典型的现场总线

典型的现场总线及特点概述:现场总线（Fieldbus）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多有实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点，而且具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。关键词：Profibus、基金会现场总线、CAN、WorldFIP、Devicenet、ASi、Interbus、协议简单、安全性好、应用广泛1.ProfibusPROFIBUS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1Profibus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1为PROFIBUS组成说明，图2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2Profibus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）9.619.293.75187.5500150012000距离/段(m)1200120012001000400200100B.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。2.FF（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。FF的拓朴结构（图3）图3FF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。3.CAN（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10km/5kbps。可挂设备最多可达110个。·信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该接点与总线的联系，使总线上的其他接点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。·CAN支持多主站方式，网络上任何接点均可在任何时刻主动向其它接点发送信息，支持点对点，一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。CAN采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点继续发送数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免总线冲突。·CAN不能用于防爆区。③应用情况CAN目前主要用于汽车、公共交通的车辆、机器人、液压系统及分散型I/O五大行业。此外Allen-Bradley以及Honeywell、MicroSwitch在CAN基础上发展了特殊的应用层，组成了A－B公司的DeviceNet和HoneyWell公司的SDS（智能分散系统）现场总线。由于CAN的帧短，速度快，可靠性强，比较适合用于开关量控制的场合，故CAN的销量在增加，据欧洲市场调查，CAN占有率从1994年的5％增加到1996年的9％。4.WorldFIPWorldFIP成立于1987年3月，是以法国几个跨国公司为基础，开发了FIP（工厂仪表协议）现场总线系列产品。到目前为止，WorldFIP协会拥有100多个成员，这些成员生产300多个WorldFIP现场总线产品。WorldFIP产品在法国市场占有率大于60％，在欧洲市场占有大约25％的份额。这些产品广泛用于发电及输配电、加工制造自动化、铁路运输过程自动化等领域，1996年6月成为欧洲标准EN50170第3卷。用WorldFIP构成的系统分为三级，即过程级、控制级和监控级。用单一的WorldFIP总线可以满足过程控制、工厂制造加工系统和各种驱动系统的需要。WorldFIP的协议结构是由ISO/OSI模型的第一层、第二层和第七层构成。其中第一层物理层符合IEC1158－2标准。传输媒体可以是屏蔽双绞线或光纤。传输速率为：31.25Kbps用于过程控制，1Mbps用于加工制造系统，2.5Mbps用于驱动系统。标准速率为1Mbps，使用光纤时最高速率可达5Mbps。目前WorldFIP的总线产品有法国CEGELEC公司的Alspa-8000系统、Schneider公司的Modicon-TBXplc系统、GEC－ALSTHOM公司的S－900SCADA系统等。5.DevicenetDeviceNet是一种低成本的现场总线链路，将工业设备（如：限位开关、光电传感器、阀组、电动机起动器、过程传感器、条形码读取器、变频驱动器、面板显示器和操作员接口）连接到网络，从而免去了昂贵的硬接线。DeviceNet是一种简单的网络解决方案，在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。DeviceNet的直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I