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現場總線技術的總線分類

國際上有40多種現場總線,但沒有任何壹種現場總線能覆蓋所有的應用面,按其傳輸數據的大小可分為3類:傳感器總線(sensor bus),屬於位傳輸;設備總線(device bus),屬於字節傳輸;現場總線,屬於數據流傳輸。 基金會現場總線,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展前景的技術。其前身是以美國Fisher-Rousemount公司為首,聯合Foxboro、橫河、ABB、西門子Siemens等80家公司制訂的ISP協議和以Honeywell公司為首,聯合歐洲等地的150家公司制訂的WordFIP協議。屈於用戶的壓力,這兩大集團於1994年9月合並,成立了現場總線基金會,致力於開發出國際上統壹的現場總線協議。它以ISO/OSI開放系統互連模型為基礎,取其物理層、數據鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次,並在應用層上增加了用戶層。

基金會現場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為 31.25Kbps,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雙絞線、光纜和無線發射,協議符合IEC1158-2標準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼,每位發送數據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,從而使串行數據位流中具有足夠的定位信息,以保持發送雙方的時間同步。接收方既可根據跳變的極性來判斷數據的“1”、“0”狀態,也可根據數據的中心位置精確定位。

為滿足用戶需要,Honeywell、Ronan等公司已開發出可完成物理層和部分數據鏈路層協議的專用芯片,許多儀表公司已開發出符合FF協議的產品,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現場總線工廠試驗系統。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協議的產品,並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,互連為七段現場總線演示系統,各展臺現場設備之間可實地進行現場互操作,展現了基金會現場總線的成就與技術實力。 LonWorks是又壹具有強勁實力的現場總線技術,它是由美國Ecelon公司推出並由它們與摩托羅拉Motorola、東芝Hitach公司***同倡導,於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,並開發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協議被封裝在稱之為Neuron的芯片中並得以實現。集成芯片中有3個8位CPU;壹個用於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,實現介質訪問的控制與處理 ;第二個用於完成第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、函數路徑選擇、軟件計量時、網絡管理,並負責網絡通信控制、收發數據包等;第三個是應用處理器,執行操作系統服務與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區,以實現CPU之間的信息傳遞,並作為網絡緩沖區和應用緩沖區。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,據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開發商運用LonWorks技術和神經元芯片,開發自己的應用產品,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,並進壹步組織起LonWark互操作協會,開發推廣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、辦公設備、運輸設備、工業過程控制等行業。為了支持LonWorks與其它協議和網絡之間的互連與互操作,該公司正在開發各種網關,以便將LonWorks與以太網、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互連為系統。

另外,在開發智能通信接口、智能傳感器方面,LonWorks神經元芯片也具有獨特的優勢。LonWorks技術已經被美國暖通工程師協會ASRE定為建築自動化協議BACnet的壹個標準。根據剛剛收到的消息,美國消費電子制造商協會已經通過決議,以LonWorks技術為基礎制定了EIA-709標準。

這樣,LonWorks已經建立了壹套從協議開發、芯片設計、芯片制造、控制模塊開發制造、OEM控制產品、最終控制產品、分銷、系統集成等壹系列完整的開發、制造、推廣、應用體系結構,吸引了數萬家企業參與到這項工作中來,這對於壹種技術的推廣、應用有很大的促進作用。 Profibus是作為德國國家標準DIN 19245和歐洲標準prEN 50170的現場總線。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型用於分散外設間的高速傳輸,適合於加工自動化領域的應用。FMS意為現場信息規範,適用於紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等壹般自動化,而PA型則是用於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***同推出的。它采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層,由這兩部分形成了其標準第壹部分的子集,DP型隱去了3~7層,而增加了直接數據連接擬合作為用戶接口,FMS型只隱去第3~6層,采用了應用層,作為標準的第二部分。PA型的標準還處於制定過程之中,其傳輸技術遵從IEC1158-2 (1 )標準,可實現總線供電與本質安全防爆。

Porfibus支持主—從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式。主站具有對總線的控制權,可主動發送信息。對多主站系統來說,主站之間采用令牌方式傳遞信息,得到令牌的站點可在壹個事先規定的時間內擁有總線控制權,***事先規定好令牌在各主站中循環壹周的最長時間。按Profibus的通信規範,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,向從站發送或索取信息,實現點對點通信。主站可采取對所有站點廣播 (不要求應答)或有選擇地向壹組站點廣播。

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是控制網絡Control Area Network的簡稱,最早由德國BOSCH公司推出,用於汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。其總線規範現已被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協議也是建立在國際標準組織的開放系統互連模型基礎上的,不過,其模型結構只有3層,只取OSI底層的物理層、數據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,每壹幀的有效字節數為8個,因而傳輸時間短,受幹擾的概率低。當節點嚴重錯誤時,具有自動關閉的功能以切斷該節點與總線的聯系,使總線上的其它節點及其通信不受影響,具有較強的抗幹擾能力。

CAN支持多主方式工作,網絡上任何節點均在任意時刻主動向其它節點發送信息,支持點對點、壹點對多點和全局廣播方式接收/發送數據。它采用總線仲裁技術,當出現幾個節點同時在網絡上傳輸信息時,優先級高的節點可繼續傳輸數據,而優先級低的節點則主動停止發送,從而避免了總線沖突。

已有多家公司開發生產了符合CAN協議的通信芯片,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、開發系統價格便宜等優點。 HART是Highway Addressable Remote Transduer的縮寫。最早由Rosemout公司開發並得到80多家著名儀表公司的支持,於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議,其特點是現有模擬信號傳輸線上實現數字通信,屬於模擬系統向數字系統轉變過程中工業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,得到了較好的發展。

HART通信模型由3層組成 :物理層、數據鏈路層和應用層。物理層采用FSK(Frequency Shift Keying)技術在4~20mA模擬信號上叠加壹個頻率信號,頻率信號采用Bell202國際標準;數據傳輸速率為1200bps,邏輯0的信號頻率為2200Hz,邏輯1的信號傳輸頻率為 1200Hz。

數據鏈路層用於按HART通信協議規則建立HART信息格式。其信息構成包括開頭碼、顯示終端與現場設備地址、字節數、現場設備狀態與通信狀態、數據、奇偶校驗等。其數據字節結構為1個起始位,8個數據位,1個奇偶校驗位,1個終止位。應用層的作用在於使HART指令付諸實現,即把通信狀態轉換成相應的信息。它規定了壹系列命令;按命令方式工作。它有 3類命令,第壹類稱為通用命令,這是所有設備理解、執行的命令;第二類稱為壹般行為命令,它所提供的功能可以在許多現場設備 (盡管不是全部 )中實現,這類命令包括最常用的現場設備的功能庫;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,又可以為開發此命令的公司所獨有。在壹個現場設備中通常可發現同時存在這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據更新速率為2~3次/s,按廣播方式工作時的數據更新速率為 3~4次 /s,它還可支持兩個通信主設備。總線上可掛設備數多達 15個,每個現場設備可有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采用統壹的設備描述語言DDL。現場設備開發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並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而不必為這些設備開發專用接口。但由於這種模擬數字混信號制,導致難以開發出壹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。 盡管RS-485不能稱為現場總線,但是作為現場總線的鼻祖,還有許多設備繼續沿用這種通訊協議。采用RS-485通訊具有設備簡單、低成本等優勢,仍有壹定的生命力。以RS-485為基礎的OPTO-22命令集等也在許多系統中得到了廣泛的應用。