現(xiàn)場總線技術(shù)重點(diǎn)

1、 HYPERLINK / 第一章：現(xiàn)場總線技術(shù)及1.1 現(xiàn)場總線技術(shù)的由來1.1.1 CIMS體系結(jié)構(gòu)及工業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層次劃分依照工廠治理、生產(chǎn)過程及功能要求，CIMS體系結(jié)構(gòu)可分為5層，即工廠級、車間級、單元級、工作站級和現(xiàn)場級。簡化的CIMS則分為3層，即工廠級、車間級和現(xiàn)場級。在一個(gè)現(xiàn)代化工廠環(huán)境中，在大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)過程操縱中，工業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同樣分為這三個(gè)層次，與簡化的網(wǎng)絡(luò)層次相對應(yīng)。如圖1-1所示。 圖1-1：簡化的CIMS網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.1.2 現(xiàn)場級與車間級自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成是工廠自動(dòng)化及CIMS不可缺少的重要部分。現(xiàn)場級與車間級自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)要緊完成底層設(shè)備單機(jī)操縱、

2、連機(jī)操縱、通信連網(wǎng)、在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)等功能，保證現(xiàn)場設(shè)備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)及運(yùn)行數(shù)據(jù)信息傳送到工廠治理層，向工廠級MIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)。同時(shí)也可同意工廠治理層下達(dá)的生產(chǎn)治理及調(diào)度命令并執(zhí)行之。因此，現(xiàn)場級與車間級監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化及CIMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)。1.1.3 傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)（包括：基于PC、產(chǎn)品的分布式操縱系統(tǒng)），其要緊特點(diǎn)之一是，現(xiàn)場層設(shè)備與操縱器之間的連接是一對一（一個(gè)I/O點(diǎn)對設(shè)備的一個(gè)測控點(diǎn)）所謂I/O接線方式，信號(hào)傳遞4-20m

3、A（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關(guān)量信息）信號(hào)。如圖1-2所示： 圖1-2：傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)1.1.4 系統(tǒng)要緊缺點(diǎn)（1）信息集成能力不強(qiáng)： 操縱器與現(xiàn)場設(shè)備之間靠I/O連線連接，傳送4-20mA模擬量信號(hào)或24VDC等開關(guān)量信號(hào)，并以此監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備。如此，操縱器獵取信息量有限，大量的數(shù)據(jù)如設(shè)備參數(shù)、故障及故障紀(jì)錄等數(shù)據(jù)專門難得到。底層數(shù)據(jù)不全、信息集成能力不強(qiáng)，不能完全滿足CIMS系統(tǒng)對底層數(shù)據(jù)的要求。（2）系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強(qiáng)：除現(xiàn)場設(shè)備均靠標(biāo)準(zhǔn)4-20mA/24VDC連接，系統(tǒng)其它軟、硬件通常只能使用一家產(chǎn)品。不同廠家產(chǎn)品之間缺乏互操作性

4、、互換性，因此可集成性差。這種系統(tǒng)專門少留出接口，同意其它廠商將自己專長的操縱技術(shù)，如操縱算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，面向行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)專門少。（3）可靠性不易保證：關(guān)于大范圍的分布式系統(tǒng)，大量的I/O電纜及敷設(shè)施工，不僅增加成本，也增加了系統(tǒng)的不可靠性。（4）可維護(hù)性不高：由于現(xiàn)場級設(shè)備信息不全，現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能不強(qiáng)。另一方面也專門難完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化功能，阻礙了系統(tǒng)的可維護(hù)性。1.1.5 現(xiàn)場設(shè)備的串行通信接口是現(xiàn)場總線技術(shù)的原形由于大規(guī)模集成電路的進(jìn)展，許多傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置等現(xiàn)場設(shè)備智能化，即內(nèi)置CPU操縱器，完

5、成諸如線性化、量程轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波甚至回路調(diào)節(jié)等功能。因此，關(guān)于這些智能現(xiàn)場設(shè)備增加一個(gè)串行數(shù)據(jù)接口（如RS-232/485）是特不方便的。有了如此的接口，操縱器就能夠按其規(guī)定協(xié)議，通過串行通信方式（而不是I/O方式）完成對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。假如設(shè)想全部或大部分現(xiàn)場設(shè)備都具有串行通信接口并具有統(tǒng)一的通信協(xié)議，操縱器只需一根通信電纜就可將分散的現(xiàn)場設(shè)備連接，完成對所有現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控，這確實(shí)是現(xiàn)場總線技術(shù)的初始方法。1.2.4 現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生基于以上初始方法，使用一根通信電纜，將所有具有統(tǒng)一的通信協(xié)議通信接口的現(xiàn)場設(shè)備連接，如此，在設(shè)備層傳遞的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信號(hào)，而是基于

6、現(xiàn)場總線的數(shù)字化通信，由數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成現(xiàn)場級與車間級自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)。1.2 現(xiàn)場總線技術(shù)概念1.2.1 現(xiàn)場總線技術(shù)目前，公認(rèn)的現(xiàn)場總線技術(shù)概念描述如下：現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與操縱室內(nèi)的自動(dòng)操縱裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。其中，“生產(chǎn)過程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類?；蛘?，現(xiàn)場總線是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測量和操縱設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動(dòng)操縱功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與操縱系統(tǒng)。1.2.2 現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)生的意義（1）現(xiàn)場總線（Fieldbus）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場級操縱設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)

7、現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)；是一次工業(yè)現(xiàn)場級設(shè)備通信的數(shù)字化革命?，F(xiàn)場總線技術(shù)可使用一條通信電纜將現(xiàn)場設(shè)備（智能化、帶有通信接口）連接，用數(shù)字化通信代替4-20mA/24VDC信號(hào)，完成現(xiàn)場設(shè)備操縱、監(jiān)測、遠(yuǎn)程參數(shù)化等功能。（2）傳統(tǒng)的現(xiàn)場級自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采納一對一連線的、4-20mA/24VDC信號(hào)，信息量有限，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自控系統(tǒng)成為工廠中的“信息孤島”，嚴(yán)峻制約了企業(yè)信息集成及企業(yè)綜合自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)。（3）基于現(xiàn)場總線的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采納計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù)，使自控系統(tǒng)與設(shè)備加入工廠信息網(wǎng)絡(luò)， 構(gòu)成企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。在C

8、IMS系統(tǒng)中，現(xiàn)場總線是工廠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場級設(shè)備的延伸，是支撐現(xiàn)場級與車間級信息集成的技術(shù)基礎(chǔ)。1.2.3 基于現(xiàn)場總線的現(xiàn)場級與車間級自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)基于現(xiàn)場總線技術(shù)的現(xiàn)場級與車間級自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)如圖1-3所示： 圖3：基于現(xiàn)場總線的現(xiàn)場級與車間級自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)1.2.4 基于現(xiàn)場總線的自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)要緊優(yōu)點(diǎn)（1）增強(qiáng)了現(xiàn)場級信息集成能力現(xiàn)場總線可從現(xiàn)場設(shè)備獵取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動(dòng)化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求?，F(xiàn)場總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，它不單純?nèi)〈?-20mA信號(hào)，還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠(yuǎn)程操縱，還可完成遠(yuǎn)程

9、參數(shù)化工作。（2）開放式、互操作性、互換性、可集成性不同廠家產(chǎn)品只要使用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，就具有互操作性、互換性，因此設(shè)備具有專門好的可集成性。系統(tǒng)為開放式，同意其它廠商將自己專長的操縱技術(shù)，如操縱算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，市場上將有許多面向行業(yè)特點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)。（3）系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好基于現(xiàn)場總線的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采納總線連接方式替代一對一的I/O連線，關(guān)于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來講，減少了由接線點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí)，系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。（4）降低了系統(tǒng)及工程成本對大范圍、

10、大規(guī)模I/O的分布式系統(tǒng)來講，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設(shè)工程費(fèi)用，降低了系統(tǒng)及工程成本。1.3 現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵問題，是要在自動(dòng)化行業(yè)中形成一個(gè)制造商們共同遵守的現(xiàn)場總線通信協(xié)議技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制造商們能按照標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)品，系統(tǒng)集成商門能按照標(biāo)準(zhǔn)將不同產(chǎn)品組成系統(tǒng)。這就提出了現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的問題。國際上聞名自動(dòng)化產(chǎn)品及現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)廠家，意識(shí)到現(xiàn)場總線技術(shù)是以后進(jìn)展方向，紛紛結(jié)成企業(yè)聯(lián)盟，推出自己的總線標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品，在市場上培養(yǎng)用戶、擴(kuò)大阻礙，并積極支持國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)。能否使自己總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在以后國際標(biāo)準(zhǔn)中占有較大比例成份，關(guān)系到該公司相關(guān)產(chǎn)品前途、用戶

11、的信任及企業(yè)的名譽(yù)。而歷史經(jīng)驗(yàn)證明：國際標(biāo)準(zhǔn)差不多上采納一個(gè)或幾個(gè)市場上最成功的技術(shù)為基礎(chǔ)。因此，各大國際公司在制定現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)中的竟?fàn)?，體現(xiàn)了各公司在技術(shù)領(lǐng)先地位上的競爭，而其最終依舊要?dú)w結(jié)到市場實(shí)力的競爭。據(jù)講目前國際上現(xiàn)有各種總線及總線標(biāo)準(zhǔn)不下二百多種。具有一定阻礙和已占有一定市場份額的總線有如下幾種：1.3.1現(xiàn)場總線1996年3月15日批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，即DIN 50170 V.2。產(chǎn)品在世界市場上已被普遍同意，市場份額占?xì)W洲首位，年增長率25%。目前支持PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品超過1500多種，分不來自國際上250多個(gè)生產(chǎn)廠家。在世界范圍內(nèi)已安裝運(yùn)行的PROFIBUS設(shè)備已超過

12、200萬臺(tái)，到1998年5月，適用于過程自動(dòng)化的PROFIBUS-PA儀表設(shè)備在19個(gè)國家的40個(gè)用戶廠家投入現(xiàn)場運(yùn)行。1985年組建了PROFIBUS國際支持中心；1989年12月建立了PROFIBUS用戶組織（PNO）。目前在世界各地相繼組建了20個(gè)地區(qū)性的用戶組織，企業(yè)會(huì)員近650家。1997年7月組建了中國現(xiàn)場總線（PROFIBUS）專業(yè)委員會(huì)，并籌建現(xiàn)場總線PROFIBUS產(chǎn)品演示及認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室。要緊應(yīng)用領(lǐng)域有：。制造業(yè)自動(dòng)化：汽車制造（機(jī)器人、裝配線、沖壓線等）、造紙、紡織。過程操縱自動(dòng)化：石化、制藥、水泥、食品、啤酒。電力：發(fā)電、輸配電。樓宇：空調(diào)、風(fēng)機(jī)、照明。鐵路交通：信號(hào)系統(tǒng)

13、1.3.2 FF現(xiàn)場總線1994年由ISP 基金會(huì)和World FIP(北美)兩大集團(tuán)合并成立FF基金會(huì)，其宗旨在于開發(fā)出符合IEC和ISO標(biāo)準(zhǔn)的、唯一的國際現(xiàn)場總線（Fundation Fieldbus）。低速總線（H1）協(xié)議已于1996年發(fā)表。已完成開發(fā)的高速總線（H2）擬于1998年內(nèi)表。1997年5月建立了中國現(xiàn)場總線（FF）專業(yè)委員會(huì)，并籌建FF現(xiàn)場總線產(chǎn)品認(rèn)證中心。目前，F(xiàn)F現(xiàn)場總線的應(yīng)用領(lǐng)域以過程自動(dòng)化為主。如：化工、電力廠實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、廢水處理、油田等行業(yè)。1.3.3 LONWORKS總線LONWORKS現(xiàn)場總線全稱為LONWORKS NetWorks,即分布式智能操縱網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，希

14、望推出能夠適合各種現(xiàn)場總線應(yīng)用場合的測控網(wǎng)絡(luò)。目前LONGWORKS應(yīng)用范圍廣泛，要緊包括工業(yè)操縱、樓宇自動(dòng)化、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)等。國內(nèi)要緊應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化方面。1.3.4 BUS現(xiàn)場總線BUS現(xiàn)場總線已由ISO/TC22技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)IOS 11898（通訊速率小于1Mbps）和ISO 11519（通訊速率小于125Kbps）。CANBUS要緊產(chǎn)品應(yīng)用于汽車制造、公共交通車輛、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)、分散型I/O。另外在電梯、醫(yī)療器械、工具機(jī)床、樓宇自動(dòng)化等場合均有所應(yīng)用。1.3.5 WorldFIP現(xiàn)場總線9091年FIP現(xiàn)場總線成為法國國家安全標(biāo)準(zhǔn)。96年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN 50170

15、 V.3）。下一步目標(biāo)是靠近IEC標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在技術(shù)上已做好充分預(yù)備。WorldFIP國際組織在北京設(shè)有辦事處，即WorldFIP中國信息中心，負(fù)責(zé)中國的技術(shù)支持。WorldFIP現(xiàn)場總線采納單一總線結(jié)構(gòu)來適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，不同應(yīng)用領(lǐng)域采納不同的總線速率。過程操縱采納31.25Kbit/s,制造業(yè)為1M bit/s,驅(qū)動(dòng)操縱為1-2.5Mbit/s。采納總線仲裁器和優(yōu)先級來治理總線上（包括各支線）的各操縱站的通信?？蛇M(jìn)行1對1、1對多點(diǎn)（組）、1對全體等多重通信方式。在應(yīng)用系統(tǒng)中，可采納雙總線結(jié)構(gòu)，其中一條總線為備用線，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。WorldFIP現(xiàn)場總線適用范圍廣泛，在過程自動(dòng)

16、化、制造業(yè)自動(dòng)化、電力及樓宇自動(dòng)化方面都有專門好的應(yīng)用。1.3.6 P-NET現(xiàn)場總線P-NET現(xiàn)場總線籌建于己于1983年。1984年推出采納多重主站現(xiàn)場總線的第一批產(chǎn)品。1986年通信協(xié)議中加入了多重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重接口產(chǎn)品。1987年P(guān)-NET標(biāo)準(zhǔn)成為開放式的完整標(biāo)準(zhǔn)，成為丹麥的國家標(biāo)準(zhǔn)。1996年成為歐洲總線標(biāo)準(zhǔn)的一部分（EN 50170 V.1）。1997年組建國際P-NET用戶組織，現(xiàn)有企業(yè)會(huì)員近百家，總部設(shè)在丹麥的Siekeborg，并在德國、英國、葡萄牙和加拿大等地設(shè)有地區(qū)性組織分部。P-NET現(xiàn)場總線在歐洲及北美地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，其中包括

17、石油化工、能源、交通、輕工、建材、環(huán)保工程和制造業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域。1.4 如何面對眾多的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)面對國際上各種流派的現(xiàn)場總線及標(biāo)準(zhǔn)，為深入研究國外先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)，推動(dòng)我國現(xiàn)場總線技術(shù)和產(chǎn)品的研究開發(fā)，形成符合我國國情的和現(xiàn)實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)體系，愛護(hù)我國生產(chǎn)企業(yè)和用戶的投資效益，我國儀表標(biāo)準(zhǔn)化行業(yè)的主管單位-儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所遵循標(biāo)準(zhǔn)化工作程序，于己于1998年7月22日至多3日在北京中國科技會(huì)堂舉辦了“現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)化與中國自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)展”研討會(huì)。會(huì)議邀請了、FF、WorldFIP、P-NET國際組織專家代表，介紹了國際流行現(xiàn)場總線技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化情況。研討會(huì)上中外專家就現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)

18、展展開了熱列討論，并提出以下見解與意見：(1) 期望IEC能盡早按預(yù)期目標(biāo)完成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的制定。(2) 按目前進(jìn)度可能，近年內(nèi)IEC專門難完成預(yù)期目標(biāo)。(3) 目前IEC提出的建議方案只限于過程自動(dòng)化，難于滿足其它應(yīng)用領(lǐng)域要求，不可能成為唯一標(biāo)準(zhǔn)，專門可能形成多種標(biāo)準(zhǔn)體系共存。(4) 在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)框架下做多種通信協(xié)議接口，可能是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的一種適宜的解決方案。對我國進(jìn)展現(xiàn)場總線技術(shù)政策，專家和代表們認(rèn)為，結(jié)合我國國情，一方面應(yīng)積極跟蹤IEC國際標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)展，開展我國的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)。另一方面在統(tǒng)一的IEC標(biāo)準(zhǔn)未形成之前，積極開展對其它先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)研究，特不是對已有成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋

19、面大的現(xiàn)場總線技術(shù)的跟蹤研究。1.5 對面臨選擇的用戶談個(gè)人看法并提出建議從用戶角度動(dòng)身，如何面對眾多現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)作出選擇，筆者在此發(fā)表個(gè)人看法，并提出一點(diǎn)建議以供用戶參考。（1）標(biāo)準(zhǔn)？ 從標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展的歷史看，誰的技術(shù)將成為國際標(biāo)準(zhǔn)，或在國際標(biāo)準(zhǔn)中占有較大成份，要緊取決于它在實(shí)際應(yīng)用中取得多大的成果，取決于該項(xiàng)技術(shù)及產(chǎn)品在國際市場上的占有份額。也確實(shí)是講，誰能占有市場誰將得天下。另一方面，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織依照科學(xué)技術(shù)飛速進(jìn)展現(xiàn)狀及廠商用戶對標(biāo)準(zhǔn)制定的要求，對標(biāo)準(zhǔn)的制定及批準(zhǔn)手續(xù)作出相應(yīng)的改變，即簡化了標(biāo)準(zhǔn)的制定程序和手續(xù)，并承認(rèn)存在所謂事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，即那些在市場中已占有較大份額、具有專門大的用戶成

20、功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如我們熟知的TCP/IP通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。（2）選擇總線？ 在目前國際上現(xiàn)場總線群雄并起局面下，用戶應(yīng)從實(shí)際應(yīng)用工程特點(diǎn)動(dòng)身去選擇。因?yàn)闆]有一種可包羅萬象、適合所有應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)場總線技術(shù)。應(yīng)著重考察這種總線在本行業(yè)中的應(yīng)用業(yè)績。如制造業(yè)自動(dòng)化、電力自動(dòng)化及過程操縱自動(dòng)化三個(gè)領(lǐng)域，在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)響應(yīng)要求方面就大不一樣。（3）選擇產(chǎn)品？ 用戶應(yīng)盡量選擇國際知名度大、擁有用戶多、產(chǎn)品應(yīng)用基礎(chǔ)好的公司產(chǎn)品，因?yàn)檫@些公司的現(xiàn)場總線技術(shù)被國際標(biāo)準(zhǔn)采納的可能性大。即使沒有被國際標(biāo)準(zhǔn)采納，大公司為考慮信譽(yù)，會(huì)提出原有技術(shù)與國際標(biāo)準(zhǔn)的接口，而可不能置公司信譽(yù)于不顧，丟掉老客戶不管。（4）積極跟蹤、

21、勇于進(jìn)??！假如因?yàn)閲HIEC還沒有統(tǒng)一現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，就不敢使用這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)是大可不必的。這將會(huì)使企業(yè)喪失一次盡早提高企業(yè)自動(dòng)化水平的機(jī)會(huì)，或喪失一次提高本企業(yè)產(chǎn)品水平的機(jī)會(huì)，從而導(dǎo)致企業(yè)在以后同行競爭中處于劣勢。國際IEC要統(tǒng)一現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)不是一朝一夕的事，坐等時(shí)機(jī)流逝為下策，只有積極跟蹤、勇敢進(jìn)取方為企業(yè)進(jìn)展上策。 第二章：現(xiàn)場總線技術(shù)要點(diǎn)本章從協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)角度，概要講明了PROFIBUS技術(shù)要點(diǎn)。使讀者可快速了解PROFIBUS技術(shù)概貌。2.1概貌(1)是一種國際化、開放式、不依靠于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通、電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。(2)由三個(gè)

22、兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。(3) -DP：是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級操縱系統(tǒng)與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代辦24VDC或4-20mA信號(hào)傳輸。(4) -PA：專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。(5) -FMS：用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。(7)是一種用于工廠自動(dòng)化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)

23、通信與操縱的現(xiàn)場總線技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字操縱和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。2.2 PRFIBUS差不多特性2.2.1協(xié)議結(jié)構(gòu)協(xié)議結(jié)構(gòu)是依照ISO7498國際準(zhǔn)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Open System InterconnectionSIO）作為參考模型的。該模型共有七層，如下圖2-1所示： 圖2-1：協(xié)議結(jié)構(gòu)(1) -DP：定義了第一、二層和用戶接口。第三到七層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)講明了各種不同PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備行為。(2) -FMS：定義了第一、二、七

24、層，應(yīng)用層包括現(xiàn)場總線信息規(guī)范（Fieldbus Message Specification-FMS）和低層接口（Lower Layer InterfaceLLI）。FMS包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強(qiáng)有力的通信服務(wù)。LLI協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并提供不依靠設(shè)備的第二層訪問接口。(3) -PA：PA的數(shù)據(jù)傳輸采納擴(kuò)展的PROFIBUS-DP協(xié)議。另外，PA還描述了現(xiàn)場設(shè)備行為的PA行規(guī)。依照IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)，PA的傳輸技術(shù)可確保其本征安全性，而且可通過總線給現(xiàn)場設(shè)備供電。使用連接器可在DP上擴(kuò)展PA網(wǎng)絡(luò)。2.2.2傳輸技術(shù)提供了三種數(shù)據(jù)傳輸類型： 用于DP和FMS的RS485傳輸

25、。 用于PA的IEC1158-2傳輸。 光纖用于DP/FMS的RS485傳輸技術(shù)由于DP與FMS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，這兩套系統(tǒng)可在同一根電纜上同時(shí)操作。RS-485傳輸是最常用的一種傳輸技術(shù)。這種技術(shù)通常稱之為H2。采納的電纜是屏蔽雙絞銅線。RS-485傳輸技術(shù)差不多特征： 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌壕€性總線，兩端有有源的總線終端電阻。 傳輸速率：9.6K bit/s12M bit/s 介質(zhì)：屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件（EMC）。 站點(diǎn)數(shù)：每分段32個(gè)站（不帶中繼），可多到127個(gè)站（帶中繼）。 插頭連接：最好使用9針D型插頭。 RS-485傳輸設(shè)備安裝要點(diǎn)(1

26、) 全部設(shè)備均與總線連接。(2) 每個(gè)分段上最多可接32個(gè)站（主站或從站）。(3) 每段的頭和尾各有一個(gè)總線終端電阻，確保操作運(yùn)行不發(fā)生誤差。兩個(gè)總線終端電阻必須永久有電源。見圖2-2所示。(4) 當(dāng)分段站超過32個(gè)時(shí)，必須使用中繼器用以連接各總線段。串聯(lián)的中繼器一般不超過3個(gè)。見圖2-3所示： 圖2-2：PROFIBUD-DP和-FMS的電纜接線和總線終端電阻 圖2-2: 每個(gè)分段上最多可接32個(gè)站（主站或從站）(5) 電纜最大長度取決于傳輸速率。如使用A型電纜，則傳輸速率與長度如下表2-1： 表2-1波特率（K bit/s）9619293751875500150012000距離/段（M）1

27、200120012001000400200100(6) A型電纜參數(shù)：阻抗：135-165W 電容： 30pf/m 回路電阻：110W線規(guī)：0.64mm 導(dǎo)線面積：0.34mmW(7) RS-485的傳輸技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)最好使用9針D型插頭，插頭針腳定義和接線見圖2-2所示。(8) 當(dāng)連接各站時(shí)，應(yīng)確保數(shù)據(jù)線不要擰絞，系統(tǒng)在高電磁發(fā)射環(huán)境（如汽車制造業(yè)）下運(yùn)行應(yīng)使用帶屛蔽的電纜，屏蔽可提高電磁兼容性（EMC）。(9) 如用屏蔽編織線和屏蔽箔，應(yīng)在兩端與愛護(hù)接地連接，并通過盡可能的大面積屏蔽接線來復(fù)蓋，以保持良好的傳導(dǎo)性。另外建議數(shù)據(jù)線必須與高壓線隔離。(10) 超過500Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率時(shí)

28、應(yīng)幸免使用短截線段，應(yīng)使用市場上現(xiàn)有的插頭可使數(shù)據(jù)輸入和輸出電纜直接與插頭連接，而且總線插頭可在任何時(shí)候接通或斷開而并不中斷其它站的數(shù)據(jù)通信。 用于PA的IEC1158-2傳輸技術(shù)(1) 數(shù)據(jù)IEC1158-2的傳輸技術(shù)用于-PA，能滿足化工和石油化工業(yè)的要求。它可保持其本征安全性，并通過總線對現(xiàn)場設(shè)備供電。(2) IEC1158-2是一種位同步協(xié)議，通常稱為H1。(3) IEC1158-2技術(shù)用于-PA，其傳輸以下列原理為依據(jù)： 每段只有一個(gè)電源作為供電裝置。 當(dāng)站收發(fā)信息時(shí)，不向總線供電。 每站現(xiàn)場設(shè)備所消耗的為常量穩(wěn)態(tài)差不多電流。 現(xiàn)場設(shè)備其作用如同無源的電流汲取裝置。 主總線兩端起無源

29、終端線作用。 同意使用線性、樹型和星型網(wǎng)絡(luò)。 為提高可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)可采納冗余的總線段。 為了調(diào)制的目的，假設(shè)每個(gè)總線站至少需用10mA差不多電流才能使設(shè)備啟動(dòng)。通信信號(hào)的發(fā)生是通過發(fā)送設(shè)備的調(diào)制，從9 mA到差不多電流之間。(4) IEC1158-2傳輸技術(shù)特性: 數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)字式、位同步、曼徹斯特編碼。 傳輸速率：31.25K bit/s，電壓式。 數(shù)據(jù)可靠性：前同步信號(hào)，采納起始和終止限定符幸免誤差。 電纜：雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式。 遠(yuǎn)程電源供電：可選附件，通過數(shù)據(jù)線。 防爆型：能進(jìn)行本征及非本征安全操作。 拓?fù)洌壕€型或樹型，或兩者相結(jié)合。 站數(shù)：每段最多32個(gè)，總數(shù)最多為126個(gè)。 中

30、繼器：最多可擴(kuò)展至4臺(tái)。 IEC1158傳輸設(shè)備安裝要點(diǎn)(1) 分段藕合器將IEC1158-2傳輸技術(shù)總線段與RS-485傳輸技術(shù)總線段連接。藕合器使RS-485信號(hào)與IEC1158-2信號(hào)相適配。它們?yōu)楝F(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程電源供電，供電裝置可限制IEC1158-2總線的電流和電壓。(2) -PA的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆袠湫秃途€型結(jié)構(gòu)，或是兩種拓?fù)涞幕旌?，見圖2-3 圖2-3(3) 現(xiàn)場配電箱仍接著用來連接現(xiàn)場設(shè)備并放置總線終端電阻器。采納樹型結(jié)構(gòu)時(shí)連在現(xiàn)場總線分段的全部現(xiàn)場設(shè)備都并聯(lián)地接在現(xiàn)場配電箱上。(4) 建議使用下列參考電纜，也可使用更粗截面導(dǎo)體的其它電纜。 電纜設(shè)計(jì)： 雙絞線屏蔽電纜 導(dǎo)線面積（額定值

31、）： 0.8mm2(AWG18) 回路電阻（直流）： 44W/Km 阻抗（31.25千赫時(shí)）： 100W20% 39千赫時(shí)衰減： 3dB/Km 電容不平衡度： 2nF/Km(5) 主總線電纜的兩端各有一個(gè)無源終端器，內(nèi)有串聯(lián)的RC元件，R=100W，C=1mF。當(dāng)總線站極性反向連接時(shí)，它對總線的功能可不能有任何阻礙。(6) 連接到一個(gè)段上的站數(shù)目最多是32個(gè)。假如使用本征安全型及總線供電，站的數(shù)量將進(jìn)一步受到限制。即使不需要本征安全性，遠(yuǎn)程供電裝置電源也要受到限制。(7) 線路最長長度的確定，依照經(jīng)驗(yàn)先計(jì)算一下電流的需要，從表2-2中選用一種供電電源單元，再依照表2-3中線的長度選定哪種電纜。

32、表2-2標(biāo)準(zhǔn)供電裝置（操作值） 型號(hào)應(yīng)用領(lǐng)域供電電壓供電最大電流最大功率典型站數(shù)備注IEEx ia/ib IIC13.5V110 mA1.8W8假設(shè)每個(gè)設(shè)備耗電10 mAIIEEx ib IIC13.5V110 mA1.8W8IIIEEx ib II13.5V250 mA4.2W22IV不具有本征安全24V500 mA12W32表2-3 IEC1158-2傳輸設(shè)備的線路長度 供電裝置I型II型III型IV型V型VI型供電電壓135135135242424S 所需電流（mA）110110250110250500Q=0.8mm2的導(dǎo)線長度（m）90090040019001300650Q=1.5mm

33、2的導(dǎo)線長度（m）10001500500190019001900(8) 外接電源：假如外接電源設(shè)備，依照EN50020標(biāo)準(zhǔn)帶有適當(dāng)?shù)母綦x裝置，將總線供電設(shè)備與外接電源設(shè)備連在本征安全總線上是同意的。 光纖傳輸技術(shù)(1)系統(tǒng)在電磁干擾專門大的環(huán)境下應(yīng)用時(shí)，可使用光纖導(dǎo)體，以增加高速傳輸?shù)木嚯x。(2) 可使用兩種光纖導(dǎo)體，一是價(jià)格低廉的塑料纖維導(dǎo)體，供距離小于50米情況下使用。另一種是玻璃纖維導(dǎo)體，供距離大于1公里情況下使用。(3) 許多廠商提供專用總線插頭可將RS-485信號(hào)轉(zhuǎn)換成光纖導(dǎo)體信號(hào)或?qū)⒐饫w導(dǎo)體信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS-485信號(hào)。2.2.3總線存取協(xié)議(1) 三種（DP、FMS、PA）均使用一

34、致的總線存取協(xié)議。該協(xié)議是通過OSI參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）來實(shí)現(xiàn)的。它包括了保證數(shù)據(jù)可靠性技術(shù)及傳輸協(xié)議和報(bào)文處理。(2) 在中，第二層稱之為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（Fieldbus Data LinkFDL）。介質(zhì)存取操縱（Medium Access ControlMAC）具體操縱數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦?，MAC必須確保在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。(3)協(xié)議的設(shè)計(jì)要滿足介質(zhì)存取操縱的兩個(gè)差不多要求： 在復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)（主站）間的通信，必須保證在確切限定的時(shí)刻間隔中，任何一個(gè)站點(diǎn)要有足夠的時(shí)刻來完成通信任務(wù)。 在復(fù)雜的程序操縱器和簡單的I/O設(shè)備（從站）間通信，應(yīng)盡可能快速又簡單地完成數(shù)據(jù)的

35、實(shí)時(shí)傳輸。因此，總線存取協(xié)議，主站之間采納令牌傳送方式，主站與從站之間采納主從方式。(4) 令牌傳遞程序保證每個(gè)主站在一個(gè)確切規(guī)定的時(shí)刻內(nèi)得到總線存取權(quán)（令牌）。在中，令牌傳遞僅在各主站之間進(jìn)行。(5) 主站得到總線存取令牌時(shí)可與從站通信。每個(gè)主站均可向從站發(fā)送或讀取信息。因此，可能有以下三種系統(tǒng)配置： 純主從系統(tǒng) 純主主系統(tǒng) 混合系統(tǒng)(6) 圖2-4是一個(gè)由3個(gè)主站、7個(gè)從站構(gòu)成的系統(tǒng)。3個(gè)主站之間構(gòu)成令牌邏輯環(huán)。當(dāng)某主站得到令牌報(bào)文后，該主站可在一定時(shí)刻內(nèi)執(zhí)行主站工作。在這段時(shí)刻內(nèi)，它可依照主從通訊關(guān)系表與所有從站通信，也可依照主主通訊關(guān)系表與所有主站通信。 圖2-4：3個(gè)主站、7個(gè)從站構(gòu)

36、成的系統(tǒng)(7) 在總線系統(tǒng)初建時(shí)，主站介質(zhì)存取操縱MAC的任務(wù)是制定總線上的站點(diǎn)分配并建立邏輯環(huán)。在總線運(yùn)行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中排除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。(8) 第二層的另一重要工作任務(wù)是保證數(shù)據(jù)的可靠性。第二層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式可保證數(shù)據(jù)的高度完整性。(9)第二層按照非連接的模式操作，除提供點(diǎn)對點(diǎn)邏輯數(shù)據(jù)傳輸外，還提供多點(diǎn)通信，其中包括廣播及有選擇廣播功能。2.3 -DP-DP用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。總線循環(huán)時(shí)刻必須要比主站（）程序循環(huán)時(shí)刻短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周

37、期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。2.3.1 -DP的差不多功能(1) 傳輸技術(shù)：RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜。波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s。(2) 總線存取：各主站間令牌傳遞，主站與從站間為主從傳送。支持單主或多主系統(tǒng)。總線上最多站點(diǎn)（主從設(shè)備）數(shù)為126。(3) 通信：點(diǎn)對點(diǎn)（用戶數(shù)據(jù)傳送）或廣播（操縱指令）。循環(huán)主從用戶數(shù)據(jù)傳送和非循環(huán)主主數(shù)據(jù)傳送。(4) 運(yùn)行模式：運(yùn)行、清除、停止。(5) 同步：操縱指令同意輸入和輸出同步。同步模式：輸出同步；鎖定模式：輸入同步。(6) 功能：DP主站和DP從站間的循環(huán)用戶數(shù)據(jù)傳送。各DP從站的動(dòng)態(tài)激活和可激活。DP從站組態(tài)的檢

38、查。強(qiáng)大的診斷功能，三級診斷信息。輸入或輸出的同步。通過總線給DP從站給予地址。通過總線對DP主站（DPM1）進(jìn)行配置。每DP從站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最大為246字節(jié)。(7) 可靠性和愛護(hù)機(jī)制：所有信息的傳輸按海明距離HD=4進(jìn)行。DP從站帶看門狗定時(shí)器（Watchdog Timer）。對DP從站的輸入/輸出進(jìn)行存取愛護(hù)。DP主站上帶可變定時(shí)器的用戶數(shù)據(jù)傳送監(jiān)視。(8) 設(shè)備類型：第二類DP主站（DPM2）是可進(jìn)行編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備。第一類DP主站（DPM1）是中央可編程序操縱器，如、PC等。DP從站是帶二進(jìn)制值或模擬量輸入輸出的驅(qū)動(dòng)器、閥門等。 -DP差不多特征(1) 速率：在一個(gè)有著32個(gè)

39、站點(diǎn)的分布系統(tǒng)中， -DP對所有站點(diǎn)傳送512 bit/s輸入和512 bit/s輸出，在12M bit/s時(shí)只需1毫秒。(2) 診斷功能：通過擴(kuò)展的-DP診斷能能對故障進(jìn)行快速定位。診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。診斷信息分三級： 本站診斷操作：本站設(shè)備的一般操作狀態(tài)，如溫度過高、壓力過低。 模塊診斷操作：一個(gè)站點(diǎn)的某具體I/O模塊故障。 通道診斷操作：一個(gè)單獨(dú)輸入/輸出位的故障。 -DP系統(tǒng)配置和設(shè)備類型-DP同意構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)。在同一總線上最多可連接126個(gè)站點(diǎn)。系統(tǒng)配置的描述包括：站數(shù)、站地址、輸入/輸出地址、輸入/輸出數(shù)據(jù)格式、診斷信息格式及所使用的總線參數(shù)。每個(gè)PROFI

40、BUS-DP系統(tǒng)可包括以下三種不同類型設(shè)備：(1) 一級DP主站（DPM1）：一級DP主站是中央操縱器，它在預(yù)定的信息周期內(nèi)與分散的站（如DP從站）交換信息。典型的DPM1如或PC。(2) 二級DP主站（DPM2）：二級DP主站是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板，在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時(shí)使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。(3) DP從站：DP從站是進(jìn)行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備（I/O設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、HMI、閥門等）。(4) 單主站系統(tǒng)：在總線系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)期，只有一個(gè)活動(dòng)主站。如圖2-5所示： 圖2-5：單主站系統(tǒng)(2) 多主站系統(tǒng)：總線上連有多個(gè)主站。這些主站與各自從站構(gòu)成相互獨(dú)立的子系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)包括一個(gè)DPM1、指定的若干從站及可能的DPM2設(shè)備。任何一個(gè)主站均可讀取DP從站的輸入/輸出映象，但只有一個(gè)DP主站同意對DP從站寫入數(shù)據(jù)。如圖2-6所示： 圖2-6：多主站系統(tǒng) 系統(tǒng)行為系統(tǒng)行為要緊取決于DPM1的操作狀態(tài)，這些狀態(tài)由本地或總線的配置設(shè)備所操縱。要緊有以下三種狀態(tài)： 停止：在這種狀態(tài)下，DPM1和DP從站之間沒有數(shù)據(jù)傳輸。 清除：在這種狀態(tài)下，DP