現(xiàn)場總線匯集與比較

1、現(xiàn)場總線2010年11月4日一、概述11、IEC61158介紹12、部分現(xiàn)場總線比較2二、部分現(xiàn)場總線簡介21、RS42222、RS48533、CAN34、Ethernet/IP35、ControlNet46、LonWorks47、EIB58、Interbus59、Profibus510、Profinet611、FF HSE712、P-net713、CC-Link714、DeviceNet8三、總結(jié)8一、概述1、IEC61158介紹IEC61158是國際電工委員會IEC(International Electrotechnical Commission)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。目前，IEC61158現(xiàn)

2、場總線標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)展了一系列的標(biāo)準(zhǔn)，最新版本為IEC61158-6-20（2007年發(fā)布），總共有20種現(xiàn)場總線加入該標(biāo)準(zhǔn)，如表1.1所示。作為工業(yè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的IEC 61158，由國際電工委員會IEC SC65C“測量和控制的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信”分技術(shù)委員會的WG6工作組與美國儀表學(xué)會ISA下SP50工作組組織聯(lián)合制定的，1984年起草，1999年最后一輪投票通過，長達(dá)14年多。表1.1 IEC61158收錄的20種現(xiàn)場總線2、部分現(xiàn)場總線比較表2是部分現(xiàn)場總線的比較（部分?jǐn)?shù)據(jù)無從查證或未查到）。表2 部分通信總線比較總線協(xié)議最大速率最大距離100米速率發(fā)布時間總線數(shù)節(jié)點數(shù)電氣特性RS4

3、2210Mbps1200米/100kbps1Mbps410-6V+6VRS48510Mbps1200米/100kbps1Mbps1983年2/432-6V+6VCAN1Mbps/40米10000米/5kbps-1986年21100+5VEthernet/IP100Mbps100米-ControlNet5Mbps6000米-1997年99LonWorks1.25Mbps2700米/78kbps-127EIB9.6kbps1000米1990年64Interbus500kbps1200米500kbps1984年P(guān)rofibus12Mbps/100米1200米/9.6kbps12Mbps1991年32

4、0+24VFF HSE2.5Mbps1900米/31.25kbpsProfinet100Mbps100米P-net76.8kbps1200米76.8kbps1983年125CC_Link10Mbps1200米10Mbps1996年DeviceNet500kbps/100米500米/125kbps500kbps二、部分現(xiàn)場總線簡介本文主要以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)，介紹幾種常用的遠(yuǎn)程通信總線。文中的最大傳輸距離只表示不經(jīng)過中繼器的單次傳輸距離。1、RS422最大傳輸速率10Mbps最大傳輸距離1200米，傳輸速率100kbpsRS422由RS232發(fā)展而來，改進(jìn)了RS232通信距離短、速度低的缺點，采用差

5、動傳輸。差動工作是同速率條件下傳輸距離遠(yuǎn)的根本原因，這正是它與RS232的根本區(qū)別，因為RS232是單端輸入輸出。RS422四線接口由于采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向。RS422的最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kbps速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離，只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。RS422需要終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在短距離傳輸時可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻，終接電阻接在傳輸電纜

6、的最遠(yuǎn)端。2、RS485最高傳輸速率10Mbps最大傳輸距離1200米，傳輸速率100kbps其性能與RS422基本相同。表4 RS232、RS422和RS485比較規(guī)定RS232RS422R485工作方式單端差分差分節(jié)點數(shù)1發(fā)1收1發(fā)10收1發(fā)32收最大傳輸電纜長度15米1200米1200米最大傳輸速率20kbps10Mbps10Mbps最大驅(qū)動輸出電壓+/-25V-0.25V+6V-7V+12V接收器輸入電壓范圍+/-15V-10V+10V-7V+12V接收器輸入門限+/-3V+/-200mV+/-200mVRS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實現(xiàn)點對點的通信方式，很少采用，現(xiàn)在

7、多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在同一總線上最多可以掛接32個結(jié)點。表3是RS232、RS422和RS485的參數(shù)比較。3、CAN最大傳輸速率1Mbps，傳輸距離40米最大傳輸距離10000米，傳輸速率5kbps控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，簡稱CAN）最初是德國Bosch公司于1983年為汽車應(yīng)用而開發(fā)的，一種能有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，屬于現(xiàn)場總線（FieldBus）的范疇。1993年11月，ISO正式頒布了控制器局域網(wǎng)CAN國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），為控制器局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。目前它已經(jīng)成為國際

8、上應(yīng)用最廣泛的開放式現(xiàn)場總線之一。CAN總線特點：具有實時性強、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點；采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN 控制器掛到CAN-bus 上，形成多主機局部網(wǎng)絡(luò)；可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文；可靠的錯誤處理和檢錯機制；發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能；報文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。4、Ethernet/IP最大傳輸速率10，100，1000Mbps最大傳輸距離100米工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議(Ethernet/I

9、P)是由ODVA所開發(fā)，并得到了羅克韋爾自動化的強大支持。它使用已用于 ControlNet 和 DeviceNet 的控制和信息協(xié)議 (CIP) 為應(yīng)用層協(xié)議。CIP 提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)，提供“隱式”和“顯示”方式對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問和控制。CIP數(shù)據(jù)包必須在通過以太網(wǎng)發(fā)送前經(jīng)過封裝，并根據(jù)請求服務(wù)類型而賦予一個報文頭。這個報文頭指示了發(fā)送數(shù)據(jù)到響應(yīng)服務(wù)的重要性。通過以太網(wǎng)傳輸?shù)腃IP數(shù)據(jù)包具有特殊的以太網(wǎng)報文頭，一個IP頭、一個TCP頭和封裝頭。封裝頭包括了控制命令、格式和狀態(tài)信息、同步信息等。這允許CIP數(shù)據(jù)包通過TCP或UDP傳輸并能夠由接收方解包。相對于DeviceNet或

10、ControlNet，這種封裝的缺點是協(xié)議的效率比較低。以太網(wǎng)的報文頭可能比數(shù)據(jù)本身還要長，從而造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)過重。因此，EtherNet/IP更適用于發(fā)送大塊的數(shù)據(jù)(如程序)，而不是DeviceNet和ControlNet更擅長的模擬或數(shù)字的I/O數(shù)據(jù)。EtherNet/IP 技術(shù)參數(shù) 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：可構(gòu)成幾乎無限規(guī)模的網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)長度：10/100 Base-T = 100m 通訊速度：10, 100, 1000Mbps 5、ControlNet最大傳輸速率5Mbps最大傳輸距離6000米控制網(wǎng)國際有限公司(Control Net International，Ltd.)是1997年7月由Rockw

11、ell等22家企業(yè)發(fā)起成立，是個非贏利獨立組織，主要負(fù)責(zé)向全世界推廣ControlNet技術(shù)（包括測試軟件）。ControlNet是一種實時、控制層的網(wǎng)絡(luò)，用于傳輸時間要求很高的I/O數(shù)據(jù)和報文數(shù)據(jù)，還包括程序和配置的上載和下載，以及在單個物理媒介鏈路上的對等報文。由于具有確定性和可重復(fù)性，ControlNet的高速控制(5Mbps)和數(shù)據(jù)能力可明顯增強I/O和對等通訊性能。ControlNet技術(shù)指標(biāo) 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：最多 48 個節(jié)點。 網(wǎng)絡(luò)長度：1000m (同軸電纜)/ 5Mbps；1000m 2個節(jié)點，250 m 48個節(jié)點；3000m (光纖)/5Mbps； 6、LonWorks最大傳輸

12、速率1.25Mbps最大傳輸距離2700米，傳輸速率78kbpsLonWorks是美國Echelon公司1992年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，最初主要用于樓宇自動化，但很快發(fā)展到工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)。LonWorks技術(shù)為設(shè)計和實現(xiàn)可互操作的控制網(wǎng)絡(luò)提供了一套完整、開放、成品化的解決途徑，正在被越來越多的廠商、用戶、集成商以及技術(shù)人員所認(rèn)同。它的對等性、平坦性、開放性、可互操作性等特點，可在各個領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。LonWorks網(wǎng)絡(luò)真正為控制系統(tǒng)提供了一套完整的解決方案。如同計算機系統(tǒng)，控制系統(tǒng)。LonWorks網(wǎng)絡(luò)提出了一些非常簡單的主張-控制系統(tǒng)基本上可以不考慮應(yīng)用；網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)比非網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)

13、更加強大、靈活和可擴(kuò)展；從長期考慮網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)可比非網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)節(jié)約更多的成本。LonWorks 技術(shù)指標(biāo) 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：32,000節(jié)點/域網(wǎng)絡(luò)長度：2000m，78kbps7、EIB最大傳輸速率9.6kbps最大傳輸距離1000米EIB（European Installation Bus），是電氣布線領(lǐng)域使用范圍最廣的行業(yè)規(guī)范和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。于2007年正式成為中國國標(biāo)GB/Z20965-2007。EIB最大的特點是通過單一多芯電纜替代了傳統(tǒng)分離的控制電纜和電力電纜，并確保各開關(guān)可以互傳控制指令，因此總線電纜可以以線型、樹型或星型鋪設(shè)，方便擴(kuò)容與改裝。1990年5月，110多個歐洲電氣制造商聯(lián)合成立

14、了European Installation Bus Association，總部設(shè)于比利時的布魯塞爾，并制訂了歐洲安裝總線規(guī)范European Installation Bus。據(jù)統(tǒng)計，在德國的商業(yè)功能建筑和大型超市中，大約30%的樓宇都不同程度地安裝了EIB系統(tǒng)，而在計劃建造的樓宇中，這一比例則達(dá)到了60%。鑒于其優(yōu)秀表現(xiàn)，該協(xié)議已被美國消費電子制造商協(xié)會（CEMA）吸收作為家庭網(wǎng)絡(luò)EIA-776標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過十多年的發(fā)展，EIB不僅成為事實上的歐洲規(guī)范，并在2000年在IEC國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)大會上提名為國際標(biāo)準(zhǔn)之一。EIB系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是支線（Line），一條支線可以接64個元件，通過線路耦

15、合器（Line Coupler）最多可以15條支線連接為一個區(qū)域（Area），而通過干線耦合器（Backbone Line Coupler）可以將15個區(qū)域連接成一個最大的系統(tǒng)。因此EIB系統(tǒng)最大可以容納高達(dá)14400的元件，而可控制的用電設(shè)備點數(shù)更是驚人。8、Interbus最大傳輸速率500kbps最大傳輸距離1200米INTERBUS總線于1984年推出，其主要技術(shù)開發(fā)者為德國的Phoenix Contact公司。InterBus是一個傳感器/調(diào)節(jié)器總線系統(tǒng)，特別適用于工業(yè)用途，能夠提供從控制級設(shè)備至底層限定開關(guān)的一致的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。INTERBUS作為IEC61158標(biāo)準(zhǔn)之一，廣泛地應(yīng)用于

16、制造業(yè)和機器加工行業(yè)中，用于連接傳感器/執(zhí)行器的信號到計算機控制站，是一種開放的串行總線系統(tǒng)。INTERBUS總線包括遠(yuǎn)程總線網(wǎng)絡(luò)和本地總線網(wǎng)絡(luò)，兩種網(wǎng)絡(luò)傳送相同的信號但電平不同。遠(yuǎn)程總線網(wǎng)絡(luò)用于遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)，采用RS-485傳輸，網(wǎng)絡(luò)本向不供電，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)采用全雙工方式進(jìn)行通訊，通訊速率為500k/s。本地總線網(wǎng)絡(luò)連接到遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)絡(luò)上的總線終端BT（BUS Terminal)上的BK模塊負(fù)責(zé)將遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為本地網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。INTERBUS是為快速傳感器/執(zhí)行器在工業(yè)環(huán)境中傳輸過程數(shù)據(jù)而設(shè)計的。由于其傳輸方式和環(huán)形拓?fù)?，Interbus具有諸多優(yōu)異性能，例如：速度快、周期性和過程數(shù)據(jù)的等

17、時傳輸。優(yōu)化的診斷功能最大程度減小了維護(hù)周期，易于處理和安裝(即插即用)，還有在必要的時候可以使用光纖技術(shù)。Interbus技術(shù)指標(biāo)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：最大 512 個節(jié)點網(wǎng)絡(luò)長度：兩個遠(yuǎn)程總線站之間為400m，采用RS-485方式為13km9、Profibus最大傳輸速率12Mbps，傳輸距離100米最大傳輸距離1200米，傳輸速率9.6kbpsPROFIBUS是1987年德國聯(lián)邦科技部集中了13家公司的5個研究所的力量，按ISO/OSI參考模型制訂的現(xiàn)場總線的德國國家標(biāo)準(zhǔn)，其主要支持者是德國西門子公司，并于1991年4月在DIN19245中發(fā)表，正式成為德國標(biāo)準(zhǔn)。開始只有PROFIBUS-DP和PR

18、OFIBUS-FMS，1994年又推出了PROFIBUS-PA，它引用了IEC標(biāo)準(zhǔn)的物理層（IEC1158-2，1993年通過），從而可以在有爆炸危險的區(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。波特率 (kbps)9.619.293.8187.5500150012000距離/段 (m)1200120012001000400200100傳輸距離與傳輸速率：Profibus 技術(shù)參數(shù) 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：最多126個節(jié)點 網(wǎng)絡(luò)長度：100-1200m10、Profinet最大傳輸速率100M

19、pbs最大傳輸距離100米PROFINET由PROFIBUS國際組織（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標(biāo)準(zhǔn)。作為一項戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新，PROFINET為自動化通信領(lǐng)域提供了一個完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案，囊括了諸如實時以太網(wǎng)、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等當(dāng)前自動化領(lǐng)域的熱點話題，并且，作為跨供應(yīng)商的技術(shù)，可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線（如PROFIBUS）技術(shù)，保護(hù)現(xiàn)有投資。PROFINET是一種新的以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)，是由西門子公司和Profibus用戶協(xié)會開發(fā)。PROFINET具有多制造商產(chǎn)品之間的通訊能力、自動

20、化和工程模式，并針對分布式智能自動化系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。其應(yīng)用結(jié)果能夠大大節(jié)省配置和調(diào)試費用。PROFINET系統(tǒng)集成了基于 Profibus的系統(tǒng)，提供了對現(xiàn)有系統(tǒng)投資的保護(hù)。它也可以集成其它現(xiàn)場總線系統(tǒng)。PROFINET技術(shù)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：可構(gòu)成幾乎無限規(guī)模的網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)長度：10/100 Base-T = 100m PROFIBUS是以RS485為基礎(chǔ)，而PROFINET則以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，兩者比較如下：11、FF HSE最大傳輸速率2.5Mbps最大傳輸距離1900米，傳輸速率31.25kbps基金會現(xiàn)場總線FF（Foundation Fieldbuse）以IS0/OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)模式為基

21、礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF 通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。是一種全數(shù)字的、雙向傳輸、多點通訊由總線供電、用于連接智能設(shè)備和自動化系統(tǒng)的通訊鏈路。由現(xiàn)場總線基金會提出，它于1994年成立，并由超過350家來自全球用戶及主要過程自動化供應(yīng)商組成；該基金會志在形成專一的、國際性、有互操作性的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)以符合最新自動化控制技術(shù)的發(fā)展要求，并提供教育、互操作性測試、一致性測試、測試工具、研發(fā)支持軟件和試驗協(xié)助等工作?，F(xiàn)場總線基金會是一個國際性的組織，有120多個成員，包括了全球主要的過程控制產(chǎn)品的供應(yīng)商，基金會成員生產(chǎn)的變送器、DCS系統(tǒng)、執(zhí)行器、流量儀表占世界市場的90

22、。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。12、P-net固定傳輸速率76.8kbps最大傳輸距離1200米P-NET的設(shè)想出現(xiàn)于1983年的丹麥，由Proces-Data A/S公司研究并開發(fā)，是一種全世界通用的開放型標(biāo)準(zhǔn)化總線。由于P-NET采用通用的硬件和軟件，所以它的改進(jìn)與升級都比較快。P-NET是一種多主控器主從式總線（每段最多可容納32個

23、主控器），使用屏蔽雙絞線電纜RS485，每段總線最長1200米，每段最多可聯(lián)結(jié)125個設(shè)備，總線分段之間使用中繼器，數(shù)據(jù)以NRZ編碼異步式傳輸，傳輸速率76.8kbit/s。13、CC-Link最大傳輸速率10Mbps，傳輸距離100米最大傳輸距離1200米，傳輸速率156kbpsCC-Link是Control&Communication Link（控制與通信鏈路系統(tǒng)）的縮寫，1996年11月，由三菱電機為主導(dǎo)的多家公司推出，其增長勢頭迅猛，在亞洲占有較大份額，目前在歐洲和北美發(fā)展迅速。在其系統(tǒng)中，可以將控制和信息數(shù)據(jù)同時以10Mbps高速傳送至現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，具有性能卓越、使用簡單、應(yīng)用廣泛、節(jié)省成本等優(yōu)點。其不僅解決了工業(yè)現(xiàn)場配線復(fù)雜的問題，同時具有優(yōu)異的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一個以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，同時也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。2005年7月CC-Link被中國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會批準(zhǔn)為中國國家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性技術(shù)文件。CC-Link 技術(shù)參數(shù) 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：最多35