【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （ CAN）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ ISO11898），為控制器局部網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化推廣鋪平了道路 [15]。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線的介紹 4 分布式系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程控制技術(shù)緊密地結(jié)合在一起，使過(guò)程控制由原來(lái)的第三代過(guò)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(dòng)化提高到一個(gè)新的水平。 集中式控制系統(tǒng)在硬件構(gòu)成上，將每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的信號(hào)通過(guò)輸入接口與集中控制系統(tǒng)相連，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)分析運(yùn)算后，集中控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)又通過(guò)輸出接口去執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制工藝生產(chǎn)。在控制功能上，它把生產(chǎn)過(guò)程信息和生 產(chǎn)管理信息匯集起來(lái)，既完成生產(chǎn)控制功能，又完成一定的管理功能。 1975 年，美國(guó)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(xiǎn)分散，而操作集中、管理集中，加強(qiáng)了使用者的安全感和信任感。 DCS 集計(jì)算機(jī)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(kuò)展。 DCS 經(jīng)歷了初創(chuàng)期（ 19751980）、成熟期（ 19801995）和擴(kuò)展期（ 1985 以后）。在技術(shù)上也由單純的分散型控制到實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的管理，引入局部網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)（便于多機(jī)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(jìn)一步的系統(tǒng)開(kāi)放，如使用統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)、中小及微型化操作站的功能強(qiáng)化以及 DCS 與可編程序控制器 (PLC)之間的滲透 [14]。 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)場(chǎng)總線是 90 年代初期興起的一種先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)。它是一種全數(shù)字式、 全分散式、全開(kāi)放、可互操作和開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的新一代控制系統(tǒng)；是計(jì)算機(jī)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(chǎng)和生產(chǎn)設(shè)備，用于制造自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備儀表互連的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。使用現(xiàn)場(chǎng)總線 降低了成本，提高了可靠性，實(shí)現(xiàn)了控制管理一體化的結(jié)構(gòu)體系。 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) (FCS)既是一個(gè)開(kāi)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(diǎn)的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進(jìn)一步構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基本控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及管理控制一體化的綜合自動(dòng)化功能。這是一項(xiàng)以智能傳感器、控制、計(jì)算機(jī)、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(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線的介紹 5 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的特點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)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(duì)一的設(shè)備連線，按控制回路分別進(jìn)行連接。而現(xiàn)場(chǎng)總線則是把智能設(shè)備掛接在總線上，多個(gè)設(shè)備共用一條總線。 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備，加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送儀表可以與閥門(mén)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號(hào)，因而控制系統(tǒng)功能可以不依賴(lài)控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下特點(diǎn)： ●系統(tǒng)的開(kāi)放性： 一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng) ，是指它可以與世界上任何地方遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)連接。通信協(xié)議公開(kāi)，各不同廠家的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換?，F(xiàn)場(chǎng)總線開(kāi)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(kāi)放系統(tǒng)。用戶(hù)可按自己的需要和考慮，把來(lái)自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)筑自動(dòng)化領(lǐng)域的開(kāi)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(guò)程 現(xiàn)場(chǎng)總線 監(jiān)控計(jì)算機(jī) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 智能儀器 監(jiān)控計(jì)算機(jī) 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)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(lèi)似的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)相互替換。 ●現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性 它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。 ●系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。 ●對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性 現(xiàn)場(chǎng)總線是專(zhuān)為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境而設(shè)計(jì)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(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí) 現(xiàn)供電與通信。 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn) 由于現(xiàn)場(chǎng)總線的以上特點(diǎn)，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、安裝到正常生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。 節(jié)省投資：由于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場(chǎng)的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感控制報(bào)警和計(jì)算功能，不再需要 DCS 系統(tǒng)的信號(hào)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(jī)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(fèi)用：現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的接線十分簡(jiǎn)單，一對(duì)雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個(gè)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(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備時(shí)，無(wú)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(jì)、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型實(shí)驗(yàn)工程的測(cè)算資料表明，可節(jié)約安裝費(fèi)用 60％以上。 節(jié)省維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)：由于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過(guò)數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶(hù)可以查詢(xún)所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護(hù)停工時(shí)間，同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，連線簡(jiǎn)單而減少了維護(hù)工作量。 用戶(hù)具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán) ：用戶(hù)可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來(lái)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(zhǔn)確性與可靠性：由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號(hào)相比，它從根本上提高了測(cè)量與控制的精確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線的介紹 7 構(gòu)簡(jiǎn)化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)，減少了信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)化，功能模塊化，因而還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn) [10]。 CAN 與其他幾種現(xiàn)場(chǎng)總線的比較 自 80 年代末以來(lái)，有幾種現(xiàn)場(chǎng)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(shì)，它們具有各自的特點(diǎn)。目前較流行的現(xiàn)場(chǎng)總線主要有以下幾種： CAN， LONWORKS，F(xiàn)F(Foundation Fieldbus)， PROFIBUS。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的 RS232 和 RS485 標(biāo)準(zhǔn)仍然在廣泛地使用。 ● RS232C 串行接口標(biāo)準(zhǔn) RS232C 是異步串行通信中應(yīng)用廣泛的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送 /接收，其邏輯電平對(duì)地是對(duì)稱(chēng)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(dòng)器與 TTL 電平連接必須經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換。 RS232C 由于發(fā)送器和接收器之間具有公共信號(hào)地，不可能使用雙端信號(hào)，因此共模噪聲會(huì)耦合到信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)傳輸速率也只能達(dá)到 20kb/s，而且最大距離僅 15m，要想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(hào)間容易產(chǎn)生串?dāng)_等種種缺點(diǎn)，而且， RS232C 是專(zhuān)門(mén)為點(diǎn)對(duì) 點(diǎn) (即只用一對(duì)收、發(fā)設(shè)備 )通訊而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)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(biāo)準(zhǔn) RS485 是從 RS422 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。為改進(jìn) RS232C 通信距離短、速率低而且不能實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信的缺點(diǎn)， 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(qiáng)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(zhǎng)到 1219 米 (速率低于 l00kb/s 時(shí) )，在 100 米范圍內(nèi)傳輸時(shí)速率高達(dá) l0Mb/s，并允許在一條平衡總線上連接多個(gè)負(fù)載設(shè)備，負(fù)載設(shè)備可以 是被動(dòng)發(fā)送器、接收器或收發(fā)器。其接口標(biāo)準(zhǔn)是一種多發(fā)送器的電路標(biāo)準(zhǔn)，具有多點(diǎn)、雙向通信能力，便于實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍。 RS485 串行接口支持半雙工通信，只需一對(duì)雙絞線即可方便地構(gòu)成主機(jī)與多個(gè)子機(jī)的分布式系統(tǒng)，接口電路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)成本低。它采用差分式傳輸方式，雙絞線的長(zhǎng)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(jìn)行匹配，其阻值相當(dāng)于傳輸東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)可以不必考慮，判斷標(biāo)準(zhǔn)為 :當(dāng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間 (上升或下降時(shí)間 )超過(guò)電信號(hào)沿總線單向傳輸所需時(shí)間的 3 倍以上時(shí)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(qiáng)，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(biāo)準(zhǔn)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(gè)簡(jiǎn)單的沒(méi)有硬件通訊協(xié)議的物理層，其通訊協(xié)議完全依賴(lài)軟件的支持，這就增加了系統(tǒng)通訊軟件的負(fù)擔(dān)。并且，在幾乎沒(méi)有可靠的總線競(jìng)爭(zhēng)仲裁與幀重發(fā)機(jī)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(jì)，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(fù)荷量。特別是系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)工作在多種通訊模式下時(shí)，通訊的失誤率與重發(fā)率將隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷量的增長(zhǎng)而成倍增長(zhǎng)，最終可能導(dǎo)致整個(gè)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(zhǎng)期處于連續(xù)或長(zhǎng)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(zhǎng)線傳輸?shù)目垢蓴_能力以及傳輸速率的優(yōu)勢(shì)， 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(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制領(lǐng)域，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)負(fù)荷量相對(duì)較重的情況下， RS485 總線系統(tǒng)有可能無(wú)法達(dá)到較好的通訊效果。 ● LONWORKS 局部操作網(wǎng)絡(luò) (Local Operating Network)是由美國(guó) 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(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(dá) 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(yù)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(chēng)之為 Neuron 的神經(jīng)元芯片中而得以實(shí)現(xiàn)。集成芯片中有 3 個(gè) 8 位的 CPU，共同完成 LonTalk 的七層協(xié)議功能。 Echelon公司同時(shí)提供了一套開(kāi)發(fā)工具平臺(tái) LON Builder 與 Node Builder，以方便用戶(hù)利用神經(jīng)元芯片、 LonTalk 協(xié)議、 LonWorks 收發(fā)器開(kāi)發(fā)出適合各自領(lǐng)域的系統(tǒng)和產(chǎn)品。 ●基金 會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線 (Foundation Fieldbus) 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線是在過(guò)程自動(dòng)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(hù)層。用戶(hù)層主要針對(duì)自動(dòng)化測(cè)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(yǔ)言規(guī)定了通用的功能塊集。 ● PROFIBUS 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線的介紹 9 PROFIBUS 是納入德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) DIN 19245 和歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN50170 的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。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(dòng)化領(lǐng)