典型的现场总线.docx

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1、典型的现场总线及特点概述：现场总线（Fieldbus）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自 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。国际上许多有实力、有影响的公司都先后在不同程 度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处

2、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，而且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。关键词：Profibus、基金会现场总线、CAN、WorldFIP、Devicenet、ASi、Interbus、 协议简单、安全性好、应用广泛1. ProfibusPROFIBUS是1987年，德国联邦科技部集中了 13家公司的5个研究所的力量， 按ISO/OSI参考模型制订的现场总线的德国国家标准，其主

3、要支持者是德国西门 子公司，并于1991年4月在DIN19245中发表，正式成为德国标准。开始只有 PROFIBUS-DP 和 PROFIBUS-FMS，1994 年又推出了 PROFIBUS-PA，它引用了 IEC 标准的物理层（IEC1158-2,1993年通过），从而可以在有爆炸危险的区域（EX） 内连接本质安全型通过总线馈电的现场仪表，这使PROFIBUS更加完善PROFIBUS 已于1996年3月15日批准为欧洲标准EN50170的第2卷。 组成：PROFIBUS有三个部分组成： PROFIBUS-FMS （Field Message Specification）主要是用来解决车间级

4、通用 性通讯任务。可用于大范围和复杂的通讯。总线周期一般小于100ms。 PROFIBUS-DP （Decentralized Periphery）这是一种经过优化的高速和便宜的 通信总线，它的设计是专门为自动控制系统与分散的I/O设备级之间进行通信使用的。总线周期一般小于10ms。版权所有CA8。加工自动化加工自助化过程自动化PROFIBUS-DPPROFEUS-FMSPROFIBUS-PA快捷通用面向行业-舔接方便-应用范围厂-总恰愤电（可选）-效益好，价格适中-多主机逋信本质安全（可选）/ EN50170第2卷与DIN侦245第1至第4部分仪器规约/行业规约图1 Profibus的组成部

5、分 Profibus-PA （Process Automation）是专门为过程自动化设计的，它可使传 感器和执行器按在一根共用的总线上，甚至在本质安全领域也可接上。根据 IEC1158 - 2标准，PROFIBUS-PA用双线进行总线供电和数据通信。图1为PROFIBUS组成说明，图2为PROFIBUS的应用范围PROFIBUS支持多主站通信（令 牌 方 式） 和 主一 从 通 信。图2 Profibus应用范围 协议结构Profibus协议结构是根据ISO7498国际标准以OSI作为参考模型 的。但省略了 36层，同时又增加了服务层。PROFIBUS-DP使用了第一层（物理层），第二层（数

6、据链路层）和用户接口，第 三层到第七层未加以描述。这种结构确保了数据传输的快速和有效进行，直接数 据链路映象（DDLM）为用户接口易于进入第二层。用户接口规定了用户系统以及 不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备 行为，还提供了传输用的RS485传输技术或光纤传输技术。PROFIBUS-FMS :对第一层、第二层和第七层（应用层）均加以定义。PROFIBUS-PA:采用了扩展的DP协议。另外还使用了描述现场设备行为的PA 规约。根据IEC1158-2标准，这种传输技术可确保其本质的安全性并通过总线 给现场设备供电。使用分段式耦合器，PROFIBUS-PA

7、设备能很方便地集成到 PROFIBUS-DP 网络上。PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问 协议，因而这二套系统可在同一根电缆上同时操作。 传输技术PROFIBUS提供了三种类型的传输：用于DP和FMS的RS485传输用于PA和IEC1158-2传输光纤(FO)A. RS485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术，这种技术通常称为H2。采用 屏蔽双绞铜线，共用一根导线对。线性总线结构允许站点增加或减少，而且系统 的分步投入也不会影响到其它站点的操作。后增加的站点对已投入运行的站点没 有任务影响。传输速率可选：9.6Kbps和12Mbps

8、之间。站点数：每分段32个站，不带中继器；带中继器可多达127个站。传输距离：波特率(kbps)9.619.293.75187.5500150012000距离/段(m)1200120012001000400200100B. IEC1158-2传输技术是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称 为H1。传输速率：31.25Kbps，电压式。站点数：每段最多为32个，总数最多为126个。距离：采用双绞线电缆，传输距离可达1900m。C. Profibus系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体以增加高速 传输的最大距离。许多厂商提供专用总线插头，可将RS485信号转换成光信号和 光信

9、号转换成RS485信号，这样就为RS485和光纤传输技术在同一系统上使用提 供了一套开关控制的十分简便的方法。 应用情况PROFIBUS的应用包括了加工制造自动化、过程自动化和楼宇自动化。据调查在 1996年PROFIBUS已赢得了 43%的德国市场，以及大约41%的欧洲市场。目前 各主要的自动化设备生产厂均为其所生产的设备提供PROFIBUS接口，产品范围 包括1000多种不同设备和服务，约有200种设备已经认证。PROFIBUS已在全世 界十多万的实际应用中取得成功。到1997年1月为止，安装的PROFIBUS芯片已超过一百万台。2. FF (Fundation Fieldbus)基金会现

10、场总线现场总线基金会是一个国际性的组织，有120多个成员，包括了全球主要的过 程控制产品的供应商，基金会成员生产的变送器、DCS系统、执行器、流量仪表 占世界市场的90%。FF是迫于用户的压力于1994年6月由ISP与WORLDFIP （北美）合并成立的现 场总线基金会。ISP是可互操作系统协议（Interoperable system protocol）的简称，它基于 德国的Profibus标准，成立于1992年9月，当时有100多个公司参加，其中以 仪表厂为多，由Fisher Rosemount公司牵头。WORLDFIP是工厂仪表世界协议 （World Factory Instrument

11、ation Protocol）的简称，它基于法国的 FIP 标准， 由Honeywell公司牵头，也有100多个公司参加，不少是PLC制造厂。FF的拓朴结构（图3）图3 FF的拓扑结构H1低速现场总线 31.25Kbps 232个设备/段供电与通讯本质安全双绞线1900米（最大）适用于过程设备的基层总线。H2高速现场总线 1Mbps/2.5Mbps 速率可集成多达32条H1总线冗余双绞线 750m/500mo支持PLC和加工工业设备 FF的协议结构FF应用了 ISO/OSI模型的第一层、第二层和第七层（应用层）,再在应用层上 加上了用户层。FF的物理层符合IEC1158-2标准，采用IEC11

12、58-2技术。 FF特点由于世界上一些大的仪表公司都参加了 FF,因此FF开发的现场总线产品在品种 与性能上都能满足过程控制的要求，而且使用方便，FF具有很好的可互操作性 和可互换性，可互操作性就是来自同厂家的设备可以相互通讯并且可以在多厂家 的环境中完成功能，可互换性就是来自不同厂家的设备在功能上可以用同类设备 互换。 应用情况1997年，由多个供应商提供的基于H1标准的小的试验系统被用于培训和技术 确认，并已在世界上试用。3. CAN （Controller Area Network）CAN是由Robent Bosch公司为汽车制造工业而开发的，是开放的通讯标准，包 括ISO/OSI模型的

13、第一层和第二层，由不同的制造者扩展第七层，CIA （CAN in Automation）组织发展了一个CAN应用层（CAL）并由此规定了器件轮 廓，以联网相互可操作的以CAN为基础的控制器件，或使EIA模块相互可操 作。CAN目前已由ISO/TC22技术委员会批准为国际标准ISO11898 （通信速率V 1Mbps）和ISO11519 （通信速率 125Kbps），在现场总线中，目前是唯一被批准 为国际标准的现场总线。但IEC下面的TC22是分管电力电子的技术委员会，而 工业自动化的现场总线则是由IEC的TC65所分管，须经TC65的批准才行。 CAN的协议结构采用ISO/OSI模型的第一层、

14、第二层和第七层。 CAN的特点废除了传统的站地址编码而代之以对通信数据块进行编码。采用双绞线，通信速率高达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/5kbps。 可挂设备最多可达110个。信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰 的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该接点与总线的联系，使总线 上的其他接点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。 CAN支持多主站方式，网络上任何接点均可在任何时刻主动向其它接点发送信 息，支持点对点，一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。CAN采用总线仲 裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级

15、高的节点继续发送数 据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免总线冲突。CAN不能用于防爆区。 应用情况CAN目前主要用于汽车、公共交通的车辆、机器人、液压系统及分散型I/O五大 行业。此外 Allen-Bradley 以及 Honeywell、Micro Switch 在 CAN 基础上发展了 特殊的应用层，组成了 A B公司的Device Net和Honey Well公司的SDS （智 能分散系统）现场总线。由于CAN的帧短，速度快，可靠性强，比较适合用于开 关量控制的场合，故CAN的销量在增加，据欧洲市场调查，CAN占有率从1994 年的5%增加到1996年的9%。4. WorldFI

16、PWorldFIP成立于1987年3月，是以法国几个跨国公司为基础，开发了 FIP （工 厂仪表协议）现场总线系列产品。到目前为止，WorldFIP协会拥有100多个成 员，这些成员生产300多个WorldFIP现场总线产品。WorldFIP产品在法国市场 占有率大于60%，在欧洲市场占有大约25%的份额。这些产品广泛用于发电及 输配电、加工制造自动化、铁路运输过程自动化等领域，1996年6月成为欧洲 标准EN50170第3卷。用WorldFIP构成的系统分为三级，即过程级、控制级和监控级。用单一的 WorldFIP总线可以满足过程控制、工厂制造加工系统和各种驱动系统的需要。WorldFIP的

17、协议结构是由ISO/OSI模型的第一层、第二层和第七层构成。其中 第一层物理层符合IEC1158 2标准。传输媒体可以是屏蔽双绞线或光纤。传输速率为：31.25K bps用于过程控制，1M bps用于加工制造系统，2.5M bps 用于驱动系统。标准速率为1M bps，使用光纤时最高速率可达5M bps。目前WorldFIP的总线产品有法国CEGELEC公司的Alspa-8000系统、Schneider 公司的 Modicon-TBXplc 系统、GECALSTHOM 公司的 S 900 SCADA 系统等。5. DevicenetDeviceNet是一种低成本的现场总线链路，将工业设备（如：

18、限位开关、光电 传感器、阀组、电动机起动器、过程传感器、条形码读取器、变频驱动器、面板 显示器和操作员接口）连接到网络，从而免去了昂贵的硬接线。DeviceNet是一 种简单的网络解决方案，在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了 配线和安装工业自动化设备的成本和时间。DeviceNet的直接互连性不仅改善了 设备间的通信，而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线 I/O接口很难实现的。DeviceNet总线技术具有网络化、系统化、开放式的特点， DeviceNet总线的组织机构是“开放式设备网络供货商协会”，简称“ ODVA”(Open DeviceNet Vendor

19、 Association)。ODVA 是一个独立组织，管理 DeviceNet技术规范，促进DeviceNet在全球的推广与应用。ODVA实行会员制， 会员分供货商会员(Vendor members)和分销商会员(Distributor member)o ODVA现有供货商会员300多个，其中包括ABB、Rockwell、Phoenix Contacts、 Omron、Hitachi、Cutler-Hammer等几乎所有世界著名的电器和自动化元件生产 商。ODVA的作用是帮助供货商会员向DeviceNet产品开发者提供技术培训、产 品一致性试验工具和试验，支持成员单位对DeviceNet协议规

20、范进行改进；出版 符合DeviceNet协议规范的产品目录，组织研讨会和其它推广活动，帮助用户了 解掌握DeviceNet技术；帮助分销商开展DeviceNet用户培训和DeviceNet专家 认证培训，提供设计工具，解决DeviceNet系统问题。DeviceNet的网络结构如图4所示。图4 Devicenet的网络结构Devicenet可以归纳出以下一些技术特点：最大64个节点。 125kbps500kbps 通信速率。点对点，多主或主/从通信。可带电更换网络节点，在线修改网络配置。采用CAN物理层和数据链路层规约，使用CAN规约芯片，得到国际上主要芯片 制造商的支持。支持选通、轮询、循环

21、、状态变化和应用触发的数据传送。低成本、高可靠性的数据网络。既适用于连接低端工业设备，又能连接象变频器、操作终端这样的复杂设备。-采用无损位仲裁机制实现按优先级发送信息。-具有通信错误分级检测机制、通信故障的自动判别和恢复功能。得到众多制造商的支持，如：Rockwell、OMRON、Hitachi、Cutter-Hammer、 Mithileichi等。Devicenet制造商协会拥有三百多个会员遍布世界各地。2002 年12月1日发行的国家标准化管理委员会通报中，公布了 Devicenet现场总线 已被批准为国家标准。DeviceNet中国国家标准的编号为GB/T 18858.3-2002，

22、 名称为低压开关设备和控制设备控制器一设备接口（ CDI ）第3部分：DeviceNet。该标准于2002年10月8日被批准，并于2003年4月1日开始实 施。6. ASiASi （Actuator Sensor Interface执行器传感器接口）总线是自动化系统中最 低层级的现场总线。它是一种开发式与生产商无关的总线，适用于二值传感器和 执行器的联网。ASi总线的优点：不再需要传感器/执行器与较高级的控制器之间的大量连接线，代之以一根二 芯电缆线；不需要参数化的软件；在电气和机械方面都是标准化的，与生产商无关；应用穿刺法接触连接，安装简单、快速，极性不可能接错；接口芯片可以集成在传感器和执

23、行器上，以提高其监视和故障分析能力防护等级高，可在现场直接应用；具有自检测功能，抗干扰能力强。ASi总线是一种简单的主从系统，控制数据传输的每个线路段只有一个主设备。 主设备依次查询从设备并要求从设备应答。它采用固定的报文长度和数据格式， 识别过程是不必要的。ASi总线的主要技术数据如下：网络结构：线形或树型结构；传输媒体：数据和电源共用的无屏蔽双线电缆（2X1.5mm2）； 连接方法：采用穿刺法；最大电缆长度：无中继器/扩展器时为100m，有中继器/扩展器时为300m；最大循环时间：当完全配置时为5ms；最大站点数：31个；二值传感器/执行器数：124个（当用4输入，4输出，2输入/2输出或

24、2X 2数模块时，即4X31个）；248个（当用4输入/4输出模块时，即8X31个）；访问方法：循环查询主-从方法，从主设备（PLC、PC）循环采集数据;错误纠正：数据采集包含对错误报文的识别和重发。7. InterbusInterbus是一种器件级现场总线，它是德国PhoenixContact公司（一种中小型 私人企业）研究和开发的，在1987年正式公布，1996年成为DIN19825标准， 1998年成为EN50254欧洲标准，目前已成为IEC61158国际标准。它快速、准确 （令牌传递、环形拓扑），最多可连接512个“远程”节点，每段距离为400m。Interbus也允许次级有10m的回

25、路环，在这些“本地”总线中，远程和本地可 应用相同的芯片，但节点不能相互交换数据。到1997年底，Interbus已有125000 多个应用项目和170万个联网的节点。Interbus俱乐部有700多家制造商支持、 400多家会员单位，主要应用于汽车、印刷、物资搬运和机床等。8. 部分现场总线技术特点总结现场总线特点应用Profibus-DP传输速率9.6-12Kbps传输距离1001200m传输介质双绞线或光缆支持Profibus-DP总线的 智能电气设备、PLC等， 适用于过程顺序控制和 过程参数的监控FF传输速率31.25Kbps传输距离1900m传输介质双绞线或光缆现场总线仪表，执行机

26、构 等过程参数的监控CAN传输速率5 500Kbps传输距离40-500m传输介质两芯电缆汽车内部的电子装置控制，大型仪表的数据采 集和控制WorldFIP传输率 31.252500Kbps 传输距离500 5000m 传输介质双绞线或光 缆可应用于连续或断续过 程的自动控制DeviceNet传输速率125、250、500Kbps传输距离100 500m 传输介质五芯电缆适用于电器设备和控制 设备的设备级网络控制， 以及过程控制和顺序控 制设备等Interbus传输速率500K-12Mbps传输距离100m传输介质同轴电缆或者 光缆车间设备和PLC网络控制ControlNet传输速率5Mbps传输距离100-400m传输介质双绞线车间级网络控制和PLC网 络控制LonWorks传输速率78-1250Kbps 传输距离130-2700m 传输介质双绞线或电力 线由于智能神经元节点技 术和电力载波技术，可广 泛应用于电力系统和楼 宇自动化【参考文献】：1.中国科学技术大学出版社.计算机控制技术2.电子工业出版社.微型计算机控制技术