第三节 工业控制机的总线

一、计算机总线概述

总线就是在模块与模块之间、设备与设备之间的公用信号线。总线的功能是完成计算机内部各部件之间、不同计算机之间的各类信息传送。信息包括地址、数据和控制信息，信息所对应的总线为地址总线AB、数据总线DB以及控制总线CB。

地址总线AB是单向传送总线，主要完成系统地址信号的传送。信号通常从微处理器（CPU）发出，送往总线上所连的各部件。但由于现代微处理器的内部也集成了一定量的Cache，当要访问Cache时，地址信号便回到微处理器，再由微处理器外部的控制逻辑发出。地址信号线用于指定数据总线上数据的去向与来历。例如，CPU希望从存储器中读取一个字（8、16、32位或64位）的数据，便将数据的地址放到地址信号线上。地址总线的宽度决定了系统最大存储器空间寻址范围。有时地址总线也用于I/O端口的寻址，通常，地址总线的高位部分用于选择一个特定的模块，而低位部分用于选择模块内存储器或I/O端口的位置。

数据总线DB是双向传送总线，为总线上所连的各模块提供移动数据的通道，通常用于传送数据信息。数据总线一般由8根、16根、32根或64根独立的信号线组成，线的数目也就是数据总线的宽度，数据总线的宽度是决定整个系统性能的一个关键因素。例如，数据总线的宽度是8位，每条指令码为16位，那么，在每个指令周期，CPU必须访问存储器模块两次。

控制总线CB上传输的是完成各项微操作的控制信号，包括辅助数据传输、进行总线仲裁、执行中断控制等。具体来说，控制总线用于控制数据和地址总线的访问和使用。由于数据和地址总线被总线上所连器件共享使用，因此，必须对它们的使用进行控制。控制信号负责总线上所连各设备之间的时序传输和联络控制，时序信号说明数据和地址信息的有效性，控制信息用于指定要执行的操作。其中，有的控制信号线为单向传送，有的控制信号线为双向传送，有的控制信号线甚至在不同的时间段有不同的功能定义。

工业控制机常用的接口总线有并行接口总线和串行接口总线。并行接口总线主要用于模块与模块之间的连接，常用的有PC—104总线、STD总线、PC总线等。串行接口总线主要用于远距离的通信，常用的有CAN总线、LON总线、PROFIBUS总线、BIT LINK总线、RS—485总线。

二、STD总线

STD总线（Standard Bus）是1978年Prolog公司和Mostek公司首先应用于工业过程控制的计算机系统的。这种总线支持8位或16位的微处理器，是小型插件板系统的标准总线。采用STD总线技术的工业控制机在国内外获得了迅速发展，在我国各领域被广泛采用，已成为工业控制机的主要机型之一。这种控制机具有小型化、模块化、组合化、标准化的特点，还可以针对不同应用对象选用不同的硬件模板和软件组成各种不同的应用系统。系统组合灵活，开发周期短，硬件冗余少，使用维护方便，可靠性高，抗干扰能力强，性能价格比高，这些优点使STD总线工控机深受用户欢迎。

STD总线是56条信号线的并行底板总线，实际上是由4条小总线组成的。这些小总线是：8根双向数据线，16根地址线，22根控制总线和10根电源及地线。

STD总线是传统总线技术的集大成者，具有如下技术特点：

（1）小板结构，高度模块化。

（2）严格的标准化、广泛的兼容性。

（3）面向I/O的设计，非常适合工业控制用。

（4）高可靠性。

三、PC总线和AT总线

目前，市场上PC总线类型有：XT总线、ISA总线、EISA总线、VESA总线（VL—BUS）以及PCI总线。

ISA总线就是AT总线，它是在XT总线基础上扩充设计的16位总线，其寻址空间最大为16MB，操作速度为8MHz，数据传输率为16Mbps。

EISA（Extend Industrial Standard Architecture）总线是一个32位总线，它支持总线主控，其数据传输率可达32Mbps。

VESA总线（VL—BUS），它是局部总线（Local BUS）标准，是ISA总线的简单扩展，可以与ISA或EISA总线同时使用。其主要技术思路是使过去通过ISA总线进行的数据交换改成由CPU总线直接进行，传送速度与CPU速度一致。局部总线设备可直接连接到处理器总线上，并以处理器的时钟速率运行。

PCI（外部设备连接接口）总线是1993年Intel公司推出的，是目前普遍应用的总线。这是一个功能强大的新型总线结构，支持并发CPU和总线主控部件操作，支持64位奔腾微处理器。

目前，工业PC机主要以ISA总线（AT总线）、PCI总线为主流，主要原因有以下几个方面：

（1）ISA总线结构的I/O接口卡种类最多，且技术成熟。

（2）ISA总线已被大多数工业PC机人员所接受和掌握。

（3）ISA总线性能基本能够满足多数工业控制领域的需求。

（4）ISA总线产品价格便宜，容易被大多数工控系统设计人员所接受。

（5）在要求速度高的外设使用中，可采用PCI总线，一般总线底板具有4～5个PCI插槽。

四、PCI总线

PCI总线的英文全称为Peripheral Component Interconnect Special Interest Group，简写为PCISIG，也称为外部设备互连。

1991年Intel公司首先提出PCI总线概念，并与IBM等公司联合，于1993年推出了PC局部总线标准——PCI总线。

PCI总线支持64位数据传输、多总线主控和线性突发方式（Burst），用大量基于PCI总线的处理芯片来构造系统机、工作站、外围设备及板卡，其性能优越，处理能力、传输速度都较高，可以降低系统成本。

PCI是先进的高性能局部总线，可同时支持多组外围设备。PCI局部总线不受微处理器控制，作为微处理器及高速外围设备提供数据传输通道，进行总线之间的数据传输的调度管理。其高度综合化的局部总线结构，保证了计算机中各部件、附加卡及系统之间的可靠运行，并能完全兼容现有的ISA/EISA微通道扩充总线。

五、现场总线

（一）现场总线概述

1.现场总线概念

按照国际电工委员会IEC／SC65C的定义，现场总线是指安装在制造或生产过程区域的现场装置之间以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场控制系统（FCS）。

由于采用现场总线会使控制系统结构简单，系统安装费用减少并且易于维护，另外用户可以自由选择不同厂商、不同品牌的现场设备达到最佳的系统集成等一系列的优点，现场总线技术正越来越受到人们的重视。

近十几年由于现场总线的国际标准不能建立，现场总线发展的种类较多，约有40余种：如德国西门子公司Siemens的ProfiBus；法国的FIP；英国的ERA；挪威的FINT；Echelon公司的LONWorks；PhenixContact公司的InterBus；RoberBosch公司的CAN；Rosemounr公司的HART；CarloGarazzi公司的Dupline；丹麦ProcessData公司的P—net；PeterHans公司的F—Mux；国际标准组织—基金会现场总线FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus；美国的DeviceNet与ControlNet等。

2.现场总线特征

现场总线的概念是1984年提出的。现场总线是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的通信总线，其主要特征有如下几点：

（1）数字式通信方式取代设备级的模拟量（如4～20mA，0～5V等信号）和开关量信号。

（2）在车间级与设备级通信的数字化网络。

（3）现场总线是工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化革命。

（4）现场总线使自控系统与设备加入企业信息网络，成为企业信息网络底层，并使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。

（5）在计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing Systems）系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。

作为连接生产现场的仪表、控制器等自动化装置的通信网络，现场总线是新一代全分布式控制系统的核心技术。采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。随着数字化时代的进程，现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）必将成为工业自动化的主流。

3.现场总线优点

现场总线控制系统有如下优点：

（1）全数字化。将企业管理与生产自动化有机结合一直是工业界梦寐以求的理想，但只有在FCS出现以后这种理想才有可能高效、低成本的实现。在采用FCS的企业中，用于生产管理的局域网能够与用于自动控制的现场总线网络紧密衔接。此外，数字化信号固有的高精度、抗干扰特性也能提高控制系统的可靠性。

（2）全分布式控制。在FCS中各现场设备有足够的自主性，彼此之间可以相互通信，完全可以把各种控制功能分散到各种设备中，而不再需要一个中央控制计算机，实现真正的分布式控制。

（3）双向传输。传统的4～20mA电流信号，一条线只能传递一路信号。现场总线设备则在一条线上既可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制信息。

（4）自诊断。现场总线仪表本身具有自诊断功能，而且诊断信息可以送到中央控制室，以便于维护，而这在只能传递一路信号的传统仪表中是做不到的。

（5）节省布线及控制室空间。传统的控制系统每个仪表都需要一条线连到中央控制室，在中央控制室装备一个大配线架。而在FCS系统中多台现场设备可串行连接在一条总线上，这样只需极少的线进入中央控制室，大量节省了布线费用，同时也降低了中央控制室的造价。

（6）多功能仪表。数字、双向传输方式使得现场总线仪表可以摆脱传统仪表功能单一的制约，可以在一个仪表中集成多种功能，做成多变量变送器，甚至集检测、运算、控制与一体的变送控制器。

（7）开放性。1999年底现场总线协议已被IEC批准正式成为国际标准，从而使现场总线成为一种开放的技术。

（8）互操作性。现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操作，这样就可以在一个企业中由用户根据产品的性能、价格选用不同厂商的产品，集成在一起，避免了传统控制系统中必须选用同一厂家的产品限制，促进了有效的竞争，降低了控制系统的成本。

（9）智能化与自治性。现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件出现故障甚至网络故障的情况下独立工作，大大提高了整个控制系统的可靠性和容错能力。

4.现场总线组成

现场总线控制系统通常由以下几个部分组成：现场总线仪表（现场智能仪表），控制器，现场总线线路，监控、组态计算机。整个系统的仪表、控制器、计算机都需要通过现场总线网卡、通信协议软件连接到网上。因此，现场总线网卡、通信协议软件是现场总线控制系统的基础和神经中枢。现场总线控制系统组成如图2-2所示。

（二）常见现场总线的标准

现场总线的种类主要有：ProfiBus总线，WorldFIP总线，ControlNet/DeviveNet总线，CAN总线等。

1.ProfiBus总线

德国ProfiBus总线自1984年开始研制现场总线产品，现已成为欧洲首屈一指的开放式现场总线系统，广泛应用于加工自动化、楼宇自动化、生产过程自动化、发电与输配电等领域。1996年6月ProfiBus被收编为欧洲标准EN50170第2卷。PNO为其用户组织，核心公司有：Siemens公司，E+H公司，Samson公司，Softing公司等。

ProfiBus家族包括ProfiBus—DP，ProfiBus—PA，ProfiBus—FMS。ProfiBus—DP（Decentralized Periphery）是一种高速且便宜的通信连接，用于自动控制系统和设备级分散的I/O之间进行通信。ProfiBus—FMS（FieldBus Message Specification）用来解决车间级通用性通信任务，与LLI（Lower Layer Interface）构成应用层。但FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务，LLI协调了不同的通信关系并向FMS提供了不依赖设备访问数据链层。ProfiBus—PA（Process Automation）专为过程自动化而设计的，它可使传感器和执行器接在一根共用的总线上。根据IEC61158—2国际标准，ProfiBus—PA可用双绞线供电技术进行数据通信，数据传输采用扩展的ProfiBus—DP协议和描述现场设备的PA行规。当使用电缆耦合器，ProfiBus—PA装置能很方便地连接到ProfiBus—DP网络。

2.WorldFIP总线

WorldFIP协会成立于1987年3月，以法国CEGELEC、SCHNEIDER等公司为基础开发了FIP（工厂仪表协议）现场总线系列产品。此产品适用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输、地铁和过程自动化等领域。1996年6月WorldFIP被采纳为欧洲标准EN50170。WorldFIP是一个开放系统，不同系统、不同厂家生产的装置都可以使用WorldFIP，应用结构可以是集中型、分散型和主站—从站型。WorldFIP现场总线构成的系统可分为3级：过程级、控制级和监控级。

WorldFIP协议由物理层、数据链路层和应用层组成。应用层定义为2种：MPS定义和SubMS定义。MPS是工厂周期/非周期服务，SubMS是工厂报文的子集。物理层的作用能够确保连接到总线上的装置间进行位信息的传递，传输介质是屏蔽双绞线或光纤。传输速度有31.25Kbit/s，1Mbit/s和2.5Mbit/s，标准速度是1Mbit/s，使用光纤时最高可达5Mbit/s。WorldFIP的帧有3部分组成，即帧起始定界符（FSS），数据和检验字段以及帧结束定界符。

应用层服务有3个不同的组：BAAS（Bus Arbitrator Application Services），MPS（Manufacturing Periodical/a Periodical Services），SubMS（Subset of Messaging Services）。MPS服务提供给用户：本地读/写服务，远方读/写服务，参数传输/接收指示，使用信息的刷新等。处理单元通过WorldFIP的通信装置（由通信数据库和通信芯片组成）挂到现场总线上。

3.ControlNet/DeviveNet

ControlNet的基础技术是Rockwell Automation企业于1995年10月公布的，1997年7月Rockwell转让此项技术给ControlNet International组织。

传统的工厂级的控制体系结构有5层即工厂层、车间层、单元层、工作站层、设备层。而Rockwell自动化系统简化为3层结构模式：信息层（Ethernet以太网）、控制层（ControlNet控制网）、设备层（DeviceNet设备网）。ControlNet层常传输大量的I/O和对等通讯信息，具有确定性和可重复性，能满足紧密联系控制器和I/O设备的要求。Control Net有如下特点。

（1）ControlNet在单根电缆上支持两种类型的信息传输：有实时性的控制信息和I/O数据传输、无时间苛求的信息发送和程序上/下载。

（2）ControlNet技术采取了一种新的通信模式，以生产者/客户模式取代了传统的源/目的模式，它不仅支持传统的点对点通信，而且允许同时向多个设备传递信息。生产者/客户模式使用时间片算法保证各节点实现同步，从而提高了带宽利用率。

（3）ControlNet使用同轴电缆可达6km，节点数99个，两个节点间距离最长达1000m，采用光纤和中继器后通信距离可达几十公里。ControlNet应用于过程控制、自动化制造等领域。

4.CAN总线

CAN（Controller Area Network）称为控制局域网，属于总线式通信网络。CAN总线规范了任意两个CAN节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解释协议。CAN协议分为2层：物理层和数据链路层。物理层决定了实际位传送过程中的电气特性，在同一网络中，所有节点的物理层必须保持一致，但可以采用不同方式的物理层。CAN的数据链路层功能包括帧组织形式、总线仲裁和检错、错误报告及处理，确认要发送的信息并确认接收到的信息及为应用层提供了接口。

CAN网络具有如下特点：

（1）网络上任意一个节点均可在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信灵活，可方便地构成多机备份系统及分布式监测、控制系统。

（2）网络上的节点可分成不同的优先级以满足不同的实时要求。采用非破坏性总线裁决技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据。

（3）具有点对点，一点对多点及全局广播传送接收数据的功能。通信距离最远可达10km/5Kbit/s，通信速率最高可达1Mbit/s/40m，网络节点数实际可达110个。每一帧的有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低。每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低，可靠性极高。通信介质采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。在传输信息出错时，节点可自动切断它与总线的联系，使总线上的其他操作不受影响。