Control 版 (精华区)

发信人: leonado (城市这边馋得流口水了), 信区: Control
标  题: 综述：流行现场总线简介
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年05月22日09:26:35 星期二), 转信

吴志扬
　　1 ARCnet: Attached Resources Computer networks
　　ARCnet于1977年作为LAN被推出，主要应用于办公环境，1988年才扩展到工业实时现
场总线和楼宇自动化系统，由ARCnet贸易协会开发并制订了标准ANSI 878.1，目前，全
世界已安装了超过7百万个基于ARCnet的设备。
　　ARCnet采纳了OSI 1、2、7层。
　　物理层支持多种通信介质：双绞线、光纤和同轴电缆。传输距离依赖于节点数和传
输速率（30bps~10Mbps）。
　　数据链路层，ARCnet采用令牌传递的确定性介质访问控制，CRC错误校验，信息服务
包括广播式、多主式、ACK等。
　　网络拓扑结构为总线或星型。星型拓扑经常被用于LAN中，所有节点均连接至HUB。

　　ARCnet控制器由SMC（Standard Microsystems Corp.）提供，COM90C66、COM90C16
5及COM90C65具收发器接口和AT或XT总线接口。
　　
　　2 AS-Interface: Actuator Sensor Interface
　　AS-Interface由德国11家传感器/执行器制造商针对机床控制中的二进制开/关设备
联合开发，被西门子选为SINEC S1标准。
　　AS-Interface系纯粹的主从系统，支持最多31个从节点，每个节点带4位数据，整个
网络共有124个可寻址输入/输出。采用黄色的非屏蔽、非绞的双线传输数据和电源。总
线信号称为APM，Alternate Pulse Modulation交替脉冲调节（正弦波）使其电磁兼容性
很可靠。
　　AS-Interface可通过具网关功能的主设备（PLC或PC）连接至高一级总线系统，特别
适用于作为microPLC bus。错误信息可被可靠地识别和重复。
　　
　　3 BACnet: Building Automation and Control Network
　　BACnet是为楼宇自动化系统设计的标准网络协议（ANSI/ASHRAE 135-1995），也适
用于分散监控场合，由美国供暖、制冷和空调工程师协会（American Society of Heat
ing, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE）下的标准化工程委员
会（SPC） 135P制订。
　　数据链路层有4个选项：ARCnet、Ethernet、LonWorks及基于RS-485协议的主/从令
牌传递方式，可通过路由器在BACnet网络层上互连。应用层则定义了18种不同的对象类
型和基于Client/Server模型的29种服务。
　　
　　4 BITBUS
　　BITBUS最初由Intel于1984年提出，已正式成为国际标准“IEEE标准 1118——IEEE
标准微控制器系统串行控制总线”，适用于仪表、分散数据采集系统、控制设备及测试
检测应用等。满足3层OSI-RM，含网络管理，由BITBUS欧洲用户组织（BEUG）推荐。
　　数据链路层使用集中控制访问机制的串行数据连接控制（Serial Data Link Contr
ol, SDLC）协议，应用层为带28种服务的远程访问控制（Remote Access and Control,
 RAC）功能集覆盖。运行模式为同步或自检。
　　BITBUS系递阶集散控制网络，控制功能放在智能从节点中，主节点控制整个过程。
程序可在从节点中下载和运行。
　　BITBUS是一种很老的现场总线方案，已有广泛的安装和应用，其问题在于总线芯片
已过时。
　　
　　5 CAN（Controller Area Network）及基于CAN的应用层协议
　　CAN最初由Robert Bosch设计，以提供车辆内电子面板控制单元（Electronic Cont
rol Units, ECUs）的串行通信。其特点为实时、高传输可靠性和数据安全性，CAN产品
广泛、成本低，从而超出汽车工业应用至工业自动化领域，如移动机床。
　　CAN面向消息，多主、广播协议，被ISO11898标准化为高速通信，（只定义了数据链
路层和部分物理层）。CAN采用带非破坏性位判断的CSMA或冲突避免（CSMA/CA）以解决
潜在的总线访问冲突，不丢失数据和带宽。识别符的长度（判断域）为11位标准ID和29
位扩展ID（CAN Kingdom）。
　　CAN不是一种完整的网络协议，缺少应用层和网络管理部分。领先的用户们定义他们
自己的协议，今天存在的一些应用层协议有：DeviceNet, SDS, CAL/CANopen, CAN Kin
gdom, 基于ISO11898 CAN通信协议，得到CiA（CAN in Automation）的支持。
　　CAN不采用重发器，限制了可能的拓扑结构和连接设备数量。总线速度和距离也不佳
。
　　DeviceNet
　　DeviceNet提供现场设备和控制设备，如PLC和PC，的中速连接，由Allen-Bradley开
发，得到了美国Open DeviceNet Vendors Association（ODVA）的支持。
　　DeviceNet标准定义了物理层、应用层和设备规约（以获得互操作性和互交换性）。
3种速率：125K、250K和500K，网络可容纳至多64个节点或2048个I/O点。
　　应用层规定报文和片段服务。两种类型的报文定义为：时间要求严格的基于生产-消
费模式I/O报文，时间要求不严格的基于客户-服务器模式的显式报文。
　　增减设备网络无需切断电源、可在线组态设备、每个设备内的看门狗计时器是Devi
ceNet的主要特征。
　　SDS: Smart Device System
　　SDS专为I/O级控制应用设计，以扩展到更高一级总线，由Honeywell Micro Switch
 Division开发，得到了美国Smart Society的支持。
　　SDS标准定义了应用层、物理层和设备规约。连接简单I/O设备至PLC或PC，以垂询方
式工作时特别有效。同时可以运行在对等模式下，以提供分散控制。规定的4种传输速率
为125K、250K、500K和1M，网络中可容纳至多64个节点。
　　网络节点的报文在应用层定义有两个对象：变量和事件，及10个相关的服务类：读
、写、动作、事件、连接等。
　　此外，其优点有：提供SDS智能设备、高级总线的集成和系统状态的设备诊断。
　　CAL/CANopen: CAN Application Layer/CANopen
　　CAL，工业应用的CAN应用层，由Philips Medical System开发，CiA推荐和进一步完
善，提供4种应用层服务元素：CAN报文标准（CMS）、网络管理（NMT）、分散标识符（
DBT）和层管理（LMT），CMS为MMS的子集，定义了3种类型的对象：变量、事件和域及1
9种相关服务。
　　CANopen，针对工业系统，并基于CAN通信规约，为CAL全套设备规约的子集，由ESP
RIT工程ASPIC（Automation and control System for Production units using an In
stallation bus Concept）提出，仍在完善之中。网络设备的通信以3种方式进行：同步
、事件驱动和垂询。
　　CAN Kingdom
　　CAN Kingdom主要瞄准机床控制系统，由瑞典KVASER AB开发。CAN Kingdom的原理是
：一个网络节点无权做任何事情，只能等待“国王”下达的指令，“国王”拥有所有的
ID并在启动时将其分配给节点。
　　CAN Kingdom不是一个完整的通信协议，只是一套简单的协议和工具，提供系统设计
人员根据应用选择拓扑结构和总线访问管理的高度柔性。DeviceNet、SDS和J1939可被集
成到CAN Kingdom系统，但反过来则不行。
　　作为一种主从结构，基于CAN的方案适用于网络中控制功能分散的系统。DeviceNet
和CAL覆盖相似的应用领域，均不考虑瞬时连续性和有效周期。DeviceNet连接I/O设备时
遵从“预定义的主从连接集”，非常接近SDS，DeviceNet和SDS的绝大多数应用均采用主
从配置。
　　
　　6 CEBus: Consumer Electronic Bus
　　CEBus是专门为家庭自动化设计的局域通信控制网络，由EIA消费者电子协会和由美
国EIA会员和非会员代表组成的跨行业委员会开发，CEBus工业委员会（CEBus Industry
 Council, CIC）支持。
　　
　　7 EIB: European Installation Bus
　　EIB是家庭楼宇自动化和电气安装方案，由欧洲安装总线联合会（European Instal
lation Bus Association, EIBA）开发，覆盖OSI-RM 1、2、3、4、7层，并固化在总线
耦合单元（Bus Coupling Unit, BCU）。
　　EIB采用带4种优先级的CSMA/CD（CA为高通过率），自由拓扑，可用双绞线和电力线
，应用层定义了12种对象和相关服务。
　　EIB为德国标准DIN V VDE 0829，符合CENELEC。
　　
　　8 FOUNDATION Fieldbus
　　在美国最终用户要求统一现场总线方案的压力下，1994年10月，可互操作系统工程
基金会（Interoperable Systems Project Foundation, ISPF）和北美WorldFIP（Worl
dFIP North America, WorldFIP NA）合并成为一个新组织：现场总线基金会，以加速现
场总线的标准化。其明确目的定位在过程控制领域种的可靠、分散控制。
　　物理层符合ISA SP50.02和IEC 1158-2本安标准，现场设备通过总线供电。非本安区
域内，可连接32个设备，而本安区域内只能连接5个。支持总线冗余。
　　数据链路层中，总线访问控制采用LAS，确定性的集中总线调度器，为IEC 1158/IS
A SP50.02数据链路层规约的子集。
　　应用层采用ProfiBus的现场总线信息规约（Fieldbus Message Specification, FM
S）。
　　用户层执行分散控制策略，包括3种重要功能：功能块、系统管理和设备描述服务。
功能块的基础为ISA-TR50.02（技术报告，TR）。
　　过程控制H1总线（31.25kbps）规约已制订。H2总线（1Mbps,2.5Mbps）规约正在制
订，将与ISA/IEC SP50兼容。
　　世界上各大仪表和控制公司一致看好该标准，但尚无安装应用实例。
　　
　　9 HART: Highway Addressable Remote Transducer
　　HART是为了满足过程控制应用中，在不中断4-20mA信号情况下，实现智能现场设备
与主设备之间的双向数字通信，最初由Rosemount开发，得到了HART通信基金会（HCF）
的支持。HART协议符合OSI-RM的1、2、7层。
　　物理层使用基于FSK技术的Bell 202。HART可以点对点模式运行在已有的4-20mA信号
线上，过程值以模拟方式传送，HART用来组态和测试；或者通过双绞线以多点组态模式
运行，满足本安要求时，单个电源最多可远程供电15台设备；如果本地供电，可连接更
多数量的设备。
　　HART为主/从协议，主设备传送电压信号，从设备传送电流信号。附加主站（手操器
）可接至总线，满足管理目的。
　　应用层定义了3类命令：通用命令、特殊命令和专用命令。
　　HART仅仅是一种过渡性的现场总线协议，但其设备描述语言（Device Description
 Language, DDL）是唯一经证明可获得设备互操作性的手段，现已被FF和IEC/ISA SP50
采纳。
　　
　　10 IEC 1158/ISA SP50.02
　　标准化工作于1985年启动，协议标准至今仍未完成。只有物理层标准已制订，作为
ISA S50.02第二部分和IEC 1158-2，其特性为：本征安全、数据线上的电力传输和总线
冗余。
　　数据链路层支持带3级优先级的高确定性数据传输，总线管理可组态为集中式的、分
散的和仲裁主站方式和令牌传递。
　　应用层提供MMS子集和面向对象服务，并添加了新的实时功能。命名的数据按TAGNA
ME和序号访问。
　　用户层定义了过程控制中的32种标准算法和功能块。
　　
　　11 II/O Lightbus: Industrial Input Output Lightbus
　　II/O Lightbus是一种快速和可靠的分散体系结构下的I/O网络，采用光纤和环型拓
扑，由德国BECKHOFF Industrie Electronik 开发。
　　采用纯粹的主从结构，传输速率为2.5Mbps，可连接254个I/O模块、8128个I/O点，
PC或PLC为主站。报文有3种类型：读、写和读/写，59bit长，其中32bit为数据域。如智
能模块需要超过64bit的数据，采用区段。
　　环型结构易于维护。不受电磁和无线信号的干扰。主要安装在北欧。
　　
　　12 InterBus-S
　　InterBus-S适用于分散输入输出、串行总线的PLC和PC系统，由德国Phoenix Conta
ct开发，InterBus-S Club支持。满足OSI模型3层协议，其中应用层共有8个设备规约。
DIN E 19258标准。
　　集中式主从方案，环型拓扑，传输速率为500Kbps，每个网络可连接256个节点或40
96I/O，控制器面板为PLC或PC。
　　数据链路层上，Total Frame Protocol传输循环过程数据和非循环数据，共有16个
二进制过程数据同时被顺序集成在循环协议中。所有的输入输出数据同时更新。
　　应用层服务只对主站有效，分成两部分。第一个目的是实现实时数据交换，根据组
态时确定的位置并对应于设备，数据存放在内存中。第二部分是PMS（Peripheral Mess
age Specification，外部信息标准），Profibus-FMS的子集，定义有：范围管理、OV管
理、VFD支持、变量访问、程序调用和12个相关的服务。
　　已证实，Interbus-S对于单主机的remote I/O具良好的诊断能力。
　　Interbus-S Sensor loop是一种简化方案，连接分散的只有一些bit信息的简单设备
到总线，bit级通信。
　　
　　13 LonWorks: Local Operating NetWORKS
　　LonWorks是对等控制网络，适用于分散控制和楼宇自动化中连接智能设备，由美国
Echelon公司开发。
　　LonWorks提供多种传输介质，柔性拓扑结构，传输速率可达2.5Mbps。介质访问分散
争用。
　　应用层提供4类36种服务，更新网络变量（隐式报文）和显式报文。变量类型为预定
义类型或C语言定义。报文的发送为点对点或多点方式，带或不带确认。
　　LonTalk协议固化在每片Neuron芯片中，覆盖全部7层OSI通信协议。每片芯片带3个
8位微处理器和独特的48位ID，是每个LonWorks节点的重要组成部分。
　　提供LonBuilder开发平台，一套完整的用户应用开发工具，采用Neuron C编程。
　　LonWorks是一种完整的各个应用领域的解决方案，但在标准化方面做得还不够。19
96年5月，Echelon宣布LonTalk协议对各种微处理器开放。
　　
　　14 Measurement Bus
　　Measurement Bus是专为制造质量测量、过程控制和过程运行数据采集设备基于ASC
II通信而设计。其德国标准为DIN 66348 第2部分：“串行测量数据传送、启停传送的接
口和控制过程，4线制总线”，包括物理层和数据链路层，由测量总线用户联合会推荐。

　　应用层，基于MMS的DIN 66348 第3部分，定义了变量、域、程序调用、环境管理等
对象和相关的29种服务，包括7种基本服务、3种用户服务组和3种通用服务。
　　DIN 66348第4部分定义了计量变量、命令和功能。
　　该总线为主从协议，可以实现交叉通信，但受主设备控制。
　　
　　15 Modbus Plus
　　Modbus Plus是为工业控制应用（如过程控制和监控信息传递）设计的局域网，由A
EG Modicon开发。
　　网络总线采用单/双电缆布局，可连接至多64个可寻址节点，1Mbps传输速率。信息
格式为HDLC，介质访问采用令牌方式。
　　
　　16 P-NET: Process automation NET
　　P-NET的设计目的是用普通2线制电缆实现过程自动化中分散过程组件的连接，由Pr
ocess-Data Silkeborg Aps Denmark开发。应用主要集中在过程工业和制造厂。覆盖OS
I-RM的1、2、3、4、7层，并利用信道结构定义了用户层。
　　该总线为带多网络和多端口功能的多主总线，允许几个总线区域的直接寻址，而无
需递阶网络结构。所有的通信均基于这样的原则：主节点发送一个请求，被寻址的从节
点在390μs内立即返回一个响应，只有已存放到从节点内存中的数据方可被访问。主节
点之间的总线访问权限通过虚拟令牌传递解决。
　　每个从节点中内含一个通用单芯片微处理器，带2kbyte EPROM，不仅仅为通信用，
而且可用于测量、标定、转换和应用功能。P-NET接口芯片执行数据链路层的所有功能，
第3层和第4层的功能由宿主处理器中的软件解决。
　　IS 16，本安总线类型，可用于本安传送和总线供电节点。
　　P-NET控制器的编程工具为Process-Pascal，P-NET PC上的DOS或Windows driver用
Pascal、C和Modula 2编写，监控和调试软件工具为Graphic Control System。
　　
　　17 Profibus: PROcess Field BUS
　　Profibus由Siemens领导开发，共有3种版本：
　　·Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification）：针对单元控制，主要是为
了解决控制器与智能现场设备之间的大容量信息的传送。采用令牌与主从方式相结合的
办法，实现总线访问控制。FMS包括两个基本组件：FMS，MMS子集，在面向对象、clien
t/server体系结构下提供服务给用户应用，其重要特性为虚拟现场设备（Virtual Fiel
d Device, VFD）和低层接口（Lower Layer Interface, LLI），使应用功能适应数据链
路层的众多特性。FMS有39种服务，包括环境管理、变量访问、域管理、程序调用管理、
事件管理、虚拟现场设备支持、对象字典（Object Dictionary, OD）管理等。不支持实
时服务，规约在用户层定义。是MiniMAP的有力竞争者。
　　·Profibus-DP（Decentralised Peripherals）：针对自动化系统中的实时循环I/
O通信。省略了OSI模型的第7层，通过直接数据连结映像器直接将用户接口连结到第2层
。
　　·Profibus-PA（Process Automation）：面向过程控制应用。物理层满足IEC 115
8-2本安传送标准，“电压模式，31.25kbps”，或RS485；数据链路层为DIN 19245的功
能集合；应用层与Profibus-FMS相同。仪表A和B的规约在用户层定义，已确保设备的可
互操作性和互换性。
　　FMS和DP主要服务于离散制造应用，使用RS485接口。实际上，可在同一系统甚至同
一设备中同时使用FMS和DP。不同功能和10种传输速率（9.6kbps~12Mbps）的芯片和开发
工具可选。
　　Profibus是一个从现场到单元层的系统方案，在Siemens的极力推荐下，已被工业界
广泛接受，安装数量很多。
　　
　　18 SERCOS interface: SErial Real-time Communication System
　　SERCOS interface是德国机床开发协会（VDW）和德国电子电气制造商协会（ZVEI）
的合作成果，其目的为设计NC和传动之间数字通信的标准接口以取代±10V标准接口。应
用于多轴移动控制和分散I/O。是目前国际上唯一的NC数字传动接口标准，IEC 1491系统
接口。SERCOS interface由 FGS推荐。
　　该总线为集中主从协议，使用光纤环型拓扑，可以2或4Mbps的速率连结至多254个从
节点，8Mbps正在测试。精确同步移动可达32位数字精度。SERCOS系统不受无线干扰。
　　NC控制单元（主节点）负责所有通信的收发，通信为轮询方式。介质访问控制通过
主节点在初始化阶段分配给每个传动设备的时间槽实现。报文为HDLC格式。
　　每个报文可容纳每个传动设备16byte的实时数据和服务数据。主节点可发送2byte服
务命令，信息必须存储在一大量存储段内，并由接受端重新组合。支持3种运行模式：转
矩控制、速率控制和位置控制。
　　SERCOS Interface与OSI-RM并不真正兼容，但定义了大量的应用层服务，如参数的
上载/下载、诊断等。同时，提供移动控制的顺序I/O集成。
　　显然，Interbus-S是SERCOS低端的有力竞争者，DRIVECOM为此建立了Interbus-S规
约。
　　
　　19 Seriplex
　　Seriplex控制总线是多路、智能、分散的I/O系统，用于位级工业控制和数据采集，
由美国Automation Control公司（APC）开发和Seriplex Technology Organization（S
TO）推荐。以串行多工控制总线（Serial Multiplexed Control Bus, SMCB）的名义已
提交IEC作为IEC947-5-6.4。
　　数据传输和电力发送采用简单的4线制电缆，可连接至多255个节点和7000个I/O点。
自由拓扑结构，支路长度和每个支路上可挂的设备数无限制。总线总长度与时钟速率成
反比。通信协议形成为ASIC。
　　系统循环传递一个位字符串作为旅行移位寄存器，表示相关I/O点的状态。通过观察
一同步时钟信号，节点适时插入经过的位流，读/写分配给其的特定位槽。模拟信号通过
多路方式传递，如每个扫描周期传送1位精度。
　　Seriplex网络可运行在主从模式和对等模式下。时间多工方式。将连接至byte级网
络。
　　
　　20 WorldFIP: World Factory Instrumentation Protocol
　　WorldFIP基于FIP协议，其最初由法国于80年代开发，并成为法国国家标准UTE C46
（1、2、7层）。
　　WorldFIP协议采用IEC/ISA SP50物理层（IEC 1158-2，支持总线冗余），选择FIP数
据链路层和应用层，符合ISA SP50用户层子集。提供传感器/执行器与PLC、控制器之间
的连接。WorldFIP提供高速确定性控制和双冗余网络。
　　实时通信与组态、参数设定和安装时的通信存在明显区别。
　　数据链路层采用确定性的集中总线调度器LAS（Link Active Scheduler）实现访问
控制，总线仲裁器处理所有通信，为实时变量和报文提供服务。
　　应用层为用户应用中的实时变量和报文提供服务。实时变量通过基于Producer-Dis
tributer-Consumer模型的制造周期/非周期服务（Manufacturing Periodical/aperiod
ical Services, MPS）处理；报文则根据非连接模式MMS子集管理，包括变量访问、域管
理、程序调用、事件管理、信号灯和日志管理。共4类服务，根据设备规约定义。
　　WorldFIP是即将出台的IEC 1158/ISA SP50.02最接近的方案。
　　

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