现场总线控制系统的网络通信协议对比与应用发展

一、引言

随着计算机网络技术的迅速发展，由全数字现场控制系统代替数字与模拟分散型控制系统已经成为工业化控制系统结构发展的必然趋势，以现场总线为基础的全数字控制系统已是当今世界各国关注的热点问题。

二、简介

1、什么是现场总线

根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会（ISA）的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、造价低廉、维护成本低等特点。

2、现场总线的特点

国际电工委员会（IEC）对现场总线主要有以下三点要求：

（1）统一数据链路上过程控制单元（CPU）、PLC等与数字I/O设备互连；

（2）现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取；

（3）在保证系统可靠性的基础上，有利于减小软硬件开销，降低成本和通讯媒体安装费用。

SP50委员会提出的两种现场总线结构模型是：

（1）星型总线—用短距离、廉价、低速率电缆取代模拟信号传输线；

（2）总线型总线—数据传输距离长、速率高，采用点对点、点对多点和广播式通信方式。

从目前来看，还没有哪一种现场总线能够满足上述全部要求，各种现场总线都有自己的长处和短处。虽然用户和市场有标准化的需要，但在短期内，现场总线标准无法统一，多种现场总线并存的情况在今后较长的时间将依然存在，IEC61158标准的产生就说明了这一点。下面，将对各种现场总线的特点进行分析对比。

三、现场总线控制技术

1、现场总线控制系统

现场总线控制系统（FCS）是集计算机技术、网络技术和控制技术为一体的当代最先进的计算机控制技术，是一种全分散、全数字、全开放的控制系统。这种系统主要用于工业过程控制、制造业及楼宇自动化等领域，在未来将成为现代计算机控制系统的主流。

2、现场总线的发展现状

现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段，目前已开发出40多种现场总线。其中，符合IEC61158国际标准规定的有8种总线，包括：德国西门子公司支持的Profibus、基金会现场总线FF、德国Phoenix Contact公司支持的Interbus、美国Rockwell公司支持的Controlnet、法国Alstom公司支持的Worldfip、主要由Fisheer-Rosemount公司支持的FF HSE、，美国波音公司支持的Swift Net以及丹麦的Peocess。此外，还有几种在工业控制领域广泛应用的总线，如德国Bosch公司为汽车应用而开发的CANBUS、美国Echelon公司开发的Lon Works总线等。在这些总线中，最具影响力的有5种，分别是FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks，其性能对照见表1。

3、几种总线通信模型概述

目前，各种现场总线既遵循开放系统的原则，也兼顾了自己的特点和特殊要求（如表2所示）。参考OSI协议模型，Worldfip总线实现了OSI参考模型的1、2、7层服务，能提供变量服务、消息服务和网络管理服务，是一种数据流总线。Profibus总线也包括了OSI模型1、2、7层服务，其中Profibus-FMS把第3层到第6层服务放在底层由接口完成，Profibus-FMS/PA属于数据流总线，Profibus-DP则属于字节总线。Lonworks使用了Lontalk协议，实现了OSI参考模型全部七层服务，

表2 几种现场总线现状

一种折中、平衡的现场总线，但也因此会在有些应用场合增加网络的负担，影响了通信速度。CAN总线只规定了物理层和数据链路层，用户在应用中自己定义通信协议，有突出的灵活性，有成本优势和速度优势，但一般的应用都是位总线，不适合大流量通信。

四、介质访问控制（MAC）协议对比

现场总线的协议中，数据链路层的MAC子层协议最重要，它直接控制各个通信节点对通信介质的使用权，对现场总线的实时能力有关键影响。MAC层协议主要分为两大类：一类采用事件触发方式，设备可自主的随机访问设备，Lonworks总线和CAN总线属于这种方式；另一类采用时间触发方式，设备只能在受控的确定时间访问介质，Worldfip总线和Profibus总线属于这种方式。

1、时间触发方式协议

时间触发方式协议采用令牌方式，进一步可分为分布式令牌协议（如Profibus协议）和集中式令牌协议（如Worldfip总线协议）。

Profibus总线采用分布式令牌方式，所有节点组成一个虚拟环，令牌在Profibus总线主站间按地址传递，拥有令牌的主站在确定的时间窗口拥有总线控制权，以轮询方式与从站通信。所谓轮询，是指主节点定期循环询问各个从节点，

以便分配从节点访问共享介质的权利，避免了冲突。由于传播时间确定，因此该方式可以保证通信的实时性。但Profibus总线也有自身的缺点，由于传送令牌时需占用一定的带宽，因此带宽的利用率较低；而且，它的参数不容易设定，在网络启动和增加删除节点时需要进行逻辑环重构。

Worldfip总线采用集中式令牌方式，由总线仲裁器（BUS ARBITRATOR）来负责轮询工作。能严格区分周期信息和非周期信息。Worldfip的总线带宽采用周期性分配，以20ms为一个基本循环，每个循环分为四个窗口：周期性窗口用于周期性变量实时刷新；非周期变量窗口用于非周期变量刷新；消息窗口用于处理突发性的消息，例如故障报警等；同步窗口由于由总线仲裁器发送填充标识来填充基本周期空闲部分以保持总线同步。Worldfip总线对周期信息采用集中控制，相对于Profibus总线，它的信息响应时间更精确、控制精度更高。同时，因为非周期信息到达时间不确定，从而对非周期信息通信采用分布令牌管理，这样既保证了非周期事件变量的确定性响应时间，又有效的利用了带宽，并且采用优先级机制能保证重要的非周期信息的及时发送。但它也有一些缺点，比如，主设备失效将使整个网络瘫痪，对高可靠性的应用需要设置多个主节点来提高系统的可靠性，轮询过程会消耗一些总线带宽，降低了总线利用率等等。

2、事件触发方式

事件触发方式可以分为随机载波监听/冲突检测（CSMA/CD）和载波监听多路获取/冲突避免（CSMA/CA）两类。

Lonworks总线采用一种改进的CSMA/CD方式，称为预测的P-CSMA。每个节点需要发送数据时，先检测介质是否空闲，如果介质空闲就准备发送数据，并在发送数据前随机插入随机时间片，时间片数量越少表明坚持发送的概率越大。Lonworks协议可根据网络负载状况动态调整坚持发送概率P，使发生冲突的概率降到最低。同时，为提高紧急事件的响应时间，Lonworks提供了一个可选的优先级机制，加入优先级的节点总比非优先级的节点有更快的响应时间。Lonworks协议有许多优点，如带宽利用率高、单点故障不影响网络通信、节点可灵活加减、在负载较轻时使介质访问延迟最小、在负载较重时使冲突的可能性最小等。但总的说来，它不能保证数据在任何网络负载情况下都能满足实时性要求，在用于时间关键的环境中需要仔细的验证。

CAN总线属于总线型串行通信网络，采用多主方式，当网络上多个节点同时发送信息时，优先级低的节点会主动退出发送，优先级高的节点不受影响的继续传送，大大节省了总线的仲裁时间。此外，CAN节点在错误严重的情况下，有自动关闭总线的功能。这种协议具有突出的可靠性，灵活性。CAN总线可以有效的避免总线碰撞，但要求网络一定要同步，并且介质要支持线与逻辑，另外，对不太需要优先级的网络，也不得不定义一个优先级。CAN总线也不能保证数据在任何网络负载情况下都能满足实时性要求，在用于时间关键的环境中也需要仔细的验证。

五、寻址方式对比

Profibus总线设备之间交换数据的通信是通过信道分为逻辑信道和物理信道进行的。与应用过程之间的通信是通过逻辑信道进行的，它是设计阶段中在通信关系表（CRL）内被定义的。其所有参数列于通信关系表中。每个信道在CRL中有一个入口行，一个信道的所有CRL入口是通过通信关系（CR）唯一寻址的。一个站最多可以产生应用于不同情况的63个通信关系，可以多点广播或广播式发送或接收。

Worldfip 的寻址方式主要有：变量地址采用16位的全局逻辑标识，广播发送。消息数据地址采用24位的网络地址包含网段地址和网段内的站地址，支持同一网段内的多播寻址。

Lonworks网络地址可以有三层结构：域、子网、节点。每个域最多有255个子网，每个子网最多有127个节点。域的结构可以保证在不同的域中通信是彼此独立的。任一节点可以分属一个或两个域，能将采集来的数据分别发向两个不同的域。节点可以被分组，一个分组在一个域中跨越几个子网，或几个通道。分组结构可以使一个报文同时为多个节点所接收。每个Lonworks设备有一个唯一的48位ID地址，类似以太网的物理地址。

CAN系统中，每个节点都有一个唯一的地址，总线工作时，给定的逻辑地址上传输的数据的含义是固定的。在CAN总线的规范中只定义了帧的结构，没有定义有关发送和接收的信息。因此，消息标识的值要依靠应用确定。设计者可以自己定义标识符的含义，将所需要的信息包含其中，消息的内容被标上唯一的标识后，只有与此相关的节点才能识别并接收消息。

七、结束语

以上现场总线的网络通信协议各有千秋，但都面临兼容性问题，任一个现场总线和其它现场总线都不易于互联和互换。可用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切，工业以太网便应运而生。工业以太网符合网络控制特点—数字式互联网络 、互操作性、开放性和高性能，具有大量的软、硬件资源和开发设计经验；在以太网上层应用的TCP/IP协议也较成熟，许多现场总线已经向上支持工业以太网。

传统以太网采用的是CSMA/CD通信协议，属于有冲突网。冲突主要有两个来源：其一是由多个节点都监听到网络空闲并同时发送数据产生的；其二是节点之间存在传输延迟，当网络上其它节点在发送数据但还没有传输到需要发送数据的节点时，一节点监听到网络空闲后发送数据因而造成冲突。如果采用交换式以太网，则不存在总线竞争，从而能提高系统的传输效率，但是同样不易控制最大传输延迟，因此影响了工业以太网的实时通信服务质量。应用于工业现场控制还面临一系列问题，例如在工业以太网中，TCP/IP还没有解决互操作问题，进而影响了多个网络节点完成控制任务的协调性，这涉及体现企业重大利益的现场生产工艺数据在网络传输的完整性和保密性，以及对工业以太网的管理所面临的问题。但是随着技术的发展，可以看到工业以太网的大框架已成形，上述问题正在得到解决。

各种现场总线在功能、性能和价格上有较大差别，各自有自己的最佳适用范围。随着现场总线的应用不断增多，在应用现场总线系统时应该对此有一个明确的认识，有所侧重以适应实际的要求，但是，发展共同遵守的统一的标准规范，真正形成开放式互连系统，是大势所趋。

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