现场总线快速讲解之三

Posted 2020-09-03 Sunny Chen

观点	原因	理解的实质	角度
485总线	一些现场总线使用485接线	一种电气标准	通信
CAN总线	现场总线的一种具体实现	一种网络	局域网
Modbus总线	很多行业使用Modbus传输数据	一种协议	行业应用
PROFIBUS系统	使用了PROFIBUS技术	一种控制系统	控制系统
IEC61158标准	规定了现场总线是如何实现的国际标准	IEC标准之一	标准化

经典教程曰：现场总线是指应用在生产现场，在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信技术，被誉为自动化领域的计算机局域网，已经成为控制网络技术的代名词。

还曰：现场总线是以测量控制设备作为网络节点，双绞线等传输介质作为纽带，把位于生产现场、具备了数字计算和数字通信能力的测量、控制、执行设备连接成网络系统，遵循规范的通信协议，在多个测量控制设备直接、以及现场设备和远程监控计算机之间，实现数据传输和信息交换，形成适应各种应用需要的自动控制系统。

教材对现场总线的描述显得冗余、抽象，让人觉得既可以说是一门技术，又可以说是一种网络，是以标准化的文本展现，还和工业控制紧密联系构成系统。那么如果要求用一句话来解释什么是现场总线？工程师们往往会产生以下表1所示的一些说法，首先这些说法从某个角度来说有一定道理，确实体现在工业实践中，但是光有这些理解是不够的，是不能准确、全面的掌握现场总线的。

大多数工程师往往会将具体实现、组成技术与现场总线的本质混淆。于是本人先给出这些理解的角度，在接下来的章节会再从这些角度进行深入解析，说清楚为什么这些理解都不够准确。

现场总线是指连接传感器、执行器、PLC、调节器、驱动器和人机界面等现场设备的网络，相当于人体的神经系统，为人体传递各种感知。现场总线从本质上来说就是一种局域网，用标准来具体描述，软硬件与协议遵循标准规范，运用在控制系统中作为通信方法。

2为什么需要现场总线

既然现场总线是一种使用在工业现场的局域网，那么就先从工业为什么需要网络开始说起。工业的最高目标就是提高效率、提升质量和降低成本，因此在整个产品生产过程中，所有手工操作都必须用更快、更复杂、更可靠的自动化操作来替换，那就更需要对整个生产过程进行监测和控制，而且还要降低成本。自动化操作可以通过计算机得以实现，而更加有效的监控整个生产过程，就需要将有所有自动化单元连接在一起，相互通信，将生产相关的数据传输到控制室，于是工厂需要引入网络。

工业需要怎样的网络呢？纵观整个工业行业，一般可以分为过程行业和制造业两大类。过程行业针对物料连续流动，要求严格保证安全；而制造业针对离散对象的生产，要求不断提高生产效率。

整个过程行业通信的发展经历了以下的阶段：

 

50s	计算机作为辅助工具，还是使用模拟量手动控制
60s	星形拓扑，所有现场设备连接到控制室中的一台计算机，计算机和设备点对点
70s初	分层架构，控制室有两个以上控制器，每个控制器点对点连接各自现场设备
70s中	集成电路，本地控制器更接近现场，通过串行数字相互通信，点对点连接设备，控制室包含操作员终端和监控计算机，通过串行数字网络连接本地控制器
80s	现场总线，现场设备与本地控制器直接也使用串行数字通信

过去过程行业的现场设备（传感器）通过4~20ma或0~24V模拟信号传输信号，布线时每个现场设备都需要通过一根电缆连接到主控室的计算机，这种布线类似于并行通信。随着工厂规模的扩大，布线就需要越来越多、越来越长的电缆，设计复杂、安装昂贵，尤其不便于维护和升级。未来解决布线难的问题，需要一种串行数字通信技术，可以取代直流20mA与24V标准技术。

 

 

而制造业的发展历程如下：

1	由许多分离的生产单元组成，单元彼此孤立，互不通信
2	生产监控和生产单元通信，分布式制造架构称为计算机集成制造
3	用现场总线实现现场层的设备通信

美国国家标准局提出了计算机集成制造（CIM）的概念，为使用计算机的各层级工业自动化定义了分层结构。通用汽车的制造自动化协议（MAP）项目和波音公司办公技术协议（TOP）项目，旨在为CIM定义各层次通信规范。

当制造业工厂网络变成分布式架构，为了提高通信质量、现场设备的可维护性，增加通信数据量，同时节省线缆和降低安装成本，控制器、传感器和执行器变得越来越智能化，彼此之间也需要一种双向的、串行的、数字的通信，而且需要满足从上到下各层级统一的通信规范。

而且无论过程行业还是制造业，工业现场环境与民用环境确有很大的不同：

	工业	商用
基本功能	控制现场设备	数据处理和传输
应用领域	制造、过程控制	商业、家庭环境
故障后果	严重	轻微
可靠性	高	低
响应时间	250us-10ms	50ms以上
确定性	高	低
数据包	数据量不大，周期/非周期	大，非周期
一致性	要求	不要求
环境	温度、湿度、振动、粉尘	比较干净

需要怎样的现场总线

现场总线需要运用哪些技术才能满足工业的要求呢？可以说是通信、网络、计算机、电子技术的发展使得现场总线呈现目前的样子。

OSI-ISO模型：1978年国际标准化组织（ISO）开始制定参考通信模型架构，如今成为开放式系统互连模型（OSI），最初的设想是计算机互联网，正确理解数据通信的概念，标准化设计新的通信协议。凡属于通信相关的技术，这是绕也绕不过去的。这个技术简化了通信协议的设计难度。

局域网和MAC层协议：局域网中所有节点共享通信介质，如果不加入一些规则，如果所有节点同时传输数据，那么势必会出现冲突。为了只让一个节点在一个时间段使用通信介质，就要开发介质访问控制（MAC）协议。MAC协议可以把传输延时限制在一定时间内，从而保证通信的确定性，如果不能限制传输延时，则通信就不具备确定性。MAP项目使用令牌机制来保证通信的确定性，而以太网采用载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA-CD）机制，属于不确定性的通信。

由于以太网缺少控制延迟的能力，需要采用一些确定性的协议，CSMA仲裁协议（CSMA-BA）、CSMA冲突避免（CSMA-CA）和CSMA-DCR（确定性碰撞分辨率）等机制改进以太网。所有这些MAC协议解决局域网冲突，指定一个自己的协议非常适合。由于微电子方面和设计自动化技术取得了进展使得可以改进原有协议。这个技术使得促进了工业网络化。

过去因为缺少统一的通信标准，将不同系统集成在一起，之间通信就需要使用网关、适配器和协议转换器，成本就会随之增加。如果定义统一的通信标准，就能不用增加软硬件实现不同设备通信，也就能降低成本，为此两家大公司启动了MAP与TOP项目。

制造消息规范（MMS）也作为MAP的一部分。而在分层架构的最低层形成层，也就是说控制器、传感器和执行器之间需要一种满足特殊需要的局域网进行通信。这项目帮助定义工业通信的内容。

电子集成电路：20世纪70年代到80年代是微电子技术、集成电路、微控制器和数字信号的处理（DSP）高速发展的时期。1982年由飞利浦公司开发了第一种用于电视机内部集成电路的I²C接口，不仅要把协议集成到芯片中，还让传感器或执行器等最小的设备都具备智能的特点。这种需要传感器和执行器采用新的通信方式，成为推动现场总线发展的另外一个原因。

从另一个角度来看，局域网技术使得用户开始尝试使用分布式应用，在微型计算机上集成分布式功能，然后通过网络相互协作，具有很大的吸引力。这导致了工业应用中的数字控制系统（DCS）、直接数字控制（DDC）融合成分布式控制系统（DCS），并最终发展成目前的工业控制系统。而随着微电子、自动化设计不断进步，指定满足自己要求的协议非常适合。

小结

“现场总线”的提法直到1985年国际电气委员会IEC会议上才提出，之前称为传感器/执行器网络或仪器仪表网络。正因为以上需求和技术，使得现场总线呈现出如今的模样：在IEC标准61158中定义为一种数字的、串行的、多点的、数据总线，用于工业控制通信和仪器仪表通信。说现场总线的出现就是简化布线的需要，这种观点显得有些片面。应该说简化布线的需要影响了现场总线的呈现形式。现场总线的特点是多样性和统一性的矛盾体。