* 2007-10-26 收到, 2007-12-28 改回 * * 王登磊, 男, 1977 年生, 硕士研究生, 研究方向: 嵌入式系统开发与设计。
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常用现场总线 的比较分析200 年 Pro fibus- P A 采用扩展的P rof ibus- DP 协议, 另外还 有现场设备描述的 PA 行规; P rof ibus- FM S 根据 OSI 参考模型定义了物理层、链路层和应用层, 其中应用层 包含 了 现场 总 线报 文 规范 FM S ( FieldBus Message Specif icat ion ) 和 低 层 接 口 LL I ( L ow er L ayer Int erf ace) , 最高通信速率为 12M b/ s( 通信距离不超过 100m) , 最大通信距离为 1 200m ( 通信速率为 9. 6kb/ s) 。如果采用中继器可延长至10km , 其传输介质可以 是双绞线或光缆。每个网络可挂 32 个节点, 如带中继 器, 最多可挂 127 个节点。
L onWors 的信号传输采用可变长帧结构。每帧的 有 效 字 节 可 由 0 ～ 288 个。 Lo nWor ks 所 采 用 的 L onT alk 通信协议被封装在称之为 Neuron 的神经元 芯片中。芯片中有 3 个 8 位 CPU , 一个用于实现 ISO/ OSI 模型中的第1 层和第2 层的功能, 称为媒体访问控 制处理器; 第二个用于完成 3～6 层的功能, 称为网络 处理器; 第三个对应于第 7 层, 称为应用处理器。芯片 中还具有信息缓冲区, 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。采用 Lo nw orks 技 术和神经元芯片的产品, 被广泛应用在楼宇自动化、保 安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。
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 1M bps/ 40m , 直接传输距离最远可达 10km / 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
用层为F F 通信模型的相应层次, 并在应用层上增加了 用户层。
基金会现场总线分低速H 1 和高速H2 两种通信速 率。H1 的传输速率为 31. 25kb/ s, 通信距离可达1 900 m ( 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 1M b/ s 和 2. 5M b/ s 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。根据 IEC/ SC65C 最初定义 H1 总线为用于制造或过程区域的、通过两根传输线向现 场装置供电的低速串行总线, H2 总线为无需解决两线 制供电, 用于装置间传送信息的高速串行总线。H1 和 H2 总线相辅相成构成了完整的工业自动化系统信息 通信网络。
第 21 卷 第 2 期
电脑开发与应用
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文章编号: 1003-5850( 2008) 02-0041-03
常用现场总线的比较分析
Comparison and Analysis of Common Fieldbus
王登磊 黄 磊 范学英
( 西北师范大学 兰州 730070)
【摘 要】现场总线是一种工业数据总线, 它是自动化领域中计算机通信体系最底层的低成本网络。为使能够快
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。
1. 4 LonWorks 现场总线 L onWorks 是由美国 Echel on 公司研制、于 1990
年正式公布的现场总线网络。它采用了ISO/ OSI 模型 中完整的七层通信协议, 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, 其最 高通信速率为 1. 25M b/ s( 通信距离不超过 130m ) , 最 远通信距离为2 700m ( 通信速率为 78kb/ s) , 节点总数 可达32 000个。网络的传输介质可以是双绞线、同轴电 缆、光纤、射频、红外线、电力线等。
1. 2 Profibus 现场总线 Pro fibus ( Pr ocess Field BU S) [ 2] 是德国国家标准
DIN 19245 和欧洲标准 EN 50170 所规定的现场总线 标准。P rof ibus 由 三个兼容部分组 成, 即 Pro fibus DP 、Pr ofibus- P A 和Pr ofibus- F M S。其中Prof ibusDP 是一种高速低成本通信系统。它按照OSI 参考模型 定义了物理层、数据键路层和用户接口; Pr ofibus- P A 专为过程自动化设计, 可使变送器与执行器连接在一 根 总 线 上, 并 提 供 本 质 安 全 和 总 线 供 电 特 性。
automa tio n system. T o find a suitable fieldbus to meet a pr actical applicatio n needs quickly and easily, t his paper g ives a clear
analy sis and com par ison fo r co mmon fieldbus. It pr vv ides g uidelnes for cho osing suitable fieldbus.
Pro fibus 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P rof ibus 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。 Pro fibus- DP 主要应用在工厂自动化和楼宇自动化、 Pro fibus- P A 主要应用在流程工业、Prof ibus- FM S 主要应用在工厂级或车间级通信。
基金会现场总线[ 1] , 即 Fo udation F ieldbus, 简 称 FF , 这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。其前身是以美国Fisher-Ro usem ount 公司为首, 联合Fo xboro 、横河、ABB、西门子等80 家公 司制订的 ISP 协议和以 Honey w ell 公司为首, 联合欧 洲等地的 150 家公司制订的WordFIP 协议。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 开发出国际上统一的现场总线协议。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
1. 3 CAN 现场总线 CAN ( Control Area Netw o rk) 总 线最 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 Mo to rola、Int el、Philips、 Siem ens、NEC 等公司的 支持, 已 广泛应用 在离散 控 制、汽车制造、交通运输、医疗器械、传感器领域。
速、便捷地找到合适的一种现场总线以解决实际中的应用需求, 对常用现场总线做了明确的分析和比较, 从而
为国内各行业选择适合自己的现场总线提供了指导。
【关键词】现场总线, 现场总线基金会, 工业以太网
中图分类号: T P 336
文献标识码: A
ABSTRACT Fieldbus is an indust rial data bus, it is low -co st netwo r k and the bo tto m in the field of co mput er co mmunica tio n o f
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, 使总线上的其他节点及其通 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他 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
1. 5 WorldFIP 现场总线 WorldFIP ( World F act ory Inst rument
Pro t ocol ) [ 3] 最初由 Cegelec 等几家法国公司在原有通 信技术的基础上根据用户的要求所制定, 随后即成为 法国 标 准, 后 来 又 采 纳 了 IEC 物 理 层 国 际 标 准 ( IEC6ll58-2) , 并命名为 WorldFIP。Wor ldF IP 是欧洲 现场总线标准EN50170-3。Wor ldF IP 组织成立于1987 年, 目前包括有 AL ST OM 、Schneider、Honeyw ell 等世 界著名大公司在内的 100 多个成员。
WorldFIP 协议按照OSI 参考模型定义了物理层、 数据链路层和应用层。Wo rldF IP 采用有调度的总线 访 问 控 制, 通 信 速 率 分 别 为 31. 35kb/ s、1Mb/ s、 2. 5Mb/ s, 对应的最大通信距离分别为5 000m 、1 000 m、500m , 其通信介质为双绞线。如果采用光纤, 其最 大 通信 距离可 达 40k m 。每段 现场 总线 的最 大节 点数 为 32 个, 使用分线盒可连接256 个节点。整个网络最多可 以使用3 个中继器, 连接4 个网段。WorldFIP 的特点是 具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求, 而且没有任何网关或网桥, 用软件的办法来解决高速 和低速的衔接。主要应用在电力工业、铁路、交通、工业