现场总线概述.docx

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现场总线概述

现场总线概述

现场总线控制系统技术是20世纪80年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术。

现场总线控制系统（FCS）的出现引起了传统的PLC和DCS控制系统基本结构的革命性变化。

现场总线系统技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。

更重要的是从原来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络选择设备。

尤其是20世纪90年代现场总线控制系统技术逐渐进入中国以来，结合Internet和Intranet的迅猛发展，现场总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。

现场总线控制系统技术已成为工业控制领域中的一个热点。

1现场总线的发展

计算机控制系统的早期，采用一台小型机控制几十条控制回路，目的是降低每条回路的成本。

但由于计算机的故障将导致所有控制回路失效，所以后来发展成分布式控制（DCS），即由多台微机进行数据采集和控制，微机间用局域网（LAN）连接起来成为一个统一系统。

DCS沿用了二十多年，其优点和缺点均充分显露。

最主要的问题仍然是可靠性：

一台微机坏了，该微机管辖下的所有功能都失效；一块AD板上的模/数转换器坏了，该板上的所有通道（8或16个）全部失效。

曾有过采用双机双I/O等冗余设计，但这又增加了成本，增加了系统的复杂性。

为了克服系统可靠性、成本和复杂性之间的矛盾，更为了适应广大用户要求的系统开放性、互操作性要求，实现控制系统的网络化，一种新型控制技术──现场总线控制系统（FCS）正迅速发展起来。

1.1什么是现场总线

从名词定义来讲，现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。

而现场总线标准规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。

数据的传输介质可以是电线电缆、光缆、电话线、无线电等等。

通俗地讲，现场总线是用在现场的总线技术。

传统控制系统的接线方式是一种并联接线方式，从PLC控制各个电器元件，对应每一个元件有一个I/O口，两者之间需用两根线进行连接，作为控制和/或电源。

当PLC所控制的电器元件数量达到数十个甚至数百个时，整个系统的接线就显得十分复杂，容易搞错，施工和维护都十分不便。

为此，人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起，用一根导线来连接所有设备，所有的数据和信号都在这根线上流通，同时设备之间的控制和通信可任意设置。

因而这根线自然而然地称为了总线，就如计算机内部的总线概念一样。

由于控制对象都在工矿现场，不同于计算机通常用于室内，所以这种总线被称为现场的总线，简称现场总线。

传统的接线方式

现场总线接线方式

图1传统控制系统接线方式和现场总线系统接线方式的比较

1.2现场总线的特点

现场总线技术实际上是采用串行数据传输和连接方式代替传统的并联信号传输和连接方式的方法，它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的数据传输，同时在保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性。

一般的现场总线具有以下几个特点：

（1）布线简单

这是大多现场总线共有的特性，现场总线的最大革命是布线方式的革命，最小化的布线方式和最大化的网络拓扑使得系统的接线成本和维护成本大大降低。

由于采用串行方式，所以大多数现场总线采用双绞线，还有直接在两根信号线上加载电源的总线形式。

这样，采用现场总线类型的设备和系统给人明显的感觉就是简单直观。

（2）开放性

一个总线必须具有开放性，这指两个方面：

一方面能与不同的控制系统相连接，也就是应用的开放性；另一方面就是通讯规约的开放，也就是开发的开放性。

只有具备了开放性，才能使得现场总线既具备传统总线的低成本，又能适合先进控制的网络化和系统化要求。

（3）实时性

总线的实时性要求是为了适应现场控制和现场采集的特点。

一般的现场总线都要求在保证数据可靠性和完整性的条件下具备较高的传输速率和传输效率。

总线的传输速度要求越快越好，速度越快，表示系统的响应时间就越短，但是传输速度不能仅靠提高传输速率来解决，传输的效率也很重要。

传输效率主要是有效用户数据在传输帧中的比率还有成功传输帧在所有传输帧的比率。

（4）可靠性

一般总线都具备一定的抗干扰能力，同时，当系统发生故障是，具备一定的诊断能力，以最大限度的保护网络，同时较快的查找和更换故障节点。

总线故障诊断能力的大小是由总线所采用的传输的物理媒介和传输的软件协议决定的，所以不同的总线具有不同的诊断能力和处理能力。

2现场总线的应用领域

现场总线的种类很多，据不完全统计，目前国际上有40多种现场总线。

导致多种现场总线同时发展的原因有两个，一是工业技术的迅速发展，使得现场总线技术在各种技术背景下得以快速发展，并且迅速得到普及，但是普及的层面和程度受到不同技术发展的侧重点不同而各不相同；另一方面，工业控制领域“高度分散、难以垄断”，这和家用电器技术的普及不同，工业控制所涵盖的领域往往是多学科、多技术的边缘学科，一个领域得以推广的总线技术到了另一个新的领域有可能寸步难行。

2.1控制系统的层次

控制系统是有不同的层次的，图2简明地表示出控制系统的金字塔结构。

左边的文字表示系统的逻辑层次，由上到下分别为协调级、工厂级、车间级、现场级和操作器与传感器级。

现场总线涉及的是最低两级。

右边文字表示系统的物理设备层次，由上到下依次为主计算机、可编程序控制器、工业逻辑控制器、传感器与操作器（如感应开关、位置开关、电磁阀、接触器等等）。

图2

2.2各种现场总线的应用范围

图3

对应不同的系统层次，现场总线有着不同的应用范围。

图3例举了几种主要现场总线的应用范围。

纵坐标由下往上表示设备由简单到复杂，即由简单传感器、复杂传感器、小型PLC或工业控制机到工作站、中型PLC再到大型PLC、DCS监控机等，数据通信量由小到大，设备功能也由简单到复杂。

横坐标表示通信数据传输的方式，从左到右，依次为二进制的位传输、8位及8位以上的字传输、128位及以上的帧传输以及更大数据量传输的文件传输。

从图3看出，ASI、Sensorloop、Seriplex等总线适用于由各种开关量传感器和操作器组织的底层控制系统，而DeviceNet、Profibus-DP和WorldFIP适用于字传输额的各种设备，至于Profibus-PA、FieldbusFoundation等更多地适用于帧传输的仪表自动化设备。

所以对我们适用的总线在Sensor和Equipment的区域内。

在发达国家，现场总线技术从20世纪80年代开始出现并逐步推广到现在，已经被工业控制领域广泛应用。

据说，2002年欧洲有40％的自动化工程项目采用了现场总线控制系统，预计到2005年将达65～70％。

在国内，现场总线首先用在外国公司在华投资的生产线，比如几乎所有外资汽车生产企业都有使用现场总线的生产线。

啤酒罐装、烟草加工、机械装配、产品包装等生产线也大量使用现场总线。

一些市政工程也开始使用现场总线。

在中国，20世纪90年中后期引入现场总线，至今在技术概念上已被广泛接受，用户群和使用面迅速增加和扩大，许多自动化项目把现场总线控制作为选择方案之一，还有不少本土化的现场总线产品出现，并迅速得以产业化。

目前现场总线技术的应用主要集中在冶金、电力、水处理、乳品饮料、烟草、水泥、石化、矿山以及OEM用户等各个行业，同时还有道路无人监控、楼宇自动化、智能家居等新技术领域。

3现场总线的标准

3.1IEC61158的制定

1984年IEC提出现场总线国际标准的草案。

1993年才通过了物理层的标准IEC1158-2,并且在数据链路层的投票过程中几经反复。

发展61158现场总线的本意是“排他的和联合的”，各自独立的“现场总线”将给用户带来许多头疼的技术问题，牺牲的是用户的利益。

在现场总线领域里，德国派（ISP，InteroperableSystemProject,可互操作系统规划,是一个以Profibus为基础制定的现场总线国际组织）和法国派（WORLDFIP）的对持十分激烈，互不相让，以至于IEC无法通过国际标准。

1994年6月在国际上要求联合强烈的呼声和用户的压力下，ISP和WorldFIP成立了FF（FieldbusFoundation,现场总线基金会）,推出了FF现场总线。

IEC投票的文本就是以FF为蓝本的方案。

这是现场总线发展的主流方向。

由于FF的目标是致力于建立统一的国际标准，它的成立实质上意味着工业界将摒弃ISP（含PROFIBUS）和WORLDFIP。

它的成立导致了德国派ISP立即解散；法国派（WORLDFIP）已经明确表示不反对IEC的方案，并且可以友好地与IEC方案互联，甚至提出了与FF“无缝连接”方案；而剩下的德国派PROFIBUS因为与FF的方案和技术途径不同，过渡将是非常困难，因此强烈反对IEC方案以保住市场份额。

但是PROFIBUS提出的技术理由仅仅是一些支节问题，于是一些评论认为它是出于商业利益的驱动去反对FF，国际上的现场总线之争已经演变成为PROFIBUS的德国派与以FF为代表的“联合派”竞争。

有趣的是工业国家的大公司往往“脚踏几条船”加入各种现场总线以获得更多的商业利益，如最能说明问题的是最主要的反对者西门子公司（PROFIBUS主要成员）也参加了FF。

这种具有特殊意义事实已经说明了PROFIBUS要与FF对抗在技术上处于明显的劣势。

因为德国派的反对,数据链路层和其它层在1998年9月30日投票失败（赞成票68％，反对票32％，），这样IEC61158就只能作为技术报告出版。

但是事情并未了结，美法等国立即提出了提案，要求对反对票的技术理由进行审议。

1998年11月15日IEC、SC65C下发了文件，要求对德国等6国的反对票是否含有技术理由进行表决。

1999年1月29日以63％的结果支持美法提案。

1999年6月17日IEC执委会否定了德国等6国的反对票，重新计票的结果使原61158标准得以通过。

IEC执委会另一个决定是允许其他1－2个现场总线作为子集进入61158（意味着允许Profibus有条件地进入国际标准）。

将在1999年的10月下旬发布修改的61158文件草案，12月投票。

如否决，原来的61158方案将在1999年年底成为出版物（意味着Profibus的利益方如继续反对的话将被排除在国际标准之外）。

经过有关各方的共同努力和协商妥协，在1999年年底的投票表决中，经过修改后加入ControlNet等7种协议的IEC61158国际标准已经正式获得通过。

投票情况如下：

P成员（即有投票权的成员）投票29个，其中25票赞成，4票反对（法国、加拿大、日本与俄罗斯），1票弃权（意大利）。

在现场总线国际标准IEC61158中，采用了一带七的类型，即：

类型1原IEC61158技术报告（即FF－H1）

类型2ControlNet（美国Rockwell）公司支持

类型3Profibus（德国SIEMENS公司支持）

类型4P-Net（丹麦ProcessData公司支持）

类型5FFHSE（即原FFH2，美国FisherRosemount公司支持）

类型6SwiftNet（美国波音公司支持）

类型7WorldFip（法国Alstom公司支持）

类型8Interbus（德国Phoenixcontact公司支持）

目前61158的基本原则是

不改变原来61158的内容，作为类型1

不改变各个子集的行规，作为其他类型，并对类型1提供接口

3.2关于IEC62026的情况

IEC62026的情况就没有那么复杂，它的构成如下：

IEC62026－1一般要求GeneralRules（inpreparation）

IEC62026－2电器网络DeviceNetwork（DN）

IEC62026－3操动器传感器接口Actuatorsensorinterface（ASI）

IEC62026－4协议（规约）Lontalk

IEC62026－5灵巧配电系统Smartdistributedsystem（SDS）

IEC62026－6多路串行控制总线。

SerialMultiplexedControlBus（SMCB）

另外IEC17B又发出一个NP文件“《DeviceWordFIP》电器网络“1998年4月投票失败尚未成为IEC62026系列的CD文件。

而Interbus努力成为第7部分。

2000年6月以下文件将进入最后一轮投票，并通过，（即将出版）

IEC62026－1一般要求GeneralRules（inpreparation）

IEC62026－2电器网络DeviceNetwork（DN）

IEC62026－3操动器传感器接口Actuatorsensorinterface（ASI）

IEC62026－5灵巧配电系统Smartdistributedsystem（SDS）

3.3ISO11898

现场总线领域中，在IEC61158和62026之前，CAN是唯一被批准为国际标准的现场总线。

CAN由ISO/TC22技术委员会批准为国际标准ISO11898（通信速率＜1Mbps）和ISO11519（通信速率≤125Kbps）。

CAN总线得到了计算机芯片商的广泛支持，它们纷纷推出直接带有CAN接口的微处理器（MCU）芯片。

带有CAN的MCU芯片总量已经达到130,000,000片（不一定全部用于CAN总线）；因此在接口芯片技术方面CAN已经遥遥领先于其他所有现场总线。

需要指出的是CAN总线同时是IEC62026－2电器网络DeviceNetwork（DN）和IEC62026－5灵巧配电系统Smartdistributedsystem（SDS）的物理层，因此它是IEC62026最主要的技术基础。

3.4现场总线的国家标准及企业标准

由于现场总线的国际标准迟迟不能建立，各种现场总线，设备总线（Devicebus）与传感器总线（Sensorbus）趁此机会，风起云涌，相继成立，莫不大肆宣传，推广应用，有些大的现场总线组织更是力图扩大自己的地盘，企图造成既成事实，使自己成为国际标准。

现场总线国家标准

德国的PROFIBUS

法国的FIP

英国的ERA

挪威的FINT等

丹麦的PNET

中国的DeviceNet和ASi

现场总线企业标准

Echelon公司的LONWORKS，

PhenixContact公司的Interbus，

RoberBosch公司的CAN，

Rosemount公司的HART，

CarloGarazzi公司的Dupline，

ProcessDate公司的P-net，

PeterHans公司的F-Mux

据不完全统计，约有40多种。

目前看来现场总线标准不会统一，多标准并存现象将会持续。

由于不同的标准在一定意义上代表着不同的厂商利益，厂商之间市场、利益的竞争会反映到标准的推广、应用和被采纳的广度和深度，所以使得协议之间实际也存在着竞争。

那些技术相对落后，支持厂商少或者弱的协议逐步被淘汰，那些技术先进、支持厂商多而强、开放度高的协议更容易被接受，更具有生存和发展的空间。

4几种典型的现场总线介绍

4.1PROFIBUS

PROFIBUS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。

1组成：

PROFIBUS有三个部分组成：

PROFIBUS-FMS（FieldMessageSpecification）

主要是用来解决车间级通用性通讯任务。

可用于大范围和复杂的通讯。

总线周期一般小于100ms。

PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）

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。

图4Profibus的组成部分

PROFIBUS-PA（ProcessAutomation）

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4为PROFIBUS组成说明，图5为PROFIBUS的应用范围。

PROFIBUS支持多主站通信（令牌方式）和主－从通信。

图5Profibus应用范围

②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3～6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。

③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）

9.6

19.2

93.75

187.5

500

1500

12000

距离/段（m）

1200

1200

1200

1000

400

200

100

B.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。

④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。

4.2FF（FundationFieldbus）基金会现场总线

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（Interoperablesystemprotocol）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FisherRosemount公司牵头。

WORLDFIP是工厂仪表世界协议（WorldFactoryInstrumentationProtocol）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。

①FF的拓朴结构（图6）

图6FF的拓扑结构

H1低速现场总线

·31.25Kbps

·2～32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/500m。

·支持PLC和加工工业设备

②FF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IEC1158－2技术。

③FF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。

④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。

4.3CAN（ControllerAreaNetwork）

CAN是由RobentBosch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模型的第一层和第二层，由不同的制造者扩展第七层，CIA（CANinAutomation）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＜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。

①CAN的协议结构

采用ISO/OSI模型的第一层、第二层和第七层。

②CAN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10