山東萊蕪鋼鐵集團有限公司 李曉光，朱琳琳 摘要：文中闡述了現場總線的主要產品及其控制系統的種類和結構，針對網絡拓撲結構論述網絡傳輸的物理介質及網絡協議。 關鍵詞：現場總線、網絡拓撲、網絡協議 1 前言 現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。現場總線的技術基礎是一種全數字化、雙向、多站的通信系統，是應用于各種計算機控制領域的工業總線。用現場總線將現場各控制器及儀表設備互連，構成現場總線控制系統，同時控制功能徹底下放到現場，降低了安裝成本和維護費用。 當今現場總線技術一直是國際上各大公司激烈競爭的領域，由于現場總線技術的不斷創新，過程控制系統由第四代的DCS發展至今的FCS（Fieldbus Control System）系統，已被稱為第五代過程控制系統。而FCS和DCS的真正區別在于其現場總線技術。現場總線技術以數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場設備。 2 現場總線控制系統的種類 隨著網絡技術發展和市場需求的變化，工業設備實現網絡化管理控制已經成為一種必然趨勢。改善工業控制系統同樣也需要在不同生產設備之間實現高效、可靠、標準化的互聯，例如利用USB來實現外圍設備與控制主機的互聯，利用Ethernet和CAN (Controller Area Network，控制器區域網)建立基本網絡架構等。為此，引起了許多關于現場總線的標準問題。 2.1 兩種主流總線Profibus和DeviceNet Profibus有全球最多的供貨廠商數，在國內第一個取得了行業標準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在國內已經得到了很好的發展，并且它目前在國內市場占有率也是最高的。可以預見在未來幾年內，Profibus還將在國內占主導地位。DeviceNet是現場總線中技術最成熟的一種，由于DeviceNet的出現比Profibus要晚，現在的供貨商數在眾多總線中次于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沒有價格優勢。 2.2 Lonworks樓宇自動化 LONWORKS技術在樓宇自控系統中的應用，其技術上的優勢是顯而易見的： ·直接互聯性。不同品牌、功能的DDC組成一個統一控制網絡協同工作。 ·自主通訊。數個小規模DDC分布式布置，聯合運行，在功能完全替代了單CPU多I／O點的中大型DDC。 ·網絡結構多樣化，易于適應用戶的不同需求。 ·系統響應速度。在合理配置網絡設備和選擇合理的網絡結構的前提下，LONWORKS系統的響應速度和數據傳輸率都是較高的。 目前常見的所謂LONWORKS系統按互聯性大致可分為三類： （1） 采用部分LONWORKS器件的系統。這類系統通常僅在現場總線通訊端口的物理層采用LONWORKS技術，如采用FTT-10收發器、TP/XT-10、TP/XF-78網絡接口等，所以這類系統可與其它LONWORKS系統共享同一條總線，即DDC可掛在一條總線上。這類系統采用主從令牌網方式實現系統呼應，多數不具備點對點通訊功能。 （2） 采用LONWORKS開發系統的非LONMARK產品。這類系統通常全套采用了LONWORKS開發平臺，而未采用LONMARK協會規定的網絡變量來定義DDC間的通訊。由于完全采用了LONTALK協議，通常采用自定義用戶包進行數據通訊，系統現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性外幾乎均能得到充分體現，但由于其網絡傳輸變量的非標準化，使這類系統在互聯性上大打折扣，其不符LONMARK規定的網絡變量只能在本系統內傳輸，外系統是無法正確接收的。 （3） 完全符合LONMARK規約的產品。由于LONWORKS網絡技術的高速發展，及廠商大量介入LONMARK領域進行二次開發，如今，即使完全符合LONMARK規約的產品，其互聯性也不敢說完全地實現。目前，LONWORKS系統的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，時有個別類別的網絡變量在異系統中無法調用。當然這類問題通過修改連接表征文件或網絡變量的表達方式，一般還是能夠解決互聯性問題的。 LONWORKS系統要有效工作，除了DDC之間的互聯性外，系統網絡組網方式也很重要，特別是LONWORKS現場總線與上一級高速----網絡管理總線之間的連接，是LONWORKS系統應用中的關鍵問題。LONWORKS作為控制系統的現場總線，其大量現場數據需要通過上一級高速網絡----管理總線來傳送，以解決整個系統的響應速度以及與管理總線（一般是以太網）之間的數據交換和共享。控制器區域網(Controller Area Network)CAN現場總線已經成為在儀表裝置通訊的新標準。它提供高速數據傳送，在短距離(40m)條件下具有高速(1Mbit/s)數據傳輸能力，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，即每個節點機均可成為主機，且節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協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余校驗、優先級判別等項工作。 ·CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼。采用這種方法的優點可使網絡內的節點個數在理論上不受限制，數據塊的標識碼可由11位或29位二進制數組成，因此可以定義211或229個不同的數據塊，這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點同時接受到相同的數據，這一點在分步式控制中非常重要。 · 數據段長度最多為8個字節，可滿足通常工業領域中控制命令，工作狀態及測試數據的一般要求。同時，8個字節不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。 ·CAN協議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。CAN總線所具有的卓越性能、極高的可靠性和獨特設計，特別適合工業設備測控單元互連。因此倍受工業界的重視，并已公認為最有前途的現場總線之一。而且，CAN總線沒有任何組織來管理 (當然DeviceNet是基于CAN的)，系統開發成本極低，特別適用于只有I/O的系統。 2.4 隨PLC進行系統配套的兩種常用總線Modbus和CC-link Modbus算是最老的幾種現場總線之一了(當然還有HART更老)，經過20年的發展，也培養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主機系統的配套，發展空間相對較小。 CC-Link是和DeviceNet同時期推出的一種現場總線。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開發的，產品價格較低同，特別適合485網絡換網的用戶。 2.5 FF現場總線 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。國內現在已經開發出不少FF的產品了，因為FF產品開發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，只是現在提的人少了，HART技術落后了是不爭的事實。 3 現場總線控制系統的結構及其特點 國際電工協會（IEC）的SP50委員會對現場總線有以下三點要求：同一數據鏈路上過程控制單元（PCU）、 PLC等與數字1/ O設備互連；現場總線控制器可對總線上的多個操作站、傳感器及執行機構等進行數據存取；通信媒體安裝費用較低。現場總線是一種串行的數字數據通訊鏈路，它溝通了生產過程領域的基本控制設備（即現場級設備）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）之間的聯系。現場總線控制系統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。其它系統也可以包括變頻器、智能儀表、人機界面等。 系統中的主控器（Host）可以是PLC或PC，通過總線接口對整個系統進行管理和控制。其總線接口，有時可以稱為掃描器。可以是分別的卡件，也可以集成于PLC中。總線接口作為網絡管理器和作為主控器到總線的網關，管理來自總線節點的信息報告，并且轉換為主控器能夠讀懂的某種數據格式傳送到主控器。總線接口的缺省地址通常設為“0”電源，是網絡上每個節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。 系統中的輸入輸出節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場。另一個節點是端子式節點，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關。這種類型的節點是開放式的結構，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、高速計數與監控模塊。端子式輸入/輸出系統可以獨立使用也可以結合使用。而節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。另外大部分總線節點可以診斷出電器設備中的短路狀態并且報告給主控器，即使發生短路也不會影響整個系統的通訊。普通傳感器等現場裝置可以通過輸入輸出模塊連接到現場總線系統工程中，也可以單獨裝入總線通訊接口，連接到總線系統中。 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。各種總線協議對于總線電纜的長度都有所規定，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。網絡的最后部分是終端電阻。在一些總線系統中，這個終端電阻只是連接到兩數據線的簡單電阻，用來吸收網絡信號傳輸過程中的剩余能量。 3.1現場總線特點 與傳統的PLC點對點的控制方法相比，現場總線控制系統具有無可比擬的優勢。其特點包括： · 具有較高的性能價格比，系統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，使系統的調試和維護工作量大幅減少。 · 系統性能大幅度提高。可靠的數據傳輸，快速的數據響應，強大的抗干擾能力，使控制系統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定，從而確保總線通訊快速、完全可靠的進行。 · 系統具有強大的自動診斷、故障顯示功能。診斷包括總線節點的通訊故障、電源故障，以及現場裝置和連接件的斷路、短路故障，從而迅速地發現系統的各種故障位置和狀態。 · 采用數字信號通訊，有效提高系統的測量和控制精度。各種開關量、模擬量信號就近轉變為數字信號，避免了信號的衰減和變形。 · 總線節點具有IP67的防護等級，具有防水、防塵、抗振動的特性。可以直接安裝于工業設備上，大量減少了現場接線箱，使系統可靠性提高。 · 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，減少系統發生危險的可能性。 · 由于可以將PID功能植入到變送器或執行器中去，使控制周期大為縮短。目前可以從DCS的每秒調節2～3次增加到每秒調節10～20次，從而改善了調節性能。 · 由于免除了主機入口處的瓶頸現象，既可以提高系統的安全性和可靠性，也可使主機騰出手來從事優化等工作以提高效益。 · 組態簡單，安裝、運行、維護簡便。 · 用戶可以自己擇優選擇，達到最佳集成。 3.2拓撲結構 網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送，與其他站點的發送相競爭，故由載波監聽多路訪問/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、環型和混合型，所有的站點可直接連接到傳輸媒體（環）上，在環上循環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送，若無發送則把令牌傳給下一個站點。如：Lonworks 支持多種拓撲結構，選擇不同的收發器可構成星型環型、樹型、混合型，而尋址由協議來解決，這樣使得現場互聯更加靈活。 3.3網絡物理介質 在構造網絡時，必須了解構成網絡物理介質的特性，正確選擇網絡的物理介質，進行最優化的布線設計、安裝與測試，以使所構成的網絡具有高的性能價格比。網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，而對現場總線網絡采用高質無屏蔽雙絞線取代同軸電纜時，有利于解決數據高速傳輸，降低線間串擾和電磁輻射等，并能便于管理系統的擴充。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、通信距離遠等優點，在現場總線的互聯網中采用廉價的塑料光纜是一種性能價格比高的設計方案。但在網絡結構設計中首要的是根據所采用現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器(Transceiver)實現的，在一個通信信道上，只能使用相同類型的收發器產品，才可以直接連接。目前使用較多的收發器是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絡吞吐率下降20%—30%。終端匹配器的數量由網絡總線的拓撲結構決定，總線的拓撲結構的不同，網絡的覆蓋范圍有非常大的差異。 3.4網絡協議 網絡協議是指用于網絡之間相互溝通、傳輸信息所要共同遵守的基礎。網絡協議有專用網絡協議和非專用（標準）網絡協議之別。現場總線通信協議基本遵照ISO/OSI參考模型，主要實現第1（物理層）、2（數據鏈路層）、7（應用層）層功能。OSI模型是建立在七層協議基礎上，作為一個起始點以發展計算機通信標準。每層都有一定等級功能，具有規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，該模塊定義了數據意義及格式，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結構可以應用在工業和商業的控制系統上，按照布置，所有的開放系統元件，使用標準協議作為本系統語言，無需翻譯，可以相互通信。 物理層采用EIA-RS232、EIA-RS422/RS485等協議。由于在某些情況下，現場傳感器、變送器要從現場總線“竊取”電能作為它們的工作電源，因此對總線上數字信號的強度（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。 數據鏈路層考慮到現場設備故障較多，更換頻繁，所以數據鏈路層媒體訪問控制多采用受控訪問（包括輪詢和令牌）協議，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）語言的問題，其中包括設備名稱、網絡變量與配置（捆綁）關系，參數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 以太網與現場總線技術的比較 (1) 物理層比較 (2) 介質訪問控制方式比較 　　現場總線介質訪問控制方式： 　　現場總線的介質訪問控制方式要滿足工業控制網絡的要求，即通信的實時性和確定性。確定性指站點每次得到網絡服務間隔和時間是確定的；實時性指網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）。 　　以太網介質訪問控制方式： CSMA/CD(載波監聽多路訪問/沖突檢測)是以太網（或IEEE802.3）采用的介質訪問控制方式。 5 結束語 任何一種現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都有自己的現場總線產品，市場、技術是都是導向因素。以太網最終會進入工業現場，下放到車間層，成為車間層的控制網絡，而不是以前的純管理網。因此，下一代控制的目標是由對產品的宏觀控制（經濟控制，如成本控制、運作控制、質量控制、財資控制）到細節控制（如制造控制），即人機化接口與管理信息系統的極大融合。