PROFIBUS总线、CAN总线及工业以太网的应用探讨
姜勇刚
通信作者：冯震（指导教师）
（ 湖北师范学院 机电与控制工程学院 湖北 黄石 435000）
摘要 ：本文主要介绍了 PROFIBUS总线，CAN总线及工业以太网各自的的特点与不足，对三者的网络协议规范进行比较。探讨了工业应用中的两种方案：PROFIBUS与工业以太网结合应用—Profinet；CAN与工业以太网并存组网。展望了工业以太网在工业网络控制中的发展趋势。
关键词：PROFIBUS CAN 工业以太网 工业网络控制
The discuss and application among PROFIBUS, CAN BUS and
Industrial Ethernet
Jiang Yong-gang
Communication author: Feng Zhen (teacher)
(Electrical and control engineering department Hubei Normal University Huangshi China 435000) Abstract: This article mainly introduced the PROFIBUS, CAN bus and Industrial Ethernet their respective advantages and disadvantages of the three network agreement standard for comparison. Discusses two kinds of industrial applications: PROFIBUS gets new development —— Profinet; CAN coexist with industrial Ethernet make new mixed network. Industrial Ethernet is prospected in industrial network control in development trend. Keywords: PROFIBUS CAN Industrial Ethernet Industrial Control
0 引言
现场总线（Fiedldbus）是80年代末国际上发展起来的现场智能设备互联通讯网络，目前已成为世界上自动化技术的研究热点，据不完全统计，各类总线有四十多种[1]。
工业控制领域要完成现场自动化设备的数字通讯，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换，一般采用成熟的现场总线。其中，过程现场总线（PROFIBUS－PROCESS PFIELDBUS ）和控制器局部网（CAN－CONTROLLER AREA NETWORK）依靠各自的优良特性和开放性，被认为是最有前途的两种总线[2]。它们的使用领域有所不同，PROFIBUS主要用于制造业自动化，电力、楼宇自动化，而CAN主要应用与交通工具、医疗仪器等的制造方面[3]。工业以太网是传统以太网在工业领域的得到的延伸应用，由于其应用的广泛性和技术的先进性，已经逐渐垄断了商用计算机的通信领域和过程控制的中上层的信息管理与通信，并逐步向工业控制现场发展。
1 PROFIBUS现场总线、CAN现场总线及工业以太网的比较
1.1 PROFIBUS现场总线的优势及存在的问题 （1）优势
PROFIBUS总线速度较快，组态配置灵活，可以实现总线供电。PROFIBUS的网络协议是按照ISO颁布的OIS标准七层参考为基础，对于3至6层进行了简化，因此它的适应性非常的强。PROFIBUS的3种模块（FMS、DP和PA）可以适应不同的应用对象和通讯速率的要求，开放性好[5]。PROFIBUS现场总线技术根据不同的应用对象可以灵活的选取3种不同规格的总线系统进行组合，混合的系统可以方便的在一
根电缆上同时操作，不用加任何转换装备[8]。PROFIBUS具有本征安全的优势，在维修和接通或断开时也不会影响其他站点的工作[7]。 （2）存在的问题
PROFIBUS的参数不容易设定，在网络增加删除节点时需要进行逻辑环重构，所以不适应节点数目频繁变化的场所，限制其只可以在过程自动化及车间级的通讯等领域。 1.2 CAN现场总线的特点及局限性 （1）特点
CAN现场总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。主要表现在CAN为多主方式工作；CAN总线的节点分成不同的优先级；采用非破坏仲裁技术；报文采用短帧结构，数据出错率极低；节点在错误严重的情况下可以自动关闭输出[7]。 （2）局限性
CAN现场总线作为一种面向工业底层控制的通信网络，其局限性也是显而易见的。说先，他不可以与Internet互联，不可以实现远程的信息共享。其次，她不依与上位机直接接口，接口卡的价格是比较昂贵的。CAN总线的通信距离与信息传输速率没有没法和工业以 太网相比[4]。 1.3 工业以太网的长处与不足 （1）长处
基于TCP/IP的以太网是一种标准开放式网络，由于其组成的系统兼容性和互操作性好，资源共享能力强，可以实现将控制现场的数据与通讯系统的资源共享；数据的传输的距离远，传输速率高；易于Internet连接，成本低，易组网，与计算机，服务器的接口十分方便，技术支持广泛。 （2）不足
以太网采用的是带有冲突的载波侦听多路访问协议（CSMA/CD），无法保证数据传输的实时性要求；存在安全可靠性的问题，由于以太网的超时重发机制，单点的故障可以造成整个网络的瘫痪；目前的以太网抗干扰能力不强，很难适应环境恶劣的工业现场；本质安全问题，在易燃易爆的工业环境必须要采用安全防爆技术。总线供电问题，环境恶劣的场合，总线供电有着积极的意义[3][6]。 1.4 三者网络协议规范比较
PROFIBUS现场总线、CAN现场总线及工业以太网网络协议规范都遵循了ISO/OSI参考模型的基本层次结构。他们使用了OSI模型的最低两层，即物理层和数据链路层，但是三者在各层的物理实现和通信的机理有着比较大的差别。他们的各层在具体网络协议比较如下表：
表1 PROFIBUS现场总线、CAN现场总线及工业以太网网络协议规范的比较
比较类型种类 PROFIBUS现场总线 屏蔽双绞线 传输介质 光纤 双线电缆 编码 同步NRZ 曼彻斯特编码 <1200m 有 可进行安全操作 9.6Kbps~12Mbps CAN现场总线 屏蔽双绞线 同轴电缆 光纤 无线传输 异步NRZ 工业以太网 屏蔽双绞线 同轴电缆 光纤 无线电传输 同步HRZ 曼彻斯特编码 200km以上（采用中继器） 物理层 传输距离 总线供电与本质安全 传输速度 10km以上 有 5Kbps~1Mbps 无 10M~100M等
PROFIBUS的数据链路层的介质访问机制是基于令牌传递和主从技术的。这种方式会存在令牌轮转时间，CAN的数据链路层的LLC子层负责报文分帧，仲裁，应答，错误检测和标定。并采用非破坏仲裁技术及短帧传送数据，能满足工业控制的实时性和确定性的要求在网络负载很重的情况下不会出现网络瘫痪的情况。MAC子层满足报文滤波，过载通知及恢复管理的功能。 由于以太网采用的是带有冲突的载波侦听多路访问协议（CSMA/CD），无法保证数据传输的实时性要求，在网络负载很重的情况下会出现网络瘫痪的情况。工业以太网的MAC子层可完成组帧，处理传输差错，调整帧流速的工作。 数据链路层 数据链路层的各个结构的作用 但在设定的目标令牌轮转时间的作用下，影响变小，实时性不会很差，且没有网络瘫痪的危险。链路层定义了4种数据传输方式，满足不同的需求。 2 PROFIBUS总线、CAN总线及工业以太网结合应用分析
由上表的分析不难看出，三者的主要区别在工业信息化网络中的应用领域是不一样的。因此可以提出
工业以太网分别与底层控制网络 PROFIBUS总线、CAN总线的共存的工业信息一体化的模式，从而实现工业网络的自上而下的网络化。
工业以太网目前应用在对信息量需求大单实时性要求不高的最上层的企业信息管理网络和中间的过程监控网络。企业信息管理网络和过程监控网络的各个终端之间的信息交换的数据报文通常较长，数据的吞吐量比较大，而数据通信的发起是随机的，无规则的，因此网络必须又较大的带宽，但对实时性要求相对不严格。这部分可以由传输速率比较高的工业以太网组成。
PROFIBUS总线具有稳定的国际标准EN50170 V2作保证，以ISO颁布的OIS标准七层参考为基础，对于3至6层进行了简化，因此它的适应性非常的强。它的3种模块（FMS、DP和PA）可以适应不同的应用对象和通讯速率的要求，开放性好。而且PROFIBUS国际组织推出了基于工业以太网的通信解决方案—Profinet，打破传统的工业控制体系，实现办公室自动化和工业自动化的连接，实现从上层控制网络到现场网络控制的“一网式”连接[4]。
CAN总线的通信网络的连接简单，实时性与准确性高，开发相对简单。由于CAN总线协议是基于信息的而不是基于地址的，通信网络中可以很容易的增删节点模块而不必对整个系统做出很大的改动；可以使多个节点同时接到一组报文的信息；支持远程帧，节点可以直接向别的节点请求数据；总线上某点发生错误时可以进行故障界定，错误严重的节点可自动退出总线，不影响总线上其他节点的正常工作。在现在的工业控制现场，一般的信号的信号量都不大，只有几十个字节，用CAN就可以很好的实时传输。不做之处是，工业以太网与CAN的网络互联必须通过特定的网关，没有和工业以太网很好结合的通信协议，这会影响了CAN在未来的发展。
3 结束语
PROFIBUS总线、CAN总线作为现场总线中的比较成熟的总线技术，已经得到了很大的发展。但是在未来的工业界，将实现从企业管理层到工厂设备现场控制的“一网到底”网络控制，单单依靠 PROFIBUS总线、CAN总线的控制模式已经不可能满足要求。随着工业以太网不断发展，其实时性与可靠性不断提高，又凭借它与商业以太网的可兼容性，软硬件资源的丰富及可持续发展的空间大的特点，使我们完全有理由相信工业以太网将直接应用于工厂现场控制，成为工业信息化的网络系统的主流。
参考文献
[1] 夏德海，现场总线的现状及应用（一）.中国仪器仪表。2005.1
[2] 饶运涛，邹建军，郑勇芸 现场总线原理与应用技术【M】。北京：北京航空航天大学出版社，2003 [3] 吴爱国，梁瑾，金文，工业以太网的发展现状【J】.信息与控制，2003 [4] 阳贤惠，现场总线技术及应用【M】.北京：清华大学出版社。1999 [5] 袁海洲，Profibus 技术概述【J】.电工技术，2002。2
[6] 熊育悦，赵哲身 工业以太网在自动控制系统控制的应用前景【J】。自动化仪表。2002 [7] 谢昊飞，李勇，王平，张军，网络控制技术【J】。机械工业出版社。 2009 [8] 王化祥，林慧 工业控制的应用现状和发展趋势 2004
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