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十种工业现场总线网络


现场总线
http://baike.baidu.com/view/592856.htm

定义: 是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现 场的智能化仪器仪表、 控制器、 执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和 高级控制系统之间的信息传递问题 。 主要用于: 制造业、 流程工业、 交通、 楼宇、 电力等方面的自动化系统中。 2003 年 4 月, IEC61158 Ed.3 现场总线标准第 3 版正式成为国际标准,规定 10 种类型的现场总线。 Type 1 TS61158 现场总线 Type 2 ControlNet 和 Ethernet/IP 现场总线 Type 3 Profibus 现场总线 Type 4 P-NET 现场总线 Type 5 FF HSE 现场总线 Type 6 SwiftNet 现场总线 Type 7 World FIP 现场总线 Type 8 Interbus 现场总线 Type 9 FF H1 现场总线 Type 10 PROFInet 现场总线 现场总线的技术特征 (1) 全数字化通信 (2) 开放型的互联网络 (3) 互可操作性与互用性 (4) 现场设备的智能化 (5) 系统结构的高度分散性 (6) 对现场环境的适应性 现场总线的特点: 现场控制设备具有通信功能,便于构成工厂底层控制网络。通信标准的公开、一致,使 系统具备开放性, 设备间具有互可操作性。 功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有 互换性。控制功能下放到现场,使控制系统结构具备高度的分散性。 现场总线的优点 现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列,为其应用开拓了更为广阔的领域; 一对双绞线上可挂接多个控制设备,便于节省安装费用; 节省维护开销; 提高了系统的可靠性; 为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。 现场总线技术的发展趋势 从现场总线技术本身来分析, 它有两个明显的发展趋势: 一是寻求统一的现场总线国际 标准。二是 Industrial Ethernet 走向工业控制网络。统一、开放的 TCP/IP Ethernet 是 20 多年来发展最成功的网络技术 ,过去一直认为,Ethernet 是为 IT 领域应用而开发的,它与 工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距,在工业自动化领域 只能得到有限应用。事实上,这些问题正在迅速得到解决,国内对 EPA 技术(Ethernet for Process Automation)也取得了很大的进展。 随着 FF HSE 的成功开发以及 PROFInet 的推广应用,可以预见 Ethernet 技术将会十

分迅速地进入工业控制系统的各级网络。 工业以太网的发展 国际上形成的工业以太网技术的四大阵营: 主要用于离散制造控制系统的是: Modbus-IDA 工业以太网 Ethernet/IP 工业以太网 PROFInet 工业以太网 主要用于过程控制系统的是: Foundation Fieldbus HSE 工业以太网 随着科学技术的快速发展,过程控制领域在过去的两个世纪里发生了巨大的变革。150 多年前出现的基于 5-13psi 的气动信号标准(PCS,Pneumatic Control System 气动控制 系统) ,标志着控制理论初步形成,但此时尚未有控制室的概念; 20 世纪 50 年代,随着基于 0-10mA 或 4-20mA 的电流模拟信号的模拟过程控制体 系被提出并得到广泛的应用, 标志了电气自动控制时代的到来, 三大控制论的确立奠定了现 代控制的基础,设立控制室、控制功能分离的模式也一直沿用至今; 20 世纪 70 年代, 随着数字计算机的介入, 产生了 “集中控制” 的中央控制计算机系统, 而信号传输系统大部分是依然沿用 4-20mA 的模拟信号,不久人们也发现了伴随着“集中 控制” ,该系统存在着易失控、可靠性低的缺点,并很快将其发展为分布式控制系统(DCS, Distributed Control System 分布式控制系统) ; 微处理器的普遍应用和计算机可靠性的提高, 使分布式控制系统得到了广泛的应用, 由 多台计算机和一些智能仪表以及智能部件实现的分布式控制是其最主要的特征, 而数字传输 信号也在逐步取代模拟传输信号。 随着微处理器的快速发展和广泛的应用, 数字通信网络延 伸到工业过程现场成为可能,产生了以微处理器为核心,使用集成电路代替常规电子线路, 实施信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。设备之间彼此通信、控 制,在精度、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更高的要求。由此,导致了现场总线的 产生。 现场总线的实质和优点 1984 年, 现场总线的概念得到正式提出。 (International Electrotechnical Commission, IEC 国际电工委员会)对现场总线(Fieldbus)的定义为:现场总线是一种应用于生产现场,在 现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。 不同的机构和不同的人可能对现场总线有着不同的定义, 不过通常情况下, 大家公认现 场总线的本质体现在以下六个方面: 现场通信网络 用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。 现场设备互联 依据实际需要使用不同的传输介质把不同的现场设备或者现场仪表相互关联。 互操作性 用户可以根据自身的需求选择不同厂家或不同型号的产品构成所需的控制回路, 从而可 以自由地集成 FCS。 分散功能块 FCS 废弃了 DCS 的输入/输出单元和控制站, 把 DCS 控制站的功能块分散地分配给 现场仪表, 从而构成虚拟控制站,彻底地实现了分散控制。 通信线供电 通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量, 这种方式提供用于本质安全

环境的低功耗现场仪表, 与其配套的还有安全栅。 开放式互联网络 现场总线为开放式互联网络,既可以与同层网络互联,也可与不同层网络互联,还可以 实现网络数据库的共享。 从以上内容我们可以看到,现场总线体现了分布、开放、互联、高可靠性的特点,而这 些正是 DCS 系统的缺点。DCS 通常是一对一单独传送信号,其所采用的模拟信号精度低, 易受干扰,位于操作室的操作员对模拟仪表往往难以调整参数和预测故障,处于“失控”状 态,很多的仪表厂商自定标准,互换性差,仪表的功能也较单一,难以满足现代的要求,而 且几乎所有的控制功能都位于控制站中。FCS 则采取一对多双向传输信号,采用的数字信 号精度高、可靠性强,设备也始终处于操作员的远程监控和可控状态,用户可以自由按需选 择不同品牌种类的设备互联,智能仪表具有通信、控制和运算等丰富的功能,而且控制功能 分散到各个智能仪表中去。由此我们可以看到 FCS 相对于 DCS 的巨大进步。 也正是由于 FCS 的以上特点使得其在设计、安装、投运到正常生产都具有很大的优越 性:首先由于分散在前端的智能设备能执行较为复杂的任务,不再需要单独的控制器、计算 单元等,节省了硬件投资和使用面积;FCS 的接线较为简单,而且一条传输线可以挂接多 了设备,大大节约了安装费用;由于现场控制设备往往具有自诊断功能,并能将故障信息发 送至控制室,减轻了维护工作;同时,由于用户拥有高度的系统集成自主权,可以通过比较 灵活选择合适的厂家产品; 整体系统的可靠性和准确性也大为提高。 这一切都帮助用户实现 了减低安装、使用、维护的成本,最终达到增加利润的目的。 现场总线的现状 由于各个国家各个公司的利益之争, 虽然早在 1984 年国际电工技术委员会/国际标准协 会(IEC/ISA)就着手开始制定现场总线的标准,至今统一的标准仍未完成。很多公司也推 出其各自的现场总线技术, 但彼此的开放性和互操作性还难以统一。 目前现场总线市场有着 以下的特点: 多种现场总线并存 目前世界上存在着大约四十余种现场总线,如法国的 FIP,英国的 ERA,德国西门子 公司 Siemens 的 ProfiBus,挪威的 FINT,Echelon 公司的 LONWorks,PhenixContact 公 司的 InterBus,RoberBosch 公司的 CAN,Rosemounr 公司的 HART,CarloGarazzi 公司 的 Dupline, 丹麦 ProcessData 公司的 P-net, PeterHans 公司的 F-Mux, 以及 ASI Actratur ( Sensor Interface) ,MODBus,SDS, Arcnet, 国际标准组织-基金会现场总线 FF:FieldBus Foundation,WorldFIP,BitBus,美国的 DeviceNet 与 ControlNet 等等。这些现场总线大 都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域,大 概不到十种的总线占有80%左右的市场。 各种总线都有其应用的领域 每种总线大都有其应用的领域,比如 FF、PROFIBUS-PA 适用于石油、化工、医药、 冶金等行业的过程控制领域;LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet 适用于楼宇、交通 运输、农业等领域;DeviceNet、PROFIBUS-DP 适用于加工制造业,而这些划分也不是绝 对的,每种现场总线都力图将其应用领域扩大,彼此渗透。 每种现场总线都有其国际组织和支持背景 大多数的现场总线都有一个或几个大型跨国公司为背景并成立相应的国际组织, 力图扩 大自己的影响、得到更多的市场份额。比如 PROFIBUS 以 Siemens 公司为主要支持,并成 立了 PROFIBUS 国际用户组织 WorldFIP 以 Alstom 公司为主要后台,成立了 WorldFIP 国 际用户组织。 多种总线成为国家和地区标准

为了加强自己的竞争能力, 很多总线都争取成为国家或者地区的标准, 比如 PROFIBUS 已成为德国标准,WorldFIP 已成为法国标准等。 设备制造商参与多个总线组织 为了扩大自己产品的使用范围,很多设备制造商往往参与不止一个甚至多个总线组织。 各个总线彼此协调共存 由于竞争激烈, 而且还没有哪一种或几种总线能一统市场, 很多重要企业都力图开发接 口技术,使自己的总线能和其他总线相连,在国际标准中也出现了协调共存的局面。 工业自动化技术应用于各行各业, 要求也千变万化, 使用一种现场总线技术也很难满足 所有行业的技术要求; 现场总线不同于计算机网络, 人们将会面对一个多种总线技术标准共 存的现实世界。技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约;技术标准不仅是一个 技术规范,也是一个商业利益的妥协产物。而现场总线的关键技术之一是彼此的互操作性, 实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。 主流现场总线简介 下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。 1. 基金会现场总线(Foundation Fieldbus 简称 FF) 这是以美国 Fisher-Rousemount 公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等 80 家公司制定的 ISP 协议和以 Honeywell 公司为首的联合欧洲等地 150 余家公司制定的 WorldFIP 协议于 1994 年 9 月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用,具有 良好的发展前景。 基金会现场总线采用国际标准化组织 ISO 的开放化系统互联 OSI 的简化模型(1,2, 7 层) ,即物理层、数据链路层、应用层,另外增加了用户层。FF 分低速 H1 和高速 H2 两 种通信速率,前者传输速率为 31.25Kbit/秒,通信距离可达 1900m,可支持总线供电和本 质安全防爆环境。后者传输速率为 1Mbit/秒和 2.5Mbit/秒,通信距离为 750m 和 500m,支 持双绞线、光缆和无线发射,协议符号 IEC1158-2 标准。FF 的物理媒介的传输信号采用曼 切斯特编码。 2. CAN(Controller Area Network 控制器局域网) 最早由德国 BOSCH 公司推出,它广泛用于离散控制领域,其总线规范已被 ISO 国际 标准组织制定为国际标准,得到了 Intel、Motorola、NEC 等公司的支持。CAN 协议分为二 层:物理层和数据链路层。CAN 的信号传输采用短帧结构,传输时间短,具有自动关闭功 能,具有较强的抗干扰能力。CAN 支持多主工作方式,并采用了非破坏性总线仲裁技术, 通过设置优先级来避免冲突,通讯距离最远可达 10KM/5Kbps/s,通讯速率最高可达 40M /1Mbp/s,网络节点数实际可达 110 个。目前已有多家公司开发了符合 CAN 协议的通信芯 片。 3. LonWorks 它由美国 Echelon 公司推出,并由 Motorola、Toshiba 公司共同倡导。它采用 ISO/OSI 模型的全部7层通讯协议, 采用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。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质,通讯速率从 300bit/s 至 1.5M/s 不等,直接通信距离可达 2700m(78Kbit/s) ,被誉为通用控制网络。Lonworks 技术采用的 LonTalk 协议被封装到 Neuron (神经元) 的芯片中, 并得以实现。 采用 Lonworks 技术和神经元芯片的产品,被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、 交通运输、工业过程控制等行业。 4. DeviceNet DeviceNet 是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案, 有着开放的网络标 准。 DeviceNet 具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵

地功能。DebiceNet 基于 CAN 技术,传输率为 125Kbit/s 至 500Kbit/s,每个网络的最大节点 为 64 个,其通信模式为:生产者/客户(Producer/Consumer) ,采用多信道广播信息发送 方式。位于 DeviceNet 网络上的设备可以自由连接或断开,不影响网上的其他设备,而且 其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet 总线的组织结构是 Open DeviceNet Vendor Association(开放式设备网络供应商协会,简称“ODVA”。 ) 5. PROFIBUS PROFIBUS 是德国标准(DIN19245)和欧洲标准(EN50170)的现场总线标准。由 PROFIBUS--DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA 系列组成。DP 用于分散外设间高 速数据传输,适用于加工自动化领域。FMS 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低 压开关等。PA 用于过程自动化的总线类型,服从 IEC1158-2标准。PROFIBUS 支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS 的传输速率为 9.6Kbit/s 至 12Mbit/s,最大传输距离在 9.6Kbit/s 下为 1200m,在 12Mbit/s 小为 200m,可 采用中继器延长至 10km,传输介质为双绞线或者光缆,最多可挂接 127 个站点。 6. HART HART 是 Highway Addressable Remote Transducer 的缩写,最早由 Rosemount 公司 开发。 其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信, 属于模拟系统向数字系统转变 的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层,支持点对点主从应答方式 和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和,难以开发通用的通信接口芯片。HART 能 利用总线供电, 可满足本质安全防爆的要求, 并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主 设备的双主设备系统。 7. CC-Link CC-Link 是 Control & Communication Link(控制与通信链路系统)的缩写,在 1996 年 11 月,由三菱电机为主导的多家公司推出,其增长势头迅猛,在亚洲占有较大份额。在 其系统中,可以将控制和信息数据同是以 10Mbit/s 高速传送至现场网络,具有性能卓越、 使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题,同时具有 优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link 是一个以设备层为主的网络,同时也可覆盖较高层次的 控制层和较低层次的传感层。2005 年 7 月 CC-Link 被中国国家标准委员会批准为中国国家 标准指导性技术文件。 8. WorldFIP WorkdFIP 的北美部分与 ISP 合并为 FF 以后, WorldFIP 的欧洲部分仍保持独立,总部 设在法国。其在欧洲市场占有重要地位,特别是在法国占有率大约为 60%。WorldFIP 的特 点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求, 而且没有任何网关或网桥, 用软件 的办法来解决高速和低速的衔接。WorldFIP 与 FFHSE 可以实现“透明联接” ,并对 FF 的 H1 进行了技术拓展, 如速率等。 在与 IEC61158 第一类型的连接方面, WorldFIP 做得最好, 走在世界前列。 9. INTERBUS INTERBUS 是德国 Phoenix 公司推出的较早的现场总线,2000 年 2 月成为国际标准 IEC61158。INTERBUS 采用国际标准化组织 ISO 的开放化系统互联 OSI 的简化模型(1, 2,7 层) ,即物理层、数据链路层、应用层,具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。其 采用集总帧型的数据环通信,具有低速度、高效率的特点,并严格保证了数据传输的同步性 和周期性;该总线的实时性、抗干扰性和可维护性也非常出色。INTERBUS 广泛地应用到 汽车、烟草、仓储、造纸、包装、食品等工业,成为国际现场总线的领先者。 此外较有影响的现场总线还有丹麦公司 Process-Data A/S 提出的 P-Net,该总线主要 应用于农业、林业、水利、食品等行业;SwiftNet 现场总线主要使用在航空航天等领域,还

有一些其他的现场总线这里就不再赘述了。 现场总线的发展和以太网 现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成,几乎涵盖了所有连续、离散工 业领域,如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。它的出现和快速 发展体现了控制领域对降低成本、 提高可靠性、 增强可维护性和提高数据采集的智能化的要 求。现场总线技术的发展体现为两个方面:一个是低速现场总线领域的不断发展和完善;另 一个是高速现场总线技术的发展。 而目前现场总线产品主要是低速总线产品, 应用于运行速 率较低的领域,对网络的性能要求不是很高。从实际应用状况看,大多数现场总线,都能较 好地实现速率要求较低的过程控制。因此,在速率要求较低的控制领域,谁都很难统一整个 市场。 就目前而言,由于 FF 基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商,其全球影响力 日益增加,但其在中国市场营销力度似乎不足,市场份额不是很高,LonWorks 形成了全面 的分工合作体系,在国内有一些实质性的进展,在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品 等方面,LonWorks 则具有独特的优势。在离散制造加工领域,由于行业应用的特点和历史 原因,Profibus 和 CAN 经在这一领域形成了自己的优势,具有较强的竞争力。国内厂商的 规模相对较小,研发能力较差,更多的是依赖技术供应商的支持,比较容易受现场总线技术 供应商 (芯片制造商等)对国内的支持和市场推广力度的影响。而且,还有一个不可忽视的 一点就是在构建自动化管理系统时,选择的上位机,比如组态软件对总线设备的支持程度, 有些监控组态软件,比如紫金桥监控组态软件或者 InTouch 等对一些主流的总线设备比如 Lonworks、PROFIBUS、CAN 等有着良好的支持,通过 DDE、OPC 或者直接连接等方式 进行通讯,采集数据。这样可以方便用户的选择,而一些组态软件则支持的种类较少,是用 户选择的范围也随之减少。 由于目前自动化技术从单机控制发展到工厂自动化 FA,发展到系统自动化。工厂自动 化信息网络可分为以下三层结构:工厂管理级、车间监控级、现场设备级,而现场总线是工 厂底层设备之间的通信网络。这里先介绍一下以太网,本文特指工业以太网,工业以太网是 作为办公室自动化领域衍生的工业网络协议,按习惯主要指 IEEE 802.3 协议,如果进一步 采用 TCP/IP 协议族,则采用“以太网+TCP/IP”来表示,其技术特点主要适合信息管理、 信息处理系统,并在 IT 业得到了巨大的成功。 在工厂管理级、车间监控级信息集成领域中,工业以太网已有不少成功的案例,在设备 层对实时性没有严格要求场合也有许多应用。由于现场总线目前种类繁多,标准不一,很多 人都希望以太网技术能介入设备低层, 广泛取代现有现场总线技术, 施耐德公司就是该想法 的积极倡导者和实践者,目前已有一批工业级产品问世和实际应用。可是就目前而言,以太 网还不能够真正解决实时性和确定性问题, 大部分现场层仍然会首选现场总线技术。 由于技 术的局限和各个厂家的利益之争, 这样一个多种工业总线技术并存, 以太网技术不断渗透的 现状还会维持一段时间。用户可以根据技术要求和实际情况来选择所需的解决方案。
Type 10 PROFInet 现场总线(Baidu 的原文缺失这一部分,下一段内容摘自别的网站)

PROFInet 简介
出处:微特科技 作者:微特科技 微特科技 2005-1-30 17:46:51 http://www.wtau.com/article_view.asp?id=61

前言:PROFINET 是 PROFIBUS 国际组织(PI)为自动化制定的开放的工业以太网标 准。PROFINET 基于工业以太网,符合 TCP/IP 和 IT 标准。 PROFINET 包括下列概念和内容:

PROFIBUS 国际(PI ,PNO 在德国)开发的工业以太网标准 基于工业以太网 利用 TCP/IP 和 IT 标准 可实现与现场总线系统的无缝集成 多层次的实时概念 1. 分散式现场设备(PROFINET IO) 简单的现场设备使用 PROFINET IO 集成到 PROFINET,并用 PROFIBUS DP 中熟悉 的 IO 来描述。这种集成的本质特征是使用分散式现场设备的输入和输出数据,然后由 PLC 用户程序进行处理。PROFINET IO 模型与 PROFIBUS DP 中的模型类似,设备属性用基于 XML 的描述文件(GSD)来描述。在组态过程中将分散式现场设备分配给一个控制器。这 样过程数据就能在控制器和现场设备间交换。 2. 分布式自动化 典型的分布式自动化系统由几个子单元组成, 这些子单元作为工艺技术模块可以自治地 运行,通过可管理的一系列同步化、顺序控制和信息交换信号协调它们的相互作用。 PROFINET 组件模型使用这样的工艺技术模块作为基础。这些工艺技术模块由下面几 部分组成:机械部分、电子部分和控制程序。通过使用在 IT 领域已获成功的组件技术,工 艺技术模块的全部功能封装在一个相关的软件组件中。对这样的一个组件建模为一个对象, 并视其为一个黑匣子。 定义外在的组件接口是为了与分布式系统内部的组件通信。 以这种方 式设计的分布式自动化系统是成套装备和机器模块化的前提, 从而可重复使用该成套装备和 机器的组件。 3. 通信 PROFINET 通信有不同的层次。对时间要求并不苛刻的参数、组态数据和互联信息通 过基于 TCP/UDP 和 IP 标准通道在 PROFINET 中传输。 这是满足自动化网络与其他网络连 接的先决条件。被称为 RealTime(RT)的实时通道在工厂生产中传输实时过程数据。该通 道在基于控制器的软件中运行。对于运动控制(如包装机械,印刷机械) ,使用等时同步实 时技术(IRT) ,可使时钟抖动小于 1?s。 4. 网络安装 PROFINET 网络安装起源于以太网在工业环境中的特殊需要。“PROFINET 安装向导” 给工厂结构工程师和操作者提供安装以太网和相关电缆的简单规则。“安装向导”将设备接口 的明确规范提供给设备制造商。 5. IT 集成 网络管理包括以太网中 PROFINET 设备的功能管理。这包括设备组态,网络管理和网 络诊断。在网页集成中,PROFINET 充分利用以太网基本技术,通过标准的 Internet 技术 获得 PROFINET 组件的使用权。为了保持与其他系统的连接,PROFINET 支持 OPC DA 和 DX。 6. 现场总线集成 PROFINET 的一个重要特点是可以把其他现场总线如 PROFIBUS DP 无缝集成到 PROFINET 上,从而极大保护了设备制造商、成套装置或机器制造商和终端用户的投资。

十种类型现场总线的体系结构
2005-07-19 08:44:05
http://www.ccw.com.cn/cio/research/info/htm2005/20050719_08JZ8.asp

按照国际电工委员会 IEC/SC65C 的定义,安装在制造或过程区域的现场装置与控制室 内的自动控制装置之间的数字式、 串行和多点通信的数据总线称为现场总线。 根据使用场合

和用途不同, 现场总线又分为 H1 低速现场总线和 H2 高速现场总线。 IEC/SC65C 最初定义 H1 总线为用于制造或过程区域的、通过两根传输线向现场装置供电的低速串行总线,H2 总线为无需解决两线制供电,用于装置间传送信息的高速串行总线。H1 和 H2 总线相辅相 成构成了完整的工业自动化系统信息通信网络。 经过长达 15 年的争论, IEC61158 用于工业控制系统的现场总线国际标准于 2000 年初 终于获得通过, 现场总线之争逐渐随之退潮, IEC/SC65C/WG6 现场总线标准委员会到此也 完成了历史使命。为了进一步完善 IEC61158 标准,IEC/SC65C 成立了 MT9 现场总线修订 小组,继续这方面的工作。MT9 工作组在原来 8 种类型现场总线的基础上不断完善扩充, 于 2001 年 8 月制定出由 10 种类型现场总线组成的第三版现场总线标准,它们是:Type1 TS61158 现场总线、Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 现场总线、Type3 Profibus 现场总 线、Type4 P-NET 现场总线、Type5 FF HSE 现场总线、Type6 Swift-Net 现场总线、Type7 WorldFIP 现场总线、Type8 INTERBUS 现场总线、Type9 FF H1 现场总线以及 Type10 PROFInet 现场总线,该标准于 2003 年 4 月成为正式国际标准。限于篇幅,本文对 10 种 类型总线做概要论述,并简单综述上述总线近三年来的最新进展。 1 Type1 TS61158 现场总线 Type1 现场总线标准由以下部分构成: PhL:IEC61158-2:1993 标准的超集(Superset) ; Foundation Fieldbus 的超集; WorldFIP 的功能超集; DLL:IEC TS61158-3,TS61158-4; Foundation Fieldbus 的超集; WorldFIP 的功能超集; AL:IEC TS61158-5,TS61158-6。 1998 年之前,IEC/SC65C 只推荐一种类型的现场总线,该总线主要采纳 Foundation Fieldbus 总线和 WorldFIP 总线基本技术,并严格按照 IEC 定义制定现场总线标准,由于各 种原因,经过多轮投票未获通过,只能按规定成为技术报告 TS61158,以此为基础形成了 现在的 Type1 现场总线。国际电工委员会推荐的通用现场总线网络结构如图 1 所示,从图 中可以看出现场总线系统可以支持各种工业领域的信息处理、 监视和控制系统, 用于过程控 制传感器、执行器和本地控制器之间的低级通信,可以与工厂自动化的 PLC 实现互连。在 这里,H1 现场总线主要用于现场级,其速率为 31.25Kbps,负责两线制向现场仪表供电, 并能支持带总线供电设备的本质安全;H2 现场总线主要面向过程控制级、监控管理级和高 速工厂自动化的应用,其速率 为 1Mbps,2.5Mbps 和 100Mbps。 2 Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 现场总线 由 ControlNet International(CI) 组织负责制定的 Type2 现场总 线标准由以下部分组成: PhL 和 DLL:ControlNet; AL:Control Net 和 Ethernet/IP。 图 1 通用现场总线网络结构 Type2 现场总线系统体系结构如图 2 所示。ControlNet 采用一种新的通信模式,即生

产者/客户(Producer/Consumer)模式,这种模式允许网络上的所有节点,同时从单个数 据源存取相同的数据,其主要特点是增强了系统的功能,提高了效率和实现精确的同步。网 络的媒体送取,通过限制时间存取算法来控制,即采用并行时间域多路存取(CTDMA)方 法,在每个网络刷新间隔(NUI)内调节节点的传送信息机会。

图 2 Type2 现场总线系统体系结构 Ethernet/IP 以太网工业协议是一种开放的工业网络,它使用有源星形拓扑结构,可以 将 10Mbps 和 100Mbps 产品混合使用。该协议在 TCP/UDP/IP 之上附加控制和信息协议 (CIP) ,提供一个公共的应用层。CIP 的控制部分用于实时 I/O 报文,其信息部分用于报文 交换。ControlNet 和 Ethernet/IP 都使用该协议通信,分享相同的对象库、对象和设备行规, 使得多个供应商的设备能在上述整个网络中实现即插即用。 对象的定义是严格的, 在同一种 网络上支持实时报文、组态和诊断。为了提高工业以太网的实时性能,ODVA(开放的 DeviceNet 供应商协会)于 2003 年 8 月公布了 IEEE1588“用于 Ethernet/IP 实时控制应用 的时钟同步”标准。 3 Type3 Profibus 现场总线 Type3 现场总线得到 Profibus 用户组织 PNO 的支持,德国西门子公司则是 Profibus 产品的主要供应商。Profibus 系列由三个兼容部分组成,即 Profibus-DP、Profibus-FMS 和 Profibus-PA 三条总线构成。为了提高 Profibus 总线性能,近几年 PNO 推出了新版本的 Profibus-DP-V1 和 Profibus-DP-V2, 同时逐步取消 Profibus-FMS 总线。 扩展的 Profibus-DP 现场总线体系结构如图 3 所示,Profibus-DP 特别适用于设备级自动控制系统与分散 I/O 之 间高速通信。Profibus-PA 专为过程自动化设计,它能够将变送器和执行器连接到一根公共 总线, 使用两根线就可以完成供 电和数据通信, 并能实现本质安 全性能。以此为基础,扩展的 DP 功能 DPV1 进一步完善了 Profibus-PA 功能;DPV2 解决 了从站之间的通信与时间同步 等重大问题。 Profibus-DPV1 主要是增 加了非循环服务, 并扩大了与 2 类主站的通信。众所周知, Profibus-DP 性能的特征是在 循环连接 (Mscy-C1) 的基础上

应用数据交换服务,实现一个主站和一系列从站之间集中的数据交换。1 类主站指 PLC、 PC 或控制器。 类主站指操作员站和编程器等。 2 DPV1 扩展了上述功能, 在已有的 Mscy-C1 连接基础上,增加了非循环服务,利用新的服务可以对从站中任何数据组进行读写。过去, 2 类主站只能利用 DP 从站的无连接服务,现在则可通过面向连接的通信对数组进行非循环 读写,同时为进入因特网通信扩充了功能。 Profibus-DPV2 可以实现循环通信、非循环通信以及从站之间的通信。由于从站之间可 直接通信,通信时间缩短 1 个 DP 总线周期和主站周期, 从而使反应时间缩短 60%至 90%, 同时建立了等时间间隔的总线循环周期,其时间偏差小于 1μs,即适用于高精度定位控制, 又可实现闭环控制。DPV2 可根据不同的应用需要开发专用行规(profile) ,如用于运动控 制的 ProfiDrive 和用于联锁保护的 ProfiSafe 等。 4 Type4 P-NET 现场总线 P-NET 现场总线由丹麦 Process-Data Sikebory Aps 公司从 1983 年开始开发, 主要应 用于啤酒、食品、农业和饲养业,它得到 P-NET 用户组织的支持,在现场大约有 5000 多 个应用系统。

图 4 Type4 P-NET 现场总线体系结构 P-NET 现场总线是一种多主站、多网络系统,图 4 给出了 P-NET 系统的体系结构。总 线采用分段结构, 每个总线分段上可以连接多个主站, 主站之间通过接口能够实现网上互连, 它允许在几个总线区直接寻址,无需递阶网络结构。该总线通信协议包括 1、2、3、4 和 7 层,并利用信道机构定义用户层。通信采用虚拟令牌(virtual token)传递方式,主站发送 一个请求,被寻址的从站在 390μs 内立即返回一个响应,只有存放到从站内存中的数据才 可被访问。每个站节点都含有一个通用的单芯片微处理机,配套的 2KB EPROM 不仅可用 作通信,而且可用于测量、标定、转换和应用功能。P-NET 接口芯片执行数据链路层的所 有功能,第 3 层和第 4 层的功能由宿主处理器中的软件解决。该总线物理层基于 RS-485 标准,使用屏蔽双绞线电缆,传输距离 1.2km,应用 NRZ 编码异步传输。 5 Tpye5 FF HSE 现场总线 1998 年,美国 Fieldbus Foundation(FF)基金会决定采用高速以太网(High Speed Ethernet,HSE)技术开发 H2 现场总线,作为现场总线控制系统控制级以上通信网络的主 干网,它与 H1 现场总线整合构成信息集成开放的体系结构,图 5 给出了系统结构。HSE 网络遵循标准的以太网规范, 并根据过程控制的需要适当增加了一些功能, 但这些增加的功 能可以在标准的 Ethernet 结构框架内无缝地进行操作,因而 FF HSE 总线可以使用当前流 行的商用(COTS)以太网设备。100Mbps 以太网拓扑是采用交换机形成星形连接,这种

交换机具有防火墙功能,以阻断特殊类型的信息出入网络。HSE 使用标准的 IEEE802.3 信 号传输,标准的 Ethernet 接线和通信媒体。设备和交换机之间距离,使用双绞线为 100 米, 光缆可达 2 千米。HSE 使用连接装置(LD)连接 H1 子系统,LD 执行网桥功能,它允许就 地连在 H1 网络上的各现场设备,以完成点对点对等通信。HSE 支持冗余通信,网络上的 任何设备都能作冗余配置。 FF HSE 的 1~4 层由现有的以太网、TCP/IP 和 IEEE 标准所定义,HSE 和 H1 使用同 样的用户层, 现场总线信息规范 (FMS) H1 中定义了服务接口, 在 现场设备访问代理 (FDA) 为 HSE 提供接口。用户层规定功能模块、设备描述(DD) 、功能文件(CF)以及系统管理 (SM) 。FF 规范 21 种功能模块供基本的和先进的过程控制使用。FF 还规定了新的柔性功 能模块(FFB) ,用以进行复杂的批处理和混合控制应用,FFB 支持数据采集的监控,子系 统接口、事件顺序、多路数据采集、PLC 和其他协议通信的网间连接器。

图 5 Type5 FF HSE 现场总线体系结构 6 Type6 SwiftNet 现场总线 Type6 SwiftNet 现场总线由美国 SHIP STAR 协会主持制定, 得到美国波音公司的支持, 主要用于航空和航天等领域。该总线是一种结构简单、实时性高的总线,协议仅包括物理层 和数据链路层。 SwiftNet 现场总线采用分层总 线式拓扑结构,其通信体系结构如图 6 所示。 物理层传送速率为 5Mbps,此时每秒传 送 105 个 不 同 的 报 文 。 总 线 使 用 TDMA (Slotted time division multiple access)槽路 时间片多路送取方式,提供专用高速、低抖动 同步通道和按要求指定的通道。 专用通道适用 于自动状态数据的分配或交换; 按要求指定的 通道则适用于非调度报文。 TDMA 方式是将总 线上的时间分割为相等长度间隔,称作槽路, 只有当总线上的站分配到槽路时, 它才能监听 和发送。每个站还能根据所占的比例,协调总 线访问、数据传输和接收数据。 图 6 Type 6 SwiftNet 现场总线体系结构 SwiftNet 总线的节点(从站)通过 I/O 通道连接智能传感器,由于航空航天领域对传感 器和执行器要求高,该总线开始使用符合 IEEE1451.1 和 IEEE1451.2 标准的网络传感器。

IEEE1451.2《用于传感器和执行器的智能转换器接口》标准是一个开放的标准,它在控制 网络和传感器之间定义一个标准接口, 从而使网络传感器成为现场总线系统现场级的数字化 传感器, 并使用户可以根据自己的需要选择不同厂家生产的智能传感器, 实现真正意义上的 即插即用。 7 Type7 WorldFIP 现场总线 1987 年成立的 WorldFIP 协会制定并大力推广 Type7 WorldFIP 现场总线。WorldFIP 协议是 EN50170 欧洲标准的第三部分,物理层采用 IEC61158.2 标准,其产品在法国占有 60%市场,在欧洲占有大约 25%份额,它广泛应用于发电与输配电、加工自动化、铁路运 输、地铁和过程自动化领域。 WorldFIP 现场总线体系结构如图 7 所示,系统分为三级,即过程级、控制级和监控级。 它能满足用户各种需要,适合于各种类型的应用结构,集中型、分散型和主站/从站型。用 单一的 WorldFIP 总线满足过程控制、工厂制造加工和各种驱动系统的需要。为了适应低成 本的要求,开发了低成本的 Device WorldFIP(DWF)总线,它是设备一级网络,能很好适 应工业现场的各种恶劣环境,并具有本质安全防爆性能,可以实现多主站与从主站的通信。

图 7 Type7 WroldFIP 现场总线体系结构 WorldFIP 协议由物理层、数据链路层和应用层组成。数据链路层采用总线裁决方式, 在任何一个给定瞬间,仅有一个站可以执行总线裁决功能,它使用一个 ID-DAT 帧在总线上 广播一个标识,连接到总线上所有站的链路层同时记录 ID-DAT 帧,仅有一站被识别为标识 的生产者,其它站仅作为使用者。应用层提供 MPS 和 SubMMS 服务,MPS 是工厂周期/ 非周期服务,SubMMS 则是工业报文的子集。 8 Type8 INTERBUS 现场总线 Type8 INTERBUS 现场总线由德国 Phoenix Contact 公司开发, INTERBUS Club 俱乐 部支持。INTERBUS 在全球有 1000 多家总线设备生产商,提供 2500 多种产品,到目前为 止,INTERBUS 在全球自动化领域已有 50 多万套应用系统得到广泛应用。 INTERBUS 现场总线是一种开放的串行总线,可以构成各种拓扑形式,并允许有 16 级 嵌套连接方式。该总线最多可挂 512 个现场设备,设备之间的最大距离 400 米,无需中继 器网络的最大距离为 12.8 公里。INTERBUS 总线包括远程总线和本地总线,远程总线用于 远距离传送数据,采用 RS-485 传输,网络本身不供电,通信速率为 500Kbps 和 2Mbps。 INTERBUS 有自己独特的环路结构,环路使用标准电缆同时传送数据和电源。环路可以连 接模拟、数字设备甚至复杂的传感器/执行器,也允许直接接入智能终端仪表。

图 8 Type8 INTERBUS 现场总线体系结构 协议包括物理层、 数据链路层和应用层。 数据链路层采用面向过程数据的传输方法及集 总帧协议,可以传输循环过程数据和非循环数据,帧信息包括一个启动信号、回送信息、数 据安全/结束信息。集总帧具有非常高的传输效率,其效率高达 52%,尽管 INTERBUS 通 信速率为 500Kbps 和 2Mbps,通信速度和效率很高。应用层服务用于实现实时数据交换、 VFD 支持、变量访问、程序调用和 12 个相关的服务。 INTERBUS 总线有很强的监视诊断功能, 总线监控功能监视整个网络系统的运行状态, 同时也提供总线网络的变结构功能, 能及时根据设计要求, 关断和连接总线的某个子总线段。 监控功能是现场安装、调试、诊断和维护的有力工具。具体功能是识别和确定安装错误和部 件错误,现场总线模块具有输入/输出的状态显示,在调试时可设置输出状态,以及可以保 存某些智能设备的参数。 为了提高工业网络的安全性, 以满足制造业和过程工业自动化故障安全通信的要求, 特 别是在汽车制造业中具有安全总线的功能被放在首位。 INTERBUS 俱乐部从 1999 年开始进 行 INTERBUS 安全总线研究,在 2001 年得到了德国 BIA 组织 EN954-1 KAT.4 标准的许可 证明,并符合 IEC61508 安全通信标准。INTERBUS 的安全总线由一个 Safe Control 控制 模块和现场分散式智能模块组成, 控制模块的唯一功能就是控制安全数据。 这种解决方案优 于其它方案,它将控制系统与安全总线的功能截然分开,控制系统机构清晰简单,不影响今 后的扩展和修改,成本明显降低。这是现场总线的一个发展方向。 9 Type9 FF H1 现场总线 H1 现场总线是由 FF 现场总线基金会负责制定的。FF 基金会成员由世界著名的仪表制 造商和用户组成,其成员生产的变送器、DCS、执行器、流量仪表占世界市场的 90%,它 们对过程控制现场工业网络的功能需求了解透彻, 在过程控制方面积累了丰富的经验, 提出 的现场总线网络架构较为全面,其通信体系结构如图 9 所示。Type9 现场总线是 Type1 现

场总线的子集。 FF H1 现场总线协议由物理层、数 据链路层、应用层以及考虑到现场装置 的控制功能和具体应用而增加的用户层 组成。 总线支持多种传输媒体:双绞 H1 线、电缆、光缆和无线媒体。传输速率 为 31.25Kbps,通信距离最大为 1 900 米。该总线支持总线供电和本质安全。 图 9 Type 9 FF H1 现场总线体系结构 数据链路层负责实现链路活动调 度、数据的接收发送、活动状态的响应、 总线上各设备间的链路时间同步等。 这里, 总线访问控制采用链路活动调度器 (LAS) 方式, LAS 拥有总线上所有设备的清单,由它负责总线段上各设备对总线的操作。 现场总线应用层由现场总线访问 (FAS) 子层和现场总线报文规范(FMS)子层构成。 FAS 子层提供发布者/预订者、客户机/服务器和报告分发三种模式的报文服务。FMS 子层提供对 象字典(OD)服务、变量访问服务和事件服务等。现场总线用户层具有标准功能块(FB) 和装置描述功能。标准规定 32 种功能块,现场装置使用这些功能块完成控制策略。由于装 置描述功能包括描述装置通信所需的所有信息, 并且与主站无关, 所以可使现场装置实现真 正的互操作。 10 Type10 PROFI net 现场总线 PNO 组织于 2001 年 8 月发表了 PROFInet 规范。 PROFInet 将工厂自动化和企业信息 管理层 IT 技术有机地融为一体,同时又完全保留了 Profibus 现有的开放性。 PROFInet 现场总线体系结构如图 10 所示,从图中看出,该方案支持开放的、面向对 象的通信,这种通信建立在普遍使用 的 Ethernet TCP/IP 基础上, 优化的通 信机制还可以满足实时通信的要求。 基于对象应用的 DCOM 通信协议是 通过该协议标准建立的。以对象的形 式表示的 PROFInet 组件根据对象协 议交换其自动化数据。自动化对象即 COM 对象作为 PDU 以 DCOM 协议定 义的形式出现在通信总线上。连接对 象活动控制(ACCO)确保已组态的 互相连接的设备间通信关系的建立和 数据交换。 传输本身是由事件控制的, ACCO 也负责故障后的恢复,包括质 量代码和时间标记的传输、连接的监 视、连接丢失后的再建立以及相互连 接性的测试和诊断。 图 10 Type10 PROFInet 现场总线体系结构 Profibus 可以通过代理服务器(Proxy)很容易地实现与其它现场总线系统的集成,在该 方案中,通过代理服务器将通用的 Profibus 网络连接到工业以太网;通过以太网 TCP/IP 访 问 Profibus 设备是由 Proxy 使用远方程序调用和 Microsoft DCOM 进行处理的。 PROFInet 提供工程设计工具和制造商专用的编程和组态软件,使用这种工具可以从控

制器编程软件开发的设备来创建基于 COM 的自动化对象,这种工具也将用于组态基于 PROFInet 的自动化系统, 使用这种独立于制造商的对象和连接编辑器可减少 15%的开发时 间。 结束语 10 种 类 型 现 场 总 线 采 用 完 全 不 同 的 通 信 协 议 。 Type1 采 用 LAS 方 式 和 Publisher/Subscriber 模式;Type2 ControlNet 使用 CTDMA 方法和 Producer/Consumer 模式,Ethernet/IP 使用 Ethernet TCP/IP 协议;Type3 是令牌环和主站/从站方式;Type4 通信采用虚拟令牌传递方式;Type5 采用 CSMA/CD 方式和 Ethernet TCP/IP 协议;Type6 使用 TDMA 多路存取方式;Type7 使用总线裁决方式;Type8 采用整体帧协议;Type9 采 用 LAS 方式和 Publisher/Subscriber 模式;Type10 使用 Ethernet TCP/IP 协议。 从以上论述可以看出, 十种类型现场总线体系结构和通信协议都不相同, 但对 Ethernet TCP/IP 工业以太网技术用于 H2 高速现场总线基本达成共识,Ethernet/IP、FF HSE 和 PROFInet 工业以太网技术事实上已成为国际标准。 据了解,IEC61158 标准的维护期为 2007 年 12 月 31 日,就是说在此之前不会增加新 的现场总线,对目前标准内的现场总线也不会做修改。由此可见,现场总线系统的体系结构 和格局已经基本确定, 工业以太网和现场总线在系统中的定位已经明确, 它们两者之间的关 系见表 1。 表 1 工业以太网与现场总线关系

表中列出了当前工业以太网技术的 4 个主要竞争者, HSE、 FF EtherNet/IP 和 PROFInet 现场级都有自己的现场总线,这种格局今后不会改变。Phoenix Contacts 公司 Type8 INTERBUS 采用的 IDA 工业以太网技术发展很快,并将工业以太网延伸到现场 I/O 级,同 时 Modbus TCP/IP 协议已被提交国际因特网工程特别工作组(IETF) ,希望这个协议能成 为工业因特网协议标准。为了使此项工作加速推进,MODBUS 组织和 IDA 组织于 2003 年 10 月底宣布合并。国内也正在开展工业以太网的开发工作,浙大中控技术有限公司开发的 EPA 工业以太网已经延伸到现场一级,并在化工厂获得成功试用。 现场总线的长期争论使人们逐渐认识到, 数字技术的统一完全不同于模拟技术, 现场总 线控制系统的统一之路应该充分吸收 Internet 技术实现统一的成功经验,面向市场,不断创 新, 建立一个具有互操作性的工业以太网网络, 最终为工业自动化创建一个统一的信息平台。 来源:e-works (网页编辑:秋月)


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