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现场总线技术综述一.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。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1.IEC61158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。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，（即将出版）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)IEC62026－5灵巧配电系统Smartdistributedsystem(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（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DeviceNetwork(DN)和IEC62026－5灵巧配电系统Smartdistributedsystem(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。,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。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。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。①FF的拓朴结构（图6）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IEC