楼宇自控基础知识扫盲:现场总线技术

发表在 工控杂谈 2016/4/5 12:50:07 1 267

 现场总线(Fieldbus)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讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础,沟通了生产过程现场及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、数字通讯等技术为主要内容的综合技术,已经受到世界范围的关注,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。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层,作为工厂设备级基础通讯网络,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,多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点,现场总线系统从网络结构到通讯技术,都具有不同上层高速数据通信网的特色。

  现场总线分类:FF、Lonworks、PROFIBUS、CAN

  FF(Foundation Fieldbus)基金会现场总线

  FF是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。1994年,由美国Ficher-Rosemount、Smar等120多个成员合并成立了基金会场总线,它覆盖了世界上著名的DCS与PLC厂商,它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础,取其1、2、7层(物理层、数据链路层和应用层)外,还增加了用户层作为通信模型。基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率,H1的传输速率为 3125Kbps,通信距离可达 1900m (可加中继器延长),可支持总线供电,支持本质安全防爆环境。H2的传输速率为 1Mbps和 2.5Mbps两种,其通信距离为750m和500m。物理传输介质可支持比绞线、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。接收方既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。

  Lonworks(LON总线)现场总线技术

  LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术,它是由美国Ecelon公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导,于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议,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300bps至15Mbps不等,直接通信距离可达到2700m(78kbps,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,并开发相应的本安防爆产品,被誉为通用控制网络。

  LonWorks公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonWorks技术和神经元芯片,开发自己的应用产品,据称目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技术:1000多家公司已经推出了LonWorks产品,并进一步组织起LonWark互操作协会,开发推广LonWorks技术与产品。它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LonWorks与其它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LonWorks与以太网、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互连为系统。

  另外,在开发智能通信接口、智能传感器方面,LonWorks神经元芯片也具有独特的优势。LonWorks技术已经被美国暖通工程师协会ASRE定为建筑自动化协议BACnet的一个标准。根据刚刚收到的消息,美国消费电子制造商协会已经通过决议,以LonWorks技术为基础制定了EIA-709标准。

  这样,LonWorks已经建立了一套从协议开发、芯片设计、芯片制造、控制模块开发制造、OEM控制产品、最终控制产品、分销、系统集成等一系列完整的开发、制造、推广、应用体系结构,吸引了数万家企业参与到这项工作中来,这对于一种技术的推广、应用有很大的促进作用。

  Profibus(Process Field Bus)过程现场总线

  Profibus由西门子公司为主的十几家德国公司共同推出,它采用了ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层1、2、7层,传输速率9.6kbit/s~12Mbit/s,最大传输距离(在12Mbit/s)100m,可用中继器延长至10km,最多可挂接127个点。

  Profibus支持主—从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。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,共事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按Profibus的通信规范,令牌在主站之间按地址编号顺序,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。

  CAN(Control Area Network)控制局域网现场总线

  CAN最早由德国BOSCH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国际标准组织制订为国际标准,得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持,已广泛应用在离散控制领域。

  CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的,不过,其模型结构只有3层,只取OSI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,通信速率最高可达 1Mbps/40m,直接传输距离最远可达 1 0km/kbps,可挂接设备最多可达 110个。CAN的信号传输采用短帧结构,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。它采用总线仲裁技术,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。

  已有多家公司开发生产了符合CAN协议的通信芯片,如Intel公司的 82 52 7,Motorola公司的MC68HC05X4,Philips公司的 82C2 50等。还有插在PC机上的CAN总线接口卡,具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。

  小结

  目前国际上大约有40多种各具特色的现场总线,但没有任何一种现场总线能覆盖所有应用面,以上是在智能建筑领域中比较典型的几种,我国在这一技术领域还刚刚起步,了解国际上该项技术的现状与发展动向,对我国相关行业的发展,对自动化技术、设备的更新,无疑具有重要的作用。


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