常用的现场总线协议介绍

1 什么是总线协议？

现场总线（Fieldbus）是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于现场总线技术过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点：具有一定的时间确定性和较高的实时性要求，还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。

目前国际上有40多种现场总线，但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面，按其传输数据的大小可分为3类：传感器总线（sensorbus），属于位传输；设备总线（devicebus），属于字节传输；现场总线，属于数据流传输。

现场总线技术得以实现的一个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制造商们共同遵守的现场总线通信协议技术标准，制造商们能按照标准生产品，系统集成商门能按照标准将不同产品组成系统。这就提出了现场总线标准的问题。

国际上着名自动化产品及现场设备生产厂家，意识到现场总线技术是未来发展方向，纷纷结成企业联盟，推出自己的总线标准及产品，在市场上培养用户、扩大影响，并积极支持国际标准组织制定现场总线国际标准。能否使自己总线技术标准在未来国际标准中占有较大比例成份，关系到该公司相关产品前途、用户的信任及企业的名誉。而历史经验证明：国际标准都是采用一个或几个市场上成功的技术为基础。因此，各大国际公司在制定现场总线国际标准中的竟争，体现了各公司在技术领先地位上的竞争，而其终还是要归结到市场实力的竞争。现场总线考虑的出发点：

— 现场通信网络，现场设备互，互操作性，分散功能块，通信线供电，开放式互联网络

2 现场总线的特点

1，增强了现场级信息集成能力

现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4-20mA信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。,

2，开放式、互操作性、互换性、可集成性,

不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。

3，系统可靠性高、可维护性好,

基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。

4，降低了系统及工程成本

对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。

3 现场总线一般的网络结构

现场总线协议基于面向开放系统连接的ISO 参考模块(O S I—RM )。但仅用了其中的1、 2、 7 层, 由于考虑到实时性 3～ 6 层未采用。同时, 新定义的用户层置于应用层之上。

各层定义如下:

层: 物理层定义现场总线的通讯介质, 即 4～ 20mA标准的替代。

第二层: 数据链路层用于监视发生于各设备间的通讯, 同时检测通讯错误。

第三层: 应用层规范通讯数据格式, 以便形成所有联网设备都可以解释的信息, 为过程控制提供服务, 同时向用户层提供接口。

第四层: 用户层与一个独立的工厂区域相关联, 为进一步应用提供环境。具有与高层控制功能的接口。

4  Profinet

PROFINET网络和外部设备的通讯是借由PROFINET IO来实现，PROFINET IO定义和现场连接的外部设备的通讯机能，其基础是级联性的实时概念，PROFINET IO定义控制器（有“主站机能”的设备）和其他设备（有“从站机能”的设备）之间完整的资料交换、参数设定及诊断机能。PROFINET IO是设计用来在以以太网连接的设备提供快速的资料传输，且支援生产者－消费者模型（provider-consumer model）。支援PROFIBUS通讯协定的设备可以无缝的和PROFINET网络连接，不需要IO代理器（IO-Proxy）之类的设备。设备开发者可以利用市面上贩售的以太网控制器来开发PROFINET IO设备。PROFINET IO适用在网络循环时间在数ms的系统。

PROFINET IO系统包括以下几种设备：

IO控制器，控制自动化的任务工作。

IO设备，一般是现场设备，受IO控制器的控制及监控，一个IO设备可能包括数个模组或是子模组。

IO监控器是一个PC的软件，可以设定参数及诊断个别模组的状态。

PROFINET IO会在IO控制器及IO设备之间建立应用关系（Application Relation,AR），应用关系中会定义有不同的参数传递、周期资料交换及警告处理等特性的通讯关系（Communication Relations,CR）。

一个IO设备的特性会由设备制造商在GSD（General Station Description）档中说明，所使用的语言是GSDML（GSD标记语言），GSD档提供PC监控软件规划PROFINET组态所需要的基本资料。

5CCLInk

Cclink有三种不同的总线：cclink，cclink ie，CC-Link IE Field Basic，我们只支持CC-Link IE Field Basic。cclink是类似485双绞线，ie是千兆以太网，不能走正常的tcp，ie basic是标准的以太网

CC-Link(Control &Communication Link ,控制与通信链路系统),是三菱电机新近推出的开放式现场总线，其数据容量大,通信速度多级可选择 ,而且它是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。一般情况下 ,CC-Link 整个一层网络可由 1 个主站和 64 个从站组成。网络中的主站由 PLC 担当, 从站可以是远程I/O模块 、特殊功能模块 、带有 CPU 和 PLC 本地站、人机界面、变频器及各种测量仪表 、阀门等现场仪表设备 。且可实现从 CC-Link 到 AS-I 总线的联接。CC-Link 具有高速的数据传输速度, 最高可达 10 M b/ s 。 CC-Link 的底层通信协议遵循 RS 485 , 一般情况下, CC-Link 主要采用广播-轮询的方式进行通信 ,CC-Link 也支持主站与本地站 、智能设备站之间的瞬间通信 。2005年7月CC-Link被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。

CC-Link 网络具有完善的 RAS(Reliability , Availability, Serviceability)功能。即自动返回、切断从站、通过链接继电器/寄存器的错误检测功能 。

6EthernetIP

Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议。它建立在标准TCP/IP协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。

　　Ethernet/IP以特殊的方式将以太网节点分成预定义的设备类型。Ethernet/IP应用层协议是基于控制和信息协议（CIP）层的，提供了从工业楼层到企业网络的一整套无缝整合系统。Ethernet/IP使用所有传统的以太网协议，构建于标准以太网技术之上，这意味着Ethernet/IP可以和现在所有的标准以太网设备透明衔接工作。更重要的是，将Ethernet/IP建立在一个标准的以太网技术平台上，保证了前者会随着后者技术的发展而进一步发展。支持Ethernet/IP的团体正致力于编制一个综合的稳固的标准，Ethernet/IP上的工作正由多个经销商参与，包括定制规格以及在经认证的测试实验室进行全面的综合测试。

7 EtherCAT

EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个开放架构，以以太网为基础的现场总线系统，其名称的CAT为控制自动化技术（Control Automation Technology）字首的缩写。EtherCAT是确定性的工业以太网，最早是由德国的Beckhoff公司研发。

EtherCAT可以支持线形、树形、环形和星形等所有设备连接拓扑结构，物理介质可以选100Base-TX标准以太网电缆或光缆。使用100Base-TX电缆时站间间距可以达到100m。整个网络最多可以连接65535个设备。使用快速以太网全双工通信技术构成主从式的环形结构。

EtherCAT传输机制被称为“On The Fly”，假如将EtherCAT报文想象成一列火车，每个带有从站地址的车厢对应需要与主站交互数据的从站的子报文，读/写从站数据，那么就有一个对应数据地址的座位。火车从主站出发，依次在沿路所有站点（从站）停靠，如果没有自己设备地址的车厢（子报文），则将火车发往下一站点，如果有自己的车厢，等该车厢上下旅客（数据）完成后，将火车发往下一站点，到达终点站后，再返回始发站，返回过程中不再交互数据。

8  各种协议的互联互通

这么多的总线协议是从不同的角度来考虑设备之间的通信的。但是不幸的是，这些协议之间是不能直接互联互通的。这就像无线通信一样，有4G，有wifi，有蓝牙等等，也是针对不同的场合解决一定的问题。要解决这些问题，可以从几方面来考虑。1）有一些开源的库，可以嵌入到相应的设备中，用来支持某个一种总线协议，这方便的移植需要非常了解技术和编程语言，但是稳定性还需进一步测试。2）使用vfbox协议转换网关，只需简单配置就能实现各种协议之间的转换，稳定可靠，节省时间，但是需要增加一些项目成本。

9   现场总线的组织

现场总线协议现在也是百花齐放，百家争鸣。每种总线各有自己的特点，现在这些总线也逐渐形成组织，形成联盟。后续大家有机会参加工博会的时候，可以看到这些总线联盟也不断的希望更多的产品加入自己的阵营。这些组织还不定期的举办培训活动。比如ethercat协议，可以登录到官方网站查看相关的信息。https://www.ethercat.org.cn。内容也是非常的丰富。

10 现场总线的小结

随着各种技术的不断涌现，现在通信协议也是进步的很快，从效率，安全，扩展性等方面不断的提高以适应大型应用系统的需求。

作为行业的从业者，如果要专研技术，可能吃透1-2中就已经很厉害，对于使用者，只要能理解简单的协议内容，通信的注意事项，和各种设备建立连接的使用方法也就足够了。当然，我们也是更希望这些总线协议越来越好，也使这方面的从业者有更广阔的发展空间。