幾種典型現場總線的比較與應用

現場總線電纜  （全國統一銷售：）                                  

現場總線電纜-技術是目前正在興起的一種全新的控制技術。該文闡述了現場總線的技術特點及發展現狀，并且對當前典型的幾種現場總線做了詳細的介紹和對比，以利于現場總線技術的推廣應用。。

一  現場總線的背景及發展狀況

工業現場控制隨著通信、微電子、微處理器等技術的進步而不斷的展,60~70年代采用兩線制4~20 mA標準信號;進入80年代,微處理器被嵌入到各種儀表設備之中,形成了分布式控制系統(DCS)。在分布式控制系統中,雖然現場儀表因含有微處理器而形成智能現場儀表,但由于是三層結構模式,成本較高,且各公司的DCS系統有各自的標準,不能互聯。鑒于以上情況,國外提出了現場總線概念,現場總線是用于智能化現場設備和基于微處理器的控制室自動化系統間的全數字化、多站總線式的雙向多信息數字通訊的通迅規程,是互相操作以及數據共享的公共協議。

現場總線技術是當今自動化領域技術發展的熱點課題,并受到各國自動化設備制造商與用戶的廣泛關注。它的出現,給工業控制技術領域帶來了又一次革命,以現場總線為基礎的全數字控制系統———現場總線控制系(FCS)將是21世紀自動控制系統的主流。

二  現場總線的特點

(1)實現自動化儀表技術從模擬數字混合向全數字的轉變，自動化系統從封閉式向開放式的轉變。

(2)不同廠家的產品互操作性與互用性給用戶進行系統集成提供了方便，即用戶具有高度的系統集成主動權。

(3)控制、報協、趨勢分析等功能分散到現場級儀表和裝置中，簡化了上層系統。

(4)從根本上改變了現有DCs集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡化了系統結構，提高了系統的實時性和可靠性。

三  幾種類型的現場總線

現場總線出現于20世紀80年代中后期。從本質上講,它是一種數字通信協議,是一種應用于生產現場,在智能控制設備之間實現雙向、多節點的串行數字通信系統,是一種開放的、數字化的、多點通訊的底層控制網絡。現場總線具有可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強、通訊速率快、符合環境保護要求、造價低廉和維護成本低等特點。它的發展帶來了自動化領域的重大變革。上現有各種現場總線達40多種。其中具有一定影響并占有一定*的現場總線主要有CAN、Profibus、FF、Lonworks、WordFIP、HART、P-NET等。

3.1  基金會現場總線FF

FF總線是由現場總線基金會組織（FF）開發的現場總線標準，被*為有發展前途的現場總線。FF總線的體系結構是參照標準化組織（ISO）的開放系統互連協議（OSI）而制定的。OST有七層，FF總線提取了其中的物理層，數據鏈路層和應用層，另外有在應用層上增加了一層即用戶層。其中,物理層規定了信號如何發送;數據鏈路層規定如何在設備間共享網絡和調度通信;應用層規定了設備間交換數據、命令、時間信息以及請求應答的信息格式,實現網絡和系統管理,為每個對象(包括系統內的各種資源塊、功能塊、轉換塊和過程對象)提供標準化的通信服務;用戶層則用于組成用戶需要的應用程序。FF總線的突出特點在于設備的互操作性、更早的預測維護及可靠的安全性。FF總線的傳輸介質為雙絞線，同軸電纜，光線和無線電。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。有兩種速率現場總線：H1低俗總線和H2高速總線。

FF總線設備分為鏈路主設備、基本設備和網橋等3類。鏈路主設備指有能力成為鏈路活動調度器LAS的設備,它是總線段的訪問控制中心,擔負通信的發起和管理的任務。基本設備則只能對來自總線的鏈路數據作出響應,控制本設備對總線的活動。網橋用于網絡中幾段總線間的連接,網橋屬于鏈路主設備。

在一個總線段上可連接多種通信設備,可以掛接多個鏈路主設備,但一個總線上某一時刻只能由一個鏈路主設備成為鏈路活動調度器LAS,沒有成為LAS的鏈路主設備起著后備的作用。FF總線的通信活動分為受調度通信和非調度通信兩類。由鏈路活動調度器按預定的時間表周期依次發起的通信活動為受調度通信。在預定的調度時間表之外的時間,鏈路活動調度器發送令牌,基本設備通過得到令牌的機會發送信息的通信方式為非調度通信。當總線上存在多個鏈路主設備時,在系統啟動或鏈路活動調度器因出錯失去LAS權時,總線上的鏈路主設備通過競爭爭奪LAS權。競爭過程中將選具有zui低節點地址的鏈路主設備成為鏈路活動調度器,這樣可以很方便地實現通信的冗余配置。Honeywell，Ronan等公司完成了物理層和部分數據鏈路層的協議的芯片，我國的一些儀表研究所及高等院校也開展了FF總線的研究工作。國家電力公司熱工研究院汽輪機熱力性能試驗裝備改造是國內*個在電力系統中采用基于FF的FCS的應用項目。該項目取得了顯著的效益。

3.2  CAN總線

CAN是控制網絡Control Area Network的簡稱，CAN協議是一種通信速率高、可靠性高，支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡，是建立在150/OSI模型基礎上的。它的協議結構分成為三層，即物理層、鏈路層和應用層。CAN為多主工作方式,網絡上任一節點在任何時刻可主動向網絡其他節點發送信息而不分主從. CAN的介質訪問控制采用非破壞性的基于優先級的CSMA/CD仲裁技術。即多個節點同時發送信息時，優先級較低的節點主動退出發送，優先級高的節點可不受影響的繼續傳輸數據。CAN采用報文通信協議，所有節點都會收到總線上傳送的報文。其受干擾的概率低，重發時間短，從而保證了通信的實時性。CAN總線具備復雜的錯誤檢測和恢復能力,數據出錯率極低,且節點在錯誤嚴重情況下具有自動關閉輸出的功能,使總線上其他節點的操作不受影響。CAN的通訊介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖,且接口十分簡單。由于CAN的介質訪問控制采用基于優先級的非破壞性總線仲裁方式,要求網絡一定要同步,對優先級較低的CAN節點存在傳輸延遲不確定的問題,因此較適于介質單一、節點數較少的網絡。CAN是針對相對少量的信息系統設計的串行網絡,成本低,系統的開發廉價。CAN器件豐富價格低廉,有IN、MOTOROLA、NEC、PHILIPS等多家產品可選擇。

3.3  LON總線

LON總線是美國Echolon公司推出的局部操作網絡，為支持LON總線，Echelon公司開發了LonWorks技術，為LON總線設計，成品化提供了一套完整平臺。

LonWorks使用的是支持OSI的七層LonTalk協議。該協議是直接面向對象的網絡協議,利用簡單的網絡變量的互相連接方便可靠地實現網絡各節點間的數據交換。這點是其他現場總線所不支持的。除了網絡變量服務外,LonTalk協議還提供了較為復雜靈活的顯示報文服務來進行信息的傳輸LonTalk協議被封裝在Neuron的神經元芯片中得以實現,這使得LON具有高度的開放性和互操作性。該協議提供了應答方式、請求/響應方式、非應答重發方式、非應答方式等四種類型的報文服務,來滿足不同情況對通訊可靠性和有效性的要求。LON總線的介質訪問控制采用的是帶預測的P-堅持CSMA技術協議。該協議可在負載較輕時使介質訪問延遲zui小化,而在負載較重時使沖突的可能zui小化;同時還提供可選擇的優先級機制,以減少緊急事件的響應時間。LON總線支持多種網絡拓撲結構,如自由拓撲、總線拓撲、環型拓撲、星形拓撲等。LON具有很強的互操作性及互聯性,能通過網關將不同的通訊介質、不同的現場總線、異型網連接起來。這一突出的技術優勢是其他現場總線系統*的。

LON網的開發需要使用Echolon公司推出的開發工具,投資較大。但LON總線的設計采用面向對象的方法,大大降低了開發人員在構造應用控制網絡通信方面花費的時間和費用,而將精力集中在所擅長的應用層進行控制策略程序的編制。

現場總線性能比較

四  總結

每個總線都有自己的優缺點，現場總線在電廠，變電站和電力系統中有廣闊的應用前景。在實際的系統設計中應根據現場要求，結合不同的總線的技術特點選擇合適的現在總線。