现场总线技术概述(3)

第6章现场总线技术概述现场总线（Fieldbus）是20世纪90年代发展形成的。用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、家庭自动化等领域的现场设备互连的通信网络。是现场通信网络与控制系统的集成，并由此产生新一代的现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的现场局域网。一、总线的分类二、现场总线的定义和分类三、现场总线控制系统FCS的体系结构四、现场总线控制系统的技术特点五、FCS与DCS的比较六、现场总线通信协议模型七、现场总线的国际标准八、几种典型的现场总线九、现场总线的现状总线（bus）的概念由来已久，仪器仪表与计算机控制系统数字通信用的总线有很多种。总线按其长度分类：1．毫米级:芯片内总线；2．分米级:机箱内总线，如Multi-bus，STD，PCL，ISA，NIM，CAMAC等；3．十米级:机柜间总线，如RS232-RS530，GPIB，Fast-bus，VME，VXI等；4．千米级:现场总线，如FF，Profibus，WorldFIP等。一、总线的分类返回现场总线(Fieldbus)：是用于过程自动化或制造自动化中的，实现智能化现场设备（例如，变送器、执行器、控制器)与高层设备(例如主机、网关、人机接口设备)之间互联的，全数字、串行、双向的通信系统。通过它可以实现跨网络的分布式控制。※按照国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF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式、双向传输、多分支结构的通信网络。1.定义二、现场总线的定义和分类（1）按其传送数据的通信宽度来分:①传感器总线(sensorbus)：数据宽度为位(bit)，如AS-i和Seriplex等；②设备总线(devicebus)：数据宽度为字节(byte)，如Interbus和DeviceNet等；③全服务的现场总线（fieldbus）：数据宽度为数据流或模块(block)。以报文通信为主，除了对装置进行读取数据外，还包括一些对装置的操作和控制功能。如FF总线、Lonworks总线、Hart总线等。2.分类（2）按应用的行业来分:①过程控制(连续生产过程)用现场总线，如FF的H1、ProfibusPA等；②离散控制用现场总线，如ProfibusDP、DeviceNet等；③楼宇自动化用现场总线，如LonWorks等；④车辆制造业用现场总线，如CAN等；⑤飞机制造业用现场总线，如SwiftNet等；⑥农业及养殖业用现场总线，如P-Net等。返回三、现场总线控制系统的体系结构可以把FCS分为三类:①一类是由现场设备和人机接口组成的两层结构的FCS；②一类是由现场设备、控制站和人机接口组成的三层结构的FCS；③一类是由DCS扩充了现场总线接口模件所构成的FCS。（一）具有两层结构的FCS（二）具有三层结构的FCS（三）由DCS扩充而成的现场总线控制系统在DCS系统的I/O总线上挂接现场总线接口模件，通过现场总线接口模件扩展出若干条现场总线，然后经现场总线与现场智能设备相连。返回现场总线是现场仪表所采用的双向数字通信方式，将取代当今现场仪表广泛采用的4～20mA标准模拟通信方式。1．开放性FCS的现场总线的技术与标准是公开的，而DCS的制造厂商的技术与标准则是各有各的专利，彼此封锁。2．全数字化DCS的主机虽然是数字的，但现场仪表则还是利用了模拟技术，属于模拟仪表，因此DCS是一个数模混合的系统；而FCS则是一个全数字化的系统。四、现场总线控制系统的技术特点3．双向通信4.互可操作性与互用性互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同制造商性能类似的设备可进行更换，实现相互替换。5.现场设备的智能化与功能自治性6.系统结构的高度分散性7.对现场环境的适应性返回FCS相对于DCS具有如下优越性：1．FCS实现全数字化通信五、FCS与DCS的比较2．FCS实现彻底的全分散式控制3．FCS实现不同厂商产品互联、互操作4．FCS增强系统的可靠性、可维护性5．FCS降低系统工程成本返回返回六、现场总线通信协议模型(一)制订标准的机构世界上制订国际标准的机构3个：①国际标准化组织ISO(InternationalStandardOrganization)②国际电工委员会IEC(InternationalElectrotechnicalCommission)③国际电信联盟ITU。另外还有欧洲电工标准化委员会CENELEC，制订欧洲标准EN。国家标准化委员会各国都有制订国家标准的组织，我国制订国家标准GB的组织是全国标准化委员会。制订现场总线标准的机构IEC/TC65/SC65C/WC6七、现场总线的国际标准（二）现有的现场总线国际标准※IEC61158(IEC/TC65/SC65C/WC6制定)测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线，由以下6部分组成：第1部分:导则；第2部分:物理层规范和服务定义；第3部分:数据链路层服务定义；第4部分:数据链路层协议规范；第5部分:应用服务定义；第6部分:应用层协议规范。IEC61158目前包括10种技术类型，其中类型9与类型10是后来加的。①类型1：IEC技术报告(即相当于FF的H1，美国Fisher-Rosemount公司支持)；②类型2：ControlNet(美国Rockwell公司支持)；③类型3：Profibus(德国Siemens公司支持)；④类型4:P-Net(丹麦ProcessData公司支持)；⑤类型5:FFHSE(HighSpeedEthernet美国Fisher-Rosemount公司支持)；⑥类型6:SwiftNet(美波音公司支持)；⑦类型7:WorldFIP(法国Alstom公司支持)；⑧类型8:Interbus(德国PhoenixContact公司支持)；⑨类型9:FF应用层(ApplicationLayer)；⑩类型10:Profinet。※IEC62026(IEC/TCl7/SCl7B)IIEC62026共有4种现场总线。即AS-i、DeviceNet、SDS及Seriplex这4种国际标准，包括5个部分。(1)第1部分:总则。(2)第2部分:AS-i(ActuatorSensorInterface执行器传感器接口，德国Siemens等公司支持)。(3)第3部分：DeviceNet(美国Rockwel1公司支持)。(4)第4部分:SDS(SmartDistributedSystem灵巧式分散型系统，美国Honeywe11公司支持)。(5)第5部分：Seriplex(串联多路控制总线)。※ISO11898与ISO11519CANISO11898(lMbit/s)CANISO11519(125Kbit/s)CAN由德国RobertBosch公司支持，还由IEC/TC22分管电力电子的分技术委员会列为国际标准。※现场总线的国际标准共有12种IEC61158有7种，IEC62026有4种再加上ISO的CAN1种，有12种，至于Lonworks则仅是美国ANSI国家标准。返回（一）CANCAN：控制局域网络(ControlAreaNetwork)德国Bosch公司推出、最早用于汽车内部监测部件与控制部件的数据通信网络。现在己经逐步应用到其他控制领域。成为ISO11898标准。CAN协议是建立在ISO/OSI模型基础上的，采用了OSI底层的物理层、数据链路层和高层的应用层。信号传输介质为双绞线。最高通信速率为lMbps(通信距离40m)，最远通信距离可达l0km(通信速率为5kbps)，节点总数可达110个.CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输的时间短，受干扰的概率低，每帧信息均有CRC校验和其他检错措施，通信误码率极低。八、几种典型的现场总线（二）LonWorksLonWorks：局部操作网络(LocalOperatingNetwork)。由美国Echelon公司研制、于1990年正式公布。采用ISO/OSI模型中完整的七层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置最高通信速率1.25Mbps(通信距离不超过13Om)，最远通信距离为27000m(通信速率为78kbps)，节点总数达32000个网络传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等。信号传输采用可变长帧结构。每帧的有效字节可由0～288个。采用的LonTalk通信协议被封装在Neuron神经元芯片中。（三）PROFIBUSPROFIBUS:过程现场总线(ProcessFieldBus)。德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170规定的现场总线标准。由三个兼容部分组成:PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信系统。按照ISO/OSI参考模型定义了物理层、数据链路层和用户接口；PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使变送器与执行器连接在一根总线上，提供本质安全和总线供电特性。PA采用扩展的PROFIBUS-DP协议，还有现场设备描述的PA行规；PROFIBUS-FMS根据ISO/OSI参考模型定义了物理层、链路层和应用层，其中应用层包含了现场总线报文规范FMS(FieldbusMessageSpecification)和低层接口LLI(LowerLayerInterface).最高通信速率12Mbps(通信距离不超过1OOm)，最大通信距离为1200m(通信速率为9.6kbps)。如采用中继器可延长至1Okm.传输介质可以是双绞线或光缆。每个网络可挂32个节点，如带中继器，最多可挂127个节点。PROFIBUS采用定长或可变长帧结构，定长帧一般为8字节，可变长帧每帧的有效字节数为1～244个。（四）WorldFIPWorldFIP:世界工厂仪表协议(WorldFactoryInstrumentProtocol)。WorldFIP协议按照ISO/OSI参考模型定义了物理层、数据链路层和应用层。采用有调度的总线访问控制。通信速率分别为31.35kbps、lMbps、2.5Mbps，对应的最大通信距离分别为5000m、10OOm、500m；通信介质为双绞线。如果采用光纤，其最大通信距离可达40km。每段现场总线的最大节点数为32个，使用分线盒可连接256个节点。整个网络最多可使用3个中继器，连接4个网段。采用可变长帧结构，每帧的最大字节数为256个。适合于包括TCP/IP在内的各种类型的协议数据单元。(五)HARTHART：可寻址远程传感器数据通路(HighwayAddressableRemoteTransducer)。最早由Rosemount公司开发，得到80多家仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。协议参考了ISO/OSI参考模型的物理层、数据链路层和应用层。主要特点：采用基于Bell202通信标准的频移键控FSK技术。通信速率为12OObps，单台设备的最大通信距离为30OOm，多台设备互连的最大通信距离为1500m.通信介质为双绞线，最大节点数为15个。HART采用可变长帧结构，每帧最长为25个字节，寻址范围为0～15。（六）FFFF:现场总线基金会(FieldbusFoundation)。FF以ISO/OSI参考模型为基础，取其物理层、链路层和应用层为FF通信模型的相应层次，并在此基础上增加了用户层。FF分为低速现场总线和高速现场总线两种通信速率。低速现场总线Hl的传输速率为31.25kbps，高速现场总线HSE的传输速率为10OMbps。Hl支持总线供电和本质安全特性。最大通信距离为1900m(如果加中继器可延长至9500m)，最多可直接连接32个节点(非总线供电)、13个节点(总线供电)、6个节点(本质安全要求)。如果