1、基金會現(xiàn)場總線
基金會現(xiàn)場總線，即foudationfieldbus,簡稱ff，這是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術。其前身是以美國fisher-rousemount公司為首，聯(lián)合foxboro、橫河、abb、西門子等80家公司制訂的isp協(xié)議和以honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的wordfip協(xié)議。屈于用戶的壓力，這兩大集團于1994年9月合并，成立了現(xiàn)場總線基金會，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。它以iso/osi開放系統(tǒng)互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為ff通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。
基金會現(xiàn)場總線分低速h1和高速h2兩種通信速率。h1的傳輸速率為 3125kbps,通信距離可達 1900m (可加中繼器延長),可支持總線供電，支持本質安全防爆環(huán)境。h2的傳輸速率為 1mbps和 2.5mbps兩種，其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質可支持比絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合iec1158-2標準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼，每位發(fā)送數據的中心位置或是正跳變，或是負跳變。正跳變代表0，負跳變代表1，從而使串行數據位流中具有足夠的定位信息，以保持發(fā)送雙方的時間同步。接收方既可根據跳變的極性來判斷數據的“1”、“0”狀態(tài)，也可根據數據的中心位置精確定位。
為滿足用戶需要，honeywell、ronan等公司已開發(fā)出可完成物理層和部分數據鏈路層協(xié)議的專用芯片，許多儀表公司已開發(fā)出符合ff協(xié)議的產品，1總線已通過ａ測試和β測試，完成了由 13個不同廠商提供設備而組成的ff現(xiàn)場總線工廠試驗系統(tǒng)。2總線標準也已經形成。
1996年10月，在芝加哥舉行的isa96展覽會上，由現(xiàn)場總線基金會組織實施，向世界展示了來自40多家廠商的70多種符合ff協(xié)議的產品，并將這些分布在不同樓層展覽大廳不同展臺上的ff展品，用醒目的橙紅色電纜，互連為七段現(xiàn)場總線演示系統(tǒng)，各展臺現(xiàn)場設備之間可實地進行現(xiàn)場互操作，展現(xiàn)了基金會現(xiàn)場總線的成就與技術實力。
2、lonworks
lonworks是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術，它是由美國ecelon公司推出并由它們與摩托羅拉、東芝公司共同倡導，于1990年正式公布而形成的。它采用了iso/osi模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置，其通訊速率從300bps至15mbps不等，直接通信距離可達到2700m(78kbps，雙絞線),支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質，并開發(fā)相應的本安防爆產品，被譽為通用控制網絡。
lonworks技術所采用的lontalk協(xié)議被封裝在稱之為neuron的芯片中并得以實現(xiàn)。集成芯片中有3個8位cpu;一個用于完成開放互連模型中第 1～ 2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實現(xiàn)介質訪問的控制與處理 ;第二個用于完成第3～6層的功能，稱為網絡處理器，進行網絡變量處理的尋址、處理、背景診斷、函數路徑選擇、軟件計量時、網絡管理，并負責網絡通信控制、收發(fā)數據包等;第三個是應用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區(qū)，以實現(xiàn)cpu之間的信息傳遞，并作為網絡緩沖區(qū)和應用緩沖區(qū)。如motorola公司生產的神經元集成芯片mc143120e2就包含了2kram和2keeprom。
lonworks技術的不斷推廣促成了神經元芯片的低成本 (每片價格約 5～9美元)，而芯片的低成本又返過來促進了lonworks技術的推廣應用，形成了良好循環(huán)，據ecelon公司的有關資料，到1996年7月，已生產出 500萬片神經元芯片。
lonworks公司的技術策略是鼓勵各oem開發(fā)商運用lonworks技術和神經元芯片，開發(fā)自己的應用產品，據稱目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了lonworks技術:1000多家公司已經推出了lonworks產品，并進一步組織起lonwark互操作協(xié)會，開發(fā)推廣lonworks技術與產品。它被廣泛應用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設備、運輸設備、工業(yè)過程控制等行業(yè)。為了支持lonworks與其它協(xié)議和網絡之間的互連與互操作，該公司正在開發(fā)各種網關，以便將lonworks與以太網、ff、modbus、devicenet、profibus、serplex等互連為系統(tǒng)。
另外，在開發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面，lonworks神經元芯片也具有的優(yōu)勢。lonworks技術已經被美國暖通工程師協(xié)會asre定為建筑自動化協(xié)議bacnet的一個標準。根據剛剛收到的消息，美國消費電子制造商協(xié)會已經通過決議，以lonworks技術為基礎制定了eia-709標準。
這樣，lonworks已經建立了一套從協(xié)議開發(fā)、芯片設計、芯片制造、控制模塊開發(fā)制造、oem控制產品、最終控制產品、分銷、系統(tǒng)集成等一系列完整的開發(fā)、制造、推廣、應用體系結構，吸引了數萬家企業(yè)參與到這項工作中來，這對于一種技術的推廣、應用有很大的促進作用。
3、profibus
profibus是作為德國國家標準din 19245和歐洲標準pren 50170的現(xiàn)場總線。iso/osi模型也是它的參考模型。由profibus -dp、profibus -fms、profibus-pa組成了profibus系列。dp型用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動化領域的應用。fms意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等一般自動化，而pa型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從iec1158-2標準。該項技術是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用了osi模型的物理層、數據鏈路層，由這兩部分形成了其標準部分的子集，dp型隱去了3～7層，而增加了直接數據連接擬合作為用戶接口，fms型只隱去第3～6層，采用了應用層，作為標準的第二部分。pa型的標準目前還處于制定過程之中，其傳輸技術遵從iec1158-2 (1 )標準，可實現(xiàn)總線供電與本質安全防爆。
porfibus支持主—從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。主站具有對總線的控制權，可主動發(fā)送信息。對多主站系統(tǒng)來說，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點可在一個事先規(guī)定的時間內擁有總線控制權，共事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長時間。按profibus的通信規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行方向進行傳遞。主站在得到控制權時，可以按主—從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實現(xiàn)點對點通信。主站可采取對所有站點廣播 (不要求應答 ),或有選擇地向一組站點廣播。
profibus的傳輸速率為96～12kbps傳輸距離在12kbps時為1000m，15mbps時為400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接 127個站點。
4、can
can是控制網絡controlareanetwork的簡稱，由德國bosch公司推出，用于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數據通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被iso國際標準組織制訂為國際標準，得到了motorola、intel、philips、siemens、nec等公司的支持，已廣泛應用在離散控制領域。
can協(xié)議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎上的，不過，其模型結構只有3層，只取osi底層的物理層、數據鏈路層和頂上層的應用層。其信號傳輸介質為雙絞線，通信速率可達 1mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達 1 0km/kbps,可掛接設備最多可達 110個。
can的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節(jié)數為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當節(jié)點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點及其通信不受影響，具有較強的抗力。
can支持多主方式工作，網絡上任何節(jié)點均在任意時刻主動向其它節(jié)點發(fā)送信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收/發(fā)送數據。它采用總線仲裁技術，當出現(xiàn)幾個節(jié)點同時在網絡上傳輸信息時，優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數據，而優(yōu)先級低的節(jié)點則主動停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。
已有多家公司開發(fā)生產了符合can協(xié)議的通信芯片，如intel公司的 82 52 7，motorola公司的mc68hc05x4，philips公司的 82c2 50等。還有插在pc機上的can總線接口卡，具有接口簡單、編程方便、開發(fā)系統(tǒng)價格便宜等優(yōu)點。
5、hart
hart是highwayaddressableremotetransduer的縮寫。由rosemout公司開發(fā)并得到80多家儀表公司的支持，于1993年成立了hart通信基金會。這種被稱為可尋址遠程傳感高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數字系統(tǒng)轉變過程中工業(yè)過程控制的過渡性產品，因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較好的發(fā)展。
hart通信模型由3層組成 :物理層、數據鏈路層和應用層。物理層采用fsk(frequencyshiftkeying)技術在 4～20ma模擬信號上迭加一個頻率信號，頻率信號采用bell202國際標準;數據傳輸速率為1200bps,邏輯“0”的信號頻率為2200hz，邏輯“1”的信號傳輸頻率為 1200hz。
數據鏈路層用于按hart通信協(xié)議規(guī)則建立hart信息格式。其信息構成包括開頭碼、顯示終端與現(xiàn)場設備地址、字節(jié)數、現(xiàn)場設備狀態(tài)與通信狀態(tài)、數據、奇偶校驗等。其數據字節(jié)結構為1個起始位，8個數據位，1個奇偶校驗位，1個終止位。應用層的作用在于使hart指令付諸實現(xiàn)，即把通信狀態(tài)轉換成相應的信息。它規(guī)定了一系列命令;按命令方式工作。它有 3類命令，類稱為通用命令，這是所有設備理解、執(zhí)行的命令;第二類稱為一般行為命令，它所提供的功能可以在許多現(xiàn)場設備 (盡管不是全部 )中實現(xiàn)，這類命令包括的現(xiàn)場設備的功能庫;第三類稱為特殊設備命令，以便在某些設備中實現(xiàn)特殊功能，這類命既可以在基金會中開放使用，又可以為開發(fā)此命令的公司所。在一個現(xiàn)場設備中通?？砂l(fā)現(xiàn)同時存在這3類命令。hart支持點對點主從應答方式和多點廣播方式。按應答應方式工作時的數據更新速率為2～3次/ｓ,按廣播方式工作時的數據更新速率為 3～4次 /ｓ,它還可支持兩個通信主設備?？偩€上可掛設備數多達 15個，每個現(xiàn)場設備可有256個變量，每個信息可包含4個變量。傳輸距離3000m，hart采用統(tǒng)一的設備描述語言ddl?，F(xiàn)場設備開發(fā)商采用這種標準語言來描述設備特性，由hart基金會負責登記管理這些設備描述并把它們編為設備描述字典，主設備運用ddl技術，來理解這些設備的特性參數而不必為這些設備開發(fā)專用接口。但由于這種模擬數字混信號制，導致難以開發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。hart能利用總線供電，可滿足本安防爆要求。
6、rs-485
盡管ｒｓ-485不能稱為現(xiàn)場總線，但是作為現(xiàn)場總線的鼻祖，還有許多設備繼續(xù)沿用這種通訊協(xié)議。采用rs-485通訊具有設備簡單、低成本等優(yōu)勢，仍有一定的生命力。以rs-485為基礎的opto-22命令集等也在許多系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。
四、現(xiàn)場總線技術展望與發(fā)展趨勢
發(fā)展現(xiàn)場總線技術已成為工業(yè)自動化領域廣為注的焦點課題，國際上現(xiàn)場總線的研究、開發(fā)，使測控系統(tǒng)沖破了長期封閉系統(tǒng)的禁錮，走上開放發(fā)展的征程，這對我國現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展是個的機會，也是一次嚴峻的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)場總線技術是控制、計算機、通訊技術的交叉與集成，涉及的內容十分廣泛，筆者認為應不失時機地抓好我國現(xiàn)場總線技術與產品的研究與開發(fā)。自動化系統(tǒng)的網絡化是發(fā)展的大趨勢，現(xiàn)場總線技術受計算機網絡技術的影響是十分深刻的?，F(xiàn)在網絡技術日新月異，發(fā)展十分迅猛，一些具有重大影響的網絡新技術必將進一步融合到現(xiàn)場總線技術之中，這些具有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線技術有:智能儀表與網絡設備開發(fā)的軟硬件技術 ;組態(tài)抗術，包括網絡拓撲結構、網絡設備、網段互連等;網絡管理技術，包括網絡管理軟件、網絡數據操作與傳輸 ;人機接口、軟件技術;現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成技術?，F(xiàn)場總線屬于尚在發(fā)展之中的技術，我國在這一技術領域還剛剛起步，了解國際上該項技術的現(xiàn)狀與發(fā)展動向，對我國相關行業(yè)的發(fā)展，對自動化技術、設備的更新，無疑具有重要的作用?？傮w說來，自動化系統(tǒng)與設備將朝著現(xiàn)場總線體系結構的方向前進，這一發(fā)展趨勢是肯定的。既然是總線，就要向著趨于開放統(tǒng)一的方向發(fā)展，成為大家都遵守的標準規(guī)范，但由于這一技術所涉及的應用領域十分廣泛，幾乎覆蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領域，如過程自動化、制造加工自動化、樓半自動化、家庭自動化等等。大千世界，眾多領域，需求各異，一個現(xiàn)場總線體系下可能不止容納單一的標準。另外，從以上介紹也可以看出，幾大技術均具有自己的特點，已在不同應用領域形成了自己的優(yōu)勢。加上商業(yè)利益的驅使，它們都各自正在十分激烈的市場競爭中求得發(fā)展。有理由認為:在從現(xiàn)在起的未來 10ａ內，可能出現(xiàn)幾大總線標準共存，甚至在一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)內，幾種總線標準的設備通過路由網關互連實現(xiàn)信息共享的局面。在連續(xù)過程自動化領域內，今后10ａ內，ff基金會現(xiàn)場總線將成為主流發(fā)展趨勢，lonworks將成為有力的競爭對手，hart作為過渡性產品也能有一定的市場。這3種技術是從這一領域的工業(yè)需求出發(fā)，其用戶層的各種功能是專業(yè)連續(xù)過程設計的，而且充分考慮到連續(xù)工業(yè)的使用環(huán)境，如支持總線供電，可滿足本質安全防爆要求等。另外，ff基金會幾乎集中了世界上主要自動化儀表制造商;lonworks形成了全面的分工合作體系。這些因素對成為這一領域的主流技術是十分關鍵的。
由于hart建立在目前廣泛采用的模擬系統(tǒng)之上，它可以充分照顧到現(xiàn)有設備和已有投資的效益，技術上也充分考慮連續(xù)過程使用環(huán)境的需要。目前它已經占有一定的，其技術本身還在不斷完善與更新，如提高傳輸速率等。目前國外hart儀表的還在不斷增長，呈上升趨勢，但是它畢竟是過渡性產品，其生存周期不會很長。國內則由于很多項目都是新項目，所以對兼容性的考慮較少，而對*性的考慮較多，相信hart在國內的不會很大。國內市場與國外市場會有比較大的差異。一方面國外市場上占優(yōu)勢的產品會不斷滲透到國內;另一方面，由于國內廠商的規(guī)模相對較小，研發(fā)能力較差，更多的是依賴技術供應商的支持，比較容易受現(xiàn)場總線技術供應商 (芯片制造商等)對國內的支持和市場推廣力度的影響。國內目前僅lonworks技術有實質性的市場活動，所以大部分國內廠商將首先將接受lonworks技術。盡管ff號稱儀器儀表行業(yè)的未來標準，但是由于沒有明確的市場策略和在國內的積極的市場活動，將會受到很大影響。而且事實表明，所有的現(xiàn)場總線基金會(ff)會員在研制符合ff標準的同時，都同時推出采用lonworks技術的應用，由此可見lonworks技術的生命力十分頑強。在離散制造加工領域，由于行業(yè)應用的特點和歷史原因，其主流技術會有一些差別。profibus和can在這一領域具有較強的競爭力。他們已經在這一領域形成了自己的優(yōu)勢。
在樓宇自動化、家庭自動化、智能通信產品等方面，lonworks則具有的優(yōu)勢。由于lonworks技術的特點，在多樣化控制系統(tǒng)的應用上將會有較大的發(fā)展。
現(xiàn)場總線技術的興起，開辟了工廠底層網絡的新天地。它將促進企業(yè)網絡的快速發(fā)展，為企業(yè)帶來新的效益，因而會得到廣泛的應用，并推動自動化相關行業(yè)的發(fā)展。
電磁流量計 壓力變送器 測溫槍
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