现场总线技术综述

的仪表,意义十分重大:

(1)缩短我国自动化仪表与国外的差距　现场总线是当前国际性的变革技术,是一个新的技术起跑线。虽然我国现场总线技术与国外已存在差距,但是如能及时开展工作,一定会明显缩短我们与国外的差距。

(2)为国民经济各部门提供新的自动化装备,从而带来更高的效益　现场总线化仪表、系统将广泛应用于工业过程控制,涉及到电力、冶金、化工、建材、轻工、造纸等行业,范围广,是国民经济的支柱。现场总线化仪表、系统的应用,将大大提高生产自动化水平和劳动生产率,给用户带来更高的效益。

(3)振兴我国仪表工业　当前市场竞争激

烈,世界上有名的仪表公司的产品纷纷进入我国市场,在这种形势下,我国仪表企业面临困难,现场总线化仪表、系统的发展,将促进我国仪表产品结构的调整,从而使我国仪表产业在技术与市场的推动下得以振兴。

现场总线技术综述

福州大学 郑文波　阳宪惠清

华

大

学 徐用懋　叶少珍

摘要　介绍了现场总线技术特点,网络结

构和5种典型的现场总线。作者指出开放系统互连模型和通信协议是现场总线的核心。在连续过程自动化领域中,今后十年内,FF 将成为主流发展趋势。 收稿日期:1997-06-11

一、概述

现场总线(F ieldbu s )是80年代末、90年代初国际上发展形成的,用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。它作为工厂数字通信网络的基础,沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络,而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通信为主要内容的综合技术,已受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点,并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。就现场总线一词的含义而言,现场是指工作环境处于过程设备底层一端,而总线则意味着须遵循同一技术

规范的连线系统,意味着这些遵守同一规范的各设备间可实现互连与互操作。作为工厂设备级基础通信网络,要求具有协议简单,容错能力强、安全性好、成本低的特点;具有一定的时间确定性和较高的实时性要求;还具有网络负载稳定、多为短帧传送、信息交换频繁等特点,因而,现场总线系统从网络结构到通信技术,都具有不同于上层高速数据通信网的特色。

现场总线控制系统统FCS 作为新一代控制系统,一方面,突破了DCS 系统采用通信专用网络的局限,采用了基于公开化标准化的解决方案,克服了封闭系统所造成的缺陷,另一方面把DCS 的集中与分散相结合的集散系统结构,变成了新型全分布式结构,把控制功能彻底下放到现场。可以说,开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。 1.现场总线的技术特点

(1)系统的开放性　开放系统是指通信协议公开,各不同厂家设备之间可进行互连并实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致性、公开性,强调对标

准的共识与遵从。一个开放系统,它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络,系统必须是开放的;开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和考虑,把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

(2)互可操作性与互用性　这里的互可操作性,是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通,可实行点对点,一点对多点的数字通信。而互用性则意味着对不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。

(3)现场设备的智能化与功能自治性　它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成,仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能,并可随时诊断设备的运行状态。

(4)系统结构的高度分散性　由于现场设备本身可完成自动控制的基本功能,导致现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系,简化了系统结构,提高了可靠性。

(5)对现场环境的适应性　工作在现场设备前端,作为工厂网络底层的现场总线,是专为现场环境工作而设计的,它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等,具有较强的抗干扰能力,能采用两线制实现送电与通信,并可满足本质安全防爆要求等。

2.现场总线的优点

由于现场总线的以上特点,特别是现场总线系统结构的简化,使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护,都体现出优越性。

(1)节省硬件数量与投资

(2)节省安装费用

(3)节省维护开销

(4)用户具有高度的系统集成主动权

(5)提高了系统的准确性与可靠性

(6)设计简单,易于重构

二、现场总线的网络结构

现场总线是集控制、计算机、通讯三C技术的结果。计算机与通讯的结合,产生了计算机网络。计算机网络与控制设备的结合孕育了现场总线控制系统。网络技术是现场总线控制系统的重要基础,网络化是自动化系统结构发展的方向。

1.现场总线的网络拓扑结构

现场总线的网络拓扑结构有环型、总线型、树型以及几种类型的混合。

环型拓扑结构中以令牌环形网最为典型,其优点是延时性较好,缺点是成本较高。

总线网的优点是站点接人方便,可扩性较好,成本较低,在轻负载的网络基本上没有时延,但在站点多、通讯任务重时,延时明显加大。缺点是时延的不确定性,对某些实时应用不利。

树型网是总线网的一种变型,其优点是可扩性好,有较宽的频带,缺点是站点间通讯不方便。总线网的争用使它不适于实时处理某些突发事件,令牌环形网中的令牌绕环一周的时间虽然有一个上限,但在轻负载时性能不太好,可靠性比总线网差些,综合这两种网的优点,在现场总线中采用了令牌总线网,即在物理上是一个总线网,在逻辑上是一个令牌网。令牌总线网具有总线网接人方便、可靠性较好的优点,也具有令牌环形网“无冲突”和时延性好的优点。

2.现场总线的数据操作方式

从现场总线的数据存取、传送、操作方法来分有四种工作模式:对等(Peer to Peer)、主从(C lien t Server C S)及网络计算结构(N et2 w o rk Com pu ting A rchn itectu re N CA)。对等和主从工作模式发展较早,也获得广泛应用。在80年代发展C S方式,90年代出现了N CA方式。

在Slien t Server工作模式中,由C lien t发出一个请求,按请求进程的要求,作出响应,执行服务。C S工作模式的优点:

C lien t Server可处在同一个网络节点中,一个Server可以同时又是另一个Xerver的

C lien t,并向它请求服务;

C lien t Server模式将处理功能分为两部分,一部分由C lien t处理,另一部分由Server 处理,C lien t承担应用方面的专门任务,Server 主要用于数据处理,C S模式提供一个较理想的分布环境,消除了不必要的网络传输负担,这样有利于全面发挥各自的计算能力,提高工作效率。

N CA是基于网络计算机环境的一种体系结构,即网络计算结构。

N CA的核心是有效的,可集成多种相互竞争的世界标准所形成的应用,如站点可采用任意编程语言而不必担心集成问题;N CA引入构件概念,插入一个构件,就可扩展一种功能, N CA中有类似硬件总线的软件总线,把构件插接在应用系统中,就可完成应用功能的集成; N CA全面引入面向对象技术,可以把已有的、不同部分独立开发的,遵循不同标准的对象组装在一起,从而实现整体应用。

3.网络扩展与网络互连

网络互连既是扩展现场总线地域、规模、功能的需要,也是不同结构、不同操作系统结构网互连的需要。网络扩展与网络互连需要一个中间设备(或中间系统)ISO的术语称为中继(R e2 lay)系统。根据中继系统所在的不同网络层次,有4种中继系统。

物理层中继系统,即中继器(R epeater);数据链路层中继系统,即网桥或桥接器(B ridge);网络层中继系统,即路由器(Rou ter);网络层以上中继系统,即网关(Gatew ay)。

高层的中继系统比低层中继系统复杂,网关连接两个不同的异构网,不但要连接网络间数据传送的通道,而且还需要进行协议的转换,是最复杂的一种中继设备。

(1)网络扩展　物理层的中继系统中继器和数据链路层的网桥常用于网络扩展,中继器一般仅作为物理信号放大,而网桥可使用不同的物理层,可连不同类型的网段,使网段间故障不会互相影响,还可减少网段间通信量,减轻了网络的负荷。中继器和网桥在现场总线中获得广泛的应用。

(2)网络互连　实现异构网络互连是在更高层次实现的开放系统。网络互连要解决物理互连和逻辑互联(即互连软件)两个问题。网关和路由器是网络互连的重要部件,它起着网间数据传送的通路和终止每个网络内部协议的作用。同时还必需完成:不同的通信协议间必需进行协议转换,必须有一个被互连双方所识别的统一的寻址方式,必需具有一致的信息帧长度等。网络子网要高度自治,以减少网络信息交换量,同时可简化网关结构和降低互连协议的复杂性。

三、开放系统互连模型和通信协议是现场总线的核心

随着计算机应用日益普及,越来越多的用户要求把多个厂家的计算机系统联网运行。为解决异种计算机互连运行的难题,人们迫切要求建立一系列的国际标准。1978年,ISO建立了一个新的“开放系统互连”分技术委员会,起草了“开放系统互连基本参考模型”,1983年成为ISO7498正式国际标准,到1986年又对该标准进行了补充完善。形成了为异种计算机互连所提供的一个共同的标准规范。这就是ISO O S I国际标准组织的开放系统互连模型。网络协议是为了保证现场总线中各站点通过网络互相通讯的一套规则和约定。网络协议具有层次结构,其优点是:各层次独立;灵活;易于实现和维护;易于标准化。

开放系统可连模型是现场总线技术的基础,O S I及其与几种现场总线开放互连参考模型如图1所示。O S I按通信功能分为7个层次,从连接物理媒介的底层开始,分别赋予1至7的顺序编号,其1～3层完成通信传送功能,4～7层完成通讯处理功能。

物理层为用户提供建立、保持和断开物理连接的功能,即提供同步和双向传输流在物理媒体上的传输手段。但它并不包括物理媒体本身。数据链路层用于保证信息的可靠传递,对互连开放系统的通路实行差错控制、数据成帧、同

图1　O S I 及其与几种现场总线开放互连模型的对应关系

基本功能是确定数据访问的关系模型和规范。根据不同要求,采用不同的数据访问工作模式。现场总线报文规范子层FM S 的基本功能是面向应用服务,根据进程目标A PO ,生成规范的应用协议数据单元A PDU 。

在应用层中有两个问题值

得研究:①在复杂的FCS 中,

步控制等。网络层规定了网络连接的建立、维护与拆除协议,利用链路传输功能,以及端口选择和串连功能,实现两个网络系统之间的连接传输层可完成开放互连系统端点之间的数据传送控制,数据接收确认以及传输差错恢复。会话层的功能是按正确的顺序收发数据,进行各种对话。表达层用于应用层信息内容的形式变换,把应用层提供的信息变为能够共同理解的形式。应用层作为O S I 模型的最高层,用于用户的应用服务提供信息交换,为应用接口提供操作标准。

现场总线网络互连模型既参照ISO O S I 模型,又具有自己的特点。

协议是分层的,但层次之间的调用关系不一定象O S I 那样严格,层次也可简化,以提高协议的工作效率;既要遵循O S I 模型体系结构原则,又要考虑FCS 的特点,满足FCS 的特殊要求;在现场总线参数模型中,既遵循开放系统集成的原则,又充分体现FCS 的特点和特殊要求。

现场总线通信模型所采用的分层结构如图2所示。通过图示模型完成现场总线控制系统

的通信、控制和管理功能。其中物理层、数据链路层采用IEC ISA 标准。

接口子层与应用层的任务是完成应用程序到应用进程的描述,实现应用进程之间的通信,提供应用接口的标准操作,实现应用层的开放性。

应用层有两个子层:现场总线访问子层FA S 和现场总线报文规范子层FM S 。FA S 的

图2　现场总线通信模型分层结构

现场总线访问子层中网络计算结构N CA 是一种颇有应用前景的数据访问工作模式;②在应用层与数据链路层之间有必要增加一个网络互连子层,以满足网络互连的要求。

图2中已标明,用户层规定标准的功能模块(FB )、对象字典(OD )和设备描述(DD )供用户组成系统。在网络管理中,为了提供一个集成网络各层通信协议的机制,实现设备操作状态的监控与管理,设置一个网络管理代理(NM A )和一个网络管理信息库,提供组态管理、性能管理和差错管理的功能。

在系统管理中,设置系统管理内核、系统管理内核协议和系统管理信息库,实现设备管理、功能管理、时钟管理和安全管理等功能。

现在的网络管理和系统管理的功能还有限,现场总线期待有更强功能的网络管理、系统管理软件和更多的网络管理、系统管理工具。 四、典型现场总线简介 1.基金会现场总线(Founda tion F ieldBus 简称FF )

?

7?《机械与电子》1997(5)　

这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展的前景的技术。其前身是以美国F isher Rou sem oun t公司为首,联合Foxbo ro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议,和以Honeyw ell公司为首,联合欧洲等地的150家公司制订的W o rld F IP协议。这两大集团于1994年9月合并,成立了现场总线基金会,致力于开发国际上统一的现场总线协议。它以ISO O S I开放系统互连模型为基础,取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次,并在应用层上增加了用户层。

基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速度为31.25kbp s,通信距离可达1900m(可加中继器延长),支持总线供电,支持本质安全防爆环境。H2的传输速度为1M bp s和2.5M bp s两种,其通信距离分别为750m和500m。物理传输介质支持双绞线、光缆和无线发射,协议符合IEC1158—2标准。

其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码,每位发送数据的中心位置或是正跳变,或是负跳变。正跳变代表0,负跳变代表1,从而使串行数据位流中具有足够的定位信息,以保持发送双方的时间同步。接收方即可根据跳变的极性来判断数据的“1”、“0”状态,也可根据数据的中心位置精确定位。为满足用户需要,Honey2 w ell、Ronan等公司已开发出可完成物理层和部分数据链路层协议的专用芯片,许多仪表公司已开发出符合FF协议的产品、H1总线已通过Α测试和Β测试,完成了由13个不同厂商提供设备而组成的FF现场总线工厂试验系统。H2总线标准也已经形成。

2.L onW orks

L on W o rk s是又一具有强劲实力的现场总线技术,它采用了ISO O S I模型的全部7层通讯协议,采用了面向对象的设计方法,通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置,其通讯速率从300bp s至1.5M bp s不等,直接通信距离可达2700m(78kbp s,双绞线);支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质,并开发了相应的本安防爆产品,被誉为通用控制网络。

L on W o rk s技术所采用的L onT alk协议被封装在称之为N eu ron的芯片中并得以实现。集成芯片中有3个8位CPU,一个用于完成开放互连模型中第1和第2层的功能,称为媒体访问控制处理器,实现介质访问的控制与处理;第二个用于完成第三至第六层的功能,称为网络处理器,进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计时、网络管理,并负责网络通信控制、收发数据包等。第三个是应用处理器,执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区,以实现CPU之间的信息传递,并作为网络缓冲区和应用缓冲区。如M O TOROLA公司生产的神经元集成芯片M C14312E2就包含了2K RAM和2K E2PROM。

目前已有2600多家公司不同程度上卷入了L on W o rk s技术,1000多家公司已经推出了L on W o rk s产品,并进一步组织起L on M A R K 互操作协会,开发推广L on W o rk s技术与产品。它已被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。为了支持L on W o rk s与其协议和网络之间的互连与互操作,该公司正在开发各种网关,以便将L on W o rk s与以太网、M odB u s、D e2 viceN et、P rofi B u s、Seri p lex等互连为系统。

另外,在开发智能通信接口、智能传感器方面,L on W o rk s神经元芯片也具有独特的优势。

3.Prof iBus

P rofibu s是作为德国国家标准D I N19245和欧洲标准p rEN50170的现场总线。ISO O S I 模型也是它的参考模型。由P rofi B u s D P、P rofi B u s FM S、P rofi B u s PA组成了P rofi B u s系列。D P型用于分散外设间的高速传输,适合于加工自动化领域的应用。FM S意为现场信息规范,P rofi B u s FM S适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化、而PA型则是用于过程自动化的总线类型,它遵从IEC1158—2标准。该项技术是由西

门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了O S I模型的物理层、数据链路层,由这两部分形成了其标准第一部分的子集,D P型稳去了第三层至第七层,而增加了直接数据连接拟合作为用户接口;FM S型则只隐去第三至第六层,采用了应用层,作为标准的第二部分。PA型的标准目前还处于制定过程之中,其传输技术遵从IEC1158—2(H1)标准,可实现总线供电与本质安全防爆。

P rofi B u s支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统几种传输方式。主站具有对总线的控制权,可主动发送信息。对多主站系统来说,主站之间采用令牌方式传递信息,得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权,并事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按P rofi B u s的通信规范,令牌在主站之间按地址顺序,沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时,可以按主从方式,向从站发送或索取信息,实现点对点能通信。主站可采取对所有站点广播(不要求应答),或有选择地向一组站点广播。

P rofi B u s的传输速率为9.6kbp s～12kbp s,最大传输距离在12kbp s时为100m, 1.5M bp s时为400m,可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线,也可以是光缆。最多可挂接127个站点。

4.CAN

CAN是控制网络Con tro l A rea N etw o rk 的简称,最早由德国BO SCH公司推出,用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO制订为国际标准,得到了M o to ro la、In tel、Ph ili p、Siem ence、N EC等公司的支持,并广泛应用在离散控制领域。

CAN协议也是建立在ISO的开放系统互连模型基础上的,不过,其模型结构只有三层,即只取O S I底层的物理层数据链路层和顶上层的应用层。其信号传输介质为双绞线。通信速度最高可达1M bp s 40m,直接传输距离最远可达10km 5kbp s。可挂接设备数最多可达110个。CAN的信息传输采用短帧结构,每一帧的有效字节数为8个,因而传输时间短,受干扰的概率低。当节点严重错误时,具有自动关闭的功能,以切断该节点与总线的联系,使总线上的其它节点及其通信不受影响,具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主方式工作,网络上任何节点均可在任意时刻主动向其它节点发送信息,支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收 发送数据。它采用总线促裁技术,当出现几个节点同时在网络上传输信息时,优先级高的节点可继续传输数据,而优先级低的节点则主动停止发送,从而避免了总线冲突。

5.HART

HA R T是H ighw ay A ddressab le R em o te T ran sducer的缩写。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议,其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字通信,属于模拟系统数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品,因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力,得到了较快的发展。

HA R T通信模型由三层组成:物理层、数据链路层和应用层。物理层采用FSK(F requen2 cy Sh ift Keying)技术在4～20mA的模拟信号上迭加一个频率信号,频率信号采用B ell202国际标准:数据传输速率为1200bp s,逻辑“0”的信号频率为2200H z,逻辑“1”的传输频率为1200H z。数据链路层用于按HA R T通信协议规则建立HA R T信息格式。其信息构成包括开头码、显示终端与现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等,其数据字节结构为1个起始位,8个数据位,1个奇偶校验位,1个终止位。应用层的作用在于使HA R T指令付诸实现,即把通信状态转换成相应的信息。它规定了一系列命令,按命令方式工作。它有三类命令,第一类称为通用命令,这是所有设备都理解、执行的命令;第二类称为一般行为命令,它所提供的功能可以在许多现场设备(尽管不是全部)中实现,这类命令包括最常用的现场设备的功能库;第三类称为特殊设备命令,以便在某些设备中实现特殊功能,这类命令既可以在基金会中开放使用,又可以为开发

此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。

HA R T支持点对点主从应答方式和多点广播方式。按应答方式工作时的数据更新速率为2～3次 s,按广播方式工作时的数据更新速率为3～4次 s。它还可支持两个通信主设备。总线上可挂设备数多达15个,每个现场设备可有256个变量,每个信息最大可包含4个变量。最大传输距离3000m。

HA R T采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性,由HA R T基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典,主设备运用DDL技术,来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟混合信号制,导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HA R T能利用总线供电,可满足本质防爆要求。

现场总线技术至今尚未形成完整、统一的国际标准。以上介绍了几种具有较强的实力和影响,并具有各自己的特色,在不同领域形成了自己的优势。

五、现场总线技术展望与发展趋势

1.技术展望

自动化系统的网络化是发展大趋势,现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。现在网络技术日新月异发展十分迅猛,一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中,这些具有发展的前景的现场总线技术有:

(1)智能仪表与网络设备开发软硬件技术

(2)组态技术包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等

(3)网络管理技术:包括网络管理软件、网络数据操作与传输

(4)人机接口、软件技术

(5)现场总线系统集成技术

2.发展趋势

现场总线属于尚在发展之中的技术,我国在这一技术领域还刚刚起步。总体说来,自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进。既然是总线,就要向着趋于开放统一的方向发展,成为大家都遵守的标准规范,但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛,一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准。另外,从以上介绍也可以看出几大技术均具有自己的特点,已在不同应用领域形成了自己的优势。加上商业利益的驱使,它们都在十分激烈的竞争中求发展,有理由认为,在从现在起的未来十年内,可能出现几大总线标准共存,甚至在一个现场总线系统内,几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。

笔者认为,在连续过程自动化领域内,今后十年内,FF将成为主流发展趋势。不过HA R T 当前这一领域的作用与地位不可低估。由于HA R T建立在目前广泛采用的模拟系统的基础之上,它可以充分照顾到现有设备和已有投资的效益,技术上也充分考虑到连续过程使用环境的需要。目前它已经占有一定市场份额,其技术本身还在不断完善与更新,如提高传输速率等。1997年将发布HA R T的第七自动版本。目前HA R T仪表的市场份额还在不断增长,呈上升趋势,但它毕竟是过渡性产品,其生存周期不会很长。据有关专家预测,十年后的仪表市场上,FF产品将占据市场份额的53%,而HA R T 只占5%;传统的4～20mA模拟仪表占25%, L on W o rk s占10%,P rofi B u s占5%,其余为2%。当然,这一预测在数值上未必非常准确,但从技术发展趋势的角度来看待这些预测还是有指导意义的,因而可以认为,在连续过程自动化领域,FF是最具有竞争力的主流系统。

在离散制造加工业领域,由于行业应用的特点和历史的原因,其主流技术会有一些差别。P rofi B u s和CAN在这一领域是具有较强竞争力的技术。它们已在这一领域形成了自己的优势。在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品如用于异构网连接的网关路由的开发方面。L on W o rk s则具有独特的优势。