第12章 现场总线控制系统概论

六、FF
• FF是现场总线基金会（Fieldbus Foundation）的缩写。 • 现场总线基金会是国际公认的惟一不附属于某企业的、非商业 化的国际标准化组织。其宗旨是制定单一的国际现场总线标准。 • FF协议的前身是以美国Fisher-Rosemount公司为首、联合欧洲等 地的150家公司制定的World FIP协议。迫于用户的压力，支持 ISP和World FIP的两大偏转于1994年9月握手言和，成立了现场 总线基金会FF。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，基金会现场总线分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H1的传输速率为31.25kbps，高速现场 总线HSE的传输速率为100Mbps，H1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)。如果加中继器最多可连接240个节点。 通信介质为双绞线、光缆或无线电。
第二节 几种典型的现场总线
• • • • • • 一、CAN 二、LonWorks 三、PROFIBUS 四、WorldFIP WorldFIP 五、HART 六、FF
一、CAN
• CAN是控制局域网络（Control Area Network）的缩写， 它由德国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。现在已逐步应用至其他领 域。 • CAN规范现已被国际标准化组织采纳，成为ISO11898标 准。CAN协议也是建立在ISO/OSI模型基础上的，它采用 了OSI底层的物理层、数据链路层和高层的应用层，其 信号传输介质为双绞线。最高通信速率为1Mbps（通信 距离40m），最远通信距离可达10km（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。CAN 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能， 这时故障节点与总线脱离，使其他节点的通信不受影响。
第12章 现场总线控制系统概论
本章内容
• 第一节 什么是现场总线 • 第二节 几种典型的现场总线 • 第三节 现场总线控制系统的构成
第一节 什么是现场总线
• 现场总线(Fieldbus)是用于过程自动化或制造中 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（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。
五、HART
• HART是可寻址远程传感器数据通路（Highway Addressable Remote Transducer） 的缩写。最早由Rosemount公司开发，得到80多家仪表 公司的支持，并于1993年成立了HART通信基金会。HART协议参考了 ISO/OSI参考模型的物理层、数据链路层和应用层。其主要特点是采用 基于Bell202通信标准的频移键控FSK技术。在现有的4~20mA模拟信号 上叠加FSK数字信号，以1200Hz的信号表示逻辑1，以2200Hz的信号表 示逻辑0，通信速率1200bps,单台设备的最大通信距离为3000m，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。当 地址为0时，处于4~20mA与数字通信兼容状态。而当地址为1~15时， 则处于全数字状态。HART协议的应用层规定了三类命令：第一类是通 用命令，适用于遵循HART的所有产品；第二类称为普通命令，适用于 遵循HART协议的大多数产品；第三类称为特殊命令，适用于遵循 HART协议的特殊设备。另外HART还为用户提供了设备描述语言DDL （Device Description Language）。
• PROFIBUS采用定长或可变长帧结构，定长 帧一般为8节节，可变长帧每帧的有效字节 数为1~244个。近年来，多家公司联合开发 PROFIBUS通信系统的专用集成电路芯片， 目前已经能将PROFIBUS-DP协议全部集成在 一块芯片之中。如，被称为PROFIBUS控制 器的SPC3芯片、主站控制器PBM芯片、从站 控制器PBS01芯片等。
四、WorldFIP
• WorldFIP意为世界工厂仪表协议(World Factory Instrument Protocol)。最初由Cegelec等法国公司在原有 通信技术的基础上根据用户的要求所制定，随后即成为 法国标准，后又采纳了IEC物理层国际标准(IEC61158-2)， 并命名为WorldFIP。WorldFIP是欧洲现场总线标准50170 －3。WorldFIP组织成立于1987年，目前包括有ALSTOM、 Schneider、Honeywell等世界著名大公司在内的100多个 Schneider Honeywell 100 成员。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。WorldFIP采用有调度的总线访问 控制。通信速率分别为31.35kbps、1Mbps、2.5Mbps， 对应的最大通信距离为5000m、1000m、500m，其通信 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。整个网络最多可以使用3个中继器， 连接4个网段。
第三节 现场总线控制系统的构成
• FCS分为三类： • 一类是由现场设备和人机接口的两层结构 的FCS; • 另一类是由现场设备、控制站和人机接口 组成的三层结构的FCS; • 还有一类是由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
图1 具有两层结构的现场总线控制系统
三、PROFIBUS
• PROFIBUS是过程现场总线(Process Field Bus)的缩写。它是德国 国家标准DIN 19245和欧洲标准EN 50170所规定的现场总线标准。 PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBU-DP、PROFIBUS-PA和 PROFIBUS-FMS。其中PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信系统。 它按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，并提供本质安全和总线供电特性。PROFIBUS-PA采 用扩展的PROFIBUS-DP协议，另外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提出报文规范FMS(Fieldbus Message Specification)和低层接口LLI(Lower Layer Interface)，最 高通信速率为12Mbps(通信距离不超过100m)，最大通信距离为 1200m(通信速率为9.6kbps)。如果采用中继器可延长至10km， 其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。
• （4）分散功能块 现场总线控制系统把功能块 分散到现场仪表吕执行，因此了传统的DCS系统中 的过程控制站。如：现场总线变送器除了具有一般 变送器的功能之外，还可以运行PID控制功能块和输 出特性补偿块，甚至还可以实现阀门特性自校验和 阀门故障自诊断功能。 • （5）现场总线供电 现场总线除了传输信息之 外，还可以完成为现场设备供电的功能。总线供电 不仅简化了系统的安装布线，而且还可以通过配套 的安全栅实现本质安全系统，为现场总线控制系统 在易燃易爆环境中应用奠定了基础。
• （3）互操作性 现场设备种类繁多，一个 制造商可能不能提供一个工业生产过程所需要 的全部设备。另外，用户也不希望受制约于某 一个制造商。这样，就有可能在一个现场总线 控制系统中连接多个制造商生产的设备。所谓 互操作性是指来自不同厂家的设备可以相互通 信，并且可以在多厂家的环境中完成功能的能 力。它体现在：用户可以自由地选择设备，而 这种选择独立于供应商、控制系统和通信协议； 制造讷具有增加新的、有用的功能的能力；不 需要专有协议和特殊定制驱动软件和升级软件。
• FF采用可变长帧结构，每帧的有效字节数为0~251个。 目前已经有Smar、Fuji、National、Semiconductor、 Siemens、Yokogawa等12家公司可以提供FF的通信芯 片。 • 目前，全世界已有120多个用户和制造商成为现场 总线基金会的成员。基金会董事会囊括了世界上最 主要的自动化设备供应商。基金会成员所生产的自 动化设备占世界市场的90%以上。基金会强调中立 与公正。所有的成员均可参加规范的制订和评估， 所有的技术成果由基金会拥有和控制。由中立的第 三方负责产品的注册和测试等，因此，基金会现场 总线具有一定的权威性、广泛性和公正性。
பைடு நூலகம்
二、LonWorks
• Lon Works是局部操作网络（Local Operating Network）的缩写。 它由美国Echelon公司研制，于1990年正式公布的现场总线网络。 它采用了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， 其最高通信速率为1.25Mbps(通信距离不超130m)，最远通信距 离为27000M（通信速率为78kbps），节点总数可达32000个。 网络的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。 • Lon Works的信号传输采用可变长帧结构。每帧的有效字节可由 0~288个。Lon Works所采用的Lon Talk通信协议被封装在称之为 Neuron的神经元芯片中。芯片中有3个8位CPU，一个用于实现 ISO/OSI模型中的第1层和第2层的功能，称为媒体访问控制处理 器；第二个用于完成3~6层的功能，称为网络处理器；第三个对 应于第7层，称为应用处理器。芯片中还具有信息缓冲区，以实 现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。
• 现场总线的本质含义表现在如下几个方面： • （1）现场通信网络 现场总线作为一种数 字式通信网络一直延伸到生产现场中的现场设 备，使过去采用点到点式的模拟量信号传输或 开关量信号的单向并行传输变为多点一线的驭 向串行数字式传输。 • （2）现场设备互连 现场设备是指位于生 产现场的传感器、变送器和执行器等。这些现 场设备可能通过现场总线直接在现场实现互连， 相互交换信息。而在DCS系统中，现场设备之 间是不能直接交换信息的。
二、具有三层结构的FCS
图2 具有三层结构的现场总线控制系统
三、由DCS扩充而成的现场总线控制系统
图3 由DCS扩充而成的现场总线控制系统
• WorldFIP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。WorldFIP可以提供 各种专用通信芯片，如具有总线仲裁器功 能的FULLFIP2、具有总线仲裁器功能且支持 双处理器结构的FIPIU2，及无总线仲裁功能 的MICROFIP等。
• （6）开放式互连网络 现场总线为开放 式互联网络，既可与同层网络互联，也可 与不同层网络互联。现场总线协议是一个 完全开放的协议，它不像DCS那样采用封闭 的、专用的通信协议，而是采用公开化、 标准化、规范化的通信协议。这意味着来 自不同厂家的现场总线设备，只要符合现 场总线协议就可通过现场总线网络连接成 系统，实现综合自动化。