【正文】 控制系統(tǒng)就是通信網(wǎng)絡把眾多的帶有通信接口的控制設備、檢測元件、執(zhí)行器件與主計算機連接起來，由計算機進行智能化管理，實現(xiàn)集中數(shù)據(jù)處理、集中監(jiān)控、集中分析和集中調(diào)度的新型生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)。第二代過程控制體系（模擬式或ACS，Analogous Control System）是基于0－10mA或4－20mA的電流模擬信號，這一明顯的進步，在整整25年內(nèi)牢牢地統(tǒng)治了整個自動控制領域。控制理論有了重大發(fā)展，三大控制論的確立奠定了現(xiàn)代控制的基礎；控制室的設立，控制功能分離的模式一直沿用至今。70年代開始了數(shù)字計算機的應用，產(chǎn)生了巨大的技術優(yōu)勢，人們在測量，模擬和邏輯控制領域率先使用，從而產(chǎn)生了第三代過程控制體系（CCS，Computer Control System）。所以它很快被發(fā)展成分布式控制系統(tǒng)（DCS）。于是分散控制成了最主要的特征。第五代過程控制體系（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）：FCS是從DCS發(fā)展而來，就像DCS從CCS發(fā)展過來一樣，有了質的飛躍。但是FCS與DCS的真正的區(qū)別在于FCS有更廣闊的發(fā)展空間。1982年，現(xiàn)場總線的概念首先在歐洲提出，兩年后于1984年各國開始進行現(xiàn)場總線標準的研究和制定。這樣DSC的發(fā)展的重點落在了現(xiàn)場總線上，開始了被稱為第五代過程控制體系（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）的時代。從表面上來看，F(xiàn)CS與DCS區(qū)別僅僅在于從“分散控制”發(fā)展到“現(xiàn)場控制”；數(shù)據(jù)的傳輸從“點到點”到“總線”方式。系統(tǒng)的增大，導致了網(wǎng)絡的通訊技術急劇發(fā)展；于是科技界充分認識到在計算機系統(tǒng)的發(fā)展中起過重要作用的總線技術可以大大地推進控制系統(tǒng)的發(fā)展。　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。系統(tǒng)除完成遠程控制，還可完成遠程參數(shù)化工作。系統(tǒng)為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術，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)。同時，系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設備的遠程參數(shù)設定、修改等參數(shù)化工作，也增強了系統(tǒng)的可維護性?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)只保留集散控制系統(tǒng)（DCS）中的現(xiàn)場設備及操作站，操作站已不再是系統(tǒng)的關鍵部分。（5） 組態(tài)簡單由于所有儀表都引入了功能模塊，組態(tài)變得非常相似或簡單，不需要因為自動化設備種類不同或組態(tài)方法的不同而進行培訓或學習編程語言。功能模塊是以用戶自定義的標識符和標準參數(shù)為基礎的，用戶可以根據(jù)標識符來指定某一設備，毋需考慮設備地址、存儲記憶地址和比特編號等。由于不同廠商、不同型號的儀表的校準、量程設定和診斷等的操作程序是一致的，使得培訓操作員簡單化和設備的更新。（6） 查索更多的信息及診斷狀況數(shù)字通信使用戶從控制室中查索所有設備的數(shù)據(jù)、組態(tài)、運行和診斷信息成為現(xiàn)實?，F(xiàn)場設備的自診斷功能使故障可以及時地被報告，使檢修人員在事故發(fā)生之前可及時確定潛在事故地點并進行維修。操作人員毋需把變送器送去檢測就可獲得所需信息，從而大大節(jié)省了時間和成本?，F(xiàn)場總線設備能夠模擬輸入值、輸出值或狀態(tài)。現(xiàn)場總線可以存儲有用的信息以便于維修，信息不會丟失。（8） 自由選擇不同品牌設備所有現(xiàn)場總線產(chǎn)品采用統(tǒng)一的標準，這使用戶可以自由選擇不同制造商所提供的設備。任何同現(xiàn)場總線接口的人機界面都可顯示有關信息，這樣就不會有重復的、不一致的數(shù)據(jù)庫?！追N有影響的現(xiàn)場總線（1） PROFIBUS現(xiàn)場總線1996年3月15日批準為歐洲標準，即DIN 50170 。目前支持PROFIBUS標準的產(chǎn)品超過1500多種，分別來自國際上250多個生產(chǎn)廠家。1985年組建了PROFIBUS國際支持中心；1989年12月建立了PROFIBUS用戶組織（PNO）。1997年7月組建了中國現(xiàn)場總線（PROFIBUS）專業(yè)委員會，并籌建現(xiàn)場總線PROFIBUS產(chǎn)品演示及認證的實驗室。低速總線（H1）協(xié)議已于1996年發(fā)表。1997年5月建立了中國現(xiàn)場總線（FF）專業(yè)委員會，并籌建FF現(xiàn)場總線產(chǎn)品認證中心。如：化工、電力廠實驗系統(tǒng)、廢水處理、油田等行業(yè)。目前LONGWORKS應用范圍廣泛，主要包括工業(yè)控制、樓宇自動化、數(shù)據(jù)采集、SCADA系統(tǒng)等。（4） CANBUS現(xiàn)場總線CANBUS現(xiàn)場總線已由ISO/TC22技術委員會批準為國際標準IOS 11898（通訊速率小于1Mbps）和ISO 11519（通訊速率小于125Kbps）。另外在電梯、醫(yī)療器械、工具機床、樓宇自動化等場合均有所應用。96年成為歐洲標準（EN 50170 ）。WorldFIP國際組織在北京設有辦事處，即WorldFIP中國信息中心，負責中國的技術支持。制造業(yè)為1M bit/s?？蛇M行1對1對多點（組）、1對全體等多重通信方式。WorldFIP現(xiàn)場總線適用范圍廣泛，在過程自動化、制造業(yè)自動化、電力及樓宇自動化方面都有很好的應用。1984年推出采用多重主站現(xiàn)場總線的第一批產(chǎn)品。1987年推出PNET的多重接口產(chǎn)品。1996年成為歐洲總線標準的一部分（EN 50170 ）。PNET現(xiàn)場總線在歐洲及北美地區(qū)得到廣泛應用，其中包括石油化工、能源、交通、輕工、建材、環(huán)保工程和制造業(yè)等應用領域。一般認為”現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，是用于工業(yè)控制的計算機系統(tǒng)的工業(yè)總線。從現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System）的角度來看，它的通訊網(wǎng)絡結構將是ISO的通訊模型的七層結構（一般簡化為三層，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層）?？刂破骶植烤W(wǎng)將在我國迅速普及推廣。由于對系統(tǒng)可靠性和靈活性的高要求，工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展主要表現(xiàn)為：控制面向多元化，系統(tǒng)面向分散化，即負載分散、功能分散、危險分散和地域分散。這類系統(tǒng)是以微型機為核心，將5C技術COMPUTER（計算機技術）、CONTROL（自動控制技術）、COMMUNICATION（通信技術）、CRT（顯示技術）和 CHANGE（轉換技術）緊密結合的產(chǎn)物。典型的分散式控制系統(tǒng)由現(xiàn)場設備、接口與計算設備以及通信設備組成。現(xiàn)場總線的研究與應用已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領域的熱點。同時，正由于現(xiàn)場總線的標準尚未統(tǒng)一，也使得現(xiàn)場總線的應用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現(xiàn)場總線的完善提供更加豐富的依據(jù)。由于CAN為愈來愈多不同領域采用和推廣，導致要求各種應用領域通信報文的標準化。該技術規(guī)范包括A和B兩部分?！AN總線特點CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識碼可由11位或29位二進制數(shù)組成，因此可以定義211或229個不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。另外，CAN總線采用了多主競爭式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN采用非破壞性總線仲裁技術，當兩個節(jié)點同時向總線上發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省了總線沖突仲裁時間。CAN總線插卡可以任意插在PC AT XT兼容機上，方便地構成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。當總線開放時，任何連接的單元均可開始發(fā)送一個新報文。報文通信：一個報文的內(nèi)容由其標識符ID命名。成組：由于使用了報文濾波，所有節(jié)點均可接收報文，并同時被相同的報文激活。位速率——CAN的數(shù)據(jù)傳輸率在不同的系統(tǒng)中是不同的，而在一個給定的系統(tǒng)中，此速度是唯一的，并且是固定的。遠程數(shù)據(jù)請求——通過發(fā)送一個遠程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點可以請求另一個節(jié)點發(fā)送一個相應的數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀與對應的遠程幀以相同標識符ID命名。仲裁——當總線開放時，任何的單元均可開始發(fā)送報文，若同時有兩個或更多的單元開始發(fā)送，總線仲裁運用逐位仲裁規(guī)則，借助標識符ID解決。若具有相同標識符的一個數(shù)據(jù)幀和一個遠程幀同時發(fā)送，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠程幀。安全性——為獲得盡可能高的數(shù)據(jù)傳送安全性，在每個CAN節(jié)點中均設有錯誤檢測、標定和自檢的強有力的措施。出錯標注和恢復時間——已損報文由檢出錯誤的任何節(jié)點進行標注。如果不存在新的錯誤，自檢出的錯誤至下一個報文開始發(fā)送的恢復時間最多為29個位時間。應答——所有接收器均對接收報文的相容性進行檢查，回答一個相容報文，并標注一個不相容的報文。睡眠狀態(tài)借助任何總線激活或者系統(tǒng)的內(nèi)部條件被喚醒而告終。為喚醒系統(tǒng)內(nèi)仍處于睡眠狀態(tài)的其他節(jié)點，可使用具有最低可能標識符的專用喚醒報文：rrr rrrd rrrr，其中，r為隱位，d為顯位。顯性數(shù)值表示邏輯0，而隱性數(shù)值表示邏輯1。在隱性狀態(tài)下，VCAN_L和VCAN_H被固定于平均電壓電平，Vdiff近似等于零；在總線空閑或隱性位期間，發(fā)送隱性狀態(tài)。平均電壓電平UCAN系統(tǒng)內(nèi)兩個任意節(jié)點之間的最大傳輸距離與其位速率有關，見表31，這里的最大的通信距離是指在同一條總線上兩個節(jié)點之間的距離。物理層是將ECU連接至總線的電路實現(xiàn)，ECU的總數(shù)將受限于總線上的電氣負載。邏輯鏈路控制子層提供的功能包括：幀接收濾波，超載通知和恢復管理。物理層劃分為物理信令（PLS）、物理媒體附屬裝置（PMA）和媒體相關接口（MDI）三個部分。圖32　CAN總線分層結構和功能　CAN總線應用系統(tǒng)的基本結構圖33為一個CAN總線應用系統(tǒng)，主要有主機和各節(jié)點組成，主機和節(jié)點之間通過CAN收發(fā)器及CAN控制器相連，單個節(jié)點包括一個單片機控制器、一個CAN收發(fā)器和一個CAN控制器。各節(jié)點由單片機作為控制器，它用于采集現(xiàn)場的各項參數(shù)，并執(zhí)行主機發(fā)送的各項命令，這些命令將最終傳送至各執(zhí)行機構，如閥門、電機或泵等。在幾個站同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，要求快速地進行總線分配。一個快速變化的物理量，如汽車引擎負載，將比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數(shù)據(jù)并要求更短的延時。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設計時被確立后就不能再被更改。當幾個站同時發(fā)送報文時，站1的報文標識符為0111111；站2的報文標識符為0100110；站3的報文標識符為0100111。站2和站3報文的6 位相同，直到第7位時站3的報文才被丟失。在此例中，站2的報文被跟蹤。所有未獲得總線讀取權的站都成為具有最高優(yōu)先權報文的接收站，并且不會在總線再次空閑前發(fā)送報文。這種方法在網(wǎng)絡負載較重時有很多優(yōu)點，因為總線讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個報文中了，這可以保證在實時系統(tǒng)中較低的個體隱伏時間。這是實現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法　CAN與其它通信方案的比較在實踐中，有兩種重要的總線分配方法：按時間表分配和按需要分配。由此，總線可被分配給每個站并且是唯一的站，而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取。在第二種方法中，總線按傳送數(shù)據(jù)的基本要求分配給一個站，總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配。為了分配總線，多于一個總線存取是必要的。這種位仲裁的方法可以解決當兩個站同時發(fā)送數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的碰撞問題。甚至當總線在重負載情況下，以消息內(nèi)容為優(yōu)先的總線存取也被證明是一種有效的系統(tǒng)。在CSMA/CD這樣的網(wǎng)絡中，如Ethernet，系統(tǒng)往往由于過載而崩潰，而這種情況在CAN中不會發(fā)生。其唯一的不同是標識符(ID)長度不同，標準格式為11位，擴展格式為29位。RTR位標明是數(shù)據(jù)幀還是遠程幀，在遠程幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。它還包括一個保留位(ro)，為將來擴展使用。數(shù)據(jù)場范圍為0～8個字節(jié)，其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC)。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平(邏輯1)，這時正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平(邏輯0)覆蓋它。報文的尾部由幀結束標出。報文傳送由四種不同類型的幀表示和控制：數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器到接收器：遠程幀通過總線單元發(fā)送，以請求發(fā)送具有相同標識符的數(shù)據(jù)幀；出錯幀由檢測出總線錯誤的任何單元發(fā)送；超載幀用于提供當前和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀的附加延遲。下面分別予以介紹。數(shù)據(jù)場的長度可為0。圖35　標準格式數(shù)據(jù)幀圖36　擴展格式數(shù)據(jù)幀，報文濾波以整個標識符為基準。它的長度可以是整個標識符也可是標識符的一部分。遠程幀的RTR位是隱位，且不存在數(shù)據(jù)場。（3） 出錯幀出錯幀由兩個不同場組成，第一個場由來自各站的錯誤標志疊加得到，后隨的第二個場是出錯界定符。圖37　出錯幀組成錯誤標志具有兩種形式，一種是活動錯誤標志；一種是認可錯誤標志。出錯界定符包括8個隱位，出錯標志發(fā)送后，每個站都發(fā)送一個隱位，并監(jiān)視總線，直到檢測到隱位，此后開始發(fā)送剩余的7個隱位。圖38　超載幀組成存在兩種導致發(fā)送超載標志的超載條件：一是要求延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀的接收器的內(nèi)部條件；另一個是在間歇場內(nèi)檢測到顯位。在大多數(shù)情況下，為延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀，兩種超載條件均可產(chǎn)生。全部形式對應于活動錯誤標志形式。超載界定符由8個隱位組成，與錯誤界定符具有相同的形式。在此站點上，總線上的每一個站均完成送出其超載標志，并且所有站一致地開始發(fā)送剩余的7個隱位。與此相反，超載幀和錯誤幀前面不存在幀間空間，且多個超載幀也不用幀間空間分隔。如圖39所示。間歇期間不允許發(fā)送數(shù)據(jù)幀或遠程幀，它僅起標注超載幀條件的作用。此時總線是開放的，任意發(fā)送節(jié)點可以訪問總線。暫停發(fā)送場是指：錯誤認可站發(fā)送完一個報文后，開始在下一次報文發(fā)送或認可總線空閑之前，它緊隨間歇場后發(fā)送出8個隱位。4　系統(tǒng)的硬件設計　智能節(jié)點整體設計CAN是一種串行通信協(xié)議，因其具有高度的可靠性和數(shù)據(jù)完整性。特別適合于分布式實時控制系統(tǒng)，其波特率可高達1