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1、基金會現(xiàn)場總線
基金會現(xiàn)場總線，即FoudationFieldbus,簡稱FF，這是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以美國Fisher-Rousemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的WordFIP協(xié)議。屈于用戶的壓力，這兩大集團于1994年9月合并，成立了現(xiàn)場總線基金會，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。
基金會現(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為 3125Kbps,通信距離可達 1900m (可加中繼器延長),可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為 1Mbps和 2.5Mbps兩種，其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持比絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼，每位發(fā)送數(shù)據(jù)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，從而使串行數(shù)據(jù)位流中具有足夠的定位信息，以保持發(fā)送雙方的時間同步。接收方既可根據(jù)跳變的極性來判斷數(shù)據(jù)的“1”、“0”狀態(tài)，也可根據(jù)數(shù)據(jù)的中心位置精確定位。
為滿足用戶需要，Honeywell、Ronan等公司已開發(fā)出可完成物理層和部分數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的專用芯片，許多儀表公司已開發(fā)出符合FF協(xié)議的產(chǎn)品，1總線已通過ａ測試和β測試，完成了由 13個不同廠商提供設(shè)備而組成的FF現(xiàn)場總線工廠試驗系統(tǒng)。2總線標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)形成。
1996年10月，在芝加哥舉行的ISA96展覽會上，由現(xiàn)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多種符合FF協(xié)議的產(chǎn)品，并將這些分布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(xiàn)場總線演示系統(tǒng)，各展臺現(xiàn)場設(shè)備之間可實地進行現(xiàn)場互操作，展現(xiàn)了基金會現(xiàn)場總線的成就與技術(shù)實力。
2、LonWorks
LonWorks是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術(shù)，它是由美國Ecelon公司推出并由它們與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置，其通訊速率從300bps至15Mbps不等，直接通信距離可達到2700m(78kbps，雙絞線),支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)相應(yīng)的本安防爆產(chǎn)品，被譽為通用控制網(wǎng)絡(luò)。
LonWorks技術(shù)所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為Neuron的芯片中并得以實現(xiàn)。集成芯片中有3個8位CPU;一個用于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(xiàn)介質(zhì)訪問的控制與處理 ;第二個用于完成第3～6層的功能，稱為網(wǎng)絡(luò)處理器，進行網(wǎng)絡(luò)變量處理的尋址、處理、背景診斷、函數(shù)路徑選擇、軟件計量時、網(wǎng)絡(luò)管理，并負責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信控制、收發(fā)數(shù)據(jù)包等;第三個是應(yīng)用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區(qū)，以實現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。如Motorola公司生產(chǎn)的神經(jīng)元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM。
LonWorks技術(shù)的不斷推廣促成了神經(jīng)元芯片的低成本 (每片價格約 5～9美元)，而芯片的低成本又返過來促進了LonWorks技術(shù)的推廣應(yīng)用，形成了良好循環(huán)，據(jù)Ecelon公司的有關(guān)資料，到1996年7月，已生產(chǎn)出 500萬片神經(jīng)元芯片。
LonWorks公司的技術(shù)策略是鼓勵各OEM開發(fā)商運用LonWorks技術(shù)和神經(jīng)元芯片，開發(fā)自己的應(yīng)用產(chǎn)品，據(jù)稱目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技術(shù):1000多家公司已經(jīng)推出了LonWorks產(chǎn)品，并進一步組織起LonWark互操作協(xié)會，開發(fā)推廣LonWorks技術(shù)與產(chǎn)品。它被廣泛應(yīng)用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、運輸設(shè)備、工業(yè)過程控制等行業(yè)。為了支持LonWorks與其它協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)之間的互連與互操作，該公司正在開發(fā)各種網(wǎng)關(guān)，以便將LonWorks與以太網(wǎng)、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互連為系統(tǒng)。
另外，在開發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面，LonWorks神經(jīng)元芯片也具有的優(yōu)勢。LonWorks技術(shù)已經(jīng)被美國暖通工程師協(xié)會ASRE定為建筑自動化協(xié)議BACnet的一個標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)剛剛收到的消息，美國消費電子制造商協(xié)會已經(jīng)通過決議，以LonWorks技術(shù)為基礎(chǔ)制定了EIA-709標(biāo)準(zhǔn)。
這樣，LonWorks已經(jīng)建立了一套從協(xié)議開發(fā)、芯片設(shè)計、芯片制造、控制模塊開發(fā)制造、OEM控制產(chǎn)品、最終控制產(chǎn)品、分銷、系統(tǒng)集成等一系列完整的開發(fā)、制造、推廣、應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，吸引了數(shù)萬家企業(yè)參與到這項工作中來，這對于一種技術(shù)的推廣、應(yīng)用有很大的促進作用。
3、Profibus
Profibus是作為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)prEN 50170的現(xiàn)場總線。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型用于分散外設(shè)間的高速傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等一般自動化，而PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。該項技術(shù)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。它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，由這兩部分形成了其標(biāo)準(zhǔn)部分的子集，DP型隱去了3～7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用戶接口，F(xiàn)MS型只隱去第3～6層，采用了應(yīng)用層，作為標(biāo)準(zhǔn)的第二部分。PA型的標(biāo)準(zhǔn)目前還處于制定過程之中，其傳輸技術(shù)遵從IEC1158-2 (1 )標(biāo)準(zhǔn)，可實現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。
Porfibus支持主—從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。主站具有對總線的控制權(quán)，可主動發(fā)送信息。對多主站系統(tǒng)來說，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點可在一個事先規(guī)定的時間內(nèi)擁有總線控制權(quán)，共事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長時間。按Profibus的通信規(guī)范，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(quán)時，可以按主—從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實現(xiàn)點對點通信。主站可采取對所有站點廣播 (不要求應(yīng)答 ),或有選擇地向一組站點廣播。
Profibus的傳輸速率為96～12kbps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(zhì)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(wǎng)絡(luò)ControlAreaNetwork的簡稱，由德國BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。
CAN協(xié)議也是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，不過，其模型結(jié)構(gòu)只有3層，只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂上層的應(yīng)用層。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率可達 1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達 1 0km/kbps,可掛接設(shè)備最多可達 110個。
CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點嚴(yán)重錯誤時，具有自動關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。
CAN支持多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點均在任意時刻主動向其它節(jié)點發(fā)送信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)幾個節(jié)點同時在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時，優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級低的節(jié)點則主動停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。
已有多家公司開發(fā)生產(chǎn)了符合CAN協(xié)議的通信芯片，如Intel公司的 82 52 7，Motorola公司的MC68HC05X4，Philips公司的 82C2 50等。還有插在PC機上的CAN總線接口卡，具有接口簡單、編程方便、開發(fā)系統(tǒng)價格便宜等優(yōu)點。
5、HART
HART是HighwayAddressableRemoteTransduer的縮寫。由Rosemout公司開發(fā)并得到80多家儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會。這種被稱為可尋址遠程傳感高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中工業(yè)過程控制的過渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較好的發(fā)展。
HART通信模型由3層組成 :物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層采用FSK(FrequencyShiftKeying)技術(shù)在 4～20mA模擬信號上迭加一個頻率信號，頻率信號采用Bell202國際標(biāo)準(zhǔn);數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鏈路層用于按HART通信協(xié)議規(guī)則建立HART信息格式。其信息構(gòu)成包括開頭碼、顯示終端與現(xiàn)場設(shè)備地址、字節(jié)數(shù)、現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)與通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)、奇偶校驗等。其數(shù)據(jù)字節(jié)結(jié)構(gòu)為1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個奇偶校驗位，1個終止位。應(yīng)用層的作用在于使HART指令付諸實現(xiàn)，即把通信狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息。它規(guī)定了一系列命令;按命令方式工作。它有 3類命令，類稱為通用命令，這是所有設(shè)備理解、執(zhí)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(xiàn)場設(shè)備 (盡管不是全部 )中實現(xiàn)，這類命令包括的現(xiàn)場設(shè)備的功能庫;第三類稱為特殊設(shè)備命令，以便在某些設(shè)備中實現(xiàn)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(fā)此命令的公司所。在一個現(xiàn)場設(shè)備中通?？砂l(fā)現(xiàn)同時存在這3類命令。HART支持點對點主從應(yīng)答方式和多點廣播方式。按應(yīng)答應(yīng)方式工作時的數(shù)據(jù)更新速率為2～3次/ｓ,按廣播方式工作時的數(shù)據(jù)更新速率為 3～4次 /ｓ,它還可支持兩個通信主設(shè)備?？偩€上可掛設(shè)備數(shù)多達 15個，每個現(xiàn)場設(shè)備可有256個變量，每個信息可包含4個變量。傳輸距離3000m，HART采用統(tǒng)一的設(shè)備描述語言DDL。現(xiàn)場設(shè)備開發(fā)商采用這種標(biāo)準(zhǔn)語言來描述設(shè)備特性，由HART基金會負責(zé)登記管理這些設(shè)備描述并把它們編為設(shè)備描述字典，主設(shè)備運用DDL技術(shù)，來理解這些設(shè)備的特性參數(shù)而不必為這些設(shè)備開發(fā)專用接口。但由于這種模擬數(shù)字混信號制，導(dǎo)致難以開發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本安防爆要求。
6、RS-485
盡管ＲＳ-485不能稱為現(xiàn)場總線，但是作為現(xiàn)場總線的，還有許多設(shè)備繼續(xù)沿用這種通訊協(xié)議。采用RS-485通訊具有設(shè)備簡單、低成本等優(yōu)勢，仍有一定的生命力。以RS-485為基礎(chǔ)的OPTO-22命令集等也在許多系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。
四、現(xiàn)場總線技術(shù)展望與發(fā)展趨勢
發(fā)展現(xiàn)場總線技術(shù)已成為工業(yè)自動化領(lǐng)域廣為注的焦點課題，國際上現(xiàn)場總線的研究、開發(fā)，使測控系統(tǒng)沖破了長期封閉系統(tǒng)的禁錮，走上開放發(fā)展的征程，這對我國現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展是個的機會，也是一次嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)場總線技術(shù)是控制、計算機、通訊技術(shù)的交叉與集成，涉及的內(nèi)容十分廣泛，筆者認為應(yīng)不失時機地抓好我國現(xiàn)場總線技術(shù)與產(chǎn)品的研究與開發(fā)。自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展的大趨勢，現(xiàn)場總線技術(shù)受計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響是十分深刻的?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異，發(fā)展十分迅猛，一些具有重大影響的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)必將進一步融合到現(xiàn)場總線技術(shù)之中，這些具有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線技術(shù)有:智能儀表與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)的軟硬件技術(shù) ;組態(tài)抗術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)段互連等;網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)管理軟件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)操作與傳輸 ;人機接口、軟件技術(shù);現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成技術(shù)?，F(xiàn)場總線屬于尚在發(fā)展之中的技術(shù)，我國在這一技術(shù)領(lǐng)域還剛剛起步，了解國際上該項技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展動向，對我國相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，對自動化技術(shù)、設(shè)備的更新，無疑具有重要的作用?？傮w說來，自動化系統(tǒng)與設(shè)備將朝著現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)的方向前進，這一發(fā)展趨勢是肯定的。既然是總線，就要向著趨于開放統(tǒng)一的方向發(fā)展，成為大家都遵守的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但由于這一技術(shù)所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，幾乎覆蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領(lǐng)域，如過程自動化、制造加工自動化、樓半自動化、家庭自動化等等。大千世界，眾多領(lǐng)域，需求各異，一個現(xiàn)場總線體系下可能不止容納單一的標(biāo)準(zhǔn)。另外，從以上介紹也可以看出，幾大技術(shù)均具有自己的特點，已在不同應(yīng)用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢。加上商業(yè)利益的驅(qū)使，它們都各自正在十分激烈的市場競爭中求得發(fā)展。有理由認為:在從現(xiàn)在起的未來 10ａ內(nèi)，可能出現(xiàn)幾大總線標(biāo)準(zhǔn)共存，甚至在一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)內(nèi)，幾種總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備通過路由網(wǎng)關(guān)互連實現(xiàn)信息共享的局面。在連續(xù)過程自動化領(lǐng)域內(nèi)，今后10ａ內(nèi)，F(xiàn)F基金會現(xiàn)場總線將成為主流發(fā)展趨勢，LonWorks將成為有力的競爭對手，HART作為過渡性產(chǎn)品也能有一定的市場。這3種技術(shù)是從這一領(lǐng)域的工業(yè)需求出發(fā)，其用戶層的各種功能是專業(yè)連續(xù)過程設(shè)計的，而且充分考慮到連續(xù)工業(yè)的使用環(huán)境，如支持總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。另外，F(xiàn)F基金會幾乎集中了世界上主要自動化儀表制造商;LonWorks形成了全面的分工合作體系。這些因素對成為這一領(lǐng)域的主流技術(shù)是十分關(guān)鍵的。
由于HART建立在目前廣泛采用的模擬系統(tǒng)之上，它可以充分照顧到現(xiàn)有設(shè)備和已有投資的效益，技術(shù)上也充分考慮連續(xù)過程使用環(huán)境的需要。目前它已經(jīng)占有一定的，其技術(shù)本身還在不斷完善與更新，如提高傳輸速率等。目前國外HART儀表的還在不斷增長，呈上升趨勢，但是它畢竟是過渡性產(chǎn)品，其生存周期不會很長。國內(nèi)則由于很多項目都是新項目，所以對兼容性的考慮較少，而對性的考慮較多，相信HART在國內(nèi)的不會很大。國內(nèi)市場與國外市場會有比較大的差異。一方面國外市場上占優(yōu)勢的產(chǎn)品會不斷滲透到國內(nèi);另一方面，由于國內(nèi)廠商的規(guī)模相對較小，研發(fā)能力較差，更多的是依賴技術(shù)供應(yīng)商的支持，比較容易受現(xiàn)場總線技術(shù)供應(yīng)商 (芯片制造商等)對國內(nèi)的支持和市場推廣力度的影響。國內(nèi)目前僅LonWorks技術(shù)有實質(zhì)性的市場活動，所以大部分國內(nèi)廠商將首先將接受LonWorks技術(shù)。盡管FF號稱儀器儀表行業(yè)的未來標(biāo)準(zhǔn)，但是由于沒有明確的市場策略和在國內(nèi)的積極的市場活動，將會受到很大影響。而且事實表明，所有的現(xiàn)場總線基金會(FF)會員在研制符合FF標(biāo)準(zhǔn)的同時，都同時推出采用LonWorks技術(shù)的應(yīng)用，由此可見LonWorks技術(shù)的生命力十分頑強。在離散制造加工領(lǐng)域，由于行業(yè)應(yīng)用的特點和歷史原因，其主流技術(shù)會有一些差別。Profibus和CAN在這一領(lǐng)域具有較強的競爭力。他們已經(jīng)在這一領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢。
在樓宇自動化、家庭自動化、智能通信產(chǎn)品等方面，LonWorks則具有的優(yōu)勢。由于LonWorks技術(shù)的特點，在多樣化控制系統(tǒng)的應(yīng)用上將會有較大的發(fā)展。
現(xiàn)場總線技術(shù)的興起，開辟了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的新天地。它將促進企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，為企業(yè)帶來新的效益，因而會得到廣泛的應(yīng)用，并推動自動化相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。 
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