两种现场总线的比较

摘要

现场总线是自动化领域的计算机网络，是当今自动化领域技术发展的热点之一。它以总线为纽带，将现场设备连接起来成为一个能够相互交换信息的控制网络，是一种双向串行多节点数字通信的系统。CAN总线是现场总线的一种，它最初被应用于汽车的控制系统中。由于其卓越的性能，CAN总线的应用范围已不再局限于汽车工业，被广泛应用到自动控制、楼宇自动化、医学设备等各个工业控制领域。

本文介绍了现场总线及其特点，然后以CAN总线为重点，说明了CAN总线的特点及工作原理。接着分析了CAN总线在电气控制领域的应用，以在变电站监控系统中的应用为重点，根据变电站监控系统通信网络的特点和要求提出自己的设计思想。

关键字：现场总线、CAN总线、控制系统、变压器

一、 INTERBUS现场总线技术简介

INTERBUS现场总线是由德国Phoenix Contact公司开发。

INTERBUS现场总线是一种开放的串行总线，可以构成各种拓扑结构，并允许有16级嵌套连接方式。该总线最多可挂512个现场设备，设备之间的最大距离为400m，无需中继器网络的最大距离为12.8cm。INTERBUS总线包括运程总线和本地总线，远程总线用于远距离传输数据，采用RS85传输，网络本身不供电，通信速率为500Kbps和2Mbps。INTERBUS有自己独特的环路结构，环路使用标准电缆同时传送数据和电源。环路可以连接模拟、数字设备甚至复杂的传感器/执行器，也允许直接接入智能终端仪表。

协议包括物理层、数据链路层和应用层。数据链路层采用面向过程数据的传输方式及集总帧协议，可以传输循环过程数据和非循环过程数据；帧信息包括一个启动信号、回送信息、数据安全/结束信息。集总帧具有非常高的传输速率，其速率高达52%。尽管INTERBUS通信速率为500Kbps和2Mbps，通信速率和效率很高。应用层服务用于实现实时数据交换、VFD支持、变量访问、程序调用和12个相关的服务。

INTERBUS总线有很强的监视、诊断功能。总线监控功能可以监视整个网络系统的运行状态，同时也提供总线网络的变结构功能，能及时根据设计要求，关断和连接总线的某个子总线段。监控功能是现场安装、调试、诊断和维护的有力工具。具体功能是识别和确定安装错误和部件错误。现场总线模块具有输入/输出的状态显示，在调试时可设置输出状态，也可以保存某些智能设备的参数。

为了提高工业网络的安全性，以满足制造业和工业过程自动化故障安全通信的要求，特别是在汽车制造业中具有安全总线的功能被放在首位。INTERBUS俱乐部从1999年开始进行INTERBUS安全总线研究，在2001年得到了德国BIA组织EN954-1KAT.4标准的许可证，它符合IEC61508安全通信标准。INTERBUS的安全总线由一个Safe Control控制模块和现场分散式智能模块组成，控制模块的唯一功能就是控制安全数据。这种方案优于其它方案，因为它将控制系统与安全总线的功能截然分开，控制系统机构清晰、简单，不影响今后的扩展和修改，成本明显降低。

二、 INTERBUS现场总线技术的特点

（1）系统的开放性 现场总线致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户根据自己的需求，通过现场总线把来自不同厂商的产品组成大小随意的开放互连系统。

（2）互操作性与互用性 互操作性是指实现互联设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现互相替换。

(3)现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

（4）系统结构的高度分散性 现场总线构成一种新的全分散式控制系统的体系结构，从根本上改变了集中于分散结合的DCS体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

Interbus是一种器件级现场总线，它快速、准确（令牌传送、环形拓扑），最多可以连接512个远程节点，每段距离为400m。他的传输速率在500Kbps到12Mbps之间；而且传输的距离间于100m到400m；它所运用的传输介质就是双绞线。 三、 INTERBUS现场总线技术应用实例

INTERBUS现场总线技术在港口的应用

INTERBUS总线 以ISO/OSI的七层通讯标准模型为参考，总线物理层采用RS485串行通信标准，采用环型数据链路，传输速率恒定为500K和2M。树型拓扑结构，可连接254 个子站，易于分层，易于扩展。每两个子站之间距离可达400米，采用屏蔽双绞线传输时整个系统总长达12.8 公里。而且在同一个系统中，三种传输媒介（双绞线电缆，光纤，红外）可以根据需要混合使用。尤其值得一提的是，它强大的诊断功能，是INTERBUS区别于其它总线所独有的。独立的诊断程序提供了详细的故障信息（故障地址、故障类型和故障历史记录）。其中，准确的故障地址为用户快速排除故障提供了可能。

INTERBUS总线在双绞线上的差分电压信号保证了强大的抗干扰性。通过交换专门的状态信息来检查相邻INTERBUS总线设备的连接，作为远程总线检查的结果，可从总线电缆的断裂或接触不良产生一个相应的错误信息。并在数据环中有一个标志性的返回字，总线控制板通过它比较一个扫描周期的时间；同时总线控制板按照该返回字的专门比特序列找出发生在传输路径或总线设备中的错误，周期性地对两个总线设备中的传输路径进行冗余检查。这样似的传输可靠性的得到保障。

四、 CANBUS现场总线技术简介

CAN是控制局域网络（control Area Network）的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准。由于得到了Motorola， Intel, Ohilip, Siemence,

NEC等公司的支持，它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联模型基础上的，不过其模型结构只有三层，即只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/5kbps。可挂接设备数量最多可达110个。 CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。

CAN是目前比较流行的一种现场总线,最早用于汽车内部检测部件与执行部件间的数据通信。由于本身的特点,其应用范围已不再局限于汽车工业,而向过程控制、机械工业、纺织工业、机器人、数控机床、医疗器械、智能建筑等领域发展。CAN 已经形成国际标准,并已经被公认为几种最有效的现场总线之一。CAN

总线目前主要有两种技术规范:即CAN2.0 Part A 和CAN2.0 Part B。

五、 CAN 总线的特点

a) 采用多主站工作方式,节点之间不分主从,依据优先级进行总线访问,通信方式灵活。

b) 采用非破坏性总线仲裁技术,当多个节点同时向总线发送信息时,按优先级发送。

c) 借助接收滤波的多地址帧传送。

d) 远程数据请求。CAN 的直线通信距离最远可达10km (速率5Kbps 以下)通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m) 。

e) 全系统数据兼容,系统灵活。不关闭总线即可任意挂接或拆除节点。

f) 通信介质可采用双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活。现场布线和安装简单,易于维护,经济性好。

g) 严格的错误检测和界定。CAN 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能,以使总线上其它节点的操作不受影响。

h) CAN 总线上的节点数主要取决于总线驱动电路,在CAN2.0 B 标准中,其报文标识符几乎不受限制。

总之,CAN 总线具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操作性好、总线协议具有完善的错误处理机制、灵活性高和价格低廉等特点。

六、 CAN的工作原理

当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时,它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说,无论数据是否是发给自己的,都对其进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符,定义了报文的优先级,这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的,不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时,这种配置十分重要。

一个站要向其它站发送数据时,该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片,并处于准备状态;当它收到总线分配时, 转为发送报文状态。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出,这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测,判断这些报文是否是发给自己的,以确定是否接收它。

由于CAN总线是一种面向内容的编址方案,因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时,数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分布过程同步化,即总线上控制器需要测量数据时,可由网上获得,而无须每个控制器都有自己独立的传感器。

七、 CAN总线通信模型

CAN遵从OSI 模型，只采用了OSI 参考模型全部七层中的的两层，即物理层和数据链路层。 物理层分为物理层信号、物理媒体连接与介质从属接口三部分，完成电气连接、定时、同步、位编码解码等功能；数据链路层分为：逻辑链路控制子层与媒体访问控制子层两部分。结构图如下所示。

图2-1 CAN总线的分层结构

八、 INTERBUS现场总线与CAN现场总线比较

现场总线 特点 应用

Interbus 传输速率：500Kbps~12Mbps

传输距离;100~400m

传输介质：双绞线 广泛应用于车间设备控制或PLC网络控制

CAN 传输速率;5kbps

传输距离;19km

传输介质：电缆 已列入ISO11898标准，多应用于汽车内部的电子装置控制、大型仪器设备的数据采集和控制

参考文献：

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