什么是现场总线

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1、什么是现场总线?随着计算机、控制、通信、网络等技术的发展，作为工业控制数 字化、智能化与网络化典型代表的 现场总线（FieldBus）技术也得到 了发展迅速、影响巨大，引起了工程技术界的普遍 兴趣与重视，使计 算机控制系统逐步从集散控制系统（DistributedControlSystemDCS走向以现场总线位基础的分布式现场总线控制系统（FieldbusC on trolSystem, FCS）,被誉为工业自 动化领域具有革命性的新技术。现场总线技术是20世纪80年代中期在国际上发展起来的一种工 业控制技术。通俗地讲，现场总线就是用在现场的总线技术，和计算机内部的总线概念一样，但是由于现场的

2、特殊 环境（如温度，安装条 件，干扰等等），不同于计算机通常用于室内，为了区别，所以我们 把这种总线称为现场总线。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。现场总线被誉为自动化领域的计算机 局域网1.1、现场总线的特点根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会（ISA）对现场总线的 定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字、 双向传输、 多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向多节点、总线式 的全数字通讯，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信 速率 快、系统安全、造价低廉、维护成本低等特点。国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求：（1）同一数据链

3、上过程控制单元（PCU、PLC等与数字1/0设 备互连；（2）现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行 机构等进行数据存取；（ 3）通信媒体安装费用较低。SP50委员会提出的两种现场总线结构模型是：星型总线用短距离、廉价、低速率电缆取代模拟信号传输线总线型总线数据传输距离长、速率高，采用点对点、点对多点 和广播式通信方式22、现场总线技术特征 现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集 成，具有以下几项技术特征。（ 1 ）现场设备已成为以微 处理器为核心的数字化设备，彼此通 过传输媒体（双绘线、 同轴电缆 或光纤）以总线拓扑相连；（ 2）网络数据通信采用 基带传输（即数字

4、数据数字传输）， 数 据传输速率 高（为 Mbit/s 或 10Mbit/s 级），实时性好，抗干扰能力 强；（3）废气了集散控制系统（DCS中的I/O控制站，将这一级功 能分配给通信网络完成；（4）分散的功能模块，便于系统维护、 管理与扩展，提高可靠 性；（5）开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互 连设备与控制级网络或管理信息级网络相连；（6）互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家 的现场设备产品统一组态，构成所需要的网络。二、现场总线控制技术2. 1、现场总线控制系统现场总线控制系统FCS是集当今计算机技术、网络技术和控制技 术为一体的当代最先进的计算机控制技术，

5、是一种全分散、全数字、 全开放的控制系统。它适用于工业过程控制、制造业及楼宇自动化等 领域，将成为现代计算机控制系统的主流。2. 2、FCS对计算机控制系统的影响传统的计算机控制系统一般采用 DCS结构。在DCS中，对现场信 号需要进行点对点的连接，并且I/O端子与PLC或自动化仪表一起被 放在控制柜中，而不是放在现场。这就需要铺设大量的信号传输电缆， 布线复杂，既费料又费时，信号容易衰减并容易被干扰，而且又不便 维护。DCS-般由操作员站、控制站等组成，结构复杂，成本高。而 且DCS不是开放系统，互操作性差，难以实现数据共享。而基于FCS的控制系统则完全克服了这些缺点。（1）FCS借助于现场

6、总线技术，所有的I/O模块均放在工业现场， 而且所有的信号通过 分布式智能 I/O 模块在现场被转换成标准数字 信号，只需一根电缆（两线或四线） 就可把所有的现场子站连接起来， 进而把现场信号非常简捷地传送到控制室监控设备上，减低了成本， 又便于安装和维护， 同时数字化的数据传输使系统具有很高的传输速 度和很强的抗干扰能力。（2）FCSM有开放性。在FCS中，软件和硬件都遵从同样的标准，互换性好，更新换代容易。 程序设计采用 I EC 1 1 3 1 4五种国际标准 编 程语言，编程和开发工具是完全开放的，同时还可以利用PC丰富的软硬件 资源 。（3）系统的效率高。在FCS中，一台PC可同时完

7、成原来要用两 台设备才能完成的PLC和NCCNC任务。在多任务的WindowsNT操作 系统下，PC中的软PLC可以同时执行多达十几个 PLC任务，既提高 了效率，又降低了成本。且 PC上的PLC具有在线调试和仿真功能， 极大地改善了编程环境。（4）在FCS中，系统的基本结构为：工控机或商用PC现场总 线主站接口卡、现场总线输入/输出模块、PLC或 NC/CN（实时多任务 控制软件包、组态软件 和应用软件。上位机的主要功能包括系统组态、 数据报表组态、历史库组态、图形组态、控制算法组态、数据报表组 态、实时数据显示、历史数据显示、图形显示、参数列表、数据打印 输出、数据输入及参数修改、控制运算

8、调节、报警处理、故障处理、通信控制和人机接口等各个方面，并真正实现控制集中、危险分散、 数据共享、完全开放的控制要求。2. 3、IEC61158国际标准规定的8种总线及其特点（ 1 ） Profibus 主要由德国西门子公司支持， 是按照 ISO/ OSI 参 考模型制订的现场总线德国 国家标准。Profibus由三部分组成，即 Profibus-FMS、Profibus-DP 及 Profibus-PA。其中，FMS主要用于 非控制信息的传输，PA主要用于过程自动化的信号采集及控制， Profibus-DP 是制造业自动化主要应用的协议内容， 是满足用户快速 通信的最佳方案，传输速度为12M

9、b/s。扫描1000个I/O点的时间少 于 1ms。（2）基金会现场总线 FF（H1， IEC 技术报告）是针对过程自动 化而设计，它是通过数字、 串行、双向的通信方法来连接现场装置的。 FF通信不是简单的数字4-20mA信号，而是使用复杂的通信协议，它 可连接能执行简单的闭环算法（如PID ）的现场智能装置。一个通信段可配置 32 个现场装置，通信速度为 31。 25kb/s ，每段最大通信距 离为 1900m。（3）Interbus 主要由德国 PhoenixContact 公司支持， 其网络简 单，且易于安装与配置。 网上的节点类似简单的移位寄存器， 位流经 过节点则发生翻转。 Inte

10、rbus-S 启动网络并自动配置，不需要节点 地址。使用一根电缆， 符合 IEEE802.5 的规定。 一个网络上最多可有 64个装置，速度可达500K/S，最长距离为25600m移动节点间距离 为 400m。（4）ControlNet 主要由美国 Rockwell 公司支持， 具有非常高的 实时性能，界于设备级总线（像 DeviceNet ）与工厂级总线（通常基 于 Ethernet ）之间。在相同的通信链路上提供了适合于 I/O 控制设 备的带宽、实时联锁响应、 对等信息和程序传输， 为断续和连续过程 控制系统应用提供了确定性和重复性功能；并且允许多控制器处理 I/O 控制设备，提供了输入

11、数据和对等数据两者之间的多点传送、通 信传输媒体的 冗余 和本征安全的选择、 灵活的网络拓扑结构选择 （总 线、树型、星型）和媒体 传输介质 （同轴电缆、光纤等）。（5）WorldFIP 主要由法国的 Alstom 公司支持， 支持双重冗余总 线运行方式，总线上可以连接 PLG I/O现场设备、控制器、HMI系 统等。通过双重冗余总线， 能够完全确保控制系统不会因为控制电缆 损坏等原因造成其他控制系统被迫停机的事故。另外还有三种：主要由Fisher-Rosemount公司支持的FFHSE美 国波音公司支持的 swiftNet 以及由丹麦 Process。24、其他几种被工业控制领域广泛采用的几

12、种总线 （1）CANBUS（ControllerAreaNetwork ）：是德国 Bosch 公司于 1983年为汽车应用而开发的一种能有效支持分布式控制和实时控制 的串行通讯网络， 属于现场总线 （FieldBus ）的范畴。 1993年 11月， ISO正式颁布了控制器局域网 CAN国际标准（ISO11898）, CAN总线 的通讯介质可采用 双绞线，同轴电缆和光导纤维。 通讯距离与波持率 有关，最大通讯距离可达10km,最大通讯波持率可达1Mdps CAN总 线仲裁用11位（CAN2.0A协议）和29位（CAN2.0B协议）标识和非破坏性位仲裁总线结构 机制 ，可以确定数据块的优先级，

13、 保证在网络 节点冲突时最高优先级点不需要冲突等待。CAN吉构模型取ISO/OSI 模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链层和应用层。CAN总线采用了多主 竞争式总线吉构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线 以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网 络上其他节点发送信息而不分主次， 因此可在各节点之间实现自由通 信。CAN总线协议已被国际 标准化组织认证，技术比较成熟，控制的 芯片已经商品化， 性价比 高，特别适用于分布式测控系统之间的数通 讯。（ 2） C C-Link 是 Control&CommunicationLink（ 控制与通信链路 系统）的简称，是三菱电

14、机于 1 996年推出的开放式现场总线， 其数据 容量大，通信速度多级可选择，而且它是一个复合的、开放的、适应 性强的网络系统， 能够适用于较高的管理层网络到较低的传感器层网 络的不同范围。 CC-Link 是一个以设备层为主的网络，一般情况下， CC-Link 整个一层网络可由一个主站和六十四个从站组成。 CC-Link 具有高速的数据传输速度，最高可达 10Mbps其底层通信协议遵循 RS-485。 2CC-Link 的数据通信方式可分为 2种方式：循环通讯和瞬 时传送。信息从主站传递到从站， 信息数据将以 150字节为单位分割， 并以每批 150字节传递。 若从站传递到主站或其他从站，

15、每批信息数 据最大为 34 字节。瞬时传送需要由专用指令来完成。瞬时传送不会 影响循环通信的时间(3) LeoWorks总线：是美国ECHELO公司开发，并与 Motorola 和东芝公司共同倡导的现场总线技术。 它采用了 OSI 参考模型全部的 七层协议结构。Lon Works技术的核心是具备通信和控制功能的 Neuron芯片。Neuro n芯片实现完整的Lon Works的Lon Talk通信协 议。其上集成有三个8位CPU 一个CPU完成OSI模型第一和第二层 的功能，称为介质访问处理器。一个CPU是应用处理器，运行操作系 统与用户代码。还有一个CPU为网络处理器，作为前两者的中介，它

16、进行网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理等。由神经芯片 构成的节点之间可以进行对等通信。LonWorks支持多种物理介质并 支持多种拓扑结构，组网方式灵活。LonWorks应用范围主要包括楼 宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。25、现场总线控制系统的通讯标准FCS采用ISO的OSI模型7层体系结构中的第1、2、7层，即物 理层( PhysicalLayer )，链路层( DataLinkLayer )，应用层( ApplicationLayer )，外加一个第八层，用户层( UserLayer )构 成其总线通讯标准。用户层是现场总线标准在OSI层模型之外增加的 一层，它使该标准超过一项通讯标准而成为一项系统标准，是 FCS 开放性与互操作性的关键。用户层定义了 29 个标准功能模块，用于 数据处理和组成