1 什么是總線協(xié)議？

現(xiàn)場總線（Fieldbus）是20世紀(jì)80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的，用于現(xiàn)場總線技術(shù)過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機(jī)、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注，成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點，并將導(dǎo)致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。現(xiàn)場總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過程設(shè)備的底層，作為工廠設(shè)備級基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)，要求具有協(xié)議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點：具有一定的時間確定性和較高的實時性要求，還具有網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定，多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上述特點，現(xiàn)場總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù)，都具有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。

目前國際上有40多種現(xiàn)場總線，但沒有任何一種現(xiàn)場總線能覆蓋所有的應(yīng)用面，按其傳輸數(shù)據(jù)的大小可分為3類：傳感器總線（sensorbus），屬于位傳輸；設(shè)備總線（devicebus），屬于字節(jié)傳輸；現(xiàn)場總線，屬于數(shù)據(jù)流傳輸。

現(xiàn)場總線技術(shù)得以實現(xiàn)的一個關(guān)鍵問題，是要在自動化行業(yè)中形成一個制造商們共同遵守的現(xiàn)場總線通信協(xié)議技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制造商們能按照標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)品，系統(tǒng)集成商門能按照標(biāo)準(zhǔn)將不同產(chǎn)品組成系統(tǒng)。這就提出了現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的問題。

國際上著名自動化產(chǎn)品及現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)廠家，意識到現(xiàn)場總線技術(shù)是未來發(fā)展方向，紛紛結(jié)成企業(yè)聯(lián)盟，推出自己的總線標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品，在市場上培養(yǎng)用戶、擴(kuò)大影響，并積極支持國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)。能否使自己總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在未來國際標(biāo)準(zhǔn)中占有較大比例成份，關(guān)系到該公司相關(guān)產(chǎn)品前途、用戶的信任及企業(yè)的名譽。而歷史經(jīng)驗證明：國際標(biāo)準(zhǔn)都是采用一個或幾個市場上成功的技術(shù)為基礎(chǔ)。因此，各大國際公司在制定現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)中的竟?fàn)帲w現(xiàn)了各公司在技術(shù)領(lǐng)先地位上的競爭，而其終還是要歸結(jié)到市場實力的競爭。現(xiàn)場總線考慮的出發(fā)點：

— 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場設(shè)備互，互操作性，分散功能塊，通信線供電，開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

2 現(xiàn)場總線的特點

1，增強了現(xiàn)場級信息集成能力

現(xiàn)場總線可從現(xiàn)場設(shè)備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求。現(xiàn)場總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，它不單純?nèi)〈?-20mA信號，還可實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠(yuǎn)程控制，還可完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。,

2，開放式、互操作性、互換性、可集成性,

不同廠家產(chǎn)品只要使用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，就具有互操作性、互換性，因此設(shè)備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，市場上將有許多面向行業(yè)特點的監(jiān)控系統(tǒng)。

3，系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好,

基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對一的I/O連線，對于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來說，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作，也增強了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

4，降低了系統(tǒng)及工程成本

對大范圍、大規(guī)模I/O的分布式系統(tǒng)來說，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設(shè)工程費用，降低了系統(tǒng)及工程成本。

3 現(xiàn)場總線一般的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場總線協(xié)議基于面向開放系統(tǒng)連接的ISO 參考模塊(O S I—RM )。但僅用了其中的1、 2、 7 層, 由于考慮到實時性 3～ 6 層未采用。同時, 新定義的用戶層置于應(yīng)用層之上。

各層定義如下:

層: 物理層定義現(xiàn)場總線的通訊介質(zhì), 即 4～ 20mA標(biāo)準(zhǔn)的替代。

第二層: 數(shù)據(jù)鏈路層用于監(jiān)視發(fā)生于各設(shè)備間的通訊, 同時檢測通訊錯誤。

第三層: 應(yīng)用層規(guī)范通訊數(shù)據(jù)格式, 以便形成所有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都可以解釋的信息, 為過程控制提供服務(wù), 同時向用戶層提供接口。

第四層: 用戶層與一個獨立的工廠區(qū)域相關(guān)聯(lián), 為進(jìn)一步應(yīng)用提供環(huán)境。具有與高層控制功能的接口。

4 Profinet

PROFINET網(wǎng)絡(luò)和外部設(shè)備的通訊是借由PROFINET
IO來實現(xiàn)，PROFINET IO定義和現(xiàn)場連接的外部設(shè)備的通訊機(jī)能，其基礎(chǔ)是級聯(lián)性的實時概念，PROFINET IO定義控制器（有“主站機(jī)能”的設(shè)備）和其他設(shè)備（有“從站機(jī)能”的設(shè)備）之間完整的資料交換、參數(shù)設(shè)定及診斷機(jī)能。PROFINET IO是設(shè)計用來在以以太網(wǎng)連接的設(shè)備提供快速的資料傳輸，且支援生產(chǎn)者－消費者模型（provider-consumer model）。支援PROFIBUS通訊協(xié)定的設(shè)備可以無縫的和PROFINET網(wǎng)絡(luò)連接，不需要IO代理器（IO-Proxy）之類的設(shè)備。設(shè)備開發(fā)者可以利用市面上販?zhǔn)鄣囊蕴W(wǎng)控制器來開發(fā)PROFINET
IO設(shè)備。PROFINET IO適用在網(wǎng)絡(luò)循環(huán)時間在數(shù)ms的系統(tǒng)。

PROFINET IO系統(tǒng)包括以下幾種設(shè)備：

IO控制器，控制自動化的任務(wù)工作。

IO設(shè)備，一般是現(xiàn)場設(shè)備，受IO控制器的控制及監(jiān)控，一個IO設(shè)備可能包括數(shù)個模組或是子模組。

IO監(jiān)控器是一個PC的軟件，可以設(shè)定參數(shù)及診斷個別模組的狀態(tài)。

PROFINET IO會在IO控制器及IO設(shè)備之間建立應(yīng)用關(guān)系（Application Relation,AR），應(yīng)用關(guān)系中會定義有不同的參數(shù)傳遞、周期資料交換及警告處理等特性的通訊關(guān)系（Communication Relations,CR）。

一個IO設(shè)備的特性會由設(shè)備制造商在GSD（General Station Description）檔中說明，所使用的語言是GSDML（GSD標(biāo)記語言），GSD檔提供PC監(jiān)控軟件規(guī)劃PROFINET組態(tài)所需要的基本資料。

5 CCLInk

Cclink有三種不同的總線：cclink，cclink ie，CC-Link IE Field Basic，我們只支持CC-Link IE Field Basic。cclink是類似485雙絞線，ie是千兆以太網(wǎng)，不能走正常的tcp，ie basic是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)

CC-Link(Control &Communication Link ,控制與通信鏈路系統(tǒng)),是三菱電機(jī)新近推出的開放式現(xiàn)場總線，其數(shù)據(jù)容量大,通信速度多級可選擇 ,而且它是一個以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，同時也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。一般情況下 ,CC-Link 整個一層網(wǎng)絡(luò)可由 1 個主站和 64 個從站組成。網(wǎng)絡(luò)中的主站由 PLC 擔(dān)當(dāng), 從站可以是遠(yuǎn)程I/O模塊 、特殊功能模塊 、帶有 CPU 和 PLC 本地站、人機(jī)界面、變頻器及各種測量儀表 、閥門等現(xiàn)場儀表設(shè)備
。且可實現(xiàn)從 CC-Link 到 AS-I 總線的聯(lián)接。CC-Link 具有高速的數(shù)據(jù)傳輸速度, 最高可達(dá) 10 M b/ s 。 CC-Link 的底層通信協(xié)議遵循 RS 485 , 一般情況下, CC-Link 主要采用廣播-輪詢的方式進(jìn)行通信 ,CC-Link 也支持主站與本地站 、智能設(shè)備站之間的瞬間通信
。2005年7月CC-Link被中國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會批準(zhǔn)為中國國家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性技術(shù)文件。

CC-Link 網(wǎng)絡(luò)具有完善的
RAS(Reliability , Availability, Serviceability)功能。即自動返回、切斷從站、通過鏈接繼電器/寄存器的錯誤檢測功能 。

6 EthernetIP

Ethernet/IP是一個面向工業(yè)自動化應(yīng)用的工業(yè)應(yīng)用層協(xié)議。它建立在標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議之上，利用固定的以太網(wǎng)硬件和軟件，為配置、訪問和控制工業(yè)自動化設(shè)備定義了一個應(yīng)用層協(xié)議。

Ethernet/IP以特殊的方式將以太網(wǎng)節(jié)點分成預(yù)定義的設(shè)備類型。Ethernet/IP應(yīng)用層協(xié)議是基于控制和信息協(xié)議（CIP）層的，提供了從工業(yè)樓層到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的一整套無縫整合系統(tǒng)。Ethernet/IP使用所有傳統(tǒng)的以太網(wǎng)協(xié)議，構(gòu)建于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)之上，這意味著Ethernet/IP可以和現(xiàn)在所有的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備透明銜接工作。更重要的是，將Ethernet/IP建立在一個標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)平臺上，保證了前者會隨著后者技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)一步發(fā)展。支持Ethernet/IP的團(tuán)體正致力于編制一個綜合的穩(wěn)固的標(biāo)準(zhǔn)，Ethernet/IP上的工作正由多個經(jīng)銷商參與，包括定制規(guī)格以及在經(jīng)認(rèn)證的測試實驗室進(jìn)行全面的綜合測試。

7 EtherCAT

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)）是一個開放架構(gòu)，以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，其名稱的CAT為控制自動化技術(shù)（Control Automation Technology）字首的縮寫。EtherCAT是確定性的工業(yè)以太網(wǎng)，最早是由德國的Beckhoff公司研發(fā)。

EtherCAT可以支持線形、樹形、環(huán)形和星形等所有設(shè)備連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，物理介質(zhì)可以選100Base-TX標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜或光纜。使用100Base-TX電纜時站間間距可以達(dá)到100m。整個網(wǎng)絡(luò)最多可以連接65535個設(shè)備。使用快速以太網(wǎng)全雙工通信技術(shù)構(gòu)成主從式的環(huán)形結(jié)構(gòu)。

EtherCAT傳輸機(jī)制被稱為“On The Fly”，假如將EtherCAT報文想象成一列火車，每個帶有從站地址的車廂對應(yīng)需要與主站交互數(shù)據(jù)的從站的子報文，讀/寫從站數(shù)據(jù)，那么就有一個對應(yīng)數(shù)據(jù)地址的座位。火車從主站出發(fā)，依次在沿路所有站點（從站）停靠，如果沒有自己設(shè)備地址的車廂（子報文），則將火車發(fā)往下一站點，如果有自己的車廂，等該車廂上下旅客（數(shù)據(jù)）完成后，將火車發(fā)往下一站點，到達(dá)終點站后，再返回始發(fā)站，返回過程中不再交互數(shù)據(jù)。

8 各種協(xié)議的互聯(lián)互通

這么多的總線協(xié)議是從不同的角度來考慮設(shè)備之間的通信的。但是不幸的是，這些協(xié)議之間是不能直接互聯(lián)互通的。這就像無線通信一樣，有4G，有wifi，有藍(lán)牙等等，也是針對不同的場合解決一定的問題。要解決這些問題，可以從幾方面來考慮。1）有一些開源的庫，可以嵌入到相應(yīng)的設(shè)備中，用來支持某個一種總線協(xié)議，這方便的移植需要非常了解技術(shù)和編程語言，但是穩(wěn)定性還需進(jìn)一步測試。2）使用vfbox協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，只需簡單配置就能實現(xiàn)各種協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，穩(wěn)定可靠，節(jié)省時間，但是需要增加一些項目成本。

9 現(xiàn)場總線的組織

現(xiàn)場總線協(xié)議現(xiàn)在也是百花齊放，百家爭鳴。每種總線各有自己的特點，現(xiàn)在這些總線也逐漸形成組織，形成聯(lián)盟。后續(xù)大家有機(jī)會參加工博會的時候，可以看到這些總線聯(lián)盟也不斷的希望更多的產(chǎn)品加入自己的陣營。這些組織還不定期的舉辦培訓(xùn)活動。比如ethercat協(xié)議，可以登錄到官方網(wǎng)站查看相關(guān)的信息。內(nèi)容也是非常的豐富。

10 現(xiàn)場總線的小結(jié)

隨著各種技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)在通信協(xié)議也是進(jìn)步的很快，從效率，安全，擴(kuò)展性等方面不斷的提高以適應(yīng)大型應(yīng)用系統(tǒng)的需求。

作為行業(yè)的從業(yè)者，如果要專研技術(shù)，可能吃透1-2中就已經(jīng)很厲害，對于使用者，只要能理解簡單的協(xié)議內(nèi)容，通信的注意事項，和各種設(shè)備建立連接的使用方法也就足夠了。當(dāng)然，我們也是更希望這些總線協(xié)議越來越好，也使這方面的從業(yè)者有更廣闊的發(fā)展空間。

審核編輯：湯梓紅