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现场总线汇集与比较


现场总线
2010 年 11 月 4 日

一、概述................................................................................................................................... 2 1、IEC61158 介绍 ........................................................................................................... 2 2、部分现场总线比较 ..................................................................................................... 2 二、部分现场总线简介 ........................................................................................................... 3 1、RS422 .......................................................................................................................... 3 2、RS485 .......................................................................................................................... 3 3、CAN ............................................................................................................................ 3 4、Ethernet/IP .................................................................................................................. 4 5、ControlNet................................................................................................................... 4 6、LonWorks .................................................................................................................... 4 7、EIB .............................................................................................................................. 5 8、Interbus........................................................................................................................ 5 9、Profibus ....................................................................................................................... 6 10、Profinet ...................................................................................................................... 6 11、FF HSE ...................................................................................................................... 7 12、P-net .......................................................................................................................... 7 13、CC-Link .................................................................................................................... 7 14、DeviceNet.................................................................................................................. 8 三、总结................................................................................................................................... 8

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一、概述
1、IEC61158 介绍 IEC61158 是国际电工委员会 IEC(International Electrotechnical Commission)的现场总线 标准。目前,IEC61158 现场总线标准已经发展了一系列的标准,最新版本为 IEC61158-6-20 (2007 年发布) ,总共有 20 种现场总线加入该标准,如表 1.1 所示。 作为工业控制系统的现场总线标准的 IEC 61158,由国际电工委员会 IEC SC65C“测量 和控制的数字数据通信”分技术委员会的 WG6 工作组与美国仪表学会 ISA 下 SP50 工作组 组织联合制定的,1984 年起草,1999 年最后一轮投票通过,长达 14 年多。
表 1.1 IEC61158 收录的 20 种现场总线

2、部分现场总线比较 表 2 是部分现场总线的比较(部分数据无从查证或未查到) 。
表 2 部分通信总线比较 总线协议 RS422 RS485 CAN Ethernet/IP ControlNet LonWorks EIB Interbus 最大速率 10Mbps 10Mbps 1Mbps/40 米 100Mbps 5Mbps 1.25Mbps 9.6kbps 500kbps 最大距离 1200 米/100kbps 1200 米/100kbps 10000 米/5kbps 100 米 6000 米 2700 米/78kbps 1000 米 1200 米 500kbps 12Mbps 100 米速率 发布时间 总线数 节点数 电气特性 1Mbps 1Mbps 1990 年 1984 年 1991 年 32 0~+24V 1997 年 99 127 64 1983 年 1986 年 4 2/4 2 10 32 110 -6V~+6V -6V~+6V 0~+5V

Profibus 12Mbps/100 米 1200 米/9.6kbps FF HSE Profinet P-net CC_Link 2.5Mbps 100Mbps 76.8kbps 10Mbps 1900 米/31.25kbps 100 米 1200 米 1200 米

76.8kbps 10Mbps 500kbps

1983 年 1996 年

125

DeviceNet 500kbps/100 米 500 米/125kbps

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二、部分现场总线简介
本文主要以现场总线为基础, 介绍几种常用的远程通信总线。 文中的最大传输距离只表 示不经过中继器的单次传输距离。 1、RS422 最大传输速率 10Mbps 最大传输距离 1200 米,传输速率 100kbps RS422 由 RS232 发展而来,改进了 RS232 通信距离短、速度低的缺点,采用差动传输。 差动工作是同速率条件下传输距离远的根本原因,这正是它与 RS232 的根本区别,因为 RS232 是单端输入输出。 RS422 四线接口由于采用单独的发送和接收通道, 因此不必控制数据方向。RS422 的最 大传输距离为 4000 英尺(约 1219 米) ,最大传输速率为 10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传 输速率成反比,在 100kbps 速率以下,才可能达到最大传输距离,只有在很短的距离下才能 获得最高速率传输。一般 100 米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为 1Mb/s。RS422 需要终接电阻,要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电阻, 即一般在 300 米以下不需终接电阻,终接电阻接在传输电缆的最远端。 2、RS485 最高传输速率 10Mbps 最大传输距离 1200 米,传输速率 100kbps 其性能与 RS422 基本相同。 RS485 有两线制和四线制两种接线,四线制只能实现点对点的通信方式,很少采用,现 在多采用的是两线制接线方式, 这种接线方式为总线式拓扑结构, 在同一总线上最多可以挂 接 32 个结点。表 3 是 RS232、RS422 和 RS485 的参数比较。
表 4 RS232、RS422 和 RS485 比较 规定 工作方式 节点数 最大传输电缆长度 最大传输速率 最大驱动输出电压 接收器输入电压范围 接收器输入门限 RS232 单端 1发1收 15 米 20kbps +/-25V +/-15V +/-3V RS422 差分 1 发 10 收 1200 米 10Mbps -0.25V~+6V -10V~+10V +/-200mV R485 差分 1 发 32 收 1200 米 10Mbps -7V~+12V -7V~+12V +/-200mV

3、CAN 最大传输速率 1Mbps,传输距离 40 米 最大传输距离 10000 米,传输速率 5kbps 控制器局域网(Controller Area Network,简称 CAN)最初是德国 Bosch 公司于 1983 年 为汽车应用而开发的, 一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络, 属于现场总 线( FieldBus )的范畴。 1993 年 11 月, ISO 正式颁布了控制器局域网 CAN 国际标准 (ISO11898) ,为控制器局域网标准化、规范化推广铺平了道路。目前它已经成为国际上应 用最广泛的开放式现场总线之一。

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CAN 总线特点:具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点; 采用双线串行通信方式, 检错能力强, 可在高噪声干扰环境中工作; 具有优先权和仲裁功能, 多个控制模块通过 CAN 控制器挂到 CAN-bus 上,形成多主机局部网络;可根据报文的 ID 决定接收或屏蔽该报文; 可靠的错误处理和检错机制; 发送的信息遭到破坏后, 可自动重发; 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能; 报文不包含源地址或目标地址, 仅用标 志符来指示功能信息、优先级信息。

4、Ethernet/IP 最大传输速率 10,100,1000Mbps 最大传输距离 100 米 工业以太网协议(Ethernet/IP)是由 ODVA 所开发, 并得到了罗克韦尔自动化的强大支持。 它使用已用于 ControlNet 和 DeviceNet 的控制和信息协议 (CIP) 为应用层协议。 CIP 提供了一系列标准的服务,提供“隐式”和“显示”方式对网络设备中的数据进行 访问和控制。CIP 数据包必须在通过以太网发送前经过封装,并根据请求服务类型而赋予一 个报文头。这个报文头指示了发送数据到响应服务的重要性。通过以太网传输的 CIP 数据 包具有特殊的以太网报文头,一个 IP 头、一个 TCP 头和封装头。封装头包括了控制命令、 格式和状态信息、同步信息等。这允许 CIP 数据包通过 TCP 或 UDP 传输并能够由接收方解 包。相对于 DeviceNet 或 ControlNet,这种封装的缺点是协议的效率比较低。以太网的报文 头可能比数据本身还要长,从而造成网络负担过重。因此,EtherNet/IP 更适用于发送大块的 数据(如程序),而不是 DeviceNet 和 ControlNet 更擅长的模拟或数字的 I/O 数据。 EtherNet/IP 技术参数 网络规模:可构成几乎无限规模的网络 网络长度:10/100 Base-T = 100m 通讯速度:10, 100, 1000Mbps 5、ControlNet 最大传输速率 5Mbps 最大传输距离 6000 米 控制网国际有限公司(Control Net International,Ltd.)是 1997 年 7 月由 Rockwell 等 22 家 企业发起成立,是个非赢利独立组织,主要负责向全世界推广 ControlNet 技术(包括测试软 件) 。 ControlNet 是一种实时、 控制层的网络, 用于传输时间要求很高的 I/O 数据和报文数据, 还包括程序和配置的上载和下载, 以及在单个物理媒介链路上的对等报文。 由于具有确定性 和可重复性,ControlNet 的高速控制(5Mbps)和数据能力可明显增强 I/O 和对等通讯性能。 ControlNet 技术指标 网络规模:最多 48 个节点。 网络长度:1000m (同轴电缆)/ 5Mbps;1000m 2 个节点,250 m 48 个节点;3000m (光 纤)/5Mbps; 6、LonWorks 最大传输速率 1.25Mbps 最大传输距离 2700 米,传输速率 78kbps LonWorks 是美国 Echelon 公司 1992 年推出的局部操作网络, 最初主要用于楼宇自动化,
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但很快发展到工业现场网。LonWorks 技术为设计和实现可互操作的控制网络提供了一套完 整、开放、成品化的解决途径,正在被越来越多的厂商、用户、集成商以及技术人员所认同。 它的对等性、平坦性、开放性、可互操作性等特点,可在各个领域得到越来越广泛的应用。 LonWorks 网络真正为控制系统提供了一套完整的解决方案。如同计算机系统,控制系 统。LonWorks 网络提出了一些非常简单的主张--控制系统基本上可以不考虑应用;网络化 的控制系统比非网络化的系统更加强大、 灵活和可扩展; 从长期考虑网络化系统可比非网络 化的系统节约更多的成本。 LonWorks 技术指标 网络规模:32,000 节点/域 网络长度:2000m,78kbps

7、EIB 最大传输速率 9.6kbps 最大传输距离 1000 米 EIB( European Installation Bus ) ,是电气布线领域使用范围最广的行业规范和产品 标准。于 2007 年正式成为中国国标 GB/Z20965-2007。 EIB 最大的特点是通过单一多芯 电缆替代了传统分离的控制电缆和电力电缆,并确保各开关可以互传控制指令,因此总 线电缆可以以线型、树型或星型铺设,方便扩容与改装。 1990 年 5 月, 110 多个欧洲电气制造商联合成立了 European Installation Bus Association, 总部设于比利时的布鲁塞尔, 并制订了欧洲安装总线规范 European Installation Bus。 据统计, 在德国的商业功能建筑和大型超市中,大约 30%的楼宇都不同程度地安装了 EIB 系统,而 在计划建造的楼宇中,这一比例则达到了 60%。鉴于其优秀表现,该协议已被美国消费电 子制造商协会(CEMA)吸收作为家庭网络 EIA-776 标准。经过十多年的发展,EIB 不仅成 为事实上的欧洲规范,并在 2000 年在 IEC 国际现场总线标准大会上提名为国际标准之一。 EIB 系统的基本结构是支线 (Line) , 一条支线可以接 64 个元件, 通过线路耦合器 (Line Coupler)最多可以 15 条支线连接为一个区域(Area) ,而通过干线耦合器(Backbone Line Coupler)可以将 15 个区域连接成一个最大的系统。因此 EIB 系统最大可以容纳高达 14400 的元件,而可控制的用电设备点数更是惊人。

8、Interbus 最大传输速率 500kbps 最大传输距离 1200 米 INTERBUS 总线于 1984 年推出, 其主要技术开发者为德国的 Phoenix Contact 公司。 InterBus 是一个传感器/调节器总线系统, 特别适用于工业用途, 能够提供从控制级设备至底 层限定开关的一致的网络互联。INTERBUS 作为 IEC61158 标准之一,广泛地应用于制造 业和机器加工行业中,用于连接传感器 /执行器的信号到计算机控制站,是一种开放的 串行总线系统。 INTERBUS 总线包括远程总线网络和本地总线网络,两种网络传送相同的信号但电平 不同。远程总线网络用于远距离传送数据,采用 RS-485 传输,网络本向不供电,远程网络 采用全双工方式进行通讯,通讯速率为 500k/s。本地总线网络连接到远程网络上,网络上的 总线终端 BT(BUS Terminal)上的 BK 模块负责将远程网络数据转换为本地网络数据。 INTERBUS 是为快速传感器/执行器在工业环境中传输过程数据而设计的。由于其传输 方式和环形拓扑,Interbus 具有诸多优异性能,例如:速度快、周期性和过程数据的等时传
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输。优化的诊断功能最大程度减小了维护周期,易于处理和安装(即插即用),还有在必要的 时候可以使用光纤技术。 Interbus 技术指标 网络规模:最大 512 个节点 网络长度:两个远程总线站之间为 400m,采用 RS-485 方式为 13km

9、Profibus 最大传输速率 12Mbps,传输距离 100 米 最大传输距离 1200 米,传输速率 9.6kbps 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(IEC1158-2,1993 年通过) , EX 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。 传输距离与传输速率:
波特率 (kbps) 距离/段 (m) 9.6 1200 19.2 1200 93.8 1200 187.5 1000 500 400 1500 200 12000 100

Profibus 技术参数 网络规模:最多 126 个节点 网络长度:100-1200m 10、Profinet 最大传输速率 100Mpbs 最大传输距离 100 米 PROFINET 由 PROFIBUS 国际组织(PROFIBUS International,PI)推出,是新一代基 PROFINET 为自动化通 于工业以太网技术的自动化总线标准。 作为一项战略性的技术创新, 信领域提供了一个完整的网络解决方案, 囊括了诸如实时以太网、 运动控制、 分布式自动化、 故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题,并且,作为跨供应商的技术,可以完 全兼容工业以太网和现有的现场总线(如 PROFIBUS)技术,保护现有投资。 PROFINET 是一种新的以太网通讯系统,是由西门子公司和 Profibus 用户协会开发。 PROFINET 具有多制造商产品之间的通讯能力、 自动化和工程模式, 并针对分布式智能自动 PROFINET 系统集成了基于 化系统进行了优化。 其应用结果能够大大节省配置和调试费用。 Profibus 的系统,提供了对现有系统投资的保护。它也可以集成其它现场总线系统。 PROFINET 技术参数 网络规模:可构成几乎无限规模的网络 网络长度:10/100 Base-T = 100m PROFIBUS 是以 RS485 为基础, 而 PROFINET 则以工业以太网为基础, 两者比较如下:

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11、FF HSE 最大传输速率 2.5Mbps 最大传输距离 1900 米,传输速率 31.25kbps 基金会现场总线 FF(Foundation Fieldbuse)以 IS0/OSI 开放系统互联模式为基础,取其 物理层、数据链路层、应用层为 FF 通信模型的相应层次,并在应用层上增加了用户层。是 一种全数字的、双向传输、多点通讯由总线供电、用于连接智能设备和自动化系统的通讯链 路。由现场总线基金会提出,它于 1994 年成立,并由超过 350 家来自全球用户及主要过程 自动化供应商组成;该基金会志在形成专一的、国际性、有互操作性的现场总线标准以符合 最新自动化控制技术的发展要求,并提供教育、互操作性测试、一致性测试、测试工具、研 发支持软件和试验协助等工作。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%。 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,FF 具有很好的可互操作性和可互换性,可互 操作性就是来自同厂家的设备可以相互通讯并且可以在多厂家的环境中完成功能, 可互换性 就是来自不同厂家的设备在功能上可以用同类设备互换。

12、P-net 固定传输速率 76.8kbps 最大传输距离 1200 米 P-NET 的设想出现于 1983 年的丹麦,由 Proces-Data A/S 公司研究并开发,是一种全世 界通用的开放型标准化总线。由于 P-NET 采用通用的硬件和软件,所以它的改进与升级都 比较快。 P-NET 是一种多主控器主从式总线(每段最多可容纳 32 个主控器) ,使用屏蔽双绞线 电缆 RS485,每段总线最长 1200 米,每段最多可联结 125 个设备,总线分段之间使用中继 器,数据以 NRZ 编码异步式传输,传输速率 76.8kbit/s。 13、CC-Link 最大传输速率 10Mbps,传输距离 100 米
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最大传输距离 1200 米,传输速率 156kbps CC-Link 是 Control&Communication Link(控制与通信链路系统)的缩写,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,目前在欧 洲和北美发展迅速。在其系统中,可以将控制和信息数据同时以 10Mbps 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。 CC-Link 技术参数 网络规模:最多 354 个节点 156kbps/1200m; 625kbps/900m; 2.5Mbps/400m; 5Mbps/160m; 10Mbps/100m 网络长度: 14、DeviceNet 最大传输速率 500kbps,传输距离 100 米 最大传输距离 500 米,传输速率 125kbps Devicenet 是 90 年代中期发展起来的一种基于 CAN(Controller Area Network)技术的 开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络,最初由美国 Rockwell 公司开发 应用。是一种数字化、多点连接的网络,在控制器和 I/O 设备之间实现通讯。每一个设备 和控制器都是网络上的一个节点。 DeviceNet 系统可配置成工作在主从模式或基于对等通讯的分布式控制结构,系统支持 使用 I/O 和显式报文实现配置和控制的单点连接,还具有独特的性能--支持网络供电。这就 允许那些功耗不高的设备可以直接从网络上获取电源,从而减少了接线点和物流尺寸。 DeviceNet 使用主干/分支拓扑结构,两对双绞线分别传输信号和电源。粗缆和细缆分别 用于主干和分支。网络长度根据速率和电缆粗细不同而不同。 DeviceNet 技术指标 网络规模:最多 64 个节点 网络长度:125kbps/500m;250kbps/250m;500kbps/100m

三、总结
通过上述各种现场总线的比较可以看出: 基于以太网的总线传输速度快, 但相对来说结 构可能会较为复杂一些;部分总线是基于 RS485,这说明 RS485(RS422)仍然有很大的优 势;传输 100 米左右的距离时,从传输速率来看,可选用:Ethernet/IP,Profinet,Profibus, CC-Link,Control net,RS485/RS422,FF HSE,CAN 等。从应用广泛程序来看,以太网, RS485/RS422,Profibus,FF HSE,CAN 应用较多。

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