兩種現(xiàn)場(chǎng)總線的比較

1、摘要現(xiàn)場(chǎng)總線是自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。它以總線為紐帶，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接起來成為一個(gè)能夠相互交換信息的控制網(wǎng)絡(luò)，是一種雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)。CAN總線是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，它最初被應(yīng)用于汽車的控制系統(tǒng)中。由于其卓越的性能，CAN總線的應(yīng)用范圍已不再局限于汽車工業(yè)，被廣泛應(yīng)用到自動(dòng)控制、樓宇自動(dòng)化、醫(yī)學(xué)設(shè)備等各個(gè)工業(yè)控制領(lǐng)域。本文介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線及其特點(diǎn)，然后以CAN總線為重點(diǎn)，說明了CAN總線的特點(diǎn)及工作原理。接著分析了CAN總線在電氣控制領(lǐng)域的應(yīng)用，以在變電站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用為重點(diǎn)，根據(jù)變電站監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和要求提出自己的設(shè)計(jì)思想。關(guān)鍵字：現(xiàn)場(chǎng)總線、

2、CAN總線、控制系統(tǒng)、變壓器一、 INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)簡(jiǎn)介INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線是由德國(guó)Phoenix Contact公司開發(fā)。INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線是一種開放的串行總線，可以構(gòu)成各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并允許有16級(jí)嵌套連接方式。該總線最多可掛512個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，設(shè)備之間的最大距離為400m，無需中繼器網(wǎng)絡(luò)的最大距離為12.8cm。INTERBUS總線包括運(yùn)程總線和本地總線，遠(yuǎn)程總線用于遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，采用RS85傳輸，網(wǎng)絡(luò)本身不供電，通信速率為500Kbps和2Mbps。INTERBUS有自己獨(dú)特的環(huán)路結(jié)構(gòu)，環(huán)路使用標(biāo)準(zhǔn)電纜同時(shí)傳送數(shù)據(jù)和電源。環(huán)路可以連接模擬、數(shù)字設(shè)備甚至復(fù)雜的傳感器/執(zhí)

3、行器，也允許直接接入智能終端儀表。協(xié)議包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)鏈路層采用面向過程數(shù)據(jù)的傳輸方式及集總幀協(xié)議，可以傳輸循環(huán)過程數(shù)據(jù)和非循環(huán)過程數(shù)據(jù)；幀信息包括一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)、回送信息、數(shù)據(jù)安全/結(jié)束信息。集總幀具有非常高的傳輸速率，其速率高達(dá)52%。盡管INTERBUS通信速率為500Kbps和2Mbps，通信速率和效率很高。應(yīng)用層服務(wù)用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換、VFD支持、變量訪問、程序調(diào)用和12個(gè)相關(guān)的服務(wù)。INTERBUS總線有很強(qiáng)的監(jiān)視、診斷功能。總線監(jiān)控功能可以監(jiān)視整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也提供總線網(wǎng)絡(luò)的變結(jié)構(gòu)功能，能及時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，關(guān)斷和連接總線的某個(gè)子總線段。監(jiān)控功能是現(xiàn)

4、場(chǎng)安裝、調(diào)試、診斷和維護(hù)的有力工具。具體功能是識(shí)別和確定安裝錯(cuò)誤和部件錯(cuò)誤?，F(xiàn)場(chǎng)總線模塊具有輸入/輸出的狀態(tài)顯示，在調(diào)試時(shí)可設(shè)置輸出狀態(tài)，也可以保存某些智能設(shè)備的參數(shù)。為了提高工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的安全性，以滿足制造業(yè)和工業(yè)過程自動(dòng)化故障安全通信的要求，特別是在汽車制造業(yè)中具有安全總線的功能被放在首位。INTERBUS俱樂部從1999年開始進(jìn)行INTERBUS安全總線研究，在2001年得到了德國(guó)BIA組織EN954-1KAT.4標(biāo)準(zhǔn)的許可證，它符合IEC61508安全通信標(biāo)準(zhǔn)。INTERBUS的安全總線由一個(gè)Safe Control控制模塊和現(xiàn)場(chǎng)分散式智能模塊組成，控制模塊的唯一功能就是控制安全數(shù)據(jù)。這種

5、方案優(yōu)于其它方案，因?yàn)樗鼘⒖刂葡到y(tǒng)與安全總線的功能截然分開，控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)清晰、簡(jiǎn)單，不影響今后的擴(kuò)展和修改，成本明顯降低。二、 INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn)（1）系統(tǒng)的開放性 現(xiàn)場(chǎng)總線致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。用戶根據(jù)自己的需求，通過現(xiàn)場(chǎng)總線把來自不同廠商的產(chǎn)品組成大小隨意的開放互連系統(tǒng)。（2）互操作性與互用性 互操作性是指實(shí)現(xiàn)互聯(lián)設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)互相替換。(3)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性 它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診

6、斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成一種新的全分散式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，從根本上改變了集中于分散結(jié)合的DCS體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。Interbus是一種器件級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線，它快速、準(zhǔn)確（令牌傳送、環(huán)形拓?fù)洌?，最多可以連接512個(gè)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，每段距離為400m。他的傳輸速率在500Kbps到12Mbps之間；而且傳輸?shù)木嚯x間于100m到400m；它所運(yùn)用的傳輸介質(zhì)就是雙絞線。三、 INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用實(shí)例INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在港口的應(yīng)用INTERBUS總線以ISO/OSI的七層通訊標(biāo)準(zhǔn)模型為參考，總線物理層采用RS485串行通信標(biāo)準(zhǔn)，采用環(huán)型數(shù)據(jù)

7、鏈路，傳輸速率恒定為500K和2M。樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可連接254個(gè)子站，易于分層，易于擴(kuò)展。每?jī)蓚€(gè)子站之間距離可達(dá)400米，采用屏蔽雙絞線傳輸時(shí)整個(gè)系統(tǒng)總長(zhǎng)達(dá)12.8公里。而且在同一個(gè)系統(tǒng)中，三種傳輸媒介（雙絞線電纜，光纖，紅外）可以根據(jù)需要混合使用。尤其值得一提的是，它強(qiáng)大的診斷功能，是INTERBUS區(qū)別于其它總線所獨(dú)有的。獨(dú)立的診斷程序提供了詳細(xì)的故障信息（故障地址、故障類型和故障歷史記錄）。其中，準(zhǔn)確的故障地址為用戶快速排除故障提供了可能。 INTERBUS總線在雙絞線上的差分電壓信號(hào)保證了強(qiáng)大的抗干擾性。通過交換專門的狀態(tài)信息來檢查相鄰INTERBUS總線設(shè)備的連接，作為遠(yuǎn)程總線檢查的

8、結(jié)果，可從總線電纜的斷裂或接觸不良產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的錯(cuò)誤信息。并在數(shù)據(jù)環(huán)中有一個(gè)標(biāo)志性的返回字，總線控制板通過它比較一個(gè)掃描周期的時(shí)間；同時(shí)總線控制板按照該返回字的專門比特序列找出發(fā)生在傳輸路徑或總線設(shè)備中的錯(cuò)誤，周期性地對(duì)兩個(gè)總線設(shè)備中的傳輸路徑進(jìn)行冗余檢查。這樣似的傳輸可靠性的得到保障。 四、 CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)簡(jiǎn)介CAN是控制局域網(wǎng)絡(luò)（control Area Network）的簡(jiǎn)稱，最早由德國(guó)BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范已被ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。由于得到了Motorola， Intel, Ohilip, Siemence, NE

9、C等公司的支持，它廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。CAN協(xié)議也是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型基礎(chǔ)上的，不過其模型結(jié)構(gòu)只有三層，即只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層。其信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線。通信速率最高可達(dá)1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/5kbps?？蓲旖釉O(shè)備數(shù)量最多可達(dá)110個(gè)。 CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。 CAN是目前比較流行的一種現(xiàn)場(chǎng)總線,最早用于汽車內(nèi)部檢測(cè)部件與執(zhí)行部件間的數(shù)據(jù)通信。由于本身的特點(diǎn),其應(yīng)用范圍已不再局限于汽車工業(yè),而向過程控制、機(jī)械工業(yè)、紡織工業(yè)、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械、智

10、能建筑等領(lǐng)域發(fā)展。CAN 已經(jīng)形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),并已經(jīng)被公認(rèn)為幾種最有效的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN 總線目前主要有兩種技術(shù)規(guī)范:即CAN2.0 Part A 和CAN2.0 Part B。五、 CAN 總線的特點(diǎn)a) 采用多主站工作方式,節(jié)點(diǎn)之間不分主從,依據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行總線訪問,通信方式靈活。b) 采用非破壞性總線仲裁技術(shù),當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí),按優(yōu)先級(jí)發(fā)送。c) 借助接收濾波的多地址幀傳送。d) 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求。CAN 的直線通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km (速率5Kbps 以下)通信速率最高可達(dá)1Mbps(此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40m) 。e) 全系統(tǒng)數(shù)據(jù)兼容,系統(tǒng)靈活。不關(guān)閉總線即可任意掛接或拆除

11、節(jié)點(diǎn)。f) 通信介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜或光纖,選擇靈活?，F(xiàn)場(chǎng)布線和安裝簡(jiǎn)單,易于維護(hù),經(jīng)濟(jì)性好。g) 嚴(yán)格的錯(cuò)誤檢測(cè)和界定。CAN 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能,以使總線上其它節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。h) CAN 總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路,在CAN2.0 B 標(biāo)準(zhǔn)中,其報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制。總之,CAN 總線具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、通信速率快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、互操作性好、總線協(xié)議具有完善的錯(cuò)誤處理機(jī)制、靈活性高和價(jià)格低廉等特點(diǎn)。六、 CAN的工作原理 當(dāng)CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),它以報(bào)文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)來說,無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的,都

12、對(duì)其進(jìn)行接收。每組報(bào)文開頭的11位字符為標(biāo)識(shí)符,定義了報(bào)文的優(yōu)先級(jí),這種報(bào)文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識(shí)符是唯一的,不可能有兩個(gè)站發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的報(bào)文。當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線讀取時(shí),這種配置十分重要。 一個(gè)站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識(shí)符傳送給本站的CAN芯片,并處于準(zhǔn)備狀態(tài);當(dāng)它收到總線分配時(shí), 轉(zhuǎn)為發(fā)送報(bào)文狀態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報(bào)文格式發(fā)出,這時(shí)網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個(gè)處于接收狀態(tài)的站對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行檢測(cè),判斷這些報(bào)文是否是發(fā)給自己的,以確定是否接收它。由于CAN總線是一種面向內(nèi)容的編址方案,因此很容易建立高水準(zhǔn)

13、的控制系統(tǒng)并靈活地進(jìn)行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進(jìn)一些新站而無需在硬件或軟件上進(jìn)行修改。當(dāng)所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設(shè)備時(shí),數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨(dú)立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化,即總線上控制器需要測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí),可由網(wǎng)上獲得,而無須每個(gè)控制器都有自己獨(dú)立的傳感器。七、 CAN總線通信模型CAN遵從OSI 模型，只采用了OSI 參考模型全部七層中的的兩層，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層分為物理層信號(hào)、物理媒體連接與介質(zhì)從屬接口三部分，完成電氣連接、定時(shí)、同步、位編碼解碼等功能；數(shù)據(jù)鏈路層分為：邏輯鏈路控制子層與媒體訪問控制子層兩部分。結(jié)構(gòu)圖如下所示。圖2-1 CAN總線的分層結(jié)構(gòu)八、 INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線與CAN現(xiàn)場(chǎng)總線比較現(xiàn)場(chǎng)總線特點(diǎn)應(yīng)用Interbus傳輸速率：500Kbps12Mbps傳輸距離;100400m傳輸介質(zhì)：雙絞線廣泛應(yīng)用于車間設(shè)備控制或PLC網(wǎng)絡(luò)控制CAN傳輸速率;5kbps傳輸距離;19km傳