中需要采集和控制功能，為此，神經(jīng)元芯片特設(shè)置11個I/O口。這些I/O口可根據(jù)需求不同來靈活配置與外圍設(shè)備的接口,如RS232、并口、定時/計數(shù)、間隔處理、位I/O等。

LON總線則綜合了當(dāng)今現(xiàn)場總線的多種功能，同時具備了局域網(wǎng)的一些特點，使得它被廣泛地應(yīng)用于航空/航天，農(nóng)業(yè)控制、計算機(jī)/外圍設(shè)備、診斷/監(jiān)控、電子測量設(shè)備、測試設(shè)備、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事/防衛(wèi)、辦公室設(shè)備系統(tǒng)、機(jī)器人、安全警衛(wèi)、保密、運動/游藝、電話通信、運輸設(shè)備等領(lǐng)域。其通用性表明，它不是針對某一個特殊領(lǐng)域的總線，而是具有可將不同領(lǐng)域的控制系統(tǒng)綜合成一個以LONWORKS為基礎(chǔ)的更復(fù)雜系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

三、Profibus

Profibus是作為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)prEN50170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(shè)間的高速傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)。該項技術(shù)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(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)目前還處于制定過程之中，其傳輸技術(shù)遵從IEC1158-2（1）標(biāo)準(zhǔn)，可實現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。

四、CAN總線

控制器局域網(wǎng)(CAN)最早由Bosch公司于1985年研發(fā)，用于搭建車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。在此之前，汽車生產(chǎn)商使用點對點布線系統(tǒng)連接車內(nèi)電子設(shè)備。但隨著車內(nèi)電子設(shè)備的增多，這種布線系統(tǒng)需要的連線也越來越多，使系統(tǒng)變得既笨重又昂貴。于是，生產(chǎn)商開始使用車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)來替代點對點布線系統(tǒng)，以降低布線的成本、復(fù)雜度，以及系統(tǒng)重量。在此背景下，CAN作為一種構(gòu)建智能設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的高集成度串行總線系統(tǒng)應(yīng)運而生，成為車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。由此，CAN在汽車業(yè)界迅速普及，于1993年成為國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)。1994年后，數(shù)個CAN的高層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)形成，如CANopen和DeviceNet。這些新增協(xié)議也為其他市場廣泛接受，現(xiàn)已成為工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)的一部分。

CAN最初是在汽車領(lǐng)域誕生的，因此最常見的應(yīng)用就是車內(nèi)電子網(wǎng)絡(luò)。然而在過去的二十年，越來越多的行業(yè)認(rèn)識了CAN的可靠性和優(yōu)勢，將CAN總線應(yīng)用在許多其他場合。例如有軌電車、地鐵、輕軌及長途列車等都應(yīng)用了CAN網(wǎng)絡(luò)。在這些車輛中，均可發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)多種CAN構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，如連接車門單元、剎車控制器、客流計數(shù)單元等。在航空領(lǐng)域亦可發(fā)現(xiàn)CAN的應(yīng)用，如飛行狀態(tài)傳感器、導(dǎo)航系統(tǒng)以及座艙中的計算機(jī)。此外，在航天應(yīng)用中也能看到CAN總線的身影，如飛行數(shù)據(jù)分析和飛行器引擎控制系統(tǒng)（燃料系統(tǒng)、泵、線性執(zhí)行器等）。

五、Devicenet

Devicenet是90年代中期發(fā)展起來的一種基于CAN（ControllerAreaNetwork）技術(shù)的開放型、符合全球工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的低成本、高性能的通信網(wǎng)絡(luò)，最初由美國Rockwell公司開發(fā)應(yīng)用。

Devicenet的許多特性沿襲于CAN，CAN總線是一種設(shè)計良好的通信總線，它主要用于實時傳輸控制數(shù)據(jù)。DeviceNet的主要特點是：短幀傳輸，每幀的最大數(shù)據(jù)為8個字節(jié)；無破壞性的逐位仲裁技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)最多可連接64個節(jié)點；數(shù)據(jù)傳輸波特率為125kb/s、250kb/s、500kb/s；點對點、多主或主/從通信方式；采用CAN的物理和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)約。

六、HART總線

HART，即可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道協(xié)議。上世紀(jì)80年代時，由于多數(shù)儀表用戶希望能夠獲得一種兼容4~20mA模擬信號的數(shù)字通訊標(biāo)準(zhǔn)，HART應(yīng)運而生。1986年，艾默生旗下洛斯蒙德推出這一標(biāo)準(zhǔn)。

HART協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4-20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號進(jìn)行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2kbps。由于FSK信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。在HART協(xié)議通信中主要的變量和控制信息由4-20mA傳送，在需要的情況下，另外的測量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息通過HART協(xié)議訪問。

七、CClink

CC-Link即控制與通信鏈路系統(tǒng)，由三菱為主導(dǎo)的多家公司共同推出，是一種開放式現(xiàn)場總線，其數(shù)據(jù)容量大，通信速度多級可選擇，而且它是一個復(fù)合的、開放的、適應(yīng)性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠適應(yīng)于較高的管理層網(wǎng)絡(luò)到較低的傳感器層網(wǎng)絡(luò)的不同范圍。

八、WorldFIP

WorldFIP是歐洲標(biāo)準(zhǔn)的組成部分WorldFIP是歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的三個組成部分之一(Volume3)，是在法國標(biāo)準(zhǔn)FIP－C46－601/C46-607的基礎(chǔ)上采納了IEC物理層國際標(biāo)準(zhǔn)(1158-2)發(fā)展起來的，由三個通信層組成。WorldFIP的顯著特點是為所有的工業(yè)和過程控制提供帶有一個物理層的單一現(xiàn)場總線。底層控制系統(tǒng)、制造系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)都可直接連到控制一級的WorldFIP總線上，毋需采用將RS485和其它低速總線相混和的方式來接連底層設(shè)備以實現(xiàn)同樣的功能。

九、Interbus

INTERBUS作為IEC61158標(biāo)準(zhǔn)之一，廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)和機(jī)器加工行業(yè)中，用于連接傳感器/執(zhí)行器的信號到計算機(jī)控制站，是一種開放的串行總線系統(tǒng)。INTERBUS總線于1984年推出，其主要技術(shù)開發(fā)者為德國的PhoenixContact公司。INTERBUSClub是INTERBUS設(shè)備生產(chǎn)廠家和用戶的全球性組織，目前在17個國家和地區(qū)設(shè)立了獨立的Club組織，共有500多個成員。

INTERBUS總線包括遠(yuǎn)程總線網(wǎng)絡(luò)和本地總線網(wǎng)絡(luò)，兩種網(wǎng)絡(luò)傳送相同的信號但電平不同。遠(yuǎn)程總線網(wǎng)絡(luò)用于遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)，采用RS-485傳輸，網(wǎng)絡(luò)本向不供電，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)采用全雙工方式進(jìn)行通訊，通訊速率為500k/s。本地總線網(wǎng)絡(luò)連接到遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)絡(luò)上的總線終端BT（BUSTerminal)上的BK模塊負(fù)責(zé)將遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為本地網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。