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1、现场总线技术综述现场总线技术综述一一.概述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
2、。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.现场总线的特点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（2）开放性（3）实时性（4）可靠性2.现场总线的优点现场总线的优点由于现场总线以上的特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计，安装，投运到正常生产运行以及检修维护，都体现出优越性。1.节省硬件数量与投资，2.节省安装费用3.节省维护开销4.用户具有高度的系统集成主
3、动权5.提高了系统的准确性与可靠性3.现场总线的应用领域现场总线的应用领域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。二现场总线的标准二现场总线的标准1.IEC61158 的制定的制定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
4、国派（ISP，Interoperable System Project,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（WORLD FIP）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 World FIP 成立了 FF(Fieldbus Foundation,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 PROF
5、IBUS）和 WORLD FIP。它的成立导致了德国派ISP 立即解散；法国派（WORLD FIP）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
6、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。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 2 Control Net（美国 Rockwell）公司支持类型 3 Profibus（德国 SIEMENS 公司支持）类型 4 P-Net（丹麦 Process Data 公司支持）类型 5 FF HSE（即原 FF H2， 美国 Fisher Rosemount
7、公司支持）类型 6 Swift Net（美国波音公司支持）类型 7 WorldFip（法国 Alstom 公司支持）类型 8 Interbus（德国 Phoenix contact 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2. 关于关于 IEC62026 的情况的情况IEC62026 的情况就没有那么复杂，它的构成如下：IEC62026 1 一般要求 General Rules(in preparation)IEC62026 2 电器网络 Device Network(DN) IEC62026
8、 3 操动器传感器接口 Actuator sensor interface(ASI)IEC62026 4 协议（规约）LontalkIEC62026 5 灵巧配电系统 Smart distributed system(SDS)IEC62026 6 多路串行控制总线。Serial Multiplexed Control Bus(SMCB)另外 IEC17B 又发出一个 NP 文件“Device Word FIP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
9、将出版）IEC62026 1 一般要求 General Rules(in preparation)IEC62026 2 电器网络 Device Network(DN) IEC62026 3 操动器传感器接口 Actuator sensor interface(ASI)IEC62026 5 灵巧配电系统 Smart distributed system(SDS)3. ISO11898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（
10、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 Device Network(DN) 和 IEC62026 5 灵巧配电系统 Smart distributed system(SDS) 的物理层，因此它是 IEC62026 最主要的技术基础。三几种典型的现场总线介绍三几种典型的现场总线
11、介绍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 PROFIBUSDP 和 PROFIBUSFMS，1994 年又推出了PROFIBUSPA，它引用了 IEC 标准的物理层（IEC11582,1993 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
12、 月 15 日批准为欧洲标准 EN50170 的第 2 卷。 组成：PROFIBUS 有三个部分组成：PROFIBUS-FMS（Field Message Specification）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（Decentralized Periphery）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。,Profibus-PA（Process Automation） 是专门为过程自动化设计的，它可使传感器和执行器
13、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IEC11582 标准，PROFIBUS-PA 用双线进行总线供电和数据通信。 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 36 层，同时又增加了服务层。PROFIBUSDP 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PROFIBUSDP 设备的设备行为，还提供了传输用的 RS4
14、85 传输技术或光纤传输技术。PROFIBUSFMS：对第一层、第二层和第七层（应用层）均加以定义。PROFIBUSPA：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 IEC11582 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，PROFIBUSPA 设备能很方便地集成到 PROFIBUSDP 网络上。PROFIBUSDP 和 PROFIBUSFMS 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。 传输技术PROFIBUS 提供了三种类型的传输：用于 DP 和 FMS 的 RS485 传
15、输用于 PA 和 IEC11582 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1112104210离/段 (m)200200000000000B. IEC11582 传
16、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。 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。2.FF（Fundation Fieldbus）基金会现场总线）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
