现场总线杂谈
2011/9/8 11:29:18
关键字：现场总线 Profibus DeviceNet Lonworks Modbus CC-link FF HART
随着网络技术发展和市场需求的变化，工业设备实现网络化管理控制已经成为一种必然趋势。改善工业控制系统同样也需要在不同生产设备之间实现高效、可靠、标准化的互联，例如利用USB来实现外围设备与控制主机的互联，利用Ethernet和CAN (Controller Area Network，控制器区域网)建立基本网络架构等。为此，引起了许多关于现场总线的标准问题。经过多年，国际上最后公布了不论不类的8种总线。制定总线的初衷在于不同厂家的设备进行互连，可是，这8种总线目前是不能互连的。
现场总线是一个系统工程，它不是几个产品，而是一个系统，它是由一系列产品组成，在推广过程中的商业运作远大于技术问题，这就是现场总线为什么会出现8种。
两种主流总线Profibus和DeviceNet
Profibus
有全球最多的供货厂商数,国内第一个取得了行业标准JB/10308.3-2001，国内生产Profibus产品的厂商有十多家，国内有能够进行国际认证的实验室。以上表明Profibus在国内已经得到了很好的发展,目前在国内市场占有率也是最高的。可以预见在未来几年内，Profibus还将在国内占主导地位。
DeviceNet是现场总线中技术最成熟的一种，由于DeviceNet的出现比Profibus要晚，现在的供货商数在众多总线中次于Profibus，但是DeviceNet目前占有世界两个最大市场美国和日本50%以上的份额。全球来看每年新增的结点数和Profibus不相上下。
另外DeviceNet在国内第一个取得了国家标准GB/T 18858.2-2002。国内目前DeviceNet的开发商大约有7、8家左右，但由于RA对DeviceNet产品的报价远高于西门子对Profibus产品的报价，所以大家普遍认为DeviceNet没有价格优势。由于ODVA China的推动，DeviceNet在国内得到比较快速的发展，上海宝钢、GM上海工厂、IBM上海芯片封装工厂，可口可乐上海工厂均采用DeviceNet系统，但是要超越Profibus的市场份额在短期内是不可能的。采用DeviceNet系统的厂家。
Lonworks主要用于楼宇自动化
近年来，我们南到深圳、北至北京，在十余个项目中成功地应用了LONWORKS系统。项目小到几十个DDC、近千个网络变量，大到近2千个DDC、万余个网络变量。目前项目都已通过验收或正处于试运行期中。LONWORKS技术在楼宇自控系统中的应用，其技术上的优势是显而易见的：
①
直接互联性。不同品牌、功能的DDC组成一个统一控制网络协同工作。
② 自主通讯。数个小规模DDC分布式布置，联合运行，在功能完全替代了单CPU多I／O点的中大型DDC。
③ 网络结构多样化，易于适应用户的不同需求。
④ 系统响应速度。在合理配置网络设备和选择合理的网络结构的前提下, LONWORKS系统的响应速度和数据传输率都是较高的。
国内很多中小企业转向了LonWorks，它具有CAN总线无法比拟的可互操作性，系统扩展也非常容易。
目前常见的所谓LONWORKS系统按互联性大致可分为三类：
（1） 采用部分LONWORKS器件的系统。这类系统通常仅在现场总线通讯端口的物理层采用LONWORKS技术，如采用FTT－10收发器、TP／XT－10、TP／XF－78网络接口等，所以这类系统可与其它LONWORKS系统共享同一条总线，即DDC可挂在一条总线上。而实际上却只能与本系统的设备通讯，根本不具备LONWORKS互联性，这类系统多数不具备点对点通讯功能，而采用主从令牌网方式实现系统呼应。
（2） 采用LONWORKS开发系统的非LONMARK产品。这类系统通常全套采用了LONWORKS开发平台，而未采用LONMARK协会规定的网络变量来定义DDC间的通讯，这类系统由于完全采用了LONTALK协议，通常采用自定义用户包进行数据通讯，系统现场总线的通讯效率高，DDC功能强，LONWORKS技术所有技术特征除互联性外几乎均能得到充分体现，但由于其网络传输变量的非标准化，使这类系统在互联性上大打折扣，其不符LONMARK规定的网络变量只能在本系统内传输，外系统是无法正确接收的。
（3） 完全符合LONMARK规约的产品。由于LONWORKS网络技术的高速发展，及厂商大量介入LONMARK领域进行二次开发，如今，即使完全符合LONMARK规约的产品，其互联性也不敢说完全地实现。目前，LONWORKS系统的DDC基础编程软件为Visual Control，Lonbuilder，Neuron C，Visio等，由于各厂商的DDC编程工具不同，DDC通讯连接表征文件也不尽相同，时有个别类别的网络变量在异系统中无法调用。当然这类问题通过修改连接表征文件或网络变量的表达方式，一般还是能够解决互联性问题的。
LONWORKS系统要有效工作，除了DDC之间的互联性外，系统网络组网方式也很重要，特别是LONWORKS现场总线与上一级高速――网络管理总线之间的连接，是LONWORKS系统应用中的关键问题。LONWORKS作为控制系统的现场总线，其大量现场数据需要通过上一级高速网络――管理总线来传送，以解决整个系统的响应速度以及与管理总线（一般是以太网）之间的数据交换和共享。由于参与LONWORKS开发的厂商众多，侧重各自不同，所以组网方式也呈现出多样化。
作为现场总线的一种，LONWORKS也与其它种类的现场总线类似，数据结构、通讯顺序复杂，传输数据量庞大，对硬件资源配置需求高，虽然系统开发较易入门，但随着技术介入深度加大，专用的软件的购置费用许可证及技术专利等知识产权相关费用也随之上升（较CAN总线贵10%左右）。
自行开发低端系统的首选-CAN
控制器区域网(Controller Area Network)CAN现场总线已经成为在仪表装置通讯的新标准. 它提供高速数据传送, 在短距离(40m)条件下具有高速(1Mbit/s)数据传输能力,而在最大距离10000m时具有低速(5kbits/s)传输能力, 极适合在高速的工业自控应用上.CAN总线可在同一网络上连接多种不同功能的传感器(如位置,温度或压力等)。
CAN
总线（Controller Aera Network）与其他总线相比有如下特点：
（1）它是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行通信；（2）通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps；（3）CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等项工作；（4）CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成,因此可以定义211或229个不同的数据块,这种按数据块编码的方式,还可使不同的节点同时接受到相同的数据,这一点在分步式控制中非常重要；（5）数据段长度最多为8个字节,可满足通常工业领域中控制命令,工作状态及测试数据的一般要求.同时，8个字节不会占用总线时间过长,,从而保证了通信的实时性；（6）CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能,保证了数据通信的可靠性。
CAN
总线所具有的卓越性能、极高的可靠性和独特设计，特别适合工业设备测控单元互连。因此倍受工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。而且，CAN总线没有任何组织来管理，(当然DeviceNet是基于CAN的),系统开发成本极低！特别适用于只有I/O的系统。在小水泥,小饲料等对系统要求较低又不要求设备通用性的场合，CAN是最好的解决方案。由于我国有众多的中小企业，特别是乡镇工业企业都需要进行技术改造，未来一段时间，CAN总线的前景非常看好。
随PLC进行系统配套的两种常用总线Modbus和CC-link
Modbus
算是最老的几种现场总线了(当然还有HART更老)，经过20年的发展，也培养出了一大批设备供货商。因此，国内大型项目采用Modbus的实例比较多。但是，Modbus今后将主要作为Schneider主机系统的配套，发展空间相对较小。
CC-Link
是和DeviceNet同时期推出的一种现场总线.从技术上看CC-link基本是RS485的改进，很多人认为CC-link在技术上首先不够先进。但是不管那种现场总线本来都不是很先进的技术，实用和可靠才是最重要的。CC-link由于是基于485开发的,产品价格较低同，特别适合485网络换网的用户。另外菱电公司在中国的大力宣传也为CC-link提高了知名度.但是CC-link毕竟没有广泛的供货厂商，也没有在欧美得到市场的认同(当然要进入市场本来就是很难的).国内厂商没有开发CC-link产品的必要。
CC-Link
现场总线是日本三菱电机公司主推的一种基于PLC系统的现场总线，这是目前在世界现场总线市场上唯一的源于亚洲、又占有一定市场份额的现场总线。它在实际工程中显示出强大的生命力，特别是在中国的汽车制造业得到广泛的应用。
FF
是我们国家投入了大量科研经费进行开发研制的一种现场总线。FF的名字不能说不好听，技术也不能说不先进，但是因为没有大厂支持，在国际上始终没有找到自己的市场。其实对于现场总线，事实的标准才是最重要的，什么是事实的标准，就是谁的市场份额大。国内现在已经开发出不少FF的产品了，因为FF产品开发的时候大多都得到了国家的支持，所以也没有听说谁因为开发FF产品吃了大亏。但是毕竟现在我们还看不到FF的市场在哪里。对于FF，等市场培养到一定阶段再进入也为时不晚。
HART在中国也开了不少花,结了不少果，只是现在提的人少了，HART技术落后了是不争的事实，销售现有的HART产品存货将是目前和以后一段时间的主要问题。
小结
任何一种总线，各现场总线都有各自适合的领域，并且各领域又有各自的都有其特点。而有实力的厂商会投资很多相关技术，ABB、Siemens都有所有总线产品。市场、技术是都是导向因素。
所有国家的现场总线技术人员目前似乎达成了一个共识，即以太网最终会进入工业现场，下放到车间层，成为车间层的控制网络，而不是以前的纯管理网。因此，下一代控制的目标是由对产品的宏观控制（经济控制，如成本控制、运作控制、质量控制、财资控制）到细节控制（如：制造控制），这正是控制设备的下游厂商及客户所需求的。在此方面Rockwell最先给我们展现了一幅美丽的图景-----整套的解决方案-----人机化接口与管理信息系统的极大融合。
