現場匯流排(Fieldbus)是20世紀80年代末、90年代初國際上發展形成的,用於現場匯流排技術過程自動化、製造自動化、樓宇自動化等領域的現場智慧裝置互連通訊網路。它作為工廠數字通訊網路的基礎,溝通了生產過程現場及控制裝置之間及其與更高控制管理層次之間的聯絡。它不僅是一個基層網路,而且還是一種開放式、新型全分佈控制系統。這項以智慧感測、控制、計算機、數字通訊等技術為主要內容的綜合技術,已經受到世界範圍的關注,成為自動化技術發展的熱點,並將導致自動化系統結構與裝置的深刻變革。現場匯流排裝置的工作環境處於過程裝置的底層,作為工廠裝置級基礎通訊網路,要求具有協議簡單、容錯能力強、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,還具有網路負載穩定,多數為短幀傳送、資訊交換頻繁等特點。由於上述特點,現場匯流排系統從網路結構到通訊技術,都具有不同上層高速資料通訊網的特色。
目前國際上有40多種現場匯流排,但沒有任何一種現場匯流排能覆蓋所有的應用面,按其傳輸資料的大小可分為3類:感測器匯流排(sensorbus),屬於位傳輸;裝置匯流排(devicebus),屬於位元組傳輸;現場匯流排,屬於資料流傳輸。下面讓我一起去認識主要的幾種匯流排。
一、FF現場匯流排
FF現場匯流排基金會是由WORLDFIPNA(北美部分,不包括歐洲)和ISPFoundation於1994年6月聯合成立的,它是一個國際性的組織,其目標是建立單一的、開放的、可互操作的現場匯流排國際標準。這個組織給予了IEC現場匯流排標準起草工作組以強大的支援。這個組織目前有l00多成員單位,包括了全世界主要的過程控制產品及系統的生產公司。1997年4月這個組織在中國成立了中國儀協現場匯流排專業委員會(CFC)。致力於這項技術在中國的推廣應用。FF成立的時間比較晚,在推出自己的產品和把這項技術完整地應用到工程上相對於PROFIBUS和WORLDFIP要晚。但是正由於FF是1992年9月成立的,是以FisherRosemount公司為核心的ISP(可互作業系統協議)與WORLDFIPNA兩大組織合併而成的,因此這個組織具有相當實力:目前FF在IEC現場匯流排標準的制訂過程中起著舉足輕重的作用。
二、LonWorks
LonWorks現場匯流排是美國埃施朗於1992年推出的區域性操作網路,最初主要用於樓宇自動化,但很快發展到工業現場網。LonWorks技術為設計和實現可互操作的控制網路提供了一套完整、開放、成品化的解決途徑。LonWorks技術的核心是神經元晶片(NeuronChip)。該晶片內部裝有3個微處理器:MAC處理器完成介質訪問控制;網路處理器完成OSI的3~6層網路協議;應用處理器完成使用者現場控制應用。它們之間透過公用儲存器傳遞資料。在控制單元中需要採集和控制功能,為此,神經元晶片特設定11個I/O口。這些I/O口可根據需求不同來靈活配置與外圍裝置的介面,如RS232、並口、定時/計數、間隔處理、位I/O等。
LON匯流排則綜合了當今現場匯流排的多種功能,同時具備了局域網的一些特點,使得它被廣泛地應用於航空/航天,農業控制、計算機/外圍裝置、診斷/監控、電子測量裝置、測試裝置、醫療衛生、軍事/防衛、辦公室裝置系統、機器人、安全警衛、保密、運動/遊藝、電話通訊、運輸裝置等領域。其通用性表明,它不是針對某一個特殊領域的匯流排,而是具有可將不同領域的控制系統綜合成一個以LONWORKS為基礎的更復雜系統的網路技術。
三、Profibus
Profibus是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準prEN50170的現場匯流排。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意為現場資訊規範,適用於紡織、樓宇自動化、可程式設計控制器、低壓開關等一般自動化,而PA型則是用於過程自動化的匯流排型別,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、研究所共同推出的。它採用了OSI模型的物理層、資料鏈路層,由這兩部分形成了其標準第一部分的子集,DP型隱去了3~7層,而增加了直接資料連線擬合作為使用者介面,FMS型只隱去第3~6層,採用了應用層,作為標準的第二部分。PA型的標準目前還處於制定過程之中,其傳輸技術遵從IEC1158-2(1)標準,可實現匯流排供電與本質安全防爆。
四、CAN匯流排
控制器區域網(CAN)最早由Bosch公司於1985年研發,用於搭建車內網路。在此之前,汽車生產商使用點對點佈線系統連線車內電子裝置。但隨著車內電子裝置的增多,這種佈線系統需要的連線也越來越多,使系統變得既笨重又昂貴。於是,生產商開始使用車內網路來替代點對點佈線系統,以降低佈線的成本、複雜度,以及系統重量。在此背景下,CAN作為一種構建智慧裝置網路的高整合度序列匯流排系統應運而生,成為車內網路的標準。由此,CAN在汽車業界迅速普及,於1993年成為國際標準(ISO11898)。1994年後,數個CAN的高層協議標準形成,如CANopen和DeviceNet。這些新增協議也為其他市場廣泛接受,現已成為工業通訊標準的一部分。
CAN最初是在汽車領域誕生的,因此最常見的應用就是車內電子網路。然而在過去的二十年,越來越多的行業認識了CAN的可靠性和優勢,將CAN匯流排應用在許多其他場合。例如有軌電車、地鐵、輕軌及長途列車等都應用了CAN網路。在這些車輛中,均可發現發現多種CAN構建的網路,如連線車門單元、剎車控制器、客流計數單元等。在航空領域亦可發現CAN的應用,如飛行狀態感測器、導航系統以及座艙中的計算機。此外,在航天應用中也能看到CAN匯流排的身影,如飛行資料分析和飛行器引擎控制系統(燃料系統、泵、線性執行器等)。
五、Devicenet
Devicenet是90年代中期發展起來的一種基於CAN(ControllerAreaNetwork)技術的開放型、符合全球工業標準的低成本、高效能的通訊網路,最初由美國Rockwell公司開發應用。
Devicenet的許多特性沿襲於CAN,CAN匯流排是一種設計良好的通訊匯流排,它主要用於實時傳輸控制資料。DeviceNet的主要特點是:短幀傳輸,每幀的最大資料為8個位元組;無破壞性的逐位仲裁技術;網路最多可連線64個節點;資料傳輸波特率為125kb/s、250kb/s、500kb/s;點對點、多主或主/從通訊方式;採用CAN的物理和資料鏈路層規約。
六、HART匯流排
HART協議採用基於Bell202標準的FSK頻移鍵控訊號,在低頻的4-20mA模擬訊號上疊加幅度為0.5mA的音訊數字訊號進行雙向數字通訊,資料傳輸率為1.2kbps。由於FSK訊號的平均值為0,不影響傳送給控制系統模擬訊號的大小,保證了與現有模擬系統的相容性。在HART協議通訊中主要的變數和控制資訊由4-20mA傳送,在需要的情況下,另外的測量、過程引數、裝置組態、校準、診斷資訊透過HART協議訪問。
七、CClink
CC-Link即控制與通訊鏈路系統,由三菱為主導的多家公司共同推出,是一種開放式現場匯流排,其資料容量大,通訊速度多級可選擇,而且它是一個複合的、開放的、適應性強的網路系統,能夠適應於較高的管理層網路到較低的感測器層網路的不同範圍。
八、WorldFIP
WorldFIP是歐洲標準的組成部分WorldFIP是歐洲標準EN50170的三個組成部分之一(Volume3),是在法國標準FIP-C46-601/C46-607的基礎上採納了IEC物理層國際標準(1158-2)發展起來的,由三個通訊層組成。WorldFIP的顯著特點是為所有的工業和過程控制提供帶有一個物理層的單一現場匯流排。底層控制系統、製造系統和驅動系統都可直接連到控制一級的WorldFIP總線上,毋需採用將RS485和其它低速匯流排相混和的方式來接連底層裝置以實現同樣的功能。
九、Interbus
INTERBUS作為IEC61158標準之一,廣泛地應用於製造業和機器加工行業中,用於連線感測器/執行器的訊號到計算機控制站,是一種開放的序列匯流排系統。INTERBUS匯流排於1984年推出,其主要技術開發者為德國的PhoenixContact公司。INTERBUSClub是INTERBUS裝置生產廠家和使用者的全球性組織,目前在17個國家和地區設立了獨立的Club組織,共有500多個成員。
INTERBUS匯流排包括遠端匯流排網路和本地匯流排網路,兩種網路傳送相同的訊號但電平不同。遠端匯流排網路用於遠距離傳送資料,採用RS-485傳輸,網路本向不供電,遠端網路採用全雙工方式進行通訊,通訊速率為500k/s。本地匯流排網路連線到遠端網路上,網路上的匯流排終端BT(BUSTerminal)上的BK模組負責將遠端網路資料轉換為本地網路資料
現場匯流排(Fieldbus)是20世紀80年代末、90年代初國際上發展形成的,用於現場匯流排技術過程自動化、製造自動化、樓宇自動化等領域的現場智慧裝置互連通訊網路。它作為工廠數字通訊網路的基礎,溝通了生產過程現場及控制裝置之間及其與更高控制管理層次之間的聯絡。它不僅是一個基層網路,而且還是一種開放式、新型全分佈控制系統。這項以智慧感測、控制、計算機、數字通訊等技術為主要內容的綜合技術,已經受到世界範圍的關注,成為自動化技術發展的熱點,並將導致自動化系統結構與裝置的深刻變革。現場匯流排裝置的工作環境處於過程裝置的底層,作為工廠裝置級基礎通訊網路,要求具有協議簡單、容錯能力強、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,還具有網路負載穩定,多數為短幀傳送、資訊交換頻繁等特點。由於上述特點,現場匯流排系統從網路結構到通訊技術,都具有不同上層高速資料通訊網的特色。
目前國際上有40多種現場匯流排,但沒有任何一種現場匯流排能覆蓋所有的應用面,按其傳輸資料的大小可分為3類:感測器匯流排(sensorbus),屬於位傳輸;裝置匯流排(devicebus),屬於位元組傳輸;現場匯流排,屬於資料流傳輸。下面讓我一起去認識主要的幾種匯流排。
一、FF現場匯流排
FF現場匯流排基金會是由WORLDFIPNA(北美部分,不包括歐洲)和ISPFoundation於1994年6月聯合成立的,它是一個國際性的組織,其目標是建立單一的、開放的、可互操作的現場匯流排國際標準。這個組織給予了IEC現場匯流排標準起草工作組以強大的支援。這個組織目前有l00多成員單位,包括了全世界主要的過程控制產品及系統的生產公司。1997年4月這個組織在中國成立了中國儀協現場匯流排專業委員會(CFC)。致力於這項技術在中國的推廣應用。FF成立的時間比較晚,在推出自己的產品和把這項技術完整地應用到工程上相對於PROFIBUS和WORLDFIP要晚。但是正由於FF是1992年9月成立的,是以FisherRosemount公司為核心的ISP(可互作業系統協議)與WORLDFIPNA兩大組織合併而成的,因此這個組織具有相當實力:目前FF在IEC現場匯流排標準的制訂過程中起著舉足輕重的作用。
二、LonWorks
LonWorks現場匯流排是美國埃施朗於1992年推出的區域性操作網路,最初主要用於樓宇自動化,但很快發展到工業現場網。LonWorks技術為設計和實現可互操作的控制網路提供了一套完整、開放、成品化的解決途徑。LonWorks技術的核心是神經元晶片(NeuronChip)。該晶片內部裝有3個微處理器:MAC處理器完成介質訪問控制;網路處理器完成OSI的3~6層網路協議;應用處理器完成使用者現場控制應用。它們之間透過公用儲存器傳遞資料。在控制單元中需要採集和控制功能,為此,神經元晶片特設定11個I/O口。這些I/O口可根據需求不同來靈活配置與外圍裝置的介面,如RS232、並口、定時/計數、間隔處理、位I/O等。
LON匯流排則綜合了當今現場匯流排的多種功能,同時具備了局域網的一些特點,使得它被廣泛地應用於航空/航天,農業控制、計算機/外圍裝置、診斷/監控、電子測量裝置、測試裝置、醫療衛生、軍事/防衛、辦公室裝置系統、機器人、安全警衛、保密、運動/遊藝、電話通訊、運輸裝置等領域。其通用性表明,它不是針對某一個特殊領域的匯流排,而是具有可將不同領域的控制系統綜合成一個以LONWORKS為基礎的更復雜系統的網路技術。
三、Profibus
Profibus是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準prEN50170的現場匯流排。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意為現場資訊規範,適用於紡織、樓宇自動化、可程式設計控制器、低壓開關等一般自動化,而PA型則是用於過程自動化的匯流排型別,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、研究所共同推出的。它採用了OSI模型的物理層、資料鏈路層,由這兩部分形成了其標準第一部分的子集,DP型隱去了3~7層,而增加了直接資料連線擬合作為使用者介面,FMS型只隱去第3~6層,採用了應用層,作為標準的第二部分。PA型的標準目前還處於制定過程之中,其傳輸技術遵從IEC1158-2(1)標準,可實現匯流排供電與本質安全防爆。
四、CAN匯流排
控制器區域網(CAN)最早由Bosch公司於1985年研發,用於搭建車內網路。在此之前,汽車生產商使用點對點佈線系統連線車內電子裝置。但隨著車內電子裝置的增多,這種佈線系統需要的連線也越來越多,使系統變得既笨重又昂貴。於是,生產商開始使用車內網路來替代點對點佈線系統,以降低佈線的成本、複雜度,以及系統重量。在此背景下,CAN作為一種構建智慧裝置網路的高整合度序列匯流排系統應運而生,成為車內網路的標準。由此,CAN在汽車業界迅速普及,於1993年成為國際標準(ISO11898)。1994年後,數個CAN的高層協議標準形成,如CANopen和DeviceNet。這些新增協議也為其他市場廣泛接受,現已成為工業通訊標準的一部分。
CAN最初是在汽車領域誕生的,因此最常見的應用就是車內電子網路。然而在過去的二十年,越來越多的行業認識了CAN的可靠性和優勢,將CAN匯流排應用在許多其他場合。例如有軌電車、地鐵、輕軌及長途列車等都應用了CAN網路。在這些車輛中,均可發現發現多種CAN構建的網路,如連線車門單元、剎車控制器、客流計數單元等。在航空領域亦可發現CAN的應用,如飛行狀態感測器、導航系統以及座艙中的計算機。此外,在航天應用中也能看到CAN匯流排的身影,如飛行資料分析和飛行器引擎控制系統(燃料系統、泵、線性執行器等)。
五、Devicenet
Devicenet是90年代中期發展起來的一種基於CAN(ControllerAreaNetwork)技術的開放型、符合全球工業標準的低成本、高效能的通訊網路,最初由美國Rockwell公司開發應用。
Devicenet的許多特性沿襲於CAN,CAN匯流排是一種設計良好的通訊匯流排,它主要用於實時傳輸控制資料。DeviceNet的主要特點是:短幀傳輸,每幀的最大資料為8個位元組;無破壞性的逐位仲裁技術;網路最多可連線64個節點;資料傳輸波特率為125kb/s、250kb/s、500kb/s;點對點、多主或主/從通訊方式;採用CAN的物理和資料鏈路層規約。
六、HART匯流排
HART協議採用基於Bell202標準的FSK頻移鍵控訊號,在低頻的4-20mA模擬訊號上疊加幅度為0.5mA的音訊數字訊號進行雙向數字通訊,資料傳輸率為1.2kbps。由於FSK訊號的平均值為0,不影響傳送給控制系統模擬訊號的大小,保證了與現有模擬系統的相容性。在HART協議通訊中主要的變數和控制資訊由4-20mA傳送,在需要的情況下,另外的測量、過程引數、裝置組態、校準、診斷資訊透過HART協議訪問。
七、CClink
CC-Link即控制與通訊鏈路系統,由三菱為主導的多家公司共同推出,是一種開放式現場匯流排,其資料容量大,通訊速度多級可選擇,而且它是一個複合的、開放的、適應性強的網路系統,能夠適應於較高的管理層網路到較低的感測器層網路的不同範圍。
八、WorldFIP
WorldFIP是歐洲標準的組成部分WorldFIP是歐洲標準EN50170的三個組成部分之一(Volume3),是在法國標準FIP-C46-601/C46-607的基礎上採納了IEC物理層國際標準(1158-2)發展起來的,由三個通訊層組成。WorldFIP的顯著特點是為所有的工業和過程控制提供帶有一個物理層的單一現場匯流排。底層控制系統、製造系統和驅動系統都可直接連到控制一級的WorldFIP總線上,毋需採用將RS485和其它低速匯流排相混和的方式來接連底層裝置以實現同樣的功能。
九、Interbus
INTERBUS作為IEC61158標準之一,廣泛地應用於製造業和機器加工行業中,用於連線感測器/執行器的訊號到計算機控制站,是一種開放的序列匯流排系統。INTERBUS匯流排於1984年推出,其主要技術開發者為德國的PhoenixContact公司。INTERBUSClub是INTERBUS裝置生產廠家和使用者的全球性組織,目前在17個國家和地區設立了獨立的Club組織,共有500多個成員。
INTERBUS匯流排包括遠端匯流排網路和本地匯流排網路,兩種網路傳送相同的訊號但電平不同。遠端匯流排網路用於遠距離傳送資料,採用RS-485傳輸,網路本向不供電,遠端網路採用全雙工方式進行通訊,通訊速率為500k/s。本地匯流排網路連線到遠端網路上,網路上的匯流排終端BT(BUSTerminal)上的BK模組負責將遠端網路資料轉換為本地網路資料