關於現場匯流排基礎技術分析的論文
關於現場匯流排基礎技術分析的論文
摘要：現場匯流排（Fieldbus）是80年代末、90年代初國際上發展形成的，用於過程自動化、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……
關鍵詞：現場匯流排技術特點優點
現場匯流排（Fieldbus）是80年代末、90年代初國際上發展形成的，用於過程自動化、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。國際上許多實力、有影響的公司都先後在不同程度上進行了現場匯流排技術與產品的開發。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。
一般把現場匯流排系統稱為第五代控制系統，也稱作FCS——現場匯流排控制系統。人們一般把50年代前的氣動訊號控制系統PCS稱作第一代，把4～20mA等電動模擬訊號控制系統稱為第二代，把數字計算機集中式控制系統稱為第三代，而把70年代中期以來的集散式分佈控制系統DCS稱作第四代。現場匯流排控制系統FCS作為新一代控制系統，一方面，突破了DCS系統採用通訊專用網路的侷限，採用了基於公開化、標準化的解決方案，克服了封閉系統所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統結構，變成了新型全分散式結構，把控制功能徹底下放到現場。可以說，開放性、分散性與數字通訊是現場匯流排系統最顯著的特徵。
現場匯流排技術在歷經了群雄並起，分散割據的初始階段後，儘管已有一定範圍的磋商合併，但至今尚未形成完整統一的國際標準。其中有較強實力和影響的有:FoudationFieldbus（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。它們具有各自的特色，在不同應用領域形成了自己的優勢。本文將在簡要描述現場匯流排技術特點的基礎，緊扣系統的可靠性、實用性等，介紹現場匯流排網路結構、體系結構等關鍵技術及目前較為流行的幾種有實力的現場匯流排技術的現狀，最後闡述現場匯流排的發展趨勢與技術展望。
一、現場匯流排的技術特點
1、系統的開放性。開放系統是指通訊協議公開，各不同廠家的裝置之間可進行互連並實現資訊交換，現場匯流排開發者就是要致力於建立統一的工廠底層網路的開放系統。這裡的開放是指對相關標準的一致、公開性，強調對標準的共識與遵從。一個開放系統，它可以與任何遵守相同標準的其它裝置或系統相連。一個具有匯流排功能的現場匯流排網路系統必須是開放的，開放系統把系統整合的權利交給了使用者。使用者可按自己的需要和物件把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統。
2、互可操作性與互用性，這裡的互可操作性，是指實現互連裝置間、系統間的資訊傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數字通訊。而互用性則意味著不同生產廠家的效能類似的裝置可進行互換而實現互用。
3、現場裝置的智慧化與功能自治性。它將感測測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場裝置中完成，僅靠現場裝置即可完成自動控制的基本功能，並可隨時診斷裝置的執行狀態。
4、系統結構的高度分散性。由於現場裝置本身已可完成自動控制的基本功能，使得現場匯流排已構成一種新的全分散式控制系統的體系結構。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，提高了可靠性。
5、對現場環境的適應性。工作在現場裝置前端，作為工廠網路底層的現場匯流排，是專為在現場環境工作而設計的，它可支援雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能採用兩線制實現送電與通訊，並可滿足本質安全防爆要求等。
二、現場匯流排的優點
由於現場匯流排的以上特點，特別是現場匯流排系統結構的簡化，使控制系統的設計、安裝、投運到正常生產執行及其檢修維護，都體現出優越性。
1、節省硬體數量與投資。由於現場匯流排系統中分散在裝置前端的智慧裝置能直接執行多種感測、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統的訊號調理、轉換、隔離技術等功能單元及其複雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節省了一大筆硬體投資，由於控制裝置的減少，還可減少控制室的佔地面積。
2、節省安裝費用。現場匯流排系統的接線十分簡單，由於一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個裝置，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場控制裝置時，無需增設新的電纜，可就近連線在原有的電纜上，既節省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。據有關典型試驗工程的測算資料，可節約安裝費用60%以上。
3、節省維護開銷。由於現場控制裝置具有自診斷與簡單故障處理的能力，並透過數字通訊將相關的診斷維護資訊送往控制室，使用者可以查詢所有裝置的執行，診斷維護資訊，以便早期分析故障原因並快速排除。縮短了維護停工時間，同時由於系統結構簡化，連線簡單而減少了維護工作量。
4、使用者具有高度的系統整合主動權。使用者可以自由選擇不同廠商所提供的裝置來整合系統。避免因選擇了某一品牌的產品被“框死”了裝置的選擇範圍，不會為系統整合中不相容的協議、介面而一籌莫展，使系統整合過程中的主動權完全掌握在使用者手中。
5、提高了系統的準確性與可靠性。由於現場匯流排裝置的智慧化、數字化，與模擬訊號相比，它從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時，由於系統的結構簡化，裝置與連線減少，現場儀表內部功能加強:減少了訊號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。此外，由於它的裝置標準化和功能模組化，因而還具有設計簡單，易於重構等優點。
三、典型現場匯流排簡介
1、基金會現場匯流排
基金會現場匯流排，即FoudationFieldbus,簡稱FF，這是在過程自動化領域得到廣泛支援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。屈於使用者的壓力，這兩大集團於1994年9月合併，成立了現場匯流排基金會，致力於開發出國際上統一的現場匯流排協議。它以ISO/OSI開放系統互連模型為基礎，取其物理層、資料鏈路層、應用層為FF通訊模型的相應層次，並在應用層上增加了使用者層。
基金會現場匯流排分低速H1和高速H2兩種通訊速率。H1的傳輸速率為3125Kbps,通訊距離可達1900m(可加中繼器延長),可支援匯流排供電，支援本質安全防爆環境。H2的傳輸速率為1Mbps和2.5Mbps兩種，其通訊距離為750m和500m。物理傳輸介質可支援比絞線、光纜和無線發射，協議符合IEC1158-2標準。其物理媒介的傳輸訊號採用曼徹斯特編碼，每位傳送資料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，從而使序列資料位流中具有足夠的定位資訊，以保持傳送雙方的時間同步。接收方既可根據跳變的極性來判斷資料的“1”、“0”狀態，也可根據資料的中心位置精確定位。
為滿足使用者需要，Honeywell、Ronan等公司已開發出可完成物理層和部分資料鏈路層協議的專用晶片，許多儀表公司已開發出符合FF協議的產品，1匯流排已透過ａ測試和β測試，完成了由13個不同廠商提供裝置而組成的FF現場匯流排工廠試驗系統。2匯流排標準也已經形成。
1996年10月，在芝加哥舉行的ISA96展覽會上，由現場匯流排基金會組織實施，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，並將這些分佈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，互連為七段現場匯流排演示系統，各展臺現場裝置之間可實地進行現場互操作，展現了基金會現場匯流排的成就與技術實力。
2、LonWorks
LonWorks是又一具有強勁實力的現場匯流排技術，它是由美國Ecelon公司推出並由它們與摩托羅拉、東芝公司共同倡導，於1990年正式公佈而形成的。它採用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協議，採用了面向物件的設計方法，透過網路變數把網路通訊設計簡化為引數設定，其通訊速率從300bps至15Mbps不等，直接通訊距離可達到2700m(78kbps，雙絞線),支援雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通訊介質，並開發相應的本安防爆產品，被譽為通用控制網路。
LonWorks技術所採用的LonTalk協議被封裝在稱之為Neuron的晶片中並得以實現。整合晶片中有3個8位CPU;一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，稱為網路處理器，進行網路變數處理的定址、處理、背景診斷、函式路徑選擇、軟體計量時、網路管理，並負責網路通訊控制、收發資料包等;第三個是應用處理器，執行作業系統服務與使用者程式碼。晶片中還具有儲存資訊緩衝區，以實現CPU之間的資訊傳遞，並作為網路緩衝區和應用緩衝區。如Motorola公司生產的神經元整合晶片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM。
LonWorks技術的不斷推廣促成了神經元晶片的低成本(每片價格約5～9美元)，而晶片的低成本又返過來促進了LonWorks技術的推廣應用，形成了良好迴圈，據Ecelon公司的有關資料，到1996年7月，已生產出500萬片神經元晶片。
LonWorks公司的技術策略是鼓勵各OEM開發商運用LonWorks技術和神經元晶片，開發自己的應用產品，據稱目前已有2600多家公司在不同程度上捲入了LonWorks技術:1000多家公司已經推出了LonWorks產品，並進一步組織起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、辦公裝置、運輸裝置、工業過程控制等行業。為了支援LonWorks與其它協議和網路之間的互連與互操作，該公司正在開發各種閘道器，以便將LonWorks與乙太網、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互連為系統。
另外，在開發智慧通訊介面、智慧感測器方面，LonWorks神經元晶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的一個標準。根據剛剛收到的訊息，美國消費電子製造商協會已經透過決議，以LonWorks技術為基礎制定了EIA-709標準。
這樣，LonWorks已經建立了一套從協議開發、晶片設計、晶片製造、控制模組開發製造、OEM控制產品、最終控制產品、分銷、系統整合等一系列完整的開發、製造、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，這對於一種技術的推廣、應用有很大的促進作用。
3、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。
Porfibus支援主—從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式。主站具有對匯流排的控制權，可主動傳送資訊。對多主站系統來說，主站之間採用令牌方式傳遞資訊，得到令牌的站點可在一個事先規定的時間內擁有匯流排控制權，共事先規定好令牌在各主站中迴圈一週的最長時間。按Profibus的通訊規範，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，向從站傳送或索取資訊，實現點對點通訊。主站可採取對所有站點廣播(不要求應答),或有選擇地向一組站點廣播。
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。
4、CAN
CAN是控制網路ControlAreaNetwork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資料通訊。其匯流排規範現已被ISO國際標準組織制訂為國際標準，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支援，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、資料鏈路層和頂上層的應用層。其訊號傳輸介質為雙絞線，通訊速率最高可達1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達10km/kbps,可掛接裝置最多可達110個。
CAN的訊號傳輸採用短幀結構，每一幀的有效位元組數為8個，因而傳輸時間短，受干擾的機率低。當節點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能以切斷該節點與匯流排的聯絡，使總線上的其它節點及其通訊不受影響，具有較強的抗干擾能力。
CAN支援多主方式工作，網路上任何節點均在任意時刻主動向其它節點發送資訊，支援點對點、一點對多點和全域性廣播方式接收/傳送資料。它採用匯流排仲裁技術，當出現幾個節點同時在網路上傳輸資訊時，優先順序高的節點可繼續傳輸資料，而優先順序低的節點則主動停止傳送，從而避免了匯流排衝突。
已有多家公司開發生產了符合CAN協議的通訊晶片，如Intel公司的82527，Motorola公司的MC68HC05X4，Philips公司的82C250等。還有插在PC機上的CAN匯流排介面卡，具有介面簡單、程式設計方便、開發系統價格便宜等優點。
5、HART
HART是HighwayAddressableRemoteTransduer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援，於1993年成立了HART通訊基金會。這種被稱為可定址遠端感測高速通道的開放通訊協議，其特點是現有模擬訊號傳輸線上實現數字通訊，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通訊模型由3層組成:物理層、資料鏈路層和應用層。物理層採用FSK(FrequencyShiftKeying)技術在4～20mA模擬訊號上迭加一個頻率訊號，頻率訊號採用Bell202國際標準;資料傳輸速率為1200bps,邏輯“0”的訊號頻率為2200Hz，邏輯“1”的訊號傳輸頻率為1200Hz。
資料鏈路層用於按HART通訊協議規則建立HART資訊格式。其資訊構成包括開頭碼、顯示終端與現場裝置地址、位元組數、現場裝置狀態與通訊狀態、資料、奇偶校驗等。其資料位元組結構為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，即把通訊狀態轉換成相應的資訊。它規定了一系列命令;按命令方式工作。它有3類命令，第一類稱為通用命令，這是所有裝置理解、執行的命令;第二類稱為一般行為命令，它所提供的功能可以在許多現場裝置(儘管不是全部)中實現，這類命令包括最常用的現場裝置的功能庫;第三類稱為特殊裝置命令，以便在某些裝置中實現特殊功能，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。在一個現場裝置中通常可發現同時存在這3類命令。HART支援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資料更新速率為2～3次/ｓ,按廣播方式工作時的資料更新速率為3～4次/ｓ,它還可支援兩個通訊主裝置。總線上可掛裝置數多達15個，每個現場裝置可有256個變數，每個資訊最大可包含4個變數。最大傳輸距離3000m，HART採用統一的裝置描述語言DDL。現場裝置開發商採用這種標準語言來描述裝置特性，由HART基金會負責登記管理這些裝置描述並把它們編為裝置描述字典，主裝置運用DDL技術，來理解這些裝置的特性引數而不必為這些裝置開發專用介面。但由於這種模擬數字混訊號制，導致難以開發出一種能滿足各公司要求的通訊介面晶片。HART能利用匯流排供電，可滿足本安防爆要求。
6、RS-485
儘管ＲＳ-485不能稱為現場匯流排，但是作為現場匯流排的鼻祖，還有許多裝置繼續沿用這種通訊協議。採用RS-485通訊具有裝置簡單、低成本等優勢，仍有一定的生命力。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。
四、現場匯流排技術展望與發展趨勢
發展現場匯流排技術已成為工業自動化領域廣為注的焦點課題，國際上現場匯流排的'研究、開發，使測控系統衝破了長期封閉系統的禁錮，走上開放發展的征程，這對我國現場匯流排控制系統的發展是個極好的機會，也是一次嚴峻的挑戰。現場匯流排技術是控制、計算機、通訊技術的交叉與整合，涉及的內容十分廣泛，筆者認為應不失時機地抓好我國現場匯流排技術與產品的研究與開發。自動化系統的網路化是發展的大趨勢，現場匯流排技術受計算機網路技術的影響是十分深刻的。現在網路技術日新月異，發展十分迅猛，一些具有重大影響的網路新技術必將進一步融合到現場匯流排技術之中，這些具有發展前景的現場匯流排技術有:智慧儀表與網路裝置開發的軟硬體技術;組態抗術，包括網路拓撲結構、網路裝置、網段互連等;網路管理技術，包括網路管理軟體、網路資料操作與傳輸;人機介面、軟體技術;現場匯流排系統整合技術。現場匯流排屬於尚在發展之中的技術，我國在這一技術領域還剛剛起步，瞭解國際上該項技術的現狀與發展動向，對我國相關行業的發展，對自動化技術、裝置的更新，無疑具有重要的作用。總體說來，自動化系統與裝置將朝著現場匯流排體系結構的方向前進，這一發展趨勢是肯定的。既然是匯流排，就要向著趨於開放統一的方向發展，成為大家都遵守的標準規範，但由於這一技術所涉及的應用領域十分廣泛，幾乎覆蓋了所有連續、離散工業領域，如過程自動化、製造加工自動化、樓半自動化、家庭自動化等等。大千世界，眾多領域，需求各異，一個現場匯流排體系下可能不止容納單一的標準。另外，從以上介紹也可以看出，幾大技術均具有自己的特點，已在不同應用領域形成了自己的優勢。加上商業利益的驅使，它們都各自正在十分激烈的市場競爭中求得發展。有理由認為:在從現在起的未來10ａ內，可能出現幾大匯流排標準共存，甚至在一個現場匯流排系統內，幾種匯流排標準的裝置透過路由閘道器互連實現資訊共享的局面。在連續過程自動化領域內，今後10ａ內，FF基金會現場匯流排將成為主流發展趨勢，LonWorks將成為有力的競爭對手，HART作為過渡性產品也能有一定的市場。這3種技術是從這一領域的工業需求出發，其使用者層的各種功能是專業連續過程設計的，而且充分考慮到連續工業的使用環境，如支援匯流排供電，可滿足本質安全防爆要求等。另外，FF基金會幾乎集中了世界上主要自動化儀表製造商;LonWorks形成了全面的分工合作體系。這些因素對成為這一領域的主流技術是十分關鍵的。
由於HART建立在目前廣泛採用的模擬系統之上，它可以充分照顧到現有裝置和已有投資的效益，技術上也充分考慮連續過程使用環境的需要。目前它已經佔有一定的市場份額，其技術本身還在不斷完善與更新，如提高傳輸速率等。目前國外HART儀表的市場份額還在不斷增長，呈上升趨勢，但是它畢竟是過渡性產品，其生存週期不會很長。國內則由於很多專案都是新專案，所以對相容性的考慮較少，而對先進性的考慮較多，相信HART在國內的市場份額不會很大。國內市場與國外市場會有比較大的差異。一方面國外市場上佔優勢的產品會不斷滲透到國內;另一方面，由於國內廠商的規模相對較小，研發能力較差，更多的是依賴技術供應商的支援，比較容易受現場匯流排技術供應商(晶片製造商等)對國內的支援和市場推廣力度的影響。國內目前僅LonWorks技術有實質性的市場活動，所以大部分國內廠商將首先將接受LonWorks技術。儘管FF號稱儀器儀表行業的未來標準，但是由於沒有明確的市場策略和在國內的積極的市場活動，市場份額將會受到很大影響。而且事實表明，所有的現場匯流排基金會(FF)會員在研製符合FF標準的同時，都同時推出採用LonWorks技術的應用，由此可見LonWorks技術的生命力十分頑強。在離散製造加工領域，由於行業應用的特點和歷史原因，其主流技術會有一些差別。Profibus和CAN在這一領域具有較強的競爭力。他們已經在這一領域形成了自己的優勢。
在樓宇自動化、家庭自動化、智慧通訊產品等方面，LonWorks則具有獨特的優勢。由於LonWorks技術的特點，在多樣化控制系統的應用上將會有較大的發展。
現場匯流排技術的興起，開闢了工廠底層網路的新天地。它將促進企業網路的快速發展，為企業帶來新的效益，因而會得到廣泛的應用，並推動自動化相關行業的發展。