1 什么是總線協議？

現場總線（Fieldbus）是20世紀80年代末、90年代初國際上發展形成的，用于現場總線技術過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通訊網絡。它作為工廠數字通信網絡的基礎，溝通了生產過程現場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯系。它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統。這項以智能傳感、控制、計算機、數字通訊等技術為主要內容的綜合技術，已經受到世界范圍的關注，成為自動化技術發展的熱點，并將導致自動化系統結構與設備的深刻變革?，F場總線設備的工作環境處于過程設備的底層，作為工廠設備級基礎通訊網絡，要求具有協議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點：具有一定的時間確定性和較高的實時性要求，還具有網絡負載穩定，多數為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上述特點，現場總線系統從網絡結構到通訊技術，都具有不同上層高速數據通信網的特色。

目前國際上有40多種現場總線，但沒有任何一種現場總線能覆蓋所有的應用面，按其傳輸數據的大小可分為3類：傳感器總線（sensorbus），屬于位傳輸；設備總線（devicebus），屬于字節傳輸；現場總線，屬于數據流傳輸。

現場總線技術得以實現的一個關鍵問題，是要在自動化行業中形成一個制造商們共同遵守的現場總線通信協議技術標準，制造商們能按照標準生產品，系統集成商門能按照標準將不同產品組成系統。這就提出了現場總線標準的問題。

國際上著名自動化產品及現場設備生產廠家，意識到現場總線技術是未來發展方向，紛紛結成企業聯盟，推出自己的總線標準及產品，在市場上培養用戶、擴大影響，并積極支持國際標準組織制定現場總線國際標準。能否使自己總線技術標準在未來國際標準中占有較大比例成份，關系到該公司相關產品前途、用戶的信任及企業的名譽。而歷史經驗證明：國際標準都是采用一個或幾個市場上成功的技術為基礎。因此，各大國際公司在制定現場總線國際標準中的竟爭，體現了各公司在技術領先地位上的競爭，而其終還是要歸結到市場實力的競爭?，F場總線考慮的出發點：

— 現場通信網絡，現場設備互，互操作性，分散功能塊，通信線供電，開放式互聯網絡

2 現場總線的特點

1，增強了現場級信息集成能力

現場總線可從現場設備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動化及CIMS系統的信息集成要求?，F場總線是數字化通信網絡，它不單純取代4-20mA信號，還可實現設備狀態、故障、參數信息傳送。系統除完成遠程控制，還可完成遠程參數化工作。,

2，開放式、互操作性、互換性、可集成性,

不同廠家產品只要使用同一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設備具有很好的可集成性。系統為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統中去，因此，市場上將有許多面向行業特點的監控系統。

3，系統可靠性高、可維護性好,

基于現場總線的自動化監控系統采用總線連接方式替代一對一的I/O連線，對于大規模I/O系統來說，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統具有現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現場設備的遠程參數設定、修改等參數化工作，也增強了系統的可維護性。

4，降低了系統及工程成本

對大范圍、大規模I/O的分布式系統來說，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設工程費用，降低了系統及工程成本。

3 現場總線一般的網絡結構

現場總線協議基于面向開放系統連接的ISO 參考模塊(O S I—RM )。但僅用了其中的1、 2、 7 層, 由于考慮到實時性 3～ 6 層未采用。同時, 新定義的用戶層置于應用層之上。

各層定義如下:

層: 物理層定義現場總線的通訊介質, 即 4～ 20mA標準的替代。

第二層: 數據鏈路層用于監視發生于各設備間的通訊, 同時檢測通訊錯誤。

第三層: 應用層規范通訊數據格式, 以便形成所有聯網設備都可以解釋的信息, 為過程控制提供服務, 同時向用戶層提供接口。

第四層: 用戶層與一個獨立的工廠區域相關聯, 為進一步應用提供環境。具有與高層控制功能的接口。

4 Profinet

PROFINET網絡和外部設備的通訊是借由PROFINET
IO來實現，PROFINET IO定義和現場連接的外部設備的通訊機能，其基礎是級聯性的實時概念，PROFINET IO定義控制器（有“主站機能”的設備）和其他設備（有“從站機能”的設備）之間完整的資料交換、參數設定及診斷機能。PROFINET IO是設計用來在以以太網連接的設備提供快速的資料傳輸，且支援生產者－消費者模型（provider-consumer model）。支援PROFIBUS通訊協定的設備可以無縫的和PROFINET網絡連接，不需要IO代理器（IO-Proxy）之類的設備。設備開發者可以利用市面上販售的以太網控制器來開發PROFINET
IO設備。PROFINET IO適用在網絡循環時間在數ms的系統。

PROFINET IO系統包括以下幾種設備：

IO控制器，控制自動化的任務工作。

IO設備，一般是現場設備，受IO控制器的控制及監控，一個IO設備可能包括數個模組或是子模組。

IO監控器是一個PC的軟件，可以設定參數及診斷個別模組的狀態。

PROFINET IO會在IO控制器及IO設備之間建立應用關系（Application Relation,AR），應用關系中會定義有不同的參數傳遞、周期資料交換及警告處理等特性的通訊關系（Communication Relations,CR）。

一個IO設備的特性會由設備制造商在GSD（General Station Description）檔中說明，所使用的語言是GSDML（GSD標記語言），GSD檔提供PC監控軟件規劃PROFINET組態所需要的基本資料。

5 CCLInk

Cclink有三種不同的總線：cclink，cclink ie，CC-Link IE Field Basic，我們只支持CC-Link IE Field Basic。cclink是類似485雙絞線，ie是千兆以太網，不能走正常的tcp，ie basic是標準的以太網

CC-Link(Control &Communication Link ,控制與通信鏈路系統),是三菱電機新近推出的開放式現場總線，其數據容量大,通信速度多級可選擇 ,而且它是一個以設備層為主的網絡，同時也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。一般情況下 ,CC-Link 整個一層網絡可由 1 個主站和 64 個從站組成。網絡中的主站由 PLC 擔當, 從站可以是遠程I/O模塊 、特殊功能模塊 、帶有 CPU 和 PLC 本地站、人機界面、變頻器及各種測量儀表 、閥門等現場儀表設備
。且可實現從 CC-Link 到 AS-I 總線的聯接。CC-Link 具有高速的數據傳輸速度, 最高可達 10 M b/ s 。 CC-Link 的底層通信協議遵循 RS 485 , 一般情況下, CC-Link 主要采用廣播-輪詢的方式進行通信 ,CC-Link 也支持主站與本地站 、智能設備站之間的瞬間通信
。2005年7月CC-Link被中國國家標準委員會批準為中國國家標準指導性技術文件。

CC-Link 網絡具有完善的
RAS(Reliability , Availability, Serviceability)功能。即自動返回、切斷從站、通過鏈接繼電器/寄存器的錯誤檢測功能 。

6 EthernetIP

Ethernet/IP是一個面向工業自動化應用的工業應用層協議。它建立在標準TCP/IP協議之上，利用固定的以太網硬件和軟件，為配置、訪問和控制工業自動化設備定義了一個應用層協議。

Ethernet/IP以特殊的方式將以太網節點分成預定義的設備類型。Ethernet/IP應用層協議是基于控制和信息協議（CIP）層的，提供了從工業樓層到企業網絡的一整套無縫整合系統。Ethernet/IP使用所有傳統的以太網協議，構建于標準以太網技術之上，這意味著Ethernet/IP可以和現在所有的標準以太網設備透明銜接工作。更重要的是，將Ethernet/IP建立在一個標準的以太網技術平臺上，保證了前者會隨著后者技術的發展而進一步發展。支持Ethernet/IP的團體正致力于編制一個綜合的穩固的標準，Ethernet/IP上的工作正由多個經銷商參與，包括定制規格以及在經認證的測試實驗室進行全面的綜合測試。

7 EtherCAT

EtherCAT（以太網控制自動化技術）是一個開放架構，以以太網為基礎的現場總線系統，其名稱的CAT為控制自動化技術（Control Automation Technology）字首的縮寫。EtherCAT是確定性的工業以太網，最早是由德國的Beckhoff公司研發。

EtherCAT可以支持線形、樹形、環形和星形等所有設備連接拓撲結構，物理介質可以選100Base-TX標準以太網電纜或光纜。使用100Base-TX電纜時站間間距可以達到100m。整個網絡最多可以連接65535個設備。使用快速以太網全雙工通信技術構成主從式的環形結構。

EtherCAT傳輸機制被稱為“On The Fly”，假如將EtherCAT報文想象成一列火車，每個帶有從站地址的車廂對應需要與主站交互數據的從站的子報文，讀/寫從站數據，那么就有一個對應數據地址的座位?；疖噺闹髡境霭l，依次在沿路所有站點（從站）?？?，如果沒有自己設備地址的車廂（子報文），則將火車發往下一站點，如果有自己的車廂，等該車廂上下旅客（數據）完成后，將火車發往下一站點，到達終點站后，再返回始發站，返回過程中不再交互數據。

8 各種協議的互聯互通

這么多的總線協議是從不同的角度來考慮設備之間的通信的。但是不幸的是，這些協議之間是不能直接互聯互通的。這就像無線通信一樣，有4G，有wifi，有藍牙等等，也是針對不同的場合解決一定的問題。要解決這些問題，可以從幾方面來考慮。1）有一些開源的庫，可以嵌入到相應的設備中，用來支持某個一種總線協議，這方便的移植需要非常了解技術和編程語言，但是穩定性還需進一步測試。2）使用vfbox協議轉換網關，只需簡單配置就能實現各種協議之間的轉換，穩定可靠，節省時間，但是需要增加一些項目成本。

9 現場總線的組織

現場總線協議現在也是百花齊放，百家爭鳴。每種總線各有自己的特點，現在這些總線也逐漸形成組織，形成聯盟。后續大家有機會參加工博會的時候，可以看到這些總線聯盟也不斷的希望更多的產品加入自己的陣營。這些組織還不定期的舉辦培訓活動。比如ethercat協議，可以登錄到官方網站查看相關的信息。內容也是非常的豐富。

10 現場總線的小結

隨著各種技術的不斷涌現，現在通信協議也是進步的很快，從效率，安全，擴展性等方面不斷的提高以適應大型應用系統的需求。

作為行業的從業者，如果要專研技術，可能吃透1-2中就已經很厲害，對于使用者，只要能理解簡單的協議內容，通信的注意事項，和各種設備建立連接的使用方法也就足夠了。當然，我們也是更希望這些總線協議越來越好，也使這方面的從業者有更廣闊的發展空間。

審核編輯：湯梓紅