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      幾種現場總線的通信介質訪問控制方式
      欄目:解決方案 發布時間:2011-07-04 瀏覽量: 249

      1前言
        現場總線是應用在生產現場,在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統,也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡?,F場總線控制系統既是一個開放通信網絡,又是一種全分布控制系統。自80年代以來,有幾種現場總線技術已逐漸形成,在一些特定的應用領域顯示了各自的優勢。
        對用戶而言,如何選擇適合自己需要的現場總線,來滿足工業控制中的實時要求。這需要了解每種現場總線的特點,尤其是數據鏈路層的通信介質訪問控制方式。
        按照對時間確定性的支持,現場總線通信介質訪問控制方式主要分為兩大類:一類采用事件觸發方式,它不直接支持時間確定性,多數采用隨機載波監聽方式(CSMA),具有代表性的有CAN和LON等;另一類采用時間觸發方式,它直接支持時間確定性,
        通常采用令牌方式,它又可以進一步分為:(1)集中式令牌,具有代表性的有WorldFIP和FF等;(2)分布式令牌,具有代表性的有PROFFBUS等;(3)虛擬令牌,具有代表性的有P-NET等。
        為此,本文針對目前比較流行的,且通信介質訪問控制方式具有代表性的4種現場總線——LON、CAN、PBOFIBUS和FF進行簡單的介紹,特別是對其通信介質訪問控制方式進行了較詳細的描述。

        2 LON(LocalE Operation Networks)

        美國Echelon公司于1991年推出的局部操作網絡,在組建分布式監控網絡方面具有優越性。LON技術適合于低層次工業網絡,在住宅、樓宇管理、暖通、水處理、食品加工、機器控制與監視等領域被廣泛接受。
        LONWORKS采用的LonTalk通信協議遵循ISO/OSI的全部7層模型。LonTalk協議被封裝在稱之為Neuron神經芯片中得以實現。Neuron神經芯片是IONWORKS的核心,內含3個8位CPC,分別為介質訪問控制處理器,網絡處理器和應用處理器??梢?,Neuon神經芯片不僅作為LON總線的通信處理器,也作為采集和控制的通用處理器。
        LON支持多種拓撲結構,如總線型、星型、環型、混合型等,和多種傳輸介質,如雙絞線、電力線、無線電波、紅外線、光纖、同軸電纜和電源線等??梢愿鶕煌默F場環境選擇不同的收發器和介質。采用雙絞線時,通信速率為78kbps/2700m/每段以節點,1.25Mbps/130m/每段64個節點。Motomla已開發出IS-78本安物理通道,使LON網絡可以延伸到危險區域。

        LON的通信介質訪問控制方式為帶預測P-堅持CSMA。當節點有信息要發送而試圖占用通道時,首先在一個固定的周期Beta 1檢測通道是否處于網絡空閑。為了支持優先級,還要增加優先級時間片,優先級越高的所加的時間片越少。隨后再根據網絡積壓參數BL產生一個隨機等待時間片 W’,W’為0到W之間的隨機數,W=BL*16。當延時結束時,網絡仍空聞,節點以概率p=1/W發送報文。此種方式在負載較輕時使介質訪問延遲最小化,而在負載較重時使沖突最小化,但不能消除沖突。圖2-1為LON的優先級帶預測P-堅持CSMA概念示意圖。
        LON有完整的7層協議,具備了局域網的基本功能,與異型網的兼容性比現存的任何現場總線都好。它還提供了與LAN的接口,從而實現二者的有機結合。同時,LON屬于網絡型系統,不適合于有大量數據需要采集,進行頻繁處理的快速工業控制系統。
      LON通過具有通信與控制功能的Neuron神經芯片、收發器、電源、傳感器和控制設備構成的網絡節點,采用專用的編程工具Neuron C,利用所提供的開發工具:LonBuilder、NodeBuilder和LVS技術,可以快速、方便地開發節點和聯網。


        總之,當有大量的短消息需要通信應用時,LON是一個普及、低成本的總線系統。

        3 CAN( Controller Area Network)

        德國 BOSCH公司于1991年推出,用于汽車內部測量和執行部件之間的數據通信。主要應用于離散控制領域中的過程監測和控制,特別是工業自動化的低層監控,解決控制與測試之間的可靠和實時數據交換。
        CAN采用了ISO/OSI的3層模型:物理層、數據鏈路層和應用層。
        CAN支持的拓撲結構為總線型。傳輸介質為雙絞線、同軸電纜和光纖等。采用雙絞線通信時,速率為1Mbps/40m,50kbps/10km,節點數可達110個。
        CAN的通信介質訪問方式為帶優先級的 CS-MA/CA。采用多主競爭式結構:網絡上任意節點均可以在任意時刻主動地向網絡上其它節點發送信息,而不分主從,即當發現總線空閑時,各個節點都有權使用網絡。在發生沖突時,采用非破壞性總線優先仲裁技術:當幾個節點同時向網絡發送信息時,運用逐位仲裁規則,借助幀中開始部分的標識符,優先級低的節點主動停止發送數據,而優先級高的節點可不受影響地繼續發送信息,從而有效地避免了總線沖突,使信息和時間均無損失。例如,規定0的優先級高,在節點發送信息時,CAH總線做與運算。每個節點都是邊發送信息邊檢測網絡狀態,當某一個節點發送1而檢測到0時,此節點知道有更高優先級的信息在發送,它就停止發送信息,直到再一次檢測到網絡空閑。圖3-1為A、B、C、D4個節點同時發送信息,最后優先級高的節點D有權發送信息,其它節點主動停止發送數據?! AN的傳輸信號采用短幀結構(有效數據最多為8個字節),和帶優先級的CSMA/CA的通信介質訪問方式,對高優先級的通信請求來說,在1Mbps 的通信速率時,最長的等待時間為0.15ms,完全可以滿足現場控制的實時性要求。
        CAN突出的差錯檢驗機理,如5種錯誤檢測、出錯標定和故障界定;CAN傳輸信號為短幀結構,因而傳輸時間短,受干擾概率低。這些保證了出錯率極低,剩余錯誤概率為報文出錯率的4.7x10-11。另外,CAN節點在嚴重錯誤的情況下,具有自動關閉輸出的功能,以使總線上其它節點的操作不受其影響??梢?,CAN具有高可靠性。
        CAN的通信協議主要由CAN控制器完成。CAN控制器主要由實現CAN總線通信協議部分和微控制器接口部分電路組成。通過簡單的連接即可完成CAN 總線協議的物理層和數據鏈路層的所有功能,應用層功能由微控制器完成。CAN總線上的節點既可以是基于微控制器的智能節點,也可以是具有CAN接口的 I/O器件?! 】傊?,CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN作為現場設備級的通信總線,同其它總線相比,具有很高的可靠性和性能價格比。

        4 PROFIBUS(Process Fieldbus)

        1986年,德國開始制定。它由3部分組成:Profibus-DP (Decentralized Periphery,分布式外設),Profibus-FMS(Fieldbus Message Specification,現場總線信息規范)和Profibus-PA(Process Automation,過程自動化)。不同的部分針對不同的應用場合,因此和Profibus應用領域十分廣泛。
        Profibus以ISO/OSI模型為基礎,取其物理層和數據鏈路層。FMS還采用了應用層。DP和FMS使用同樣的傳輸技術和統一的總線訪問協議,因此二系統可在同一根總線上混合互操作。通過段鍋臺器或鏈接器,使PA系統很方便地集成到皿網絡。
        DP和FMS有兩種傳輸技術:一種是RS-485,采用屏蔽雙絞線,拓撲結構為總線型,通信速率為9.6kbps/1200m, 12Mbps/100m,每段最多節點數為32,不支持總線供電和本安;另一種是采用光纖,用于電磁兼容性要求高和長距離要求的場合。 PA采用IEC1158-2傳輸技術,用屏蔽雙絞線,拓撲結構為總線型或樹型,通信速率為31.25kbps/1900m,每段最多節點數為32,支持總線供電和本安。
        Profibus的通信介質訪問控制方式為分布式令牌方式(混合介質存取)。主節點之間為令牌環傳遞方式,主節點與從節點之間為主從輪詢方式。當主節點得到令牌后,允許它在一定的時間內與從節點和/或其它主節點通信。令牌在所有主節點中循環一周的最長時間TTR(設定周期)是事先預定的,決定了各主節點的令牌具體保持時間的長短。主節點之間傳輸數據必須保證在事先定義的時間間隔內主節點有充足的時間完成通信任務,主節點與從節點之間的數據交換要盡可能快且簡單,地完成數據的實時傳輸。按這種方式,完成周期性與非周期性的數據交換。


        為此,profibus的介質訪問控制MAC協議設置了兩類時鐘計時器:一類是令牌運行周期計時器,用于令牌的實際運行周期TRR計時;另一類是持牌計時器,用于主節點令牌保持時間TTH計時。當令牌到達某個主節點時,此節點的周期計時器開始計時。
        當令牌又一次到達此主節點時,MAC從把周期計時器的TRR值與設定周期值TTR的差值賦給持牌計時器,即TTH=TTR-TRR,持牌計時器根據該值控制信息的傳送。
        在持牌計時器控制信息發送時,如果令牌到達超時,即TTH<0,則此節點只可以發送一個高優先級信息;如果令牌及時到達,則此節點可以連續發送多個等待發送的高優先級信息后,直到高優先級信息全部發送完畢,或者持牌時間超時。如果在發送完所有待發送的高優先級信息,仍然有持牌時間,則可以用同樣的方式發送低優先級信息。無論發送高優先級信息,還是低高優先級信息,都只在發送前檢測持牌時間是否超時,而不是預先檢測發送完此信息是否超時,此種檢測方法意味著信息發送不可避免地造成持牌時間超時,影響了周期性實時通訊的實現。
        Profibus-DP主要用于對時間要求苛刻的分散外圍間的高速數據傳輸,解決分散I/O問的通信,適合于加工自動化領域,具有高效低成本。 Profibus-PA,隊主要用于流程工業自動化,對安全性要求高和由總線供電的場合。Profibus-FMS主要用于解決車間級通用性的通信任務,完成控制器和智能現場設備之間的通信以及控制器之間的信息交換,提供了大量的通信服務(主要是針對主節點之間的通信)。
      Profibus協議的苛刻時間部分由協議芯片實現, 熟應用廣泛的現場總線。Profibus的一些特點,又增加了自己的一些功能。主其余部分由微控制器的軟件實現,針對不同的應用,采用3種不同的傳輸技術。
        5 FF(Foundation Fieldbus)

        1994年ISPF和WorldFIP兩大集團聯合致力于開發統一的現場總線。它繼承了WorldFIP和總之,Profibus 由 DP、PA、FMS 3部分組成,有針對性地適用于不同的應用場合,是一種功能強大、成要應用于過程自動化領域。FF以ISO/OSI模型為基礎,取其物理層、數據。