现场总线技术概述

第二节 现场总线的概念及分类 一、现场总线的定义
用于现场仪表与控制主机系统之间的一种开放的、全 数字化的、双向、多站的通信系统； 广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置进行双 向数字通信的串行总线系统； IEC定义：一种应用于生产现场，在现场设备之间、 现场设备与控制装置之间进行双向、串行、多节点、 数字式的数据交换的通信技术。
第一章 现场总线技术概述
主要内容
第一节 现场总线的产生 第二节 现场总线的概念及分类 第三节 现场总线的特点和优点 第四节 现场总线标准的制定 第五节 现场总线的现状
第一节 现场总线的产生
在过程控制领域： 从20世纪50年代至今的信号标准：4-2OmA （0-5V）的 模拟信号。 20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，进行 集中式控制处理。 20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，嵌入到 各种仪器设备，形成分布式(DCS)控制系统。
二、几种典型的现场总线介绍
WorldFIP 成立于1987年3月，是以法国几个公司为基础，开 发了FIP（工厂仪表协议）现场总线系列产品。到 目前为止，WorldFIP协会拥有100多个成员，这些 成员生产300多个WorldFIP现场总线产品。 WorldFIP产品在法国市场占有率大于60％，在欧 洲市场占有大约25％的份额。这些产品广泛用于发 电及输配电、加工制造自动化、铁路运输过程自动 化等领域，1996年6月成为欧洲标准EN50170第3 卷。
二、几种典型的现场总线介绍
FF（Fundation Fieldbus）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％。
二、几种典型的现场总线介绍
FF（Fundation Fieldbus）基金会现场总线
二、几种典型的现场总线介绍
DeviceNet DeviceNet是一种低成本的现场总线链路，将工业 设备（如：限位开关、光电传感器、阀组、电动机 起动器、过程传感器、条形码读取器、变频驱动 器、面板显示器和操作员接口）连接到网络，从而 免去了昂贵的硬接线。DeviceNet是一种简单的网 络解决方案，在提供多供货商同类部件间的可互换 性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成 本和时间。DeviceNet的直接互连性不仅改善了设 备间的通信，而且同时提供了相当重要的设备级诊 断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。
二、几种典型的现场总线介绍
FF（Fundation Fieldbus）基金会现场总线
FF的协议结构 FF应用了ISO/OSI模型的第一层、第二层和 第七层，再在应用层上加上了用户层。FF的 物理层符合IEC1158－2标准。
二、几种典型的现场总线介绍
FF（Fundation Fieldbus）基金会现场总线
二、几种典型的现场总线介绍
CAN（Controller Area Network） ③ 应用情况 CAN目前主要用于汽车、公共交通的车辆、机器 人、液压系统及分散型I/O五大行业。此外AllenBradley以及Honeywell在CAN基础上发展了特殊 的应用层，组成了AB公司的Device Net和Honey Well公司的SDS（智能分散系统）现场总线。由于 CAN的帧短，速度快，可靠性强，比较适合用于开 关量控制的场合。
二、几种典型的现场总线介绍
CAN（Controller Area Network）
①CAN的协议结构 采用ISO/OSI模型的第一层、第二层和第七 层。
二、几种典型的现场总线介绍
CAN（Controller Area Network） ②CAN的特点
• 废除传统的站地址编码而代之以对通信数据块进行编码。 • 采用双绞线，通信速率高达1Mbps/40m，直接传输距离最 远可达10km/5kbps。可挂设备最多可达110个。 • 信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个，因而传 输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自 动关闭的功能，以切断该接点与总线的联系，使总线上的 其他接点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。 • CAN支持多主站方式，网络上任何接点均可在任何时刻主 动向其它接点发送信息，支持点对点，一点对多点和全局 广播方式接收/发送数据。
H1低速现场总线 • 31.25Kbps • 2～32个设备/段 • 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
二、几种典型的现场总线介绍
WorldFIP 传输媒体可以是屏蔽双绞线或光纤。 传输速率为： 31.25K bps用于过程控制；1M bps 用于加工制造系统；2.5M bps用于驱动系统。 标准速率为1M bps，使用光纤时最高速率可达5M bps。 目前WorldFIP的总线产品有法国Schneider公司的 Modicon-TBXplc系统；ALSTHOM公司的S－900 SCADA系统等。
FF特点 由于世界上一些大的仪表公司都参加了FF， 因此FF开发的现场总线产品在品种与性能上 都能满足过程控制的要求，而且使用方便。
二、几种典型的现场总线介绍
PROFIBUS现场总线 PROFIBUS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，从而可以在有爆炸危险的区域内连接 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。
二、几种典型的现场总线介绍
DeviceNet DeviceNet总线技术具有网络化、系统化、开放式 的特点，DeviceNet总线的组织机构是“开放式设备 网络供货商协会”，简称“ODVA”（Open DeviceNet Vendor Association）。ODVA是一个 独立组织，管理DeviceNet技术规范，促进 DeviceNet在全球的推广与应用。ODVA实行会员 制，会员分供货商会员（Vendor members）和分 销商会员（Distributor member）。ODVA现有供 货商会员300多个，其中包括ABB、Rockwell、 Phoenix Contacts、Omron等几乎所有世界著名的 电器和自动化元件生产商。
二、几种典型的现场总线介绍
PROFIBUS现场总线
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。据调查， PROFIBUS已赢得了43％的德国市场，以及 大约41％的欧洲市场。目前各主要的自动化 设备生产厂均为其所生产的设备提供 PROFIBUS接口。
二、几种典型的现场总线介绍
CAN（Controller Area Network）
CAN是由Robert Bosch公司为汽车制造工业 而开发的，是开放的通讯标准，包括ISO/OSI 模型的第一层和第二层，由不同的制造者扩展 第七层，CIA（CAN in Automation）组织发 展了一个CAN应用层（CAL）并由此规定了器 件轮廓，可联网互操作的CAN控制器件。
二、几种典型的现场总线介绍
PROFIBUS现场总线 B. 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。
二、几种典型的现场总线介绍
二、几种典型的现场总线介绍
WorldFIP
用WorldFIP构成的系统分为三级，即过程 级、控制级和监控级。用单一的WorldFIP总 线可以满足过程控制、工厂制造加工系统和 各种驱动系统的需要。 WorldFIP的协议结构是由ISO/OSI模型的第 一层、第二层和第七层构成。其中第一层物 理层符合IEC1158－2标准。
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二、几种典型的现场总线介绍
PROFIBUS现场总线 协议结构
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，因而这两套系统可在 同一根电缆上同时操作。
二、几种典型的现场总线介绍
PROFIBUS现场总线 PROFIBUS有三个部分组成：
PROFIBUS-FMS（Field Message Specification）：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（Decentralized Periphery）：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（Process Automation）：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用双绞线进行总线供电和数据通信。
二、几种典型的现场总线介绍
PROFIBUS现场总线 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。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。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。
随着微处理器的发展和广泛应用，产生了以 微处理器为核心，实施信息采集、显示、处 理、传输及优化控制等功能的智能设备。 一些数字式智能化仪表产品，其本身具备了 诸如自动量程转换、自动调零、自校正、自 诊断等功能，还能提供故障诊断、历史信息 报告、状态报告、趋势图等功能。
通信技术的发展，促使传送数字化信息的网络技术 开始得到广泛应用。与此同时，基于质量分析的维护 管理、与安全相关的测试记录、环境监视需求的增 加，都要求仪表能在当地处理信息，并在必要时允许 被管理和访问，这些也使现场仪表与上级控制系统的 通信量大增。 从实际应用性能的角度出发，控制界也不断在控制 精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新 需求。由此，逐步产生了现场总线。
二、几种典型的现场总线介绍
PROFIBUS现场总线
传输技术
用于DP和FMS的RS485传输 用于PA的IEC1158－2传输 光纤
二、几种典型的现场总线介绍
PROFIBUS现场总线 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
PROFIBUS现场总线
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信号转换成光信号或将光信号转换成 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。