现场通信网络综述

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1、现场通信网络综述成继勋湘潭工学院湘潭4 1 1 2 0 1摘 要: 较全面地论述了 工业和家 用现场通信网包 括定义桩路层和应用层的R S - 4 8 5 总线、 C A N总线. 以 及不同 工业领城的的 低层伞 行数字通信网 络的国际 标准: 含8 类总线的 I E C 6 1 1 5 8 标准， 用于公路牟辆数字信息交换的 I S O 1 1 8 9 8 标准， 列牟通信网标准I E C 6 1 3 7 5 ， 用于低压配电与撞例装1的控例器与设备接口 标准I E C 6 2 0 2 6 ， 用于工业机械( 机 床) 运动妆制的实 时通信标准I E C 6 1 4 9 1 ( S E R

2、 C O S ) 等。论丈还简介了家瘫自 动化通信网 络。最后论述了高 速以太网 用作现场总线的发展趁势。 关 词 : 场 总 “ 标 食 哑 “ 太 ” 一、 引官现场通信网 或者称广义的 现场总线， 是广泛应 角于计算机侧控领域的申行双向数字通 信网络( 以 下统称现场总线) 。其功能是实现管控设备对现场( 或底层) 数据的收集， 对现场 ( 或底层) 执行设备的 控制， 完成系统管控设备与现场设备之间、 现场设备相互之间的 信息交 换。其应用领域大致可以 分为: 过程工业中的连续控制、 制造业的离散控制及运动控制、 电 力监控及变配电 领域电 气开关的 控制、 车辆及其它可移动设备内 部

3、的侧控、 环境监控、 实验 室自 动侧试系 统以 及其它地域分徽的一般自 动化领城的数据传递与集中， 诸如自 来水系统 监控系统、 水电气抄表系统、 商品销咨系统等等. 近年又发展到了家庭自动化领域。目前在 这些领域应用的 现场通信网络， 有通信协议完善的 具有国际标准的现场总线. 也有通信协议 不很完善的自 定义 部分协议的简单的现场总线。由于后者技术简单、 开发容易、 价格便宜， 在一些规模不大的侧控系统中 仍然有着广泛的应用。二、 采用R S - 4 8 5 的自 定义现场总线1 9 8 3 年1 2 月， 美国E I A ( E l e c t r o n i c I n d u s

4、t r i e s A s s o c i a t i o n ) 在R S 一 4 2 2 ( 1 9 7 8 . 1 2 ) 标准的 基础上制定了R S - 4 8 5 标准: 用于平衡数字多点系统的发送器和接收器的电气特性。1 9 9 8 年3 月成为E I A和T I A ( T e l e c o m m u n i c a t i o n s I n d u s t ry A s s o c i a t i o n ) 等组织的共同标准T I A / E I A 一 4 8 5 一 A 一 9 8 . I T U ( I n t e r n a t io n a l T e l e

5、 c o m m u n i c a t i o n U n i o n ) 的相应标准为V . 1 1 , R S - 4 8 5 是一个物理接口电气标准， 采用差分( 平衡) 传翰。最大传抽速率 I O M b / s ( 1 2 m距 离) . 最大传翰距离1 2 0 0 m ( 1 0 0 k b / s ) , 2 4 # A WG双纹线) 。使用较粗的双纹线时， 实际通信 距离可达4 k m以上 1 。自R S - 4 8 5 标准推出以 后， 迅速获得了广泛的应用。一些厂商都 采用R S - 4 8 5 作为他们开发的现场总线协议的物理接口( 或之一) . 如B I T B U

6、S , P r o f i b u s , M o d b u s , P - n e t , L o n W o r k s 、 研华的A D A M分布式测控产品等等。更有许多中小厂商或用一2 7 一户采用R S - 4 8 5 物理接口自 定义简单的数据链路层和应用层协议开发分布式测控系统。自 定义的数据链路层多采用面向字符的数据传输控制规程， 主/ 从通信方式。最简单的 基本型规程用等待发送方式进行流控制， 水平垂直奇偶验或C R C ， 传输的基本单位为字符， 代码使用C C I T I ， 的数据及信息传摘用国际字母5 号表( 与7 单位A S C Il 码基本一致) ， 传翰 控

7、制字符在5 号表的1 0 个控制字符中 根据需要选用。传输一个8 位二进制数时需要编码 成两个A S C II 码字符， 故传翰效率较低。为了提高传摘效率， 可 采用多种扩展的规程。R S 一 4 8 5 收发器价格非常便宜， 自 定义的链路层和应用层协议开发容易。 但牺牲了开放 性和互操作性。三、 自 定义应用层的C A N总线 2 C A N ( C o n t ro l l e r A re a N e t w o r k ， 控制器局域网) 是1 9 9 1 年B o s c h 公司为汽车电气控制的 数字传输总线。C A N协议( C A N S p e c i f i c a t

8、io n 2 . 0 P o rt A 十 B ) 分为三层: 目 标层、 传递层和 物理层， 主要对应于I S O ( 国际标准化组织) 的O S I 开放系统互连) 七层模型中 数据链路层 的媒体访问控制子层以 及物理层的物理信号部分。C A N总线的M A C 子层采用C D M A / C A ( 载波侦听多路访问 / 冲突通免) 协议， 它使用一 种特殊的非破坏性逐位仲裁方法得以 避免冲突， 提高了 重负荷时的吞吐率， 这是C A N的一 大特色。在C A N中每一类报文都有唯一的优先权， 多个节点同时发送时优选级较离的报 文得到总线， 优先级较低的 报文停止发送。C A N总线上传

9、物的比特流分为显式( d o m i n a n t ) 比 特和隐式( r e c e s s i v e ) 比 特两类。分别表示逻辑“ 0 ” 和“ 1 “ , C A N的物理层必须保证: 当多 个节点同时发送隐式比 特或显式比 特时， 媒体上出现的分别为显式比 特和胜式比特。当同 时发送的比特既有隐式比 特又有显式比 特时， 媒体上应出 现显式比特， 或者说显式比特可以 写在隐式比 特上。C A N总线的这种特殊的物理信号编码方式使得非破坏性仲裁得以 实现。由 于C A N具有低成本、 易开发、 实时性好、 抗嗓声性能好等优点， 一些标准化组织、 厂 商等为它定义了 完整的 物理层和

10、应用层， 构成多种完整的 现场总线， 使用在各个不同的 领域 ( 见下文) 。也有许多厂商或用户通过选择合适的物理接口 ( 如符合I S 0 1 1 8 9 8 一 2 标准的接 口 ) 、 自 定义简单的 应用层， 将C A N总线用在各种各样的侧控系统或仪器仪表中。四、 现场总线国际 标准I E C 6 1 1 5 8 3 4 5 1自8 0 年代中 期开始， 世界上各大控制厂商及标准化组织推出了多种互不兼容的现场总 线协议标准， 据不完全统计， 迄今为 止世界上已出现过的总线有近2 0 0 种。不同 标准的 现场 产品不能互换， 将给用户造成极大的不便。从1 9 8 4 年起。 I E

11、C ( 国际电工委员会) / T C 6 5 ( 工 业过程侧It 及控制技术委员会) 和I S A ( 美国仪表学会) 就开始制订国际标准的工作。但由 于受到大控制厂商相互竞争的 形响， 国际 标准的制订困难重重， 商业集团为了自 身的 利益给 国际标准的投票通过制造阻力， 使得国际标准迟迟不能完成。最终不得已在1 9 9 9 年1 2 月 通过了一个包含了 多种互不兼容的 协议的标准， 即I E C 6 1 1 5 8 国际标准。该标准包括了目 前国际 上用 于过程工业及制 造 业的8 类主 要的 现场总线协议: ( 1 ) T y p e l , I E C 6 1 1 5 8 技术规

12、范。这是由I E C / I S A负贵制订的. 曾 试图使之成为统一的国际标准的一个技术规范， 基金 会现场总线F F 的H “低速现场总线) 是它的一个子集。( 2 ) T y p e 2 , C o n t ro lN e t 现场总线 。 美国A B 公司 、 R o c k w e ll 开发， C o n t ro l N e t I n t e m a t io n a l ( C I ) 组织支持。( 3 ) T y p e 3 , P ro f ib u s一2 8 包装设计公司http:/ 场总线。德国 西门子公司开发， P ro f ib u s 用户组织( P N O

13、) 支持。欧洲现场总线标准三大 总 线 之 一 。 ( 4 ) T y p e 4 , P 一 N e t 现 场 总 线 ，丹麦P r o c e s s D a t a 公司 开发 ， P 一 N e t 用户 组 织支 持。欧 洲现场总 线标准 三大总线之一。 ( 5 ) T y p e 5 , F F H S E ( H ig h S p e e d E t h e r n e t , 高速以 太 网) 。 现场总 线基金 会F F 开发的H 2 ( 高速现场总线) 。( 6 ) T y p e 6 , S w i f t N e t 现场总线。美 国S H I P S T A R协会

14、主持制定， 波音公司支持。( 7 ) T y p e 7 , W o r l d F I P现场总线。法国 W o r l d F I P 协 会制 订并支 持。欧 洲现场总 线标准三大总线之一。( 8 ) T y p e 8 , I n t e r b u s 现场总 线。德国P h o e n i x C o n t a c t 公司开发， I n t e r b u s C l u b 支持。上 述8 种总线中 ， T y p e l 是为过程控制开发的 ， 支持总线供电 和本质安全。 T y p e 5 ( F F H S E ) 是与之配套的高速现场总线， 用于对时间有苛刻要求或数据

15、量较大的场合， 如断续生 产的 制 造业， 以 及监控级。 T y p e 2 ( C o n t m IN e t ) 为监控级总线， 它的底层( 设备级) 总线为 D e v ic e N e t ， 两者有着共同的 应用层。 T y p e 3 ( P ro f ib u s ) 有3 个部分P ro f ib u s 一 F M S , P r o f ib u s 一 D P 和p ro f ib u s 一 P A ， 采用不同 的 物理 层， 分别用 于 监控 级、 断 续生产的制造业的现场级和 过 程控 制的 现 场级。 T y p e 7 ( W o r ld F I P )

16、 也有不同的物 理层， 可用于过程控制和制造业的现 场 级。 T y p e 4 ( P - N e t ) 多用于 食品、 饲养 业、 农 业及 工业一 般自 动化。 T y p e 6 ( S w i f t N e t ) 主要 用 于航 空 航天领 域。 介网 ( I n t e r b u s ) 主 要用 于制 造 业的 现 场级( 设备 级) 或一 般自 动化。I E C 6 1 1 5 8 E d . 3 . 0 分成总论、 物理层规范和服务定义、 数据链路服务定义、 数据链路协 议规范、 应用层服务定义、 应用层协议规范6 个部分， 它的用户层功能块是I E C 6 1 8 0 4 标准， 再加上I E C 6 1 7 8 4 ( 连续与断 续制造用行规集， 草案) 构成一个完整的现场总线标准。五、 现场总线的其它标准1 . 用于其它领域的国际标准除了I E C 6 1 1 5 8 外， I E C 及 I S ( 还制定了一些特殊