智能建筑设备自动化系统中几种常见的现场总线标准

现场总线技术的核心是它的通信协议。它必须根据国际标准化组织（ISO）制定的计算机网络的开放系统互连参考模型（OSI/RM）来制定，这是一种开放的七层网络协议标准。各厂商在实际制定自己的通信协议时，并非都在产品中实现了这七层协议，而往往依据侧重点的不同，仅仅实现该七层协议的子集。比如，侧重通信的数据链路的产品，它们的通信协议标准中实现了OSI参考模型的物理层、数据链路层以及应用层等；而对注重网络功能的产品，在其通信标准中，除实现了OSI参考模型的物理层、数据链路层和应用层外，还实现了网络层，甚至更多层。

到目前为止，世界上约有40多种现场总线标准，其中比较流行的几种是：CAN、FF、Profibus、HART和LonWorks等。

1.控制局域网（CAN）总线

控制局域网（Control Area Network，CAN）是由德国Bocsh公司及几个半导体集成电路制造商共同开发出来的，最初专门用于汽车内部测量与执行机构之间的数据通信，目的是为了节省接线的工作量，后来由于自身的特点被广泛应用到各行各业。目前，CAN总线规范已被国际标准化组织（ISO）制定为国际标准。在所有现场总线中，它是唯一被国际标准化组织批准的现场总线。由于得到了Motorola、In-tel、Philips和NEC等公司的支持，它广泛应用于离散控制领域。

CAN协议也遵循ISO/OSI参考模型，其模型结构只有三层，即只取了OSI参考模型底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。CAN采用多主工作站方式，节点之间不分主从，但节点之间有优先级之分，通信方式灵活，可实现点对点、一点对多点及广播方式传输数据，无需调度。CAN总线可采用双绞线，同轴电缆或光纤作为传输介质，通信速率可达1Mbit/s（40m），直接通信距离最远可达10km/5k（bit/s），可挂接设备数最多可达110个。CAN总线的信号传输采用短帧结构，每帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，CAN总线具有自动关闭功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点和通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。可见，CAN总线是所有总线中最为可靠的。

2.基金会现场总线（FF）

基金会现场总线（Foundation Fieldbus，FF）是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好前景的技术。它的前身是以美国Fisher-Rosement公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制定的可互操作系统协议（ISP）和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制定的世界工厂仪表协议（WorldFIP）。由于屈于用户的压力，这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI参考模型为基础，选取其中的物理层、数据链路层和应用层作为其通信模型的相应层次，并在应用层上增加用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言（DDL）规定了通用的功能块集。由于这些公司是该领域自控设备的主要供应商，对工业底层网络的功能需求了解透彻，也具备足以左右该领域现场自控设备发展方向的能力，因而由它们组成的基金会所颁布的现场总线规范具有一定的权威性。

FF分为低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25kbit/s，通信距离为1900m（加中继器可以延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率可分为1Mbit/s和2.5Mbit/s两种，其通信距离分别为750m和500m。FF的物理传输介质可采用双绞线、光缆和无线射频，协议符合IEC61158-2标准，传输信号采用曼彻斯特编码。

FF的主要技术内容包括：FF通信协议，用于完成OSI参考模型中的第2～7层通信协议的通信栈，用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的设备描述语言（DDL）、设备描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的块，实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件，以及构筑集成自控系统、网络系统的系统集成技术。

FF适用于石油、化工、钢铁、电站连续生产过程和部分批量生产，其相应的FCS产品适合连续的生产过程自动化。1996年在芝加哥举行的ISA96展示会上，首次向世界展示了来自40多个厂商的70多种符合FF的产品。(www.xing528.com)

3.过程现场总线（Profibus）

Profbus是符合德国国家标准DIN9245和欧洲标准EN50170的现场总线标准，在实际应用中成绩斐然，在众多总线中居于前列。目前，Profibus主要应用于制造业、流程工业、交通、冶金、楼宇自动化等领域。

目前Profbus主要有三种系列：Profibus-DP，Profibus-FMS，ProfiBus-PA，其中，DP型应用于现场级监控网络，是一种高速、低成本通信，适用于各级控制系统与分散式I/O的实时通信，可应用于加工自动化领域；FMS型用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络，适用于纺织、楼宇自动化、可编程序控制器、低压开关等领域；PA型则专为过程自动化设计，它采用了IEC61158-2传输技术，可实现总线供电和本质安全防爆。Profibus协议采用了OSI参考模型的物理层和数据链路层，而FMS又增加了应用层。传输速率为9.6kbit/s～12Mbit/s，最大传输距离为100m/10Mbit/s，400m/1.5Mbit/s，可用中继器延长至10km，其传输介质可采用双绞线或光缆，最多可以挂接127个站点。

Profibus访问协议是一种混合协议，包括主站之间的令牌环（Token Ring）传递方式和主站与从站之间的主从方式。主站在一个限定时间内（令牌占有时间）具有总线访问权，从站仅按照主站的询问作出应答，它没有总线访问权。主、从站在任何时候都可以增设或拆除，改变之后，现场总线数据链路层将自动对令牌环重新组态。

4.可寻址远程传感器的高速通道（HART）总线

HART是High Way Addressable Remote Transducer的缩写。它最早由Rosemount公司开发，并得到超过80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点在于，利用现有的模拟信号传输线实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，并得到了较快的发展。HART总线能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可以组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。

HART总线规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令：第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备（尽管不是全部）中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的厂商所独有。在一个现场设备中，通常可同时存在这三类命令。

HART总线采用统一的设备描述语言（DDL），现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述，并把它们编为设备描述字典。主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数，而不必为这些设备开发专用的接口。由于这种技术采用模拟和数字信号混合使用，因此导致难以开发出一种满足各厂商要求的通信接口芯片。

从以上的比较可以看出，每一种现场总线都有其主要的应用领域。在智能建筑控制领域，由于国际标准化组织迟迟未定出关于楼宇自动化控制网络的标准规范，所以目前尚未有一个国际统一的标准。在优胜劣汰的竞争下，当前只有BACnet标准和LonWorks标准应用最为广泛，被世界各大楼宇自控公司一致认为是当前“最先进的”、“有非常大的潜在能力的”两种技术。下面分别对这两种主流技术进行详细介绍。