【文章內(nèi)容簡介】 （ CAN）國際標準（ ISO11898），為控制器局部網(wǎng)標準化、規(guī)范化推廣鋪平了道路 [15]。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） CAN 總線的介紹 4 分布式系統(tǒng)及現(xiàn)場總線的發(fā)展 分布式系統(tǒng)的發(fā)展 分布式控制系統(tǒng) DCS（ Distribution Controlling system）將數(shù)字技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、屏幕顯示技術(shù)與過程控制技術(shù)緊密地結(jié)合在一起，使過程控制由原來的第三代過程控制體系 —— 集中式控制 CCS(Concentric Control System)跨越到第四代控制體系的分布式控制，將流程工業(yè)自動化提高到一個新的水平。 集中式控制系統(tǒng)在硬件構(gòu)成上，將每個檢測點發(fā)送來的信號通過輸入接口與集中控制系統(tǒng)相連，經(jīng)過計算機分析運算后，集中控制系統(tǒng)的輸出信號又通過輸出接口去執(zhí)行機構(gòu)控制工藝生產(chǎn)。在控制功能上，它把生產(chǎn)過程信息和生 產(chǎn)管理信息匯集起來，既完成生產(chǎn)控制功能，又完成一定的管理功能。 1975 年，美國的 HoneyWell 公司推出了第一套 DCS 分散控制系統(tǒng)。它的基本思想就是控制分散、功能分散、危險分散，而操作集中、管理集中，加強了使用者的安全感和信任感。 DCS 集計算機軟件技術(shù)、硬件技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、冗余技術(shù)、故障診斷技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體，靈活、易變更、易擴展。 DCS 經(jīng)歷了初創(chuàng)期（ 19751980）、成熟期（ 19801995）和擴展期（ 1985 以后）。在技術(shù)上也由單純的分散型控制到實現(xiàn)全系統(tǒng)的管理，引入局部網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)（便于多機資源共享），分散控制系統(tǒng)和信道復(fù)用等。目前 DCS 的發(fā)展將導(dǎo)致進一步的系統(tǒng)開放，如使用統(tǒng)一的通信標準、中小及微型化操作站的功能強化以及 DCS 與可編程序控制器 (PLC)之間的滲透 [14]。 現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)場總線是 90 年代初期興起的一種先進的工業(yè)控制技術(shù)。它是一種全數(shù)字式、 全分散式、全開放、可互操作和開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的新一代控制系統(tǒng)；是計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的綜合與集成；它將通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場和生產(chǎn)設(shè)備，用于制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備儀表互連的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)。使用現(xiàn)場總線 降低了成本，提高了可靠性，實現(xiàn)了控制管理一體化的結(jié)構(gòu)體系。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) (FCS)既是一個開放通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布控制系統(tǒng)。它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進一步構(gòu)成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及管理控制一體化的綜合自動化功能。這是一項以智能傳感器、控制、計算機、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù) [1]。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） CAN 總線的介紹 5 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的特點 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點 現(xiàn)場總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 形式。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對一的設(shè)備連線，按控制回路分別進行連接。而現(xiàn)場總線則是把智能設(shè)備掛接在總線上，多個設(shè)備共用一條總線。 現(xiàn)場總線系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把原先 DCS 系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現(xiàn)場設(shè)備，加上現(xiàn)場設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機構(gòu)直接傳送信號，因而控制系統(tǒng)功能可以不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散控制。 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術(shù)特點 現(xiàn)場總線系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下特點： ●系統(tǒng)的開放性： 一個開放系統(tǒng) ，是指它可以與世界上任何地方遵守相同標準的其它設(shè)備或系統(tǒng)連接。通信協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換?，F(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。用戶可按自己的需要和考慮，把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。通過現(xiàn)場總線構(gòu)筑自動化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。 下面的圖 1 是 FCS 典型體系結(jié)構(gòu)。 圖 1 FCS 典型體系結(jié)構(gòu) 生產(chǎn)過程 現(xiàn)場總線 監(jiān)控計算機 執(zhí)行機構(gòu) 智能儀器 監(jiān)控計算機 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） CAN 總線的介紹 6 ●互可操作性與互用性 可操作性，是指實現(xiàn)互連設(shè)備之間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而互用則意味著不同生產(chǎn)廠家的 性能類似的設(shè)備可實現(xiàn)相互替換。 ●現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性 它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。 ●系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有 DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。 ●對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性 現(xiàn)場總線是專為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實 現(xiàn)供電與通信。 現(xiàn)場總線的優(yōu)點 由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計、安裝到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。 節(jié)省投資：由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感控制報警和計算功能，不再需要 DCS 系統(tǒng)的信號調(diào)制、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控 PC 機作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，并可減少控制室的占地面積。 節(jié)省安裝費用：現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋 架的用量大大減少，連線設(shè)計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時，無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型實驗工程的測算資料表明，可節(jié)約安裝費用 60％以上。 節(jié)省維護開銷：由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護停工時間，同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，連線簡單而減少了維護工作量。 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán) ：用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品而限制了其它設(shè)備的選擇范圍。 提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性：由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統(tǒng)的結(jié)東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） CAN 總線的介紹 7 構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。 此外，由于設(shè)備標準化，功能模塊化，因而還具有設(shè)計簡單，易于重構(gòu)等優(yōu)點 [10]。 CAN 與其他幾種現(xiàn)場總線的比較 自 80 年代末以來，有幾種現(xiàn)場總線技術(shù)逐漸 在一些應(yīng)用領(lǐng)域顯示了自己的優(yōu)勢，它們具有各自的特點。目前較流行的現(xiàn)場總線主要有以下幾種： CAN， LONWORKS，F(xiàn)F(Foundation Fieldbus)， PROFIBUS。與此同時，傳統(tǒng)的 RS232 和 RS485 標準仍然在廣泛地使用。 ● RS232C 串行接口標準 RS232C 是異步串行通信中應(yīng)用廣泛的標準總線接口，適用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備 (DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備 (DCE)之間的接口。它采用非平衡傳輸方式 (即單端通訊 )進行數(shù)據(jù)發(fā)送 /接收，其邏輯電平對地是對稱的，與 TTL,MOS 邏輯電平完全不同。邏輯 0 電平 規(guī)定為+5V～ +15V 之間，邏輯 1 電平為 5V～ 15V 之間。因此 RS232C 驅(qū)動器與 TTL 電平連接必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。 RS232C 由于發(fā)送器和接收器之間具有公共信號地，不可能使用雙端信號，因此共模噪聲會耦合到信號系統(tǒng)中，這就是 RS232C 使用較高傳輸電壓的主要原因。即便如此，該標準的信號傳輸速率也只能達到 20kb/s，而且最大距離僅 15m，要想實現(xiàn)遠距離傳輸，必須使用 Modem。因此， RS232C 存在數(shù)據(jù)傳輸速率慢、傳送距離短、串口處各信號間容易產(chǎn)生串擾等種種缺點，而且， RS232C 是專門為點對 點 (即只用一對收、發(fā)設(shè)備 )通訊而設(shè)計的，其驅(qū)動器負載為 3～ 7k?。所以只適合本地設(shè)備單發(fā)、單收通信。 ● RS485 串行接口標準 RS485 是從 RS422 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。為改進 RS232C 通信距離短、速率低而且不能實現(xiàn)多機通信的缺點， RS485 的數(shù)據(jù)傳輸采用平衡發(fā)送和差分接收方式，具有很強的抑制共模干擾能力，而且接收器具有較高的靈敏度，因此，最大傳輸距離可延長到 1219 米 (速率低于 l00kb/s 時 )，在 100 米范圍內(nèi)傳輸時速率高達 l0Mb/s，并允許在一條平衡總線上連接多個負載設(shè)備，負載設(shè)備可以 是被動發(fā)送器、接收器或收發(fā)器。其接口標準是一種多發(fā)送器的電路標準，具有多點、雙向通信能力，便于實現(xiàn)多機通信，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍。 RS485 串行接口支持半雙工通信，只需一對雙絞線即可方便地構(gòu)成主機與多個子機的分布式系統(tǒng)，接口電路簡單，系統(tǒng)成本低。它采用差分式傳輸方式，雙絞線的長度與傳輸速率成反比。 RS485 總線網(wǎng)絡(luò)需要使用終接電阻進行匹配，其阻值相當于傳輸東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） CAN 總線的介紹 8 電纜的特性阻抗，一般為 120?。匹配電阻接至總線電纜的兩端，但在短距離與低速率傳輸時可以不必考慮，判斷標準為 :當信號的轉(zhuǎn)換時間 (上升或下降時間 )超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的 3 倍以上時就可以不加匹配電阻。 RS485 的差分輸入范圍為 7V+12V，接收器最小輸入阻抗為 12kΩ，抗干擾能力強，能滿足 RS422 的所有規(guī)范，可以在 RS422 網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。目前， RS485 接口標準已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器儀表、多媒體網(wǎng)絡(luò)等諸多領(lǐng)域。 但是 RS485 總線畢竟只是一個簡單的沒有硬件通訊協(xié)議的物理層，其通訊協(xié)議完全依賴軟件的支持，這就增加了系統(tǒng)通訊軟件的負擔。并且，在幾乎沒有可靠的總線競爭仲裁與幀重發(fā)機制的情況下 ，數(shù)據(jù)的丟失率正比于總線數(shù)據(jù)的流通量。 RS485 總線一般以單主的工作方式設(shè)計，若令其工作在多主方式，則其通訊的可靠性反比于通訊網(wǎng)絡(luò)的負荷量。特別是系統(tǒng)節(jié)點工作在多種通訊模式下時，通訊的失誤率與重發(fā)率將隨著網(wǎng)絡(luò)負荷量的增長而成倍增長，最終可能導(dǎo)致整個通訊網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。 RS485 通訊器件較小的收發(fā)緩沖區(qū)也不利于由它構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)長期處于連續(xù)或長字串的收發(fā)狀態(tài)，這在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)量不平衡的情況下尤其明顯。盡管如此，由于其在長線傳輸?shù)目垢蓴_能力以及傳輸速率的優(yōu)勢， RS485 總線在小系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中還是有著廣泛的應(yīng)用。例如在單幢 多層住宅中構(gòu)建的智能網(wǎng)絡(luò)單元， RS485 總線技術(shù)完全能滿足網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸要求。至于在遠程監(jiān)測控制領(lǐng)域，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)負荷量相對較重的情況下， RS485 總線系統(tǒng)有可能無法達到較好的通訊效果。 ● LONWORKS 局部操作網(wǎng)絡(luò) (Local Operating Network)是由美國 Echelon 公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于 1990 年正式公布而形成的。它采用了 ISO/OSI 模型的全部七層協(xié)議，應(yīng)用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置，其通信速率從 300bps 至 不等，直接通信距離可達 2700m(78kbps，雙絞線 )；支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種介質(zhì)，被譽為通用控制網(wǎng)絡(luò)。 LonWorks 技術(shù)所采用的 LonTalk 協(xié)議被封裝在稱之為 Neuron 的神經(jīng)元芯片中而得以實現(xiàn)。集成芯片中有 3 個 8 位的 CPU，共同完成 LonTalk 的七層協(xié)議功能。 Echelon公司同時提供了一套開發(fā)工具平臺 LON Builder 與 Node Builder，以方便用戶利用神經(jīng)元芯片、 LonTalk 協(xié)議、 LonWorks 收發(fā)器開發(fā)出適合各自領(lǐng)域的系統(tǒng)和產(chǎn)品。 ●基金 會現(xiàn)場總線 (Foundation Fieldbus) 基金會現(xiàn)場總線是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。它以 ISO/OSl 七層模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為 FF 通信模型的相應(yīng)層，并增加了用戶層。用戶層主要針對自動化測控應(yīng)用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè)備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集。 ● PROFIBUS 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） CAN 總線的介紹 9 PROFIBUS 是納入德國國家標準 DIN 19245 和歐洲標準 EN50170 的現(xiàn)場總線標準。由 DP， FMS， PA 組成了 PROFIBUS 系列。 DP 型用于分散外設(shè)間的 高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)