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現場總線技術的總線分類

世界上有40多種現場總線,但沒有壹種能覆蓋所有的應用領域。根據傳輸數據的大小,可以分為三類:傳感器總線,屬於比特傳輸;設備總線,屬於字節傳輸;現場總線屬於數據流傳輸。基金會現場總線(Foundation Fieldbus,簡稱FF)是過程自動化領域中得到廣泛支持的技術,具有良好的發展前景。其前身是以美國Fisher-Rousemount公司為首的與Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司的ISP協議,以及以霍尼韋爾公司為首的與歐洲等地150家公司的WordFIP協議。迫於用戶的壓力,兩個小組在1994年9月合並,成立了現場總線基金會,致力於開發國際統壹的現場總線協議。它以ISO/OSI開放系統互連模型為基礎,將其物理層、數據鏈路層和應用層作為FF通信模型的相應層次,並在應用層增加了壹個用戶層。

基金會現場總線有兩種通信速率:低速H1和高速H2。H1的傳輸速率為31.25Kbps,通信距離可達1900m(可通過中繼器擴展),可支持總線供電和本質安全防爆環境。H2的傳輸速率為1Mbps和2 5Mbps,通信距離為750m和500m。物理傳輸介質可支持雙絞線、光纜和無線傳輸,協議符合IEC1158-2標準。其物理介質的傳輸信號采用曼徹斯特編碼,每個傳輸數據的中心位置不是正就是負。正躍遷代表0,負躍遷代表1,這樣串行數據比特流中就有足夠的定位信息來保持發送方之間的時間同步。接收端不僅可以根據跳變的極性判斷數據的“1”和“0”狀態,還可以根據中心位置準確定位數據。

為了滿足用戶的需求,霍尼韋爾、羅南等公司開發了可以完成物理層和部分數據鏈路層協議的專用芯片,許多儀器公司也開發了符合FF協議的產品。1總線通過了A測試和β測試,由13不同廠商提供的設備組成的FF現場總線工廠測試系統已經完成。2總線標準也已經形成。

1996 10在芝加哥舉辦的ISA96展會上,由現場總線基金會組織實施,向世界展示了來自40多家廠商的70多款FF產品,這些分布在不同樓層不同展廳的FF展品通過醒目的橙紅色線纜互聯成七段式現場總線演示系統,各個展臺的現場設備可以現場互操作,展現基金會的領域。LonWorks是另壹種強大的現場總線技術,由美國Ecelon公司推出,由他們與摩托羅拉和東芝Hitach公司共同發起,並於1990正式公布。它采用ISO/OSI模型的全部七層通信協議,采用面向對象的設計方法,通過網絡變量將網絡通信設計簡化為參數設置,其通信速率從300bps到15Mbps不等,直接通信距離可達2700m(78kbps,雙絞線)。支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質,並開發相應的通信介質。

LonWorks技術采用的LonTalk協議封裝在壹個叫做Neuron的芯片中實現。有三個8位CPU在集成芯片中;壹個媒體訪問控制處理器,用於完成開放互連模型中1 ~ 2層的功能,實現媒體訪問的控制和處理;第二個稱為網絡處理器,用於完成3-6層的功能,負責尋址、處理、後臺診斷、功能路徑選擇、軟件定時、網絡管理、網絡通信控制、發送和接收數據包等。第三個是應用處理器,它執行操作系統服務和用戶代碼。芯片中還有壹個緩沖區用來存儲信息,實現CPU之間的信息傳遞,它作為網絡緩沖區和應用程序緩沖區使用。例如,摩托羅拉公司生產的神經元集成芯片MC143120E2包含2KRAM和2KEEPROM。

LonWoeks技術的不斷普及,促成了神經元芯片的低成本(每片約5 ~ 9美元),芯片的低成本又反過來促進了LonWorks技術的推廣應用,形成了良好的循環。根據Ecelon公司的相關資料,到7月1996,已經生產了500萬個神經元芯片。

LonWorks公司的技術策略是鼓勵OEM開發者使用LonWorks技術和neuron芯片開發自己的應用產品。超過2600家公司不同程度地參與了LonWorks技術:超過1000家公司推出了LonWorks產品,並進壹步組織了LonWark互操作性協會來開發和推廣LonWorks技術和產品。廣泛應用於樓宇自動化、家庭自動化、安防系統、辦公設備、運輸設備、工業過程控制等行業。為了支持LonWorks與其他協議和網絡之間的互連和互操作,該公司正在開發各種網關,將LonWorks與以太網、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互連成壹個系統。

此外,LonWorks neuron芯片在開發智能通信接口和智能傳感器方面也有獨特的優勢。LonWorks技術被美國暖通空調工程師協會的ASRE定義為樓宇自動化協議BACnet的標準。根據剛剛收到的消息,美國消費電子制造商協會已經通過決議,制定基於LonWorks技術的EIA-709標準。

這樣,LonWorks建立了從協議開發、芯片設計、芯片制造、控制模塊開發制造、OEM控制產品、最終控制產品、分銷、系統集成等壹系列完整的開發、制造、推廣和應用架構,吸引了數萬家企業參與這項工作,極大地推動了壹項技術的推廣應用。Profibus是德國國家標準DIN 19245和歐洲標準prEN 50170的現場總線。ISO/OSI模型也是它的參考模型。Profibus系列包括Profibus -Dp、Profibus -FMS和Profibus-PA。DP型用於分布式外設之間的高速傳輸,適用於加工自動化領域的應用。FMS即現場信息規範,適用於紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等通用自動化。,而PA型是用於過程自動化的總線類型,符合IEC1158-2標準。這項技術由十幾家德國公司和研究機構聯合推出,主要是西門子。它采用OSI模型的物理層和數據鏈路層,這兩層構成了其標準第壹部分的子集。DP模型隱藏了3 ~ 7層,增加了直接數據連接擬合作為用戶接口,而FMS模型只隱藏了3 ~ 6層,采用應用層作為標準的第二部分。PA型的標準還在制定中,其傳輸技術符合IEC1158-2 (1)標準,可以實現總線供電和本質安全防爆。

Porfibus支持多種傳輸模式,如主從系統、純主站系統和多主多從混合系統。主站對總線有控制權,可以主動發送信息。對於多主站系統,主站之間通過令牌傳遞信息,獲得令牌的站可以在預定時間內擁有總線控制權。* * *令牌在每個主站中循環的最長時間是預先指定的。根據Profibus的通信規範,令牌按照地址編號的順序在主站之間的上行鏈路方向上傳輸。主站獲得控制權後,可以以主從方式向從站發送或請求信息,實現點對點通信。主站可以向所有站廣播(不需要響應)或者選擇性地向壹組站廣播。

Profibus的傳輸速率為96 ~ 12kbps。最大傳輸距離在12 kbps時為1000m,在15Mbps時為400m,帶中繼器可擴展至10km。其傳輸介質可為雙絞線或光纜,最多可掛接127站。CAN是Control Area Network的縮寫,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數據通信。其總線規範已被ISO國際標準組織制定為國際標準,得到了摩托羅拉、英特爾、飛利浦、西門子、NEC等公司的支持,在離散控制領域得到了廣泛應用。

CAN協議也是基於國際標準組織的開放系統互連模型,但是它的模型結構只有三層,只取OSI底層的物理層,頂層的數據鏈路層和應用層。其信號傳輸介質為雙絞線,最高通信速率可達1Mbps/40m,最遠直接傳輸距離可達1km/kbps,最大可接設備數可達110。

CAN的信號傳輸采用短幀結構,每幀有效字節數為8,因此傳輸時間短,幹擾概率低。當壹個節點出現嚴重故障時,具有自動關機功能,切斷該節點與總線的連接,使總線上的其他節點及其通信不受影響,抗幹擾能力強。

CAN支持多主模式,網絡上的任何節點都可以隨時主動向其他節點發送信息,支持點對點、點對多點和全局廣播接收/發送數據。它采用總線仲裁技術。當幾個節點同時在網絡上傳輸信息時,優先級高的節點可以繼續傳輸數據,優先級低的節點則主動停止傳輸,從而避免總線沖突。

許多公司開發並生產了符合CAN協議的通信芯片,如Intel的82 52 7、摩托羅拉的MC68HC05X4和飛利浦的82 C2 50。還有插在PC上的CAN總線接口卡,接口簡單,編程方便,開發系統便宜。HART是可尋址遠程傳輸高速公路的縮寫。它最早由Rosemout公司開發,得到了80多家著名儀器公司的支持。1993,HART通信基金會成立。這種被稱為可尋址遙感高速通道的開放式通信協議,其特點是在現有的模擬信號傳輸線上實現數字通信,屬於工業過程控制在模擬系統向數字系統轉變過程中的過渡產物,因此具有很強的市場競爭力,在當前的過渡時期得到了很好的發展。

HART通信模型由三層組成:物理層、數據鏈路層和應用層。物理層采用FSK(頻移鍵控)技術,在4 ~ 20mA模擬信號上疊加壹個頻率信號,頻率信號采用Bell202國際標準。數據傳輸速率為1200bps,邏輯0的信號頻率為2200Hz,邏輯1的信號傳輸頻率為1200Hz。

數據鏈路層用於根據HART通信協議規則建立HART信息格式。其信息結構包括起始代碼、顯示終端和現場設備的地址、字節數、現場設備狀態和通信狀態、數據、奇偶校驗等。它的數據字節結構是1個起始位、8個數據位、1個奇偶位和1個停止位。應用層的作用是使HART指令實現,即把通信狀態轉換成相應的信息。它提供了壹系列命令;以命令的方式工作。它有三種命令,第壹種叫通用命令,所有設備都理解並執行;第二類稱為通用行為命令,提供了很多現場設備(雖然不是全部)都可以實現的功能,包括最常用的現場設備的函數庫;第三類叫特種裝備指揮,為了在某些裝備中實現特殊功能。這種命令可以在基金會中公開使用,並且可以是開發這種命令的公司所獨有的。這三種類型的命令通常可以同時出現在現場設備中。HART支持點對點主從響應和多播。工作在承諾模式時數據更新速率為2 ~ 3次/秒,工作在廣播模式時為3 ~ 4次/秒。它還可以支持兩個通信主設備。總線上可以掛的設備數量高達15,每個現場設備可以有256個變量,每個報文最多可以包含4個變量。最大傳輸距離3000m,HART采用統壹設備描述語言DDL。現場設備開發人員使用這種標準語言來描述設備特性,HART基金會負責註冊和管理這些設備描述,並將其編譯到設備描述詞典中。主設備使用DDL技術來了解這些設備的特性參數,而不需要為這些設備開發專門的接口。然而,由於這種模擬-數字混合信號系統,很難開發出能夠滿足各種公司要求的通信接口芯片。HART可以通過總線供電,可以滿足本質安全防爆的要求。雖然RS-485不能稱為現場總線,但作為現場總線的鼻祖,很多設備都在繼續使用這種通信協議。使用RS-485通訊,設備簡單,成本低,還是有壹定生命力的。基於RS-485的OPTO-22命令集也在很多系統中得到了廣泛的應用。