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摘要：现场总线是现代工业控制技术的发展方向，对于现场总线来说，其特点是现场通信、现场设备互联，具有较好的互操作性，并且功能模块分散化，同时具有开放式互联网等。本文介绍了现场总线技术的特点和优点及其通信协议，比较几种常用的现场总线，分析由其构成的工业控制系统的结构，最后针对CAN总线设计一种工业控制系统并强调在设计中所需注意的问题。
关键词：现场总线技术；工业控制系统；通信协议；CAN 总线
引言
现场总线技术能立足于当今科技中，这必然与其自身的优点和特点相关。它的开放性强以及可塑性好的特点为自动控制领域的发展提供了更广阔的空间。这不仅会给普通百姓的生活带来很大的变化，而且会使我国工业化的水平有很大的提高。一些企业应紧紧抓住这一新兴的技术，将其作为基础进行研发和创新，把握住机遇，才能获得更高利润。
一、现场总线技术的特点及优点
现场总线技术的特点是可塑性强。现场总线技术只是一个基础，科技人员可以继续建立在现场总线技术的基础上进一步地进行研发，更加地灵活运用现场总线技术。一些企业可以按照现场总线这一基础技术的标准及要求，进而开发出新的产品。同时这也为企业申请自主知识产权提供了很大的可能。它的优点是具有很强的使用性能，可开发性强，稳定性好。这些优点和特点会使得现场总线这一技术的发展前景广阔，必将成为未来自动化行业发展的重要基础。众所周知，传统自动控制系统中的PLC和DCS系统在实际应用中有着很大的限制和缺点。现场总线技术的提出，对传统的产品造成很大的冲击，同时会有更加实用的产品的研发。
二、现场总线的通信协议
现场总线物理结构如图1所示。与开放式互连(OSI)参考模型比较，现场总线物理结构没有网络层到表示层，只有物理层、数据链路层和应用层，另外，考虑到现场装置的测试功能与互操作性，现场总线基金会(FF)还增加了用户层。每个协议层完成各自一套功能，报文在这些层之间被解析。
图1 现场总线通信协议的物理结构
1、物理层提供机械的、电器的、功能性和规范性，用以在数据链路实体间建立、维护和拆除物理连接。物理层包含报文传输的物理介质，一般是导线，物理层定义了数据通讯信号的大小、波形、最大节点数量、所用导线的类型和数据传输速率。
2、数据链路层的功能是保证数据的完整性并决定何时与谁对话，数据链路并不解释传输的数据，它仅在物理层和它的上一层之间传递数据。数据链路层分为两个子层：媒体存取控制子层、逻辑链路控制子层，前者用来实现对总线媒体的通信管理，并检测传输路线的异常情况；后者是在节点间用来对数据帧的发送、接受进行控制，并实现传输校验与差错控制。
3、应用层的主要任务是实现现场总线的命令、响应、数据或事件信息的控制。它分为两个子层，一个为用户层提供服务，由现场总线信息规范所定义；一个与数据链路层连接，称为现场总线访问子层，它弥补了被省略的网络层到表示层中的某些通信服务。用户层位于应用层之上，是一些数据或信息查询的应用软件，它将通信命令传送到应用层。在用户层，规定了标准的“功能模块”，并使用设备描述语言为用户组态提供接口。
三、现场总线及其所构成的控制系统
1、常见现场总线的比较。1）基金会现场总线FF。在过程自动化领域基金会现场总线FF应用较为广泛，可以说基金会现场总线技术具有较好的发展前景。2）CAN总线。对于CAN总线来说支持点对点、一点对多点，以及广播模式通信等，并且借助优先级设定其节点，在一定程度上各节点可以随时发送信息。在汽车内部测量，以及执行部件之间的数据通信协议中，该总线技术应用最早。3）Lonworks总线。具备通信和控制功能的Neuron芯片是Lonworks技术的核心。完整的Lonworks的LonTalk通信协议通过Neuron芯片来实现。4）PROFIBUS总线。该总线主要包括：PROFIBUS—FMS、PROFIBUS—DP、PROFIBUS—PA。5）HART总线。该总线作为一种协议，其功能是在现场智能仪表和控制室设备之间进行相应的通信，在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信这是HART总线的特点。
2、现场总线控制系统的构成。通常情况下，测量系统、控制系统、管理系统共同构成现场总线控制系统，该系统最有特色的部分是通信部分的硬件和软件。1）测量系统。为多变量提供高性能的测量，使测量仪表在一定程度上具有计算能力等这是该系统的特点所在。在该系统中，因为使用了数字信号，所以在一定程度上其分辨率非常高，准确性也较高，并且具有较强的抗干扰和抗畸变能力。2）控制系统。通常情况下，软件是该系统的重要组成部分，维护软件、组态软件、仿真软件等共同构成控制系统的软件。3）管理系统。设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息等由该系统提供。
四、现场总线在工业控制系统中的应用
CAN(Controller Area Network)是一种双向、半双工的高速串行通信网络系统。CAN由物理层(PHY)、数据链路层(MAC；LLC)和应用层(APPL)组成，但在信息帧格式、通信机制和系统硬件结构等方面，CAN与Profibus相距较远。CAN的网络拓扑结构如图2所示。依据IS011898标准，CAN采用双铰线作为信息传输媒介，网络终端阻抗一般取120±12Ω。最大直接通信距离由传输速率决定，其典型值为：40m时1 Mbps；lOOOm时50 kbps。CAN采用非破坏性总线仲裁技术，媒体访问按节点信息的优先级进行，以满足实时控制的不同需要。传输过程中，信息帧为短帧结构，包含4种类型：数据帧、远程请求帧、出错校验帧和溢出帧。短帧结构的突出优点是传输时间短，抗干扰能力强。应用CANscope和CAN-PCI/331智能微机接口，实现了PowerCube六自由度移动机器人手臂的实时控制。结合PLC和液压控制技术，建立基于CAN总线的多任务协同控制系统。
图2 CAN的网络拓扑结构
五、结语
近年来,现场总线技术以及基于该技术的控制系统已引起人们高度重视,成为自动化领域技术发展的热点之一。同时，使用现场总线技术，维护费用因智能资产管理而降低，进而减少设备的库存。随着科技的进步，在控制系统领域里，现场总线技术的发展使控制系统有了很大的突破和进步，同时也使得自动化行业发生了重大的改革。目前一些以生产自动化产品的企业紧跟时代的步伐，牢牢抓住现场总线这一新型的技术，并进而进行产品的开发。现场总线技术的发展前景广阔。
参考文献
[1]斯可克.基金会现场总线功能模块原理及应用[M].化学工业出版社,2016.
[2]林海波.现场总线的技术特点及应用分析[J].现场总线专栏,2017.
[3]张兴龙.基于现场总线技术的工业控制系统研究[J].黑龙江造纸,2016.
[4]王维新.现场总线技术的优点及应用[J].学院学报,2017.
[5]董伟亮.基于CAN总线的PLC在多任务协同控制中的应用[J].工程机械,2017.
论文作者:陈军松,金伟锋,王丰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/16
标签：现场总线论文; 现场论文; 控制系统论文; 总线论文; 总线技术论文; 数据论文; 通信论文; 《电力设备》2017年第32期论文;