現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)綜述

1、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)綜述現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)技術(shù)是20 世紀(jì)80 年代中期在國際上發(fā)展起來的一種嶄新的工業(yè)控制技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）的出現(xiàn)引起了傳統(tǒng)的PLC和DCS控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的革命性變化?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)技術(shù)極大地簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)繁瑣且技術(shù)含量較低的布線工作量，使其系統(tǒng)檢測(cè)和控制單元的分布更趨合理。更重要的是從原來的面向設(shè)備選擇控制和通信設(shè)備轉(zhuǎn)變成為基于網(wǎng)絡(luò)選擇設(shè)備。尤其是20世紀(jì)90 年代現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)技術(shù)逐漸進(jìn)入中國以來，結(jié)合Internet 和Intranet 的迅猛發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)技術(shù)越來越顯示出其傳統(tǒng)控制系統(tǒng)無可替代的優(yōu)越性?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)技術(shù)已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中的一個(gè)熱

2、點(diǎn)。1 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的早期，采用一臺(tái)小型機(jī)控制幾十條控制回路，目的是降低每條回路的成本。但由于計(jì)算機(jī)的故障將導(dǎo)致所有控制回路失效，所以后來發(fā)展成分布式控制（DCS），即由多臺(tái)微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，微機(jī)間用局域網(wǎng)（LAN）連接起來成為一個(gè)統(tǒng)一系統(tǒng)。DCS沿用了二十多年，其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)均充分顯露。最主要的問題仍然是可靠性：一臺(tái)微機(jī)壞了，該微機(jī)管轄下的所有功能都失效；一塊AD板上的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器壞了，該板上的所有通道（8或16個(gè)）全部失效。曾有過采用雙機(jī)雙I/O等冗余設(shè)計(jì)，但這又增加了成本，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。為了克服系統(tǒng)可靠性、成本和復(fù)雜性之間的矛盾，更為了適應(yīng)廣大用戶要求的系統(tǒng)開放

3、性、互操作性要求，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，一種新型控制技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）正迅速發(fā)展起來。1.1 什么是現(xiàn)場(chǎng)總線從名詞定義來講，現(xiàn)場(chǎng)總線是用于現(xiàn)場(chǎng)電器、現(xiàn)場(chǎng)儀表及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室主機(jī)系統(tǒng)之間的一種開放的、全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)。而現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定某個(gè)控制系統(tǒng)中一定數(shù)量的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間如何交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的傳輸介質(zhì)可以是電線電纜、光纜、電話線、無線電等等。通俗地講，現(xiàn)場(chǎng)總線是用在現(xiàn)場(chǎng)的總線技術(shù)。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的接線方式是一種并聯(lián)接線方式，從PLC控制各個(gè)電器元件，對(duì)應(yīng)每一個(gè)元件有一個(gè)I/O口，兩者之間需用兩根線進(jìn)行連接，作為控制和/或電源。當(dāng)PLC所控制的電器元件數(shù)量達(dá)到數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百

4、個(gè)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的接線就顯得十分復(fù)雜，容易搞錯(cuò)，施工和維護(hù)都十分不便。為此，人們考慮怎樣把那么多的導(dǎo)線合并到一起，用一根導(dǎo)線來連接所有設(shè)備，所有的數(shù)據(jù)和信號(hào)都在這根線上流通，同時(shí)設(shè)備之間的控制和通信可任意設(shè)置。因而這根線自然而然地稱為了總線，就如計(jì)算機(jī)內(nèi)部的總線概念一樣。由于控制對(duì)象都在工礦現(xiàn)場(chǎng)，不同于計(jì)算機(jī)通常用于室內(nèi)，所以這種總線被稱為現(xiàn)場(chǎng)的總線，簡(jiǎn)稱現(xiàn)場(chǎng)總線。傳統(tǒng)的接線方式現(xiàn)場(chǎng)總線接線方式圖1 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)接線方式和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)接線方式的比較1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)際上是采用串行數(shù)據(jù)傳輸和連接方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的并聯(lián)信號(hào)傳輸和連接方式的方法，它依次實(shí)現(xiàn)了控制層和現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備層之間的數(shù)

5、據(jù)傳輸，同時(shí)在保證傳輸實(shí)時(shí)性的情況下實(shí)現(xiàn)信息的可靠性和開放性。一般的現(xiàn)場(chǎng)總線具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）布線簡(jiǎn)單這是大多現(xiàn)場(chǎng)總線共有的特性，現(xiàn)場(chǎng)總線的最大革命是布線方式的革命，最小化的布線方式和最大化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫沟孟到y(tǒng)的接線成本和維護(hù)成本大大降低。由于采用串行方式，所以大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線采用雙絞線，還有直接在兩根信號(hào)線上加載電源的總線形式。這樣，采用現(xiàn)場(chǎng)總線類型的設(shè)備和系統(tǒng)給人明顯的感覺就是簡(jiǎn)單直觀。（2）開放性一個(gè)總線必須具有開放性，這指兩個(gè)方面：一方面能與不同的控制系統(tǒng)相連接，也就是應(yīng)用的開放性；另一方面就是通訊規(guī)約的開放，也就是開發(fā)的開放性。只有具備了開放性，才能使得現(xiàn)場(chǎng)總線既具備傳統(tǒng)總線的低成

6、本，又能適合先進(jìn)控制的網(wǎng)絡(luò)化和系統(tǒng)化要求。（3）實(shí)時(shí)性總線的實(shí)時(shí)性要求是為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)控制和現(xiàn)場(chǎng)采集的特點(diǎn)。一般的現(xiàn)場(chǎng)總線都要求在保證數(shù)據(jù)可靠性和完整性的條件下具備較高的傳輸速率和傳輸效率?？偩€的傳輸速度要求越快越好，速度越快，表示系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間就越短，但是傳輸速度不能僅靠提高傳輸速率來解決，傳輸?shù)男室埠苤匾鬏斝手饕怯行в脩魯?shù)據(jù)在傳輸幀中的比率還有成功傳輸幀在所有傳輸幀的比率。（4）可靠性一般總線都具備一定的抗干擾能力，同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障是，具備一定的診斷能力，以最大限度的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)較快的查找和更換故障節(jié)點(diǎn)?？偩€故障診斷能力的大小是由總線所采用的傳輸?shù)奈锢砻浇楹蛡鬏數(shù)能浖f(xié)議決定

7、的，所以不同的總線具有不同的診斷能力和處理能力。2 現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)總線的種類很多，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國際上有40多種現(xiàn)場(chǎng)總線。導(dǎo)致多種現(xiàn)場(chǎng)總線同時(shí)發(fā)展的原因有兩個(gè)，一是工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在各種技術(shù)背景下得以快速發(fā)展，并且迅速得到普及，但是普及的層面和程度受到不同技術(shù)發(fā)展的側(cè)重點(diǎn)不同而各不相同；另一方面，工業(yè)控制領(lǐng)域“高度分散、難以壟斷”，這和家用電器技術(shù)的普及不同，工業(yè)控制所涵蓋的領(lǐng)域往往是多學(xué)科、多技術(shù)的邊緣學(xué)科，一個(gè)領(lǐng)域得以推廣的總線技術(shù)到了另一個(gè)新的領(lǐng)域有可能寸步難行。2.1控制系統(tǒng)的層次控制系統(tǒng)是有不同的層次的，圖2簡(jiǎn)明地表示出控制系統(tǒng)的金字塔結(jié)構(gòu)。左邊的文字

8、表示系統(tǒng)的邏輯層次，由上到下分別為協(xié)調(diào)級(jí)、工廠級(jí)、車間級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和操作器與傳感器級(jí)。現(xiàn)場(chǎng)總線涉及的是最低兩級(jí)。右邊文字表示系統(tǒng)的物理設(shè)備層次，由上到下依次為主計(jì)算機(jī)、可編程序控制器、工業(yè)邏輯控制器、傳感器與操作器（如感應(yīng)開關(guān)、位置開關(guān)、電磁閥、接觸器等等）。圖22.2 各種現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用范圍圖3對(duì)應(yīng)不同的系統(tǒng)層次，現(xiàn)場(chǎng)總線有著不同的應(yīng)用范圍。圖3例舉了幾種主要現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用范圍?？v坐標(biāo)由下往上表示設(shè)備由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，即由簡(jiǎn)單傳感器、復(fù)雜傳感器、小型PLC或工業(yè)控制機(jī)到工作站、中型PLC再到大型PLC、DCS監(jiān)控機(jī)等，數(shù)據(jù)通信量由小到大，設(shè)備功能也由簡(jiǎn)單到復(fù)雜。橫坐標(biāo)表示通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，從左?/p>

9、右，依次為二進(jìn)制的位傳輸、8位及8位以上的字傳輸、128位及以上的幀傳輸以及更大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)奈募鬏?。從圖3看出，ASI、Sensorloop、Seriplex等總線適用于由各種開關(guān)量傳感器和操作器組織的底層控制系統(tǒng)，而Devicenet、Profibus-DP和WorldFIP適用于字傳輸額的各種設(shè)備，至于Profibus-PA、Fieldbus Foundation等更多地適用于幀傳輸?shù)膬x表自動(dòng)化設(shè)備。所以對(duì)我們適用的總線在Sensor和Equipment的區(qū)域內(nèi)。在發(fā)達(dá)國家，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)從20世紀(jì)80年代開始出現(xiàn)并逐步推廣到現(xiàn)在，已經(jīng)被工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。據(jù)說，2002年歐洲有40的自

10、動(dòng)化工程項(xiàng)目采用了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，預(yù)計(jì)到2005年將達(dá)6570。在國內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)總線首先用在外國公司在華投資的生產(chǎn)線，比如幾乎所有外資汽車生產(chǎn)企業(yè)都有使用現(xiàn)場(chǎng)總線的生產(chǎn)線。啤酒罐裝、煙草加工、機(jī)械裝配、產(chǎn)品包裝等生產(chǎn)線也大量使用現(xiàn)場(chǎng)總線。一些市政工程也開始使用現(xiàn)場(chǎng)總線。在中國，20世紀(jì)90年中后期引入現(xiàn)場(chǎng)總線，至今在技術(shù)概念上已被廣泛接受，用戶群和使用面迅速增加和擴(kuò)大，許多自動(dòng)化項(xiàng)目把現(xiàn)場(chǎng)總線控制作為選擇方案之一，還有不少本土化的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品出現(xiàn)，并迅速得以產(chǎn)業(yè)化。目前現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用主要集中在冶金、電力、水處理、乳品飲料、煙草、水泥、石化、礦山以及OEM用戶等各個(gè)行業(yè)，同時(shí)還有道路無人監(jiān)控、

11、樓宇自動(dòng)化、智能家居等新技術(shù)領(lǐng)域。3 現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)3.1 IEC61158的制定1984年IEC提出現(xiàn)場(chǎng)總線國際標(biāo)準(zhǔn)的草案。1993年才通過了物理層的標(biāo)準(zhǔn)IEC1158-2,并且在數(shù)據(jù)鏈路層的投票過程中幾經(jīng)反復(fù)。發(fā)展61158現(xiàn)場(chǎng)總線的本意是“排他的和聯(lián)合的”，各自獨(dú)立的“現(xiàn)場(chǎng)總線”將給用戶帶來許多頭疼的技術(shù)問題，犧牲的是用戶的利益。在現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域里，德國派（ISP，Interoperable System Project,可互操作系統(tǒng)規(guī)劃,是一個(gè)以Profibus為基礎(chǔ)制定的現(xiàn)場(chǎng)總線國際組織)和法國派（WORLD FIP）的對(duì)持十分激烈，互不相讓，以至于IEC無法通過國際標(biāo)準(zhǔn)。1994年6

12、月在國際上要求聯(lián)合強(qiáng)烈的呼聲和用戶的壓力下，ISP 和World FIP成立了FF(Fieldbus Foundation,現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)), 推出了FF現(xiàn)場(chǎng)總線。IEC投票的文本就是以FF為藍(lán)本的方案。這是現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展的主流方向。由于FF的目標(biāo)是致力于建立統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，它的成立實(shí)質(zhì)上意味著工業(yè)界將摒棄ISP（含PROFIBUS）和WORLD FIP。它的成立導(dǎo)致了德國派ISP立即解散；法國派（WORLD FIP）已經(jīng)明確表示不反對(duì)IEC的方案，并且可以友好地與IEC方案互聯(lián)，甚至提出了與FF“無縫連接”方案；而剩下的德國派PROFIBUS因?yàn)榕cFF的方案和技術(shù)途徑不同，過渡將是非常困難，因

13、此強(qiáng)烈反對(duì)IEC方案以保住市場(chǎng)份額。但是PROFIBUS提出的技術(shù)理由僅僅是一些支節(jié)問題，于是一些評(píng)論認(rèn)為它是出于商業(yè)利益的驅(qū)動(dòng)去反對(duì)FF，國際上的現(xiàn)場(chǎng)總線之爭(zhēng)已經(jīng)演變成為PROFIBUS的德國派與以FF為代表的“聯(lián)合派”競(jìng)爭(zhēng)。有趣的是工業(yè)國家的大公司往往“腳踏幾條船”加入各種現(xiàn)場(chǎng)總線以獲得更多的商業(yè)利益，如最能說明問題的是最主要的反對(duì)者西門子公司（PROFIBUS主要成員）也參加了FF。這種具有特殊意義事實(shí)已經(jīng)說明了PROFIBUS要與FF對(duì)抗在技術(shù)上處于明顯的劣勢(shì)。因?yàn)榈聡傻姆磳?duì),數(shù)據(jù)鏈路層和其它層在1998年9月30日投票失?。ㄙ澇善?8，反對(duì)票32，），這樣IEC61158就只能作為

14、技術(shù)報(bào)告出版。但是事情并未了結(jié)，美法等國立即提出了提案，要求對(duì)反對(duì)票的技術(shù)理由進(jìn)行審議。1998年11月15日IEC、SC65C下發(fā)了文件，要求對(duì)德國等6國的反對(duì)票是否含有技術(shù)理由進(jìn)行表決。1999年1月29日以63的結(jié)果支持美法提案。1999年6月17日IEC執(zhí)委會(huì)否定了德國等6國的反對(duì)票，重新計(jì)票的結(jié)果使原61158標(biāo)準(zhǔn)得以通過。IEC執(zhí)委會(huì)另一個(gè)決定是允許其他12個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線作為子集進(jìn)入61158（意味著允許Profibus有條件地進(jìn)入國際標(biāo)準(zhǔn)）。將在1999年的10月下旬發(fā)布修改的61158文件草案，12月投票。如否決，原來的61158方案將在1999年年底成為出版物（意味著Profib

15、us的利益方如繼續(xù)反對(duì)的話將被排除在國際標(biāo)準(zhǔn)之外）。經(jīng)過有關(guān)各方的共同努力和協(xié)商妥協(xié)，在1999年年底的投票表決中，經(jīng)過修改后加入Control Net等7種協(xié)議的IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)正式獲得通過。投票情況如下：P成員（即有投票權(quán)的成員）投票29個(gè)，其中25票贊成，4票反對(duì)（法國、加拿大、日本與俄羅斯），1票棄權(quán)（意大利）。在現(xiàn)場(chǎng)總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158中，采用了一帶七的類型，即：類型1 原IEC61158技術(shù)報(bào)告（即FF H1）類型2 Control Net（美國Rockwell）公司支持類型3 Profibus（德國SIEMENS公司支持）類型4 P-Net（丹麥Process

16、 Data公司支持）類型5 FF HSE（即原FF H2， 美國Fisher Rosemount 公司支持）類型6 Swift Net（美國波音公司支持）類型7 WorldFip（法國Alstom公司支持）類型8 Interbus（德國Phoenix contact公司支持）目前61158的基本原則是不改變?cè)瓉?1158的內(nèi)容，作為類型1不改變各個(gè)子集的行規(guī)，作為其他類型，并對(duì)類型1提供接口3.2 關(guān)于IEC62026的情況IEC62026的情況就沒有那么復(fù)雜，它的構(gòu)成如下：IEC62026 1一般要求 General Rules(in preparation)IEC62026 2電器網(wǎng)絡(luò)De

17、vice Network(DN) IEC62026 3操動(dòng)器傳感器接口Actuator sensor interface(ASI)IEC62026 4協(xié)議（規(guī)約）LontalkIEC62026 5靈巧配電系統(tǒng) Smart distributed system(SDS)IEC62026 6多路串行控制總線。Serial Multiplexed Control Bus(SMCB)另外IEC17B又發(fā)出一個(gè)NP文件“Device Word FIP電器網(wǎng)絡(luò)“1998年4月投票失敗尚未成為IEC62026系列的CD文件。而Interbus努力成為第7 部分。2000年6月以下文件將進(jìn)入最后一輪投票，并通

18、過，（即將出版）IEC62026 1一般要求 General Rules(in preparation)IEC62026 2電器網(wǎng)絡(luò)Device Network(DN) IEC62026 3操動(dòng)器傳感器接口Actuator sensor interface(ASI)IEC62026 5靈巧配電系統(tǒng) Smart distributed system(SDS)3.3 ISO11898現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域中，在IEC61158和62026之前，CAN是唯一被批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。CAN由ISO/TC22技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898（通信速率1Mbps）和ISO11519（通信速率125Kbp

19、s）。CAN總線得到了計(jì)算機(jī)芯片商的廣泛支持，它們紛紛推出直接帶有CAN接口的微處理器（MCU）芯片。帶有CAN的MCU芯片總量已經(jīng)達(dá)到130,000,000片（不一定全部用于CAN總線）；因此在接口芯片技術(shù)方面CAN已經(jīng)遙遙領(lǐng)先于其他所有現(xiàn)場(chǎng)總線。需要指出的是CAN總線同時(shí)是IEC62026 2電器網(wǎng)絡(luò)Device Network(DN) 和IEC62026 5靈巧配電系統(tǒng) Smart distributed system(SDS) 的物理層，因此它是IEC62026最主要的技術(shù)基礎(chǔ)。3.4 現(xiàn)場(chǎng)總線的國家標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)由于現(xiàn)場(chǎng)總線的國際標(biāo)準(zhǔn)遲遲不能建立，各種現(xiàn)場(chǎng)總線，設(shè)備總線（Device

20、 bus）與傳感器總線（Sensor bus）趁此機(jī)會(huì)，風(fēng)起云涌，相繼成立，莫不大肆宣傳，推廣應(yīng)用，有些大的現(xiàn)場(chǎng)總線組織更是力圖擴(kuò)大自己的地盤，企圖造成既成事實(shí)，使自己成為國際標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線國家標(biāo)準(zhǔn)德國的Profibus法國的FIP英國的ERA挪威的FINT等丹麥的PNET中國的Devicenet和ASi現(xiàn)場(chǎng)總線企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Echelon公司的LONWORKS，Phenix Contact公司的Interbus，Rober Bosch公司的CAN，Rosemount公司的HART，Carlo Garazzi公司的Dupline，Process Date公司的P-net，Peter Hans公司的F

21、-Mux據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，約有40多種。目前看來現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)不會(huì)統(tǒng)一，多標(biāo)準(zhǔn)并存現(xiàn)象將會(huì)持續(xù)。由于不同的標(biāo)準(zhǔn)在一定意義上代表著不同的廠商利益，廠商之間市場(chǎng)、利益的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)反映到標(biāo)準(zhǔn)的推廣、應(yīng)用和被采納的廣度和深度，所以使得協(xié)議之間實(shí)際也存在著競(jìng)爭(zhēng)。那些技術(shù)相對(duì)落后，支持廠商少或者弱的協(xié)議逐步被淘汰，那些技術(shù)先進(jìn)、支持廠商多而強(qiáng)、開放度高的協(xié)議更容易被接受，更具有生存和發(fā)展的空間。4幾種典型的現(xiàn)場(chǎng)總線介紹4.1 ProfibusPROFIBUS是1987年，德國聯(lián)邦科技部集中了13家公司的5個(gè)研究所的力量，按ISO/OSI參考模型制訂的現(xiàn)場(chǎng)總線的德國國家標(biāo)準(zhǔn)，其主要支持者是德國西門子公司，并于1991

22、年4月在DIN19245中發(fā)表，正式成為德國標(biāo)準(zhǔn)。開始只有PROFIBUSDP和PROFIBUSFMS，1994年又推出了PROFIBUSPA，它引用了IEC標(biāo)準(zhǔn)的物理層（IEC11582,1993年通過），從而可以在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域（EX）內(nèi)連接本質(zhì)安全型通過總線饋電的現(xiàn)場(chǎng)儀表，這使PROFIBUS更加完善。PROFIBUS已于1996年3月15日批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的第2卷。 組成：PROFIBUS有三個(gè)部分組成： PROFIBUS-FMS（Field Message Specification）主要是用來解決車間級(jí)通用性通訊任務(wù)?？捎糜诖蠓秶蛷?fù)雜的通訊?？偩€周期一般小于100m

23、s。 PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）這是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速和便宜的通信總線，它的設(shè)計(jì)是專門為自動(dòng)控制系統(tǒng)與分散的I/O設(shè)備級(jí)之間進(jìn)行通信使用的。總線周期一般小于10ms。圖4 Profibus 的組成部分 Profibus-PA（Process Automation）是專門為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)的，它可使傳感器和執(zhí)行器按在一根共用的總線上，甚至在本質(zhì)安全領(lǐng)域也可接上。根據(jù)IEC11582標(biāo)準(zhǔn)，PROFIBUS-PA用雙線進(jìn)行總線供電和數(shù)據(jù)通信。圖4為PROFIBUS組成說明，圖5為PROFIBUS的應(yīng)用范圍。PROFIBUS支持多主站通信（令牌方式）和主從通

24、信。 圖5 Profibus 應(yīng)用范圍 協(xié)議結(jié)構(gòu)Profibus協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù) ISO7498國際標(biāo)準(zhǔn)以O(shè)SI作為參考模型的。但省略了36層，同時(shí)又增加了服務(wù)層。PROFIBUSDP使用了第一層（物理層），第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）和用戶接口，第三層到第七層未加以描述。這種結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行нM(jìn)行，直接數(shù)據(jù)鏈路映象（DDLM）為用戶接口易于進(jìn)入第二層。用戶接口規(guī)定了用戶系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了各種不同PROFIBUSDP設(shè)備的設(shè)備行為，還提供了傳輸用的RS485傳輸技術(shù)或光纖傳輸技術(shù)。PROFIBUSFMS：對(duì)第一層、第二層和第七層（應(yīng)用層）均加以定義。PROFIBU

25、SPA：采用了擴(kuò)展的DP協(xié)議。另外還使用了描述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備行為的PA規(guī)約。根據(jù)IEC11582標(biāo)準(zhǔn)，這種傳輸技術(shù)可確保其本質(zhì)的安全性并通過總線給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。使用分段式耦合器，PROFIBUSPA設(shè)備能很方便地集成到PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)上。PROFIBUSDP和PROFIBUSFMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，因而這二套系統(tǒng)可在同一根電纜上同時(shí)操作。 傳輸技術(shù)PROFIBUS提供了三種類型的傳輸： 用于DP和FMS的RS485傳輸 用于PA和IEC11582傳輸 光纖（FO）A. RS485傳輸是PROFIBUS最常用的一種傳輸技術(shù)，這種技術(shù)通常稱為H2。采用屏蔽雙絞銅線，共

26、用一根導(dǎo)線對(duì)。線性總線結(jié)構(gòu)允許站點(diǎn)增加或減少，而且系統(tǒng)的分步投入也不會(huì)影響到其它站點(diǎn)的操作。后增加的站點(diǎn)對(duì)已投入運(yùn)行的站點(diǎn)沒有任務(wù)影響。傳輸速率可選：9.6Kbps和12Mbps之間。站點(diǎn)數(shù)：每分段32個(gè)站，不帶中繼器；帶中繼器可多達(dá)127個(gè)站傳輸距離：波特率 (Kbps)9.619.293.75187.5500150012000距離/段 (m)1200120012001000400200100B. IEC11582傳輸技術(shù)是一種位同步協(xié)議，可進(jìn)行無電流的連續(xù)傳輸，通常稱為H1。傳輸速率：31.25Kbps，電壓式。站點(diǎn)數(shù)：每段最多為32個(gè)，總數(shù)最多為126個(gè)。距離：采用雙絞線電纜，傳輸距離可

27、達(dá)1900m。C. Profibus系統(tǒng)在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用時(shí)，可使用光纖導(dǎo)體以增加高速傳輸?shù)淖畲缶嚯x。許多廠商提供專用總線插頭，可將RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)和光信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)，這樣就為RS485和光纖傳輸技術(shù)在同一系統(tǒng)上使用提供了一套開關(guān)控制的十分簡(jiǎn)便的方法。 應(yīng)用情況PROFIBUS的應(yīng)用包括了加工制造自動(dòng)化、過程自動(dòng)化和樓宇自動(dòng)化。據(jù)調(diào)查在1996年P(guān)ROFIBUS已贏得了43的德國市場(chǎng)，以及大約41的歐洲市場(chǎng)。目前各主要的自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)廠均為其所生產(chǎn)的設(shè)備提供PROFIBUS接口，產(chǎn)品范圍包括1000多種不同設(shè)備和服務(wù)，約有200種設(shè)備已經(jīng)認(rèn)證。PROFIBUS已在全

28、世界十多萬的實(shí)際應(yīng)用中取得成功。到1997年1月為止，安裝的PROFIBUS芯片已超過一百萬臺(tái)。4.2 FF（Fundation Fieldbus）基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)是一個(gè)國際性的組織，有120多個(gè)成員，包括了全球主要的過程控制產(chǎn)品的供應(yīng)商，基金會(huì)成員生產(chǎn)的變送器、DCS系統(tǒng)、執(zhí)行器、流量?jī)x表占世界市場(chǎng)的90。FF是迫于用戶的壓力于1994年6月由ISP與WORLDFIP（北美）合并成立的現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)。ISP是可互操作系統(tǒng)協(xié)議（Interoperable system protocol）的簡(jiǎn)稱，它基于德國的Profibus標(biāo)準(zhǔn)，成立于1992年9月，當(dāng)時(shí)有100多個(gè)公司參加，其中以

29、儀表廠為多，由Fisher Rosemount公司牽頭。WORLDFIP是工廠儀表世界協(xié)議（World Factory Instrumentation Protocol）的簡(jiǎn)稱，它基于法國的FIP標(biāo)準(zhǔn)，由Honeywell公司牽頭，也有100多個(gè)公司參加，不少是PLC制造廠。FF的拓樸結(jié)構(gòu) （圖6）圖6 FF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)H1低速現(xiàn)場(chǎng)總線 31.25Kbps 232個(gè)設(shè)備/段 供電與通訊 本質(zhì)安全 雙絞線1900米（最大） 適用于過程設(shè)備的基層總線。H2高速現(xiàn)場(chǎng)總線 1Mbps/2.5Mbps速率 可集成多達(dá)32條H1總線 冗余 雙絞線750m/500m。 支持PLC和加工工業(yè)設(shè)備 FF的協(xié)議結(jié)構(gòu)

30、FF應(yīng)用了ISO/OSI模型的第一層、第二層和第七層（應(yīng)用層），再在應(yīng)用層上加上了用戶層。FF的物理層符合IEC11582標(biāo)準(zhǔn)，采用IEC11582技術(shù)。FF特點(diǎn)由于世界上一些大的儀表公司都參加了FF，因此FF開發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品在品種與性能上都能滿足過程控制的要求，而且使用方便，F(xiàn)F具有很好的可互操作性和可互換性，可互操作性就是來自同廠家的設(shè)備可以相互通訊并且可以在多廠家的環(huán)境中完成功能，可互換性就是來自不同廠家的設(shè)備在功能上可以用同類設(shè)備互換。 應(yīng)用情況1997年，由多個(gè)供應(yīng)商提供的基于H1標(biāo)準(zhǔn)的小的試驗(yàn)系統(tǒng)被用于培訓(xùn)和技術(shù)確認(rèn)，并已在世界上試用。4.3 CAN（Controller Are

31、a Network）CAN是由Robent Bosch公司為汽車制造工業(yè)而開發(fā)的，是開放的通訊標(biāo)準(zhǔn)，包括ISO/OSI模型的第一層和第二層，由不同的制造者擴(kuò)展第七層，CIA（CAN in Automation）組織發(fā)展了一個(gè)CAN應(yīng)用層（CAL）并由此規(guī)定了器件輪廓，以聯(lián)網(wǎng)相互可操作的以CAN為基礎(chǔ)的控制器件，或使EIA模塊相互可操作。CAN目前已由ISO/TC22技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898（通信速率1Mbps）和ISO11519（通信速率125Kbps），在現(xiàn)場(chǎng)總線中，目前是唯一被批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。但I(xiàn)EC下面的TC22是分管電力電子的技術(shù)委員會(huì)，而工業(yè)自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)總線

32、則是由IEC的TC65所分管，須經(jīng)TC65的批準(zhǔn)才行。CAN的協(xié)議結(jié)構(gòu)采用ISO/OSI模型的第一層、第二層和第七層。CAN的特點(diǎn) 廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。 采用雙絞線，通信速率高達(dá)1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/5kbps?？蓲煸O(shè)備最多可達(dá)110個(gè)。 信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能，以切斷該接點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其他接點(diǎn)及其通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 CAN支持多主站方式，網(wǎng)絡(luò)上任何接點(diǎn)均可在任何時(shí)刻主動(dòng)向其它接點(diǎn)發(fā)送信息，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和

33、全局廣播方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN采用總線仲裁技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)則主動(dòng)停止發(fā)送，從而避免總線沖突。 CAN不能用于防爆區(qū)。 應(yīng)用情況CAN目前主要用于汽車、公共交通的車輛、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)及分散型I/O五大行業(yè)。此外Allen-Bradley以及Honeywell、Micro Switch在CAN基礎(chǔ)上發(fā)展了特殊的應(yīng)用層，組成了AB公司的Device Net和Honey Well公司的SDS（智能分散系統(tǒng)）現(xiàn)場(chǎng)總線。由于CAN的幀短，速度快，可靠性強(qiáng)，比較適合用于開關(guān)量控制的場(chǎng)合，故CAN的銷量在增加，據(jù)歐洲市場(chǎng)調(diào)查，CAN

34、占有率從1994年的5增加到1996年的9。4.4 WorldFIP成立于1987年3月，是以法國幾個(gè)跨國公司為基礎(chǔ)，開發(fā)了FIP（工廠儀表協(xié)議）現(xiàn)場(chǎng)總線系列產(chǎn)品。到目前為止，WorldFIP協(xié)會(huì)擁有100多個(gè)成員，這些成員生產(chǎn)300多個(gè)WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品。WorldFIP產(chǎn)品在法國市場(chǎng)占有率大于60，在歐洲市場(chǎng)占有大約25的份額。這些產(chǎn)品廣泛用于發(fā)電及輸配電、加工制造自動(dòng)化、鐵路運(yùn)輸過程自動(dòng)化等領(lǐng)域，1996年6月成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170第3卷。用WorldFIP構(gòu)成的系統(tǒng)分為三級(jí)，即過程級(jí)、控制級(jí)和監(jiān)控級(jí)。用單一的WorldFIP總線可以滿足過程控制、工廠制造加工系統(tǒng)和各種驅(qū)動(dòng)

35、系統(tǒng)的需要。WorldFIP的協(xié)議結(jié)構(gòu)是由ISO/OSI模型的第一層、第二層和第七層構(gòu)成。其中第一層物理層符合IEC11582標(biāo)準(zhǔn)。傳輸媒體可以是屏蔽雙絞線或光纖。傳輸速率為： 31.25K bps用于過程控制。1M bps用于加工制造系統(tǒng)。2.5M bps用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)速率為1M bps，使用光纖時(shí)最高速率可達(dá)5M bps。目前WorldFIP的總線產(chǎn)品有法國CEGELEC公司的Alspa-8000系統(tǒng)，Schneider公司的Modicon-TBXplc系統(tǒng)，GECALSTHOM公司的S900 SCADA系統(tǒng)等。4.5 DevicenetDeviceNet是一種低成本的現(xiàn)場(chǎng)總線鏈路，將

36、工業(yè)設(shè)備（如：限位開關(guān)、光電傳感器、閥組、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器、過程傳感器、條形碼讀取器、變頻驅(qū)動(dòng)器、面板顯示器和操作員接口）連接到網(wǎng)絡(luò)，從而免去了昂貴的硬接線。DeviceNet是一種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，在提供多供貨商同類部件間的可互換性的同時(shí)，減少了配線和安裝工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的成本和時(shí)間。DeviceNet的直接互連性不僅改善了設(shè)備間的通信，而且同時(shí)提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級(jí)診斷功能，這是通過硬接線I/O接口很難實(shí)現(xiàn)的。 DeviceNet總線技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化、開放式的特點(diǎn)，DeviceNet總線的組織機(jī)構(gòu)是“開放式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供貨商協(xié)會(huì)”，簡(jiǎn)稱“ODVA”（Open DeviceNet Vendor

37、 Association）。ODVA是一個(gè)獨(dú)立組織，管理DeviceNet技術(shù)規(guī)范，促進(jìn)DeviceNet在全球的推廣與應(yīng)用。ODVA實(shí)行會(huì)員制，會(huì)員分供貨商會(huì)員（Vendor members）和分銷商會(huì)員（Distributor member）。ODVA現(xiàn)有供貨商會(huì)員300多個(gè)，其中包括ABB、Rockwell、Phoenix Contacts、Omron、Hitachi、Cutler-Hammer等幾乎所有世界著名的電器和自動(dòng)化元件生產(chǎn)商。ODVA的作用是幫助供貨商會(huì)員向DeviceNet產(chǎn)品開發(fā)者提供技術(shù)培訓(xùn)、產(chǎn)品一致性試驗(yàn)工具和試驗(yàn)，支持成員單位對(duì)DeviceNet協(xié)議規(guī)范進(jìn)行改進(jìn)；出

38、版符合DeviceNet協(xié)議規(guī)范的產(chǎn)品目錄，組織研討會(huì)和其它推廣活動(dòng)，幫助用戶了解掌握DeviceNet技術(shù)；幫助分銷商開展DeviceNet用戶培訓(xùn)和DeviceNet專家認(rèn)證培訓(xùn)，提供設(shè)計(jì)工具，解決DeviceNet系統(tǒng)問題。ODVA全球網(wǎng)站地址：hppt:，ODVA在中國有辦事機(jī)構(gòu)ODVA China，網(wǎng)址：hppt:。DeviceNet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7 Devicenet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Devicenet可以歸納出以下一些技術(shù)特點(diǎn)： 最大64個(gè)節(jié)點(diǎn)。 125kbps500kbps通信速率。 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，多主或主/從通信。 可帶電

39、更換網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在線修改網(wǎng)絡(luò)配置。 采用CAN物理層和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)約，使用CAN規(guī)約芯片，得到國際上主要芯片制造商的支持。 支持選通、輪詢、循環(huán)、狀態(tài)變化和應(yīng)用觸發(fā)的數(shù)據(jù)傳送。 低成本、高可靠性的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。 既適用于連接低端工業(yè)設(shè)備，又能連接象變頻器、操作終端這樣的復(fù)雜設(shè)備。 采用無損位仲裁機(jī)制實(shí)現(xiàn)按優(yōu)先級(jí)發(fā)送信息。 具有通信錯(cuò)誤分級(jí)檢測(cè)機(jī)制、通信故障的自動(dòng)判別和恢復(fù)功能。 得到眾多制造商的支持，如：Rockwell、OMRON、Hitachi、Cutter-Hammer、Mithileichi 等。Devicenet 制造商協(xié)會(huì)擁有三百多個(gè)會(huì)員遍布世界各地。2002年12月1日發(fā)行的國家標(biāo)準(zhǔn)化

40、管理委員會(huì)通報(bào)中，公布了Devicenet現(xiàn)場(chǎng)總線已被批準(zhǔn)為國家標(biāo)準(zhǔn)。DeviceNet中國國家標(biāo)準(zhǔn)的編號(hào)為GB/T 18858.3-2002，名稱為低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 控制器設(shè)備接口（CDI） 第3部分：DeviceNet。該標(biāo)準(zhǔn)于2002年10月8日被批準(zhǔn)，并于2003年4月1日開始實(shí)施。4.6 ASiASi（Actuator Sensor Interface執(zhí)行器傳感器接口）總線是自動(dòng)化系統(tǒng)中最低層級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)總線。它是一種開發(fā)式與生產(chǎn)商無關(guān)的總線，適用于二值傳感器和執(zhí)行器的聯(lián)網(wǎng)。ASi總線的優(yōu)點(diǎn)： 不再需要傳感器/執(zhí)行器與較高級(jí)的控制器之間的大量連接線，代之以一根二芯電纜線； 不需要參

41、數(shù)化的軟件； 在電氣和機(jī)械方面都是標(biāo)準(zhǔn)化的，與生產(chǎn)商無關(guān)； 應(yīng)用穿刺法接觸連接，安裝簡(jiǎn)單、快速，極性不可能接錯(cuò)； 接口芯片可以集成在傳感器和執(zhí)行器上，以提高其監(jiān)視和故障分析能力 防護(hù)等級(jí)高，可在現(xiàn)場(chǎng)直接應(yīng)用； 具有自檢測(cè)功能，抗干擾能力強(qiáng)。ASi總線是一種簡(jiǎn)單的主從系統(tǒng)，控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿總€(gè)線路段只有一個(gè)主設(shè)備。主設(shè)備依次查詢從設(shè)備并要求從設(shè)備應(yīng)答。它采用固定的報(bào)文長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)格式，識(shí)別過程是不必要的。ASi總線的主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下： 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：線形或樹型結(jié)構(gòu)； 傳輸媒體：數(shù)據(jù)和電源共用的無屏蔽雙線電纜（21.5mm2）； 連接方法：采用穿刺法； 最大電纜長(zhǎng)度：無中繼器/擴(kuò)展器時(shí)為100m，有中繼器

42、/擴(kuò)展器時(shí)為300m； 最大循環(huán)時(shí)間：當(dāng)完全配置時(shí)為5ms； 最大站點(diǎn)數(shù)：31個(gè)； 二值傳感器/執(zhí)行器數(shù)：124個(gè)（當(dāng)用4輸入，4輸出，2輸入/2輸出或22數(shù)模塊時(shí)，即431個(gè)）；248個(gè)（當(dāng)用4輸入/4輸出模塊時(shí)，即831個(gè)）； 訪問方法：循環(huán)查詢主-從方法，從主設(shè)備（PLC、PC）循環(huán)采集數(shù)據(jù)； 錯(cuò)誤糾正：數(shù)據(jù)采集包含對(duì)錯(cuò)誤報(bào)文的識(shí)別和重發(fā)。4.7 InterbusInterbus是一種器件級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線，它是德國PhoenixContact公司（一種中小型私人企業(yè)）研究和開發(fā)的，在1987年正式公布，1996年成為DIN19825標(biāo)準(zhǔn)，1998年成為EN50254歐洲標(biāo)準(zhǔn)，目前已成為IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)。它快速、準(zhǔn)確（令牌傳遞、環(huán)形拓?fù)洌?，最多可連接512個(gè)“遠(yuǎn)程”節(jié)點(diǎn)，每段距離為400m。Interbus也允許次級(jí)有10m的回路環(huán)，在這些“本地”總線中，遠(yuǎn)程和本地可應(yīng)用相同的芯片，但節(jié)點(diǎn)不能相互交