现场总线

>IEC 61158 的标准现场总线
Type1：IEC 61158 技术报告。
Type2：ControlNet，得到CI组织的支持。
Type3：Profibus，得到PNO组织的支持。
Type4：P - NET，得到该总线用户组织的支持。
Type5：FF - HSE，由FF组织制定。 Type6：Swiftnet，得到美国波音公司的支持。
FF总线的网络结构
操作站 HSE子网
路由器 交换机
其它总线网络
网关
HSE链接设备
HSE链接设备
...
HSE现场设备
H1总线 H1总线
>Profibus
Profibus总线的特点
Profibus包括Profibus-DP、-FMSபைடு நூலகம்-PA，传输 速率9.6Kbps~12Mbps,相应通信距离为1200 ~ 100m,可实现总线供电和本质安全防爆(PA)。
LonWorks技术为用户提供了一个简洁的访问 网络服务工具 实施网络管理任务,其功能为网 络安装、网络维护和网络监控。
LonWorks总线的通信模型
OSI模型 应用层 表示层
作用
网络应用 数据表示 远程传送控制 端对端可靠传输
LON提供的服务
标准网络变量类型
网络变量外部帧传输
请求/响应，认证 应答，非应答，认证 地址，路由
演示
>LonWorks
LonWorks总线的特点
LonWorks采用OSI 的全部7层通信规范，传 输速率300bps~1 .5Mbps,通信距离为2700 m， 它提供完整的开发平台和神经元芯片。 现场控制节点的核心器件是神经元芯片，同 时具备通信和控制功能，一个神经元芯片加 上收发器即可构成典型的现场控制节点。
控制仪表及装置
第八章 现场总线控制系统
第一节 概述
第二节 几种流行的现场总线
第三节 实时工业以太网 第四节 现场总线控制系统
第一节 概述
>什么是现场总线？
它是现场仪表之间以及现场仪表与监控计算 机之间的全数字、串行双向、多站点的开放 型通信系统。 现场总线是数字化、智能化、网络化向现场 设备发展的产物。
Profibus行规 (用户接口)可使不同厂商生产的 零部件互换使用, 从而保证各家厂商的现场设 备的互换性和互操作性。PA 行规包括各种设 备功能、行为的必要规范以及描述各类设备组 态信息的数据单。 Profibus总线协议芯片已形成系列, 有多种集 成芯片可供使用, 以满足不同需要，构成复杂 程度各异的Profibus总线。 Siemens公司的 SPM2单片可用来构成简单的 DP从站, ASPC2可构成DP主站, SIM1与SPC4 可实现PA的功能。
FF总线的通信模型 FF-H1：
用户层（应用程序） 7 6 5 4 3 2 现场总线报文规范子层FMS 现场总线访问子层FAS 通 信 数据链路层 物理层 用户层
栈
物理层
1
物理层规定物理连接性能,符合IEC61158-2标准， 通信栈控制报文在现场总线的传输。链路层通过 LAS来管理对总线的访问，FAS为报文规范子层 提供服务，后者为用户层提供服务和报文格式。
新版本总线标准 是以2003版本为基础，加入 实时以太网解决方案。它共包含14类技术。 IEC 61158新标准于2007年公布。我国具有自 主知识产权的EPA标准被列为61158 Type14。
以下将通过一些流行的现场总线说明特点、 网络结构、通信模型和应用实例。
第二节 几种流行的现场总线
- Foundation Fieldbus - Profibus（Process Fieldbus）
高度分散性：构成一种全分散性的控制 系统结构。
环境适应性：支持各种传输介质、两线制 和本安防爆。
丰富的现场信息和智能化提高了设备诊断、维护、管理能力， 减少卡件、机柜、端子、线缆，节省开支，提高了可靠性。
各行业使用现场总线设备情况
行业 百分比
化工
29%
石油天然气 22%
能源 13%
医药 9%
食品
造纸
Profibus总线的网络结构
PROFIBUS-DP单主站系统
DP主站 PLC或PC 1个DP主站 1~125个从站
Profibus-DP
DP从站
PROFIBUS-DP多主站系统
令牌传递
PLC
主站
计算机
PLC
Profibus-DP
从站
采用主站之间的令牌传递和主从站之间的主、 从通信方式。
DP-V1中的循环和非循环通信
通信协议
有DP-V0、 DP-V1 和DP-V0三种版本 ：
DP-V0 提供DP基本功能，包括主站和从站的 循环数据交换，以及站诊断、模块诊断等。 DP-V1 依据过程自动化的需求提供主、 从站 间的非循环数据交换功能, 用于参数赋值、操 作、现场设备的可视化和报警处理等。 DP-V2 依据驱动技术的需求提供同步从站模 式和从站对从站的通信功能, 通过发布(生产) 者/预定(消费)者的广播 方式进行通信。
Profibus总线的通信模型
应用行规2 应用行规1 通信协议 传输特性
专用应用行规
通用应用行规（可选） PROFIBUS DP-V0~V2 RS 485
(PROFIBUS DP)
IEC 61158-2
(PROFIBUS PA)
传输特性(物理层)的DP采用RS-485通信标准，PA采用 IEC 61158-2(MBP)传输技术。通信协议(数据链路层): 采用DP-V0~V2。应用行规说明各种设备的功能和行为， 有通用和专用应用行规。
为现场仪表提供两种供电方式：非总线供电 和总线供电；支持本质安全防爆，可用于易 燃、易爆的场合。
基于以太网的FF-HSE,在上层与H1基本一致， 在底层则采用了流行的以太网+TCP/IP协议， HSE充分利用现有以太网技术，它满足了最 终用户对互操作性、低成本和高速现场总线 解决方案的要求。
HSE支持H1的所有功能，而且其功能模块中 还包括新的应用于离散和I/O子系统的 “柔性 功能模块”，使用标准语言(IEC 61131)编程。
PROFIBUS PROFIBUS-DP DP-Master 1类主站
令牌
PROFIBUS PROFIBUS-DP DP-Master 2类主站
DP-从站 Publisher
1
(z.B. Lichtgitter)
DP-从站 Publisher
2
(z.B. Lichtgitter)
DP-从站 Publisher
- LonWorks（Local Operating Networks）
- CAN（Control Area Network）
- HART（Highway Addressable Remote T Transducer）
>Foundation Fieldbus
FF总线的特点
用于现场级控制的FF-H1传输速率32.25Kbps, 直接通信距离达1900 m，其现场仪表可完成 检测、变送、调节、计算、报警、故障诊断 等控制与信息处理任务。 FF-H1采用令牌传递的总线控制方式, 令牌传 递由链路活动调度器(LAS) 控制, 以确保信息 传递的及时性。 在应用层之上增加了用户层，用户层的功能 块和设备描述使仪表的现场控制功能与仪表 设备的互操作易于实现。
从2001年开始，现场技术发展的重点已不是 去追求统一标准；而是集中在如何合理应用, 发现并解决问题,切实地推动FCS的实际应用。 同时在推广应用过程中确定不同现场总线的 适用场合、性能价格比等,以实现优化设计。
随着现场总线和工业以太网技术的迅速发展， IEC TC65 /SC65C的两个工作组又研究制定 了新的现场总线标准 61158 和实时以太网标 准61784 -2。
>现场总线的产生和发展
现场总线是企业实现综合自动化、信息化、 管控一体化的需要 。（TQCSE） 高新技术的发展为现场总线的产生奠定了基 础。
现场仪表信号：从模拟→混合→全数字信号
4...20 mA
>现场总线技术特点
开放性：现场总线的一致性、公开性。
互操作与互用性：现场设备间的信息沟通、 互可操作及不同厂家设备的相互替换。 功能自治性：传感测量、补偿计算、信息 处理与控制功能在现场仪表中完成。
教育
材料
其它
9%
4%
3%
3%
8%
现场总线系统的优势
安装
100%
100% 22% 27%
费用可节省40%左右
57% 12% 22%
工程费用engineering
50%
51% 23%
0%
4...20mA PROFIBUS
调试费用commissioning
硬件费用Hardware
硬件
调试
工程
几点说明
现场总线技术是DCS技术的继承和发展，而不 是对DCS的否定或取代。工业上已出现DCS与 现场总线系统混合使用的控制系统。 。
FF-HSE：
用户层 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 FDA TCP/UDP IP IEEE 802.2 IEEE 802.3u
物理层符合IEEE 802.3u标准，数据链路层符合IEEE 802.2规范。 网络层协议是IPV.4 标准， 传输层TCP是面向连接的 协议， UDP是无连接协议。FDA的作用与H1的FMS 相似。
Profibus-DP用于现场控制器与分散I/O之间的 数据通信； Profibus-FMS 用来解决车间级通 信任务，此层将被Ethernet取代；Profibus – PA用于过程自动化, 可连现场变送器、执行器。 Profibus采取主站之间的令牌传递方式和主从 站之间的主、从通信方式。 Profibus-DP允许 构成单主站或多主站系统。
现场总线的优点主要是仪表的智能化、网络化、 控制的分散化等先进技术所带来的好处，而不 单单是节省电缆。 现场总线不能解决企业自动化的所有问题，例 如ESD、MES、ERP等等，而是作为底层网络 与其它自动化装置一起更好地实现企业综合自 动化。
>现场总线标准
现场总线标准的制订工作起步很早，各大集 团公司意见不一，经多年争论，2000年颁布 了涵盖多种规范的总线标准，2003年扩展为 10种类型的现场总线。
MC143150/20 Neuron芯片
EEPROM/ROM (仅对MC143150)
I/O电路 Lon收发器
检测控制 装置
网络介质
LonWorks 使用开放式通信协议 LonTalk, 是 直接面向对象的网络协议, 它发送的报文都是 很短的数据，可靠性、实时性较高。
LonWorks 采用的编程语言 Neuron C 是转为 神经元芯片所设计, 它删除了标准C中一些不 需要的功能, 增加了用于网络操作的语句和内 部函数。
3
(z.B. Lichtgitter)
Slave
循环: 从站1 从站2 1 类主站的 循环访问
Slave
从站3
Slave
从站3
2类主站的 非循环访问
DP-V2中的从站对从站的数据交换
PROFIBUS - DP PROFIBUS-DP Master 1 1 类主站Class
输出数据
通过广播的输入数据
会话层 传输层 网络层
物理层
传输分组
数据链路层 帧传输,介质访问 数据解码,CRC纠错,优先级
工业控制总线标准主要由IEC 的几个技术委 员会负责。IEC TC65 制订了用于工业控制 系统的IEC 61158。目前流行的PROFIBUS、 FF等现场总线也纳入了IEC标准。 IEC TC17B制订了用于低压开关和电气控制 装置的IEC 62026。广为使用的DEVICENET、 AS-I等总线也纳入了IEC标准。
发布者
(e.g. light array)
预订者
(e.g. drive)
预订者
(e.g. drive)
从站
从站
从站
从站对从站通信
通过DP/PA Coupler连接Profibus-PA
主站
PLC
计算机
Profibus-DP DP/PA 耦合器
Profibus-PA
从站
PROFIBUS-PA有树结构、总线结构和两者的 混合结构。
Type7：WorldFIP，属欧洲标准EN50170。
Type8：Interbus，得到Interbus Club支持。 Type9：FF – H1，由FF组织制定。
Type10：Profinet，得到PNO组织的支持。
由上可知, IEC 61158标准考虑到各种不同的 需求，一些大公司和集团也能以此为基础再 图发展，开拓市场。 实际上，目前在工业自动化领域使用较多的 是FF、PROFIBUS、ControlNet 和 Interbus， 以及未被纳入61158标准的一些现场总线。