现场总线在监测系统中的应用

目前，在国际上各种各样的现场总线就有好几百种，已开发出的现场总线有40多种，在不同的领域发挥着重要的作用，但是统一的国际标准还没有建立。现从国内、外应用的现场总线来看主要有基金会现场总线、PROFIBUS现场总线、CAN现场总线、HART现场总线和LonWorks现场总线等等。

1.基金会现场总线

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发展前景的技术。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模式的相应层次，并在应用层上增加了用户层。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，采用设备描述语言规定了通用的功能块集^[8-9]。

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31.25kbit/s，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的传输速率有1Mbit/s和2.5Mbit/s两种，其通信距离为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。

基金会现场总线物理媒介的传输信号采用曼彻斯特码，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。接收方即可根据跳变的极性来判断数据“1”、“0”状态，也可根据数据的中心位置精确定位。

为满足用户需要，Honeywell、Ronan等公司已经开发出可完成物理层和部分数据链路层协议的专用芯片，许多仪表公司也已经开发出符合FF协议的产品。H1总线已经通过α测试和β测试，完成了由13个不同厂商提供设备而组成的FF现场总线工厂试验系统。H2总线标准也已经形成。

2.PROFIBUS总线

PROFIBUS（Process Fieldbus）是由西门子等公司组织开发研究所共同推出的、符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN5O170的现场总线，是一种不依赖于制造商的开放式现场总线标准，并于2000年成为IEC 61158国际现场总线之一，2001年成为我国的机械行业标准JB/T 10308^[10]。

PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，并且是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼字、交通电力等其他领域自动化。

PROFIBUS由三个部分组成，它们分别是PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS。

PROFIBUS-DP适用于传感器和执行器级的高速数据传输，它以DIN19245的第一部分为基础，根据其所需要达到的目标对通信功能加以扩充，DP的传输速率可达12Mbit/s，一般构成主站系统，主站、从站间采用循环数据传输方式工作。

PROFIBUS-PA适用于对于安全性要求较高的场合，制定了PROFIBUS-PA协议、这由DIN19245的第四部分描述。PA具有本质安全特性，它实现了IEC1158-2规定的通信规程。

PROFIBUS-PA是PROFIBUS的过程自动化解决方案，PA将自动化系统和过程控制系统与现场设备，如压力、温度和液位变送器等连接起来，代替了4～20mV模拟信号传输技术，在现场设备的规划、敷设电缆、调试、投入运行和维护等方面可节约成本40%之多，并大大提高了系统功能和安全可靠性，因此PA尤其适用于石油、化工、冶金等行业的过程自动化控制系统。

PROFIBUS-FMS的设计旨在解决车间一级通用性通信任务，FMS提供大量的通信服务，用以完成以中等传输速率进行的循环和非循环的通信任务。由于它是完成控制器和智能现场设备之间的通信，以及控制器之间的信息交换，因此，它考虑的主要是系统的功能，而不是系统响应时间，应用过程通常要求的是随机的信息交换（如改变设定参数等）。强有力的FMS服务向人们提供了广泛的应用范围和更大的灵活性，可用于大范围和复杂的通信系统。

PROFIBUS的协议结构如图3-1所示。

图3-1 PROFIBUS协议结构(www.xing528.com)

PROFIBUS-DP协议结构，使用第1层、第2层和用户接口层，第3～7层未用，这种精简的结构确保高速数据传输。物理层采用RS485标准规定了传输介质、物理连接和电气等特性。PROFIBUS-DP的数据链路层称为现场总线数据链路层（Fieldbus Data Link layer，FDL），包括与PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA兼容的总线介质访问控制MAC以及现场总线链路控制（Fieldbus Link Con-trol，FLC）层和第2层的现场总线管理（Fieldbus Link Mapper layer 1 and 2，FMA1/2），完成第二层待定总线参数的设定和第1层参数的设定，它还完成这两层出错信息的上传。PROFIBUS-DP的用户层包括直接数据链路映射（Direct Data Link Mapper，DDLM）、DP的基本功能、扩展功能以及设备行规。DDLM提供了方便访问FDL的接口，DP设备行规是对用户数据含义的具体说明，规定了各种应用系统和设备的行为特性。这种为高速传输用户数据而优化的PROFIBUS协议特别适用于可编程序控制器与现场级分散I/O设备之间的通信。

PROFIBUS-FMS的协议结构，使用了第1层、第2层和第7层。应用层（第7层）包括FMS（现场总线报文规范）和LLI（低层接口）。FMS包含应用协议和提供的通信服务。LLI建立各种类型的通信关系，并给FMS提供对第2层的不依赖于设备的访问。

FMS处理单元级（PLC和PC）的数据通信。功能强大的FMS服务可在广泛的应用领域内使用，并为解决复杂通信任务提供了很大的灵活性。

PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-DP使用相同的传输技术和总线存取协议。因此，它们可以在同一根电缆上同时运行。

PROFIBUS-PA的协议结构，使用扩展的PROFIBUS-DP协议进行数据传输。此外，它执行规定现场设备特性的PA设备行规。传输技术依据IEC 1158-2标准，确保本质安全和通过总线对现场设备供电。使用段耦合器可将PROFI-BUS-PA设备很容易地集成到PROFIBUS-DP网络中。

PROFIBUS-PA是为达到过程自动化工程中的高速、可靠的通信要求而特别设计的。用PROFIBUS-PA可以把传感器和执行器连接到通常的现场总线（段）上，即使在防爆区域的传感器和执行器也可如此^[11]。

3.CAN总线

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，然而其模型结构只有3层，仅包含OSI的物理模型、数据链路层和应用层。CAN的信号传输介质为双绞线。传输速率最高可达1Mbit/s，传输距离40m；直接传输距离最远可达10km、传输速率5kbit/s，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，其具有自动关闭功能可以自动切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点及其通信不受影响，因此具有较强的抗干扰能力。

CAN总线具有大量的优点，比如多主控制通信方式，总线空闲时任何节点均可发送消息。CAN总线基于非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，仲裁失利的节点会主动退出发送，仲裁胜利的节点可不受影响地继续传输数据。与总线相连的单元没有类似“地址”的信息，因此在总线上增加单元时，连接在总线上的其他单元的软硬件及应用层都不需要改变。通过报文滤波，CAN总线可以实现点对点、一对多、广播等方式传送、接受数据。

CAN的应用层协议在已有的CAN底层协议之上，各个机构制订了不同应用层协议。现有的CAN应用层协议主要有CAL协议、CANOpen协议、DeviceNet协议，SDS协议、CANKingdom协议等，其中DeviceNet和CANOpen是占有主流地位的两个协议。它们适用于不同的市场，DeviceNet协议适用于工厂自动化控制，CANOpen协议适用于机电设备的嵌入式网络。因此CANOpen协议占领着汽车电子领域，而DeviceNet成为工业控制领域中的佼佼者^[2]。CAN总线数据采集的系统原理图如图3-2所示。

图3-2 CAN总线数据采集系统原理图^[12]

4.LonWorks总线

LonWorks总线是1991年由美国的Echelon公司推出的一种基于嵌入式神经元芯片的现场总线技术。它被广泛地应用在楼宇自动化、保安系统、办公设备、工业过程控制、飞机、火车等领域。LonWorks采用OSI参考模型的全部七层通信协议，这在工业控制网络中是非常少见的，同样它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，其通信速率从300bit/s至1.5Mbit/s不等，直接通信距离可达2700m（78kbit/s，双绞线）支持双绞线、同轴光缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，所以它被称为通用的控制网络统，适应面最广，是一种有强劲实力的现场总线技术^[13]。

在LonWorks现场总线控制中，系统中的多个设备通过多个节点连接到一根公共总线上，使得各个节点间能够进行通信和资源的共享，而每个LON节点由一片Neuron芯片、传感和控制设备、收发器和电源组成。这样设计的系统能够大量减少系统中的连接线，不仅节省了硬件的数量与投资，因为总线系统的连接线十分的简单，还节省了安装费用。集成的Neuron芯片中有3个8位CPU，一个用于完成开放互连模型中的1、2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用于完成3～6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。

基于LonWorks技术的数据采集方案就是由采集节点对现场数据进行采集，以网络变量形式发送数据，上位机根据需要通过网络适配器或网卡启动DDE Server软件读取数据。