十种类型现场总线的体系结构

十种类型现场总线的体系结构按照国际电工委员会 IEC/SC65C 的定义，安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线根据使用场合和用途不同，现场总线又分为 H1 低速现场总线和 H2 高速现场总线IEC/SC65C 最初定义 H1 总线为用于制造或过程区域的、通过两根传输线向现场装置供电的低速串行总线，H2 总线为无需解决两线制供电，用于装置间传送信息的高速串行总线H1 和 H2 总线相辅相成构成了完整的工业自动化系统信息通信网络经过长达 15 年的争论，IEC61158 用于工业控制系统的现场总线国际标准于 2000年初终于获得通过，现场总线之争逐渐随之退潮，IEC/SC65C/WG6 现场总线标准委员会到此也完成了历史使命为了进一步完善 IEC61158 标准， IEC/SC65C 成立了 MT9 现场总线修订小组，继续这方面的工作MT9 工作组在原来 8 种类型现场总线的基础上不断完善扩充，于 2001 年 8 月制定出由 10 种类型现场总线组成的第三版现场总线标准，它们是：Type1 TS61158 现场总线、Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 现场总线、Type3 Profibus 现场总线、Type4 P-NET 现场总线、Type5 FF HSE 现场总线、Type6 Swift-Net 现场总线、Type7 WorldFIP 现场总线、Type8 INTERBUS 现场总线、Type9 FF H1 现场总线以及 Type10 PROFInet 现场总线，该标准于 2003 年 4 月成为正式国际标准。

限于篇幅，本文对 10 种类型总线做概要论述，并简单综述上述总线近三年来的最新进展1 Type1 TS61158 现场总线Type1 现场总线标准由以下部分构成： PhL：IEC61158-2 ：1993 标准的超集（Superset） ；  Foundation Fieldbus 的超集；  WorldFIP 的功能超集；  DLL：IEC TS61158-3，TS61158-4；  Foundation Fieldbus 的超集；  WorldFIP 的功能超集；  AL： IEC TS61158-5，TS61158-61998 年之前，IEC/SC65C 只推荐一种类型的现场总线，该总线主要采纳Foundation Fieldbus 总线和 WorldFIP 总线基本技术，并严格按照 IEC 定义制定现场总线标准，由于各种原因，经过多轮投票未获通过，只能按规定成为技术报告 TS61158，以此为基础形成了现在的 Type1 现场总线国际电工委员会推荐的通用现场总线网络结构如图1 所示，从图中可以看出现场总线系统可以支持各种工业领域的信息处理、监视和控制系统，用于过程控制传感器、执行器和本地控制器之间的低级通信，可以与工厂自动化的PLC 实现互连。

在这里，H1 现场总线主要用于现场级，其速率为 31.25Kbps，负责两线制向现场仪表供电，并能支持带总线供电设备的本质安全；H2 现场总线主要面向过程控制级、监控管理级和高速工厂自动化的应用，其速率为 1Mbps，2.5Mbps 和 100Mbps图 1 通用现场总线网络结构2 Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 现场总线由 ControlNet International(CI)组织负责制定的 Type2 现场总线标准由以下部分组成： PhL 和 DLL：ControlNet；  AL： Control Net 和 Ethernet/IPType2 现场总线系统体系结构如图 2 所示ControlNet 采用一种新的通信模式，即生产者/客户（Producer/Consumer）模式，这种模式允许网络上的所有节点，同时从单个数据源存取相同的数据，其主要特点是增强了系统的功能，提高了效率和实现精确的同步网络的媒体送取，通过限制时间存取算法来控制，即采用并行时间域多路存取（CTDMA）方法，在每个网络刷新间隔（NUI ）内调节节点的传送信息机会图 2 Type2 现场总线系统体系结构Ethernet/IP 以太网工业协议是一种开放的工业网络，它使用有源星形拓扑结构，可以将 10Mbps 和 100Mbps 产品混合使用。

该协议在 TCP/UDP/IP 之上附加控制和信息协议（CIP），提供一个公共的应用层 CIP 的控制部分用于实时 I/O 报文，其信息部分用于报文交换ControlNet 和 Ethernet/IP 都使用该协议通信，分享相同的对象库、对象和设备行规，使得多个供应商的设备能在上述整个网络中实现即插即用对象的定义是严格的，在同一种网络上支持实时报文、组态和诊断为了提高工业以太网的实时性能，ODVA（开放的 DeviceNet 供应商协会）于 2003 年 8 月公布了 IEEE1588“用于Ethernet/IP 实时控制应用的时钟同步”标准3 Type3 Profibus 现场总线Type3 现场总线得到 Profibus 用户组织 PNO 的支持，德国西门子公司则是Profibus 产品的主要供应商Profibus 系列由三个兼容部分组成，即 Profibus-DP、Profibus-FMS 和 Profibus-PA 三条总线构成为了提高 Profibus 总线性能，近几年PNO 推出了新版本的 Profibus-DP-V1 和 Profibus-DP-V2，同时逐步取消 Profibus-FMS总线。

扩展的 Profibus-DP 现场总线体系结构如图 3 所示， Profibus-DP 特别适用于设备级自动控制系统与分散 I/O 之间高速通信Profibus-PA 专为过程自动化设计，它能够将变送器和执行器连接到一根公共总线，使用两根线就可以完成供电和数据通信，并能实现本质安全性能以此为基础，扩展的 DP 功能 DPV1 进一步完善了 Profibus-PA 功能；DPV2解决了从站之间的通信与时间同步等重大问题 图 3 Type3 Profibus 现场总线体系结构Profibus-DPV1 主要是增加了非循环服务，并扩大了与 2 类主站的通信众所周知，Profibus-DP 性能的特征是在循环连接（Mscy-C1）的基础上应用数据交换服务，实现一个主站和一系列从站之间集中的数据交换1 类主站指 PLC、PC 或控制器2 类主站指操作员站和编程器等DPV1 扩展了上述功能，在已有的 Mscy-C1 连接基础上，增加了非循环服务，利用新的服务可以对从站中任何数据组进行读写过去，2 类主站只能利用 DP从站的无连接服务，现在则可通过面向连接的通信对数组进行非循环读写，同时为进入因特网通信扩充了功能。

Profibus-DPV2 可以实现循环通信、非循环通信以及从站之间的通信由于从站之间可直接通信，通信时间缩短 1 个 DP 总线周期和主站周期，从而使反应时间缩短 60%至90%，同时建立了等时间间隔的总线循环周期，其时间偏差小于 1μs，即适用于高精度定位控制，又可实现闭环控制DPV2 可根据不同的应用需要开发专用行规（ profile），如用于运动控制的 ProfiDrive 和用于联锁保护的 ProfiSafe 等4 Type4 P-NET 现场总线P-NET 现场总线由丹麦 Process-Data Sikebory Aps 公司从 1983 年开始开发，主要应用于啤酒、食品、农业和饲养业，它得到 P-NET 用户组织的支持，在现场大约有5000 多个应用系统 图 4 Type4 P-NET 现场总线体系结构P-NET 现场总线是一种多主站、多网络系统，图 4 给出了 P-NET 系统的体系结构总线采用分段结构，每个总线分段上可以连接多个主站，主站之间通过接口能够实现网上互连，它允许在几个总线区直接寻址，无需递阶网络结构该总线通信协议包括1、2、3、4 和 7 层，并利用信道机构定义用户层。

通信采用虚拟令牌（virtual token）传递方式，主站发送一个请求，被寻址的从站在 390μs 内立即返回一个响应，只有存放到从站内存中的数据才可被访问每个站节点都含有一个通用的单芯片微处理机，配套的2KB EPROM 不仅可用作通信，而且可用于测量、标定、转换和应用功能P-NET 接口芯片执行数据链路层的所有功能，第 3 层和第 4 层的功能由宿主处理器中的软件解决该总线物理层基于 RS-485 标准，使用屏蔽双绞线电缆，传输距离 1.2km，应用 NRZ 编码异步传输5 Tpye5 FF HSE 现场总线 1998 年，美国 Fieldbus Foundation（FF）基金会决定采用高速以太网（High Speed Ethernet，HSE）技术开发 H2 现场总线，作为现场总线控制系统控制级以上通信网络的主干网，它与 H1 现场总线整合构成信息集成开放的体系结构，图 5 给出了系统结构HSE 网络遵循标准的以太网规范，并根据过程控制的需要适当增加了一些功能，但这些增加的功能可以在标准的 Ethernet 结构框架内无缝地进行操作，因而 FF HSE 总线可以使用当前流行的商用（COTS ）以太网设备。

100Mbps 以太网拓扑是采用交换机形成星形连接，这种交换机具有防火墙功能，以阻断特殊类型的信息出入网络HSE 使用标准的IEEE802.3 信号传输，标准的 Ethernet 接线和通信媒体设备和交换机之间距离，使用双绞线为 100 米，光缆可达 2 千米HSE 使用连接装置（LD）连接 H1 子系统，LD 执行网桥功能，它允许就地连在 H1 网络上的各现场设备，以完成点对点对等通信HSE 支持冗余通信，网络上的任何设备都能作冗余配置FF HSE 的 1~4 层由现有的以太网、TCP/IP 和 IEEE 标准所定义， HSE 和 H1 使用同样的用户层，现场总线信息规范（FMS）在 H1 中定义了服务接口，现场设备访问代理（FDA）为 HSE 提供接口用户层规定功能模块、设备描述（DD ）、功能文件（CF ）以及系统管理（SM）FF 规范 21 种功能模块供基本的和先进的过程控制使用 FF 还规定了新的柔性功能模块（FFB），用以进行复杂的批处理和混合控制应用，FFB 支持数据采集的监控，子系统接口、事件顺序、多路数据采集、PLC 和其他协议通信的网间连接器 图 5 Type5 FF HSE 现场总线体系结构6 Type6 SwiftNet 现场总线Type6 SwiftNet 现场总线由美国 SHIP STAR 协会主持制定，得到美国波音公司的支持，主要用于航空和航天等领域。

该总线是一种结构简单、实时性高的总线，协议仅包括物理层和数据链路层SwiftNet 现场总线采用分层总线式拓扑结构，其通信体系结构如图 6 所示 图 6 Type 6 SwiftNet 现场总线体系结构物理层传送速率为 5Mbps，此时每秒传送 105 个不同的报文总线使用TDMA（ Slotted time division multiple access）槽路时间片多路送取方式，提供专用高速、低抖动同步通道和按要求指定的通道专用通道适用于自动状态数据的分配或交换；按要求指定的通道则适用于非调度报文TDMA 方式是将总线上的时间分割为相等长度间隔，称作槽路，只有当总线上的站分配到槽路时，它才能监听和发送每个站还能根据所占的比例，协调总线访问、数据传输和接收数据SwiftNet 总线的节点（从站）通过 I/O 通道连接智能传感器，由于航空航天领域对传感器和执行器要求高，该总线开始使用符合 IEEE1451.1 和 IEEE1451.2 标准的网络传感器。