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近几年，工业以太网技术的研究与应用得到了迅速的发展，以其应用广泛、通信速率高、成本低廉等优势进入工业控制领域，成为新的热点。
现场总线 (Fieldbus) 自产生以来，一直是自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，各自动化厂商纷纷推出自己的现场总线产品，并在不同的领域和行业得到了越来越广泛的应用，现在已处于稳定发展期。近几年，无线传感网络与物联网 (IoT)技术也融人工业测控系统中。
按照IEC对现场总线一词的定义，现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实现双向、串行、多节点数字通信的技术。这是由IEC/TC65 负责测量和控制系统数据通信部分国际标准化工作的SC65/WG6定义的。它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。它不仅是一个基层网络，还是一种开放式、新型全分布式控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数据通信为主要内容的综合技术，已受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点，并将引发自动化系统结构与设备的深刻变革。
目前国际上存在着几十种现场总线标准，比较流行的主要有FF、CAN、DeviceNet、LonWorks、PROFIBUS、HART、INTERBUS、CC-Link、 ControlNet、 WorldFIP、P-Net、SwiftNet 等现场总线。本文节选自《现场总线及其应用技术》，对其中六大现场总线技术进行解析。
01、FF
基金会现场总线(Foundation Fieldbus，FF)是在过自动化领域得到广泛支持和具有好发展前景的技术。以美国Fisher-Rousemount 公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制定了ISP 协议；以 Honeywell 公司为首、联合欧洲等地的150家公司制定了WorldFIP。1994 年9月，制定上述两种协议的多家公司成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据销链路层、应用层为 FF 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25 kbit/s，通信距离可达1900m(可加中继器延长)，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率为1Mbit/s和2.5Mbit/s两种，其通信距离为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。
02、CAN和CAN FD
控制器局域网(Controller Area Network，CAN)最早由德国Bosch公司提出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有3层，只取OSI的物理层、数据链路层和应用层。其信号传输介质为双绞线，在40m的距离时，通信速率最高可达1Mbit/s；在通信速率为5kbit/s时，直接传输距离最远可达10km，最多可挂接设备110个。已有多家公司开发生产了符合CAN协议的通信控制器，如NXP公司的SJA1000、Mirochip公司的MCP2515、内嵌CAN通信控制器的ARM和DSP等。还有插在 PC上的CAN总线适配器，具有接口简单，编程方便、开发系统价格便宜等优点。此外，为了缩小CAN网络(最大1Mbit/s)与FlexRay(最大10Mbit/s)网络的带宽差距，Bosch公司于2011年推出了CAN FD(CAN
with Flexible Data-Rate)方案。
03、DeviceNet
DeviceNet是一种低成本的通信连接，它将工业设备连接到网络，从而免去了昂贵的硬按线。DeviceNet又是一种简单的网络解决方案，在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。DeviceNet 的直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线 I/O接口很难实现的。DeviceNet是一个开放式网络标准。规范和协议都是开放的，厂商将设备连接到系统时，无须购买硬件、软件或许可权。任何人都能以少量的复制成本从开放式 DeviceNet 供货商协会(Open DeviceNet Vendor Association，ODVA)获得 DeviceNet 规范。任何制造 DeviceNet产品的公司都可以加人ODVA，并参加对 DeviceNet规范进行增补的技术工作组。DeviceNet规范的购买者将得到一份不受限制的，真正免费的开发 DeviceNet 产品的许可。寻求开发帮助的公司可以通过任何渠道购买使其工作简易化的样本源代码、开发工具包和各种开发服务。关键的硬件可以从世界上最大的半导体供货商那里获得。
04、LonWorks
美国Echelon公司于 1992 年成功推出了 LonWorks 智能控制网络。LON (Local Operating Networks)总线是该公司推出的局部操作网络，Echelon 公司开发了LonWorks 技术，为 LON总线设计和成品化提供了一套完整的开发平台。其通信协议 LonTalk 支持 OSI/RM 的所有七层型，这是LON总线最突出的特点。LonTalk 协议通过神经元芯片 (Neuron Chip)上的硬件和固件 (Firmware) 实现，提供介质存取、事务确认和点对点通信服务；还有一些如认证、优先级传输、单一/广播/组播消息发送等高级服务。网络拓扑结构可以是总线型、星形、环形和混合网，可实现自由组合。另外，通信介质支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线和电力线等。应用程序采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信的设计简化为参数设置，大大缩短了产品开发周期。LonWorks控制网络技术可用于各主要工业领域，如工厂厂房自动化、生产过程控制、楼宇及家庭自动化、农业、医疗和运输业等，为实现智能控制网络提供完整的解决方案。
05、PROFIBUS
PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，并事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按PROFIBUS的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主-从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可对所有站点广播(不要求应答)，或有选择地向一组站点广播。
PROFIBUS的传输速率为96kbit/s~12Mbit/s，最大传输距离在9.6kbit/s时为1200m，1.5Mbit/s时为200m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。
06、CC-Link
CC-Link是Control& Communication Link(控制与通信链路系统)的简称，即在工控系统中，可以将控制和信息数据同时以10 Mbit/s 的速率高速传输的现场网络。CC-Link 具有性能卓越、应用广泛、使用简单、节省成本等突出优点。作为开放式现场总线，CC-Link 是唯一起源于亚洲地区的总线系统，CC-Link 的技术特点尤其适合亚洲人的思维习惯。
CC-Link 现场总线由CC-Link、CC-Link/LT、CC-Link Safety、CC-Link IE Control、CC-Link IE Field、SLMP 组成。
CC-Link 是一个技术先进、性能卓越、应用广泛、使用简单、成本较低的开放式现场总线，其在中国的技术发展和应用有着广阔的前景。
07、ControlNet
ControlNet是一个高速的工业控制网络，在同一电缆上同时支持I/O信息和报文信息(包括程序、组态、诊断等信息)，集中体现了控制网络对控制(Control)、组态(Configuration)、采集(Collect)等信息的完全支持，ControlNet以生产者/消费者这一先进的网络模型为基础，该模型为网络提供更高的有效性、一致性和柔韧性。
ControlNet协议的制定参照了OSI七层协议模型，并参照了其中的1、2、3、4、7层。既考虑到网络的效率和实现的复杂程度，没有像 LonWorks一样采用完整的7层；又兼顾到协议技术的向前兼容性和功能完整性，与一般现场总线相比增加了网络层和传输层。这对和异种网络的互连和网络的桥接功能提供了支持，更有利于大范围的组网。
08、HART
HART(Highway Addressable Remote Transducer，可寻址远程传感器高速通道)开放通信协议是美国Rosemount公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的双向通信协议。
HART并不是真正的现场总线，而是从模拟控制系统向现场总线过渡的一块“踏脚石”。它在4~20mA的模拟信号上叠加FSK (Frequency Shift Keying，频移键控)数字信号，可以兼容模拟和数字两种信号。符合 HART 协议的现场仪表，在不中断过程信号传输的情况下，在同一模拟回路上可以同时进行数字通信，使用户获得了诊断和维护的信息以及更多的过程数据。
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▊《现场总线及其应用技术 第3版》李正军 李潇然 编著
本书从科研、教学和工程应用出发，理论联系实际，全面、系统地介绍了现场总线技术、工业以太网技术及其应用系统设计，力求所讲内容具有较强的可移植性、先进性、系统性、应用性、资料开放性，起到举一反三的作用。
全书共分9章，主要内容包括：现场总线与工业以太网概述、CAN现场总线与应用系统设计、CAN FD现场总线与应用系统设计、PROFIBUS-DP现场总线、基金会现场总线、CC-Link现场总线与开发应用、DeviceNet现场总线、工业以太网，以及基于现场总线与工业以太网的新型DCS的设计。全书内容丰富，体系先进，结构合理，理论与实践相结合，尤其注重工程应用技术。
撰 稿 人：杨健亭责任编辑： 李馨馨审 核 人：曹新宇
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