項(xiàng)目七現(xiàn)場總線7.3

主編倪志蓮龔素文機(jī)械工業(yè)出版社過程控制與自動化儀表第7章過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)掌握集散控制系統(tǒng)體系了解現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。3了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及分類。127.3現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)1．現(xiàn)場總線的定義現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/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。基于現(xiàn)場總線構(gòu)建的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem，簡稱FCS）。7.3現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2．現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)方面（2）技術(shù)方面（3）經(jīng)濟(jì)方面3．現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展與其他控制系統(tǒng)比較——控制功能分散與其他控制系統(tǒng)比較——接線簡單7.3現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)7.3.2幾種主要現(xiàn)場總線簡介1．FF現(xiàn)場總線基金會現(xiàn)場總線（FoundationFieldbus，F(xiàn)F）是由國際公認(rèn)的、唯一不附屬于任何企業(yè)的、非商業(yè)化的國際標(biāo)準(zhǔn)組織——現(xiàn)場總線基金會提出。基金會現(xiàn)場總線分為低速現(xiàn)場總線H1和高速現(xiàn)場總線HSE兩種通信速率。低速現(xiàn)場總線H1的傳輸速率為31.25kbit/s，高速現(xiàn)場總線HSE的傳輸速率為100Mbit/s，H1支持總線供電和本質(zhì)安全特性。H1最大通信距離為1900m（如果加中繼器可延長至9500m），每個網(wǎng)段最多可直接連接32個節(jié)點(diǎn)。如果加中繼器最多可連接126個節(jié)點(diǎn)。通信媒體為雙絞線、光纜或無線電。FF的H1和HSE分別是IEC61158的標(biāo)準(zhǔn)子集1和5。應(yīng)用領(lǐng)域以過程自動化為主。

幾種主要現(xiàn)場總線簡介

2．PROFIBUS現(xiàn)場總線（1）PROFIBUS-FMS主要是用來解決車間級通用性通信任務(wù)?？捎糜诖蠓秶蛷?fù)雜的通信?？偩€周期一般小于100ms。（2）PROFIBUS-DP

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)是專門為自動控制系統(tǒng)與分散的I/O設(shè)備級之間進(jìn)行通信使用的?？偩€周期一般小于10ms。（3）PROFIBUS-PA

是專門為過程自動化設(shè)計(jì)的。它可使傳感器和執(zhí)行器接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)IEC1158－2標(biāo)準(zhǔn)，PROFIBUS-PA用雙絞線進(jìn)行總線供電和數(shù)據(jù)通信。PROFIBUS主要用于加工制造自動化、過程自動化和樓宇自動化等行業(yè)。PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)圖

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3．ControlNet

現(xiàn)場總線（1）網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率高采用CTDMA技術(shù)，數(shù)據(jù)一旦發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)就可同時接收。因此，與主從式傳輸技術(shù)比較，不需要重復(fù)發(fā)送同樣的信息到不同的從站，從而減少在網(wǎng)絡(luò)上的通信量。（2）同步性好由于在網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)可同時被多個節(jié)點(diǎn)接收，與主從式傳輸方式比較，各節(jié)點(diǎn)可同時接收數(shù)據(jù)。因此，同步性好。（3）實(shí)時性好采用在預(yù)留時間段的確定時間內(nèi)周期重復(fù)發(fā)送，保證有實(shí)時要求的數(shù)據(jù)能夠正確發(fā)送。并且，可根據(jù)實(shí)時性要求，設(shè)置時間片的大小，進(jìn)行預(yù)留，從而保證實(shí)時性。（4）避免數(shù)據(jù)訪問的沖突采用虛擬令牌，只有獲得令牌的節(jié)點(diǎn)可發(fā)送數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)訪問的沖突現(xiàn)象，提高了傳輸效率。（5）高吞吐量傳輸速率5Mbit/s時，網(wǎng)絡(luò)刷新速率為2ms。幾種主要現(xiàn)場總線簡介4．CAN總線

控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork，CAN）總線主要應(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。

幾種主要現(xiàn)場總線簡介5．LonWorks總線LonWorks現(xiàn)場總線是美國Echelon公司開發(fā)的現(xiàn)場總線技術(shù)。主要應(yīng)用于工業(yè)控制、樓宇自動化、數(shù)據(jù)采集、SCADA系統(tǒng)等。LonWorks技術(shù)的核心是具備通信和控制功能的Neuron（神經(jīng)元）芯片。它包括一個固化的高級通信協(xié)議LonTalk、三個微處理器、一個多任務(wù)操作系統(tǒng)和靈活的輸入/輸出方式。LonTalk協(xié)議提供了OSI參考模型所定義的全部7層協(xié)議，其中1~6層被封裝到Neuron（神經(jīng)元）的芯片中，只有第七層應(yīng)用層是根據(jù)應(yīng)用對象自行定義的。

LonWorks技術(shù)符合ISO的OSI標(biāo)準(zhǔn)，開放性、互聯(lián)性及互操作性好。不同公司的產(chǎn)品可以相互兼容，系統(tǒng)擴(kuò)容十分方便。

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6．DeviceNet總線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)（DeviceNet）總線是基于CAN總線技術(shù)的設(shè)備級現(xiàn)場總線。它由嵌入CAN通信控制器芯片的設(shè)備組成，是用于低壓電器和離散控制領(lǐng)域的現(xiàn)場設(shè)備之間通信的現(xiàn)場總線。DeviceNet總線采用總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個網(wǎng)段可連接64個節(jié)點(diǎn)，傳輸速率有l(wèi)25kbit/s、250kbit/s和500kbit/s等。主干線最長為500m，支線為6m。支持總線供電和單獨(dú)供電，供電電壓24V。采用基于連接的通信方式，報文的發(fā)送可以是周期或狀態(tài)切換，采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者的網(wǎng)絡(luò)模式。通信連接有輸入輸出連接和顯式連接兩種。輸入輸出連接用于對實(shí)時性要求較高的輸入輸出數(shù)據(jù)的通信。顯式連接用于組態(tài)數(shù)據(jù)、控制命令等數(shù)據(jù)的通信。

幾種主要現(xiàn)場總線簡介

7．WorldFIP現(xiàn)場總線分為三級，即過程級、控制級和監(jiān)控級。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。傳輸媒體可以是屏蔽雙絞線或光纖。不同應(yīng)用領(lǐng)域采用不同的總線速率。過程控制采用31.25kbit/s，制造業(yè)為1Mbit/s，驅(qū)動控制為1~2.5Mbit/s。采用總線仲裁器和優(yōu)先級來管理總線上（包括各支線）的各控制站的通信?？蛇M(jìn)行1對1、1對多點(diǎn)（組）、1對全體等多重通信方式。WorldFIP現(xiàn)場總線適用于過程自動化、制造業(yè)自動化、電力及樓宇自動化等方面。幾種主要現(xiàn)場總線簡介8．HART總線可尋址遠(yuǎn)程傳感器總線（HighwayAddressableRemoteTransducer，HART）通信協(xié)議，它是在DC4～20mA模擬信號上疊加頻移鍵控（FrequencyShiftKeying，F(xiàn)SK）數(shù)字信號。既可以傳輸DC4～20mA模擬信號，也可傳輸數(shù)字信號。HART通信基金會（HARTCommunicationFoundation，HCF），約有70多個公司加盟，如Rosemount、Siemens、E+H、Yokogawa等。

7.3.2幾種主要現(xiàn)場總線簡介

9．Modbus總線Modbus通信有ASCII和RTU（RemoteTerminalUnit）兩種模式，一個Modbus通信系統(tǒng)中只能選擇其中的一種模式，不允許兩種模式混合使用。采用RTU模式，消息的起始位以至少3.5個字符傳輸時間的停頓開始（一般采用4個），在傳輸完最后一個字符后，有一個至少3.5個字符傳輸時間的停頓來標(biāo)識結(jié)束。一個新的消息可以在此停頓后開始。在接收期間，如果等待接收下一個字符的時間超過1.5個字符傳輸時間，則認(rèn)為是下一個消息的開始。校驗(yàn)碼采用CRC-16方式，只對設(shè)備地址、功能代碼和數(shù)據(jù)段進(jìn)行校驗(yàn)。整個消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸，傳輸速率較ASCII模式高。

幾種主要現(xiàn)場總線簡介

10．CC-Link總線CC-Link是Control&CommunicationLink（控制與通信鏈路系統(tǒng)）的簡稱。CC-Link是允許在工業(yè)系統(tǒng)中，將控制和信息數(shù)據(jù)同時以10Mbit/s的高速傳輸?shù)默F(xiàn)場總線。作為開放式現(xiàn)場總線，CC-Link是唯一起源于亞洲地區(qū)的總線系統(tǒng)，它的技術(shù)特點(diǎn)更適應(yīng)亞洲人的思維習(xí)慣。CC-Link是一個高速、穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)，其最大通信速度可以達(dá)到10Mbit/s，最大通信距離可以達(dá)到1200m（加中繼器可以達(dá)到13.2km）。當(dāng)CC-Link連接64個站、以10Mbit/s的速度進(jìn)行通信時，掃描時間不超過4ms。

部分現(xiàn)場總線技術(shù)總結(jié)現(xiàn)場總線特點(diǎn)應(yīng)用PROFIBUS-DP傳輸速率：9.6~12kbit/s傳輸距離：100~1200m傳輸介質(zhì)：雙絞線或光纜支持PROFIBUS-DP總線的智能電氣設(shè)備、PLC等，適用于過程順序控制和過程參數(shù)的監(jiān)控FF傳輸速率：31.25

kbit/s傳輸距離：1900m傳輸介質(zhì)：雙絞線或光纜現(xiàn)場總線儀表，執(zhí)行機(jī)構(gòu)等過程參數(shù)的監(jiān)控CAN傳輸速率：5~500

kbit/s傳輸距離：40~500m傳輸介質(zhì)：兩芯電纜汽車內(nèi)部的電子裝置控制，大型儀表的數(shù)據(jù)采集和控制WorldFIP傳輸速率：31.25~2500

kbit/s傳輸距離：500~5000m傳輸介質(zhì)：雙絞線或光纜可應(yīng)用于連續(xù)或斷續(xù)過程的自動控制DeviceNet傳輸速率：125

kbit/s、250

kbit/s、500

kbit/s傳輸距離：100~500m傳輸介質(zhì)：五芯電纜適用于電器設(shè)備和控制設(shè)備的設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)控制，以及過程控制和順序控制設(shè)備等ControlNet傳輸速率：5Mbit/s傳輸距離：100~400m傳輸介質(zhì)：雙絞線車間級網(wǎng)絡(luò)控制和PLC網(wǎng)絡(luò)控制LonWorks傳輸速率：78~1250

kbit/s傳輸距離：130~2700m傳輸介質(zhì)：雙絞線或電力線由于智能神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)技術(shù)和電力載波技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)和樓宇自動化7.3現(xiàn)場