现场总线技术综述

现场总线技术综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22.2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）LontalkIEC62026－5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IEC6