現場總線快速講解之三

觀點	緣由	理解的實質	角度
485總線	一些現場總線使用485接線	一種電氣標準	通訊
CAN總線	現場總線的一種具體實現	一種網絡	局域網
Modbus總線	不少行業使用Modbus傳輸數據	一種協議	行業應用
PROFIBUS系統	使用了PROFIBUS技術	一種控制系統	控制系統
IEC61158標準	規定了現場總線是如何實現的國際標準	IEC標準之一	標準化

經典教程曰：現場總線是指應用在生產現場，在測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通訊技術，被譽爲自動化領域的計算機局域網，已經成爲控制網絡技術的代名詞。

還曰：現場總線是以測量控制設備做爲網絡節點，雙絞線等傳輸介質做爲紐帶，把位於生產現場、具有了數字計算和數字通訊能力的測量、控制、執行設備鏈接成網絡系統，遵循規範的通訊協議，在多個測量控制設備直接、以及現場設備和遠程監控計算機之間，實現數據傳輸和信息交換，造成適應各類應用須要的自動控制系統。

教材對現場總線的描述顯得冗餘、抽象，讓人以爲既能夠說是一門技術，又能夠說是一種網絡，是以標準化的文本展示，還和工業控制緊密聯繫構成系統。那麼若是要求用一句話來解釋什麼是現場總線？工程師們每每會產生如下表1所示的一些說法，首先這些說法從某個角度來講有必定道理，確實體如今工業實踐中，可是光有這些理解是不夠的，是不能準確、全面的掌握現場總線的。

大多數工程師每每會將具體實現、組成技術與現場總線的本質混淆。因而本人先給出這些理解的角度，在接下來的章節會再從這些角度進行深刻解析，說清楚爲何這些理解都不夠準確。

現場總線是指鏈接傳感器、執行器、PLC、調節器、驅動器和人機界面等現場設備的網絡，至關於人體的神經系統，爲人體傳遞各類感知。現場總線從本質上來講就是一種局域網，用標準來具體描述，軟硬件與協議遵循標準規範，運用在控制系統中做爲通訊方法。

2爲何須要現場總線

既然現場總線是一種使用在工業現場的局域網，那麼就先從工業爲何須要網絡開始提及。工業的最高目標就是提升效率、提高質量和下降成本，所以在整個產品生產過程當中，全部手工操做都必須用更快、更復雜、更可靠的自動化操做來替換，那就更須要對整個生產過程進行監測和控制，並且還要下降成本。自動化操做能夠經過計算機得以實現，而更加有效的監控整個生產過程，就須要將有全部自動化單元鏈接在一塊兒，相互通訊，將生產相關的數據傳輸到控制室，因而工廠須要引入網絡。

工業須要怎樣的網絡呢？縱觀整個工業行業，通常能夠分爲過程行業和製造業兩大類。過程行業針對物料連續流動，要求嚴格保證安全；而製造業針對離散對象的生產，要求不斷提升生產效率。

整個過程行業通訊的發展經歷瞭如下的階段：

 

50s	計算機做爲輔助工具，仍是使用模擬量手動控制
60s	星形拓撲，全部現場設備鏈接到控制室中的一臺計算機，計算機和設備點對點
70s初	分層架構，控制室有兩個以上控制器，每一個控制器點對點鏈接各自現場設備
70s中	集成電路，本地控制器更接近現場，經過串行數字相互通訊，點對點鏈接設備，控制室包含操做員終端和監控計算機，經過串行數字網絡鏈接本地控制器
80s	現場總線，現場設備與本地控制器直接也使用串行數字通訊

過去過程行業的現場設備（傳感器）經過4~20ma或0~24V模擬信號傳輸信號，佈線時每一個現場設備都須要經過一根電纜鏈接到主控室的計算機，這種佈線相似於並行通訊。隨着工廠規模的擴大，佈線就須要愈來愈多、愈來愈長的電纜，設計複雜、安裝昂貴，尤爲不便於維護和升級。將來解決佈線難的問題，須要一種串行數字通訊技術，能夠取代直流20mA與24V標準技術。

 

 

而製造業的發展歷程以下：

1	由許多分離的生產單元組成，單元彼此孤立，互不通訊
2	生產監控和生產單元通訊，分佈式製造架構稱爲計算機集成制造
3	用現場總線實現現場層的設備通訊

美國國家標準局提出了計算機集成制造（CIM）的概念，爲使用計算機的各層級工業自動化定義了分層結構。通用汽車的製造自動化協議（MAP）項目和波音公司辦公技術協議（TOP）項目，旨在爲CIM定義各層次通訊規範。

當製造業工廠網絡變成分佈式架構，爲了提升通訊質量、現場設備的可維護性，增長通訊數據量，同時節省線纜和下降安裝成本，控制器、傳感器和執行器變得愈來愈智能化，彼此之間也須要一種雙向的、串行的、數字的通訊，並且須要知足從上到下各層級統一的通訊規範。

並且不管過程行業仍是製造業，工業現場環境與民用環境確有很大的不一樣：

	工業	商用
基本功能	控制現場設備	數據處理和傳輸
應用領域	製造、過程控制	商業、家庭環境
故障後果	嚴重	輕微
可靠性	高	低
響應時間	250us-10ms	50ms以上
肯定性	高	低
數據包	數據量不大，週期/非週期	大，非週期
一致性	要求	不要求
環境	溫度、溼度、振動、粉塵	比較乾淨

須要怎樣的現場總線

現場總線須要運用哪些技術才能知足工業的要求呢？能夠說是通訊、網絡、計算機、電子技術的發展使得現場總線呈現目前的樣子。

OSI-ISO模型：1978年國際標準化組織（ISO）開始制定參考通訊模型架構，現在成爲開放式系統互連模型（OSI），最初的設想是計算機互聯網，正確理解數據通訊的概念，標準化設計新的通訊協議。凡屬於通訊相關的技術，這是繞也繞不過去的。這個技術簡化了通訊協議的設計難度。

局域網和MAC層協議：局域網中全部節點共享通訊介質，若是不加入一些規則，若是全部節點同時傳輸數據，那麼勢必會出現衝突。爲了只讓一個節點在一個時間段使用通訊介質，就要開發介質訪問控制（MAC）協議。MAC協議能夠把傳輸延時限制在必定時間內，從而保證通訊的肯定性，若是不能限制傳輸延時，則通訊就不具有肯定性。MAP項目使用令牌機制來保證通訊的肯定性，而以太網採用載波偵聽多路訪問/衝突檢測（CSMA-CD）機制，屬於不肯定性的通訊。

因爲以太網缺乏控制延遲的能力，須要採用一些肯定性的協議，CSMA仲裁協議（CSMA-BA）、CSMA衝突避免（CSMA-CA）和CSMA-DCR（肯定性碰撞分辨率）等機制改進以太網。全部這些MAC協議解決局域網衝突，指定一個本身的協議很是適合。因爲微電子方面和設計自動化技術取得了進展使得能夠改進原有協議。這個技術使得促進了工業網絡化。

過去由於缺乏統一的通訊標準，將不一樣系統集成在一塊兒，之間通訊就須要使用網關、適配器和協議轉換器，成本就會隨之增長。若是定義統一的通訊標準，就能不用增長軟硬件實現不一樣設備通訊，也就能下降成本，爲此兩家大公司啓動了MAP與TOP項目。

製造消息規範（MMS）也做爲MAP的一部分。而在分層架構的最低層造成層，也就是說控制器、傳感器和執行器之間須要一種知足特殊須要的局域網進行通訊。這項目幫助定義工業通訊的內容。

電子集成電路：20世紀70年代到80年代是微電子技術、集成電路、微控制器和數字信號的處理（DSP）高速發展的時期。1982年由飛利浦公司開發了第一種用於電視機內部集成電路的I²C接口，不只要把協議集成到芯片中，還讓傳感器或執行器等最小的設備都具有智能的特色。這種須要傳感器和執行器採用新的通訊方式，成爲推進現場總線發展的另一個緣由。

從另外一個角度來看，局域網技術使得用戶開始嘗試使用分佈式應用，在微型計算機上集成分佈式功能，而後經過網絡相互協做，具備很大的吸引力。這致使了工業應用中的數字控制系統（DCS）、直接數字控制（DDC）融合成分佈式控制系統（DCS），並最終發展成目前的工業控制系統。而隨着微電子、自動化設計不斷進步，指定知足本身要求的協議很是適合。

小結

「現場總線」的提法直到1985年國際電氣委員會IEC會議上才提出，以前稱爲傳感器/執行器網絡或儀器儀表網絡。正由於以上需求和技術，使得現場總線呈現出現在的模樣：在IEC標準61158中定義爲一種數字的、串行的、多點的、數據總線，用於工業控制通訊和儀器儀表通訊。說現場總線的出現就是簡化佈線的須要，這種觀點顯得有些片面。應該說簡化佈線的須要影響了現場總線的呈現形式。現場總線的特色是多樣性和統一性的矛盾體。