菲尼克斯现场总线和INTERBUS现场总线

1、1 引言在近100多年的历史中，机械制造工业从未有过如此激烈的竞争和变动。全世界都在寻找符合未来发展的先进的自动化制造技术的概念。信息技术、计算机技术和控制网络技术的发展给制造工业的发展提供了巨大的机遇。要在制造工业市场上占有领先的地位，这个企业必须具有提高生产率、降低制造成本的能力。这种能力的提高的关键是如何将新型的自动控制系统应用在生产制造业中。众所周知，计算机技术、通讯技术、IT技术的发展不断地渗透到工业控制领域，引起了工业自动化控制的不断变革，其主要特征就是现场总线技术、PC-based技术以及工业以太网技术。这些技术的出现使得工业自动化技术的水平达到了一个新的高峰，面向21世纪的现代

2、工业控制系统正在逐渐形成。十多年来，Phoenix Contact公司坚持不断创新，不断变革，在工业自动化控制领域提出自己独特的解决方案，特别针对如何提高生产率这一制造工业关键的问题。一种具有开放性通讯平台的模块化自动控制系统AUTOMATIONWORX（AX）已在生产实际中得到广泛的应用，其先进性、经济性和可靠性得到了实践的证明。事实表明将这种技术用于汽车制造业上可减少 25%的厂房面积、70%系统部件的库存量和90%的安装调试时间，使生产率和经济效益得到了最大的提高。2 生产率的提高取决于生产过程的信息化以及制造系统的集成能力在当今科学技术迅猛发展的时代，生产率的提高是增强竞争能力的关键。

3、机器和工业设备经济使用的必要性越来越得到人们的重视。这不仅仅是指机械生产厂，同时也是对产品制造厂的要求。充分的利用生产的潜力，尽可能地缩短定单到发货的时间，这需要工业制造厂家的高度的灵活性和产品生产厂生产新的产品的机动性。这就是说，机器和工业设备的制造必须在一定的程度上与技术流程的信息流相结合， 即通讯技术必须与生产制造技术紧密的结合起来。为了满足生产设备的高度适应性以及产品快速地改朝换代，制造厂家在制造设备时必须考虑设计、制造、安装和现场调试时所使用的自动控制方案的一致性，即它的集成化程度。在一个开放性的通讯平台上，高度的集成化必须包含生产过程的信息交换，工业网络系统的组态、参数化以及企业网

4、络和Internet的联接。这两者之间的关系如图1所示。 （1 信息流 2 生产率 3 集成程度）生产过程的信息化以及制造系统的集成能力提高了生产率。而实现生产过程的信息化和制造系统的集成能力的工业自动化控制系统由以下的因素决定：开放型的系统；模块化的结构；快速和方便的安装技术；高度的标准化；成本核算的整体性。这5大要点构成了提高生产率的基础。3 AX 的特点和构成3.1 特点为了满足以上要求，必须实现一个功能强、灵活可靠、模块化的自动化技术的解决方案。这个解决方案的关键是具有一个通讯网络，通过这个网络实现从现场设备、传送器、执行器、智能仪器仪表、控制器、制造设备，一直到生产管理部门之间的信息

5、传输，同时所有的自动化模块可以方便地连接在这个开放式的信息平台上。AX 系统恰恰为这个目的而开发，完全满足了这样的要求。 模块式自动控制系统AX将现代通讯技术和计算机技术有机地与工业控制技术结合起来，是实现了开放型、模块化和具有国际标准的全控制系统。它包含了具有IEC61158国际标准的现场总线技术INTERBUS，基于 PC技术的 PLC控制器，其编程语言采用IEC61131-3国际标准，PLC控制器之间的通讯采用IEC61158-5的通讯协议。控制系统与工业以太网联成一体，通过开放的 OPC 技术实现了控制系统与企业管理之间的数据传输接口。它提供了一个开放式的通讯平台，可满足自动控制系统所

6、需要的所有通讯要求。同时模块式自动控制系统AX具有强大的集成能力，生产制造系统通过INTERBUS、其它的总线系统和以太网进行数据交换，各种不同生产厂生产的模块也可以通过开放的接口，智能式的软件工具集成成一个AX系统。其特点如下： (1) 开放型的自动化控制软件解决方法基于Microsoft 的软件开发操作系统。采用开放性的 ACTIVEX，DCOM and OPC的软件技术。(2) 开放型的通用的工业网络技术开发工业以太网模块以及具有强大诊断功能的软件包。(3) 灵活性高，适应性强的人机界面（IPC，HMI）。(4) 基于PC或嵌入式控制器解决方法，实现分散式控制网络。编程语言采用IEC61

7、131国际标准。(5) 连接方便、安装简单的IP20 和 IP67 的现场模块。具有开放型的现场总线接口（INTERBUS，PROFIBUS，DEVICENET，CANOPEN，ETHERNET）。3.2 构成AX实现了两维（垂直和横向）的数据通讯，提供了具有国际标准的高效率开放式模块化自动控制解决方案。AX由图2所示的可联网的模块组成。(1) 安装在控制柜中的IP20 现场总线模块IP20 INLINE控制柜模块代表了自动控制技术发展的方向，它具有体积小、快速安装、扩展性强的特点。INLINE模块化的输入输出系统采用快速的连接方法，同时将嵌入控制技术引入了现场模块中，提供了智能式现场控制模块

8、。 INLINE模块可通过各种现场总线终端模块与各种现场总线相连接。(2) 安装在工业设备现场的IP67现场总线模块Fieldline 是按照 IP65/67 安装要求开发的现场总线输入输出模块。它被直接安装在极其恶劣工况环境下，如焊接机器人。这种模块可与现场变送器/执行器直接连接。模块上具有集成的诊断LCD显示功能，能够直接对故障进行现场诊断，大大减少了停机时间，提高了机器的使用时间。(3) 基于PC和嵌入式PLC 控制器模块Phoenix Contact公司提供了不同功能等级的基于PC或嵌入式PLC 控制器系列。它满足了现场实践的要求，直接地使用在现场层、控制层或（和）管理层。PC-WOR

9、X 基于IEC61131 国际标准的自动控制软件提供了全方位的工业自动控制系统的解决方案。它包含了下列软件功能：IEC 61131 编程语言；现场总线组态软件；诊断软件工具；工业以太网网络管理软件；SCADA的接口；项目设计。(4) 工业以太网模块Factory Line用于工业环境的以太网模块，包括了INLINE的以太网网关，用于构成工业控制柜以太网网络的集线器和交换器以及相应的电缆、光导和连接器。Phoenix 公司为Factory Line 专门开发的以太网管理软件使以太网网络的安装调试更为方便和简单。同时以太网诊断软件Netzwerk Management 大大提高了网络运行的可靠性和

10、安全性。(5) 人机操作和监视界面模块带有CE 操作系统的触摸屏可分散的安装在现场的机器上，进行现场操作和监控。Phoenix 提供的工控器、Thin-Clients和服务器满足了监控、编程和控制的一切要求。其系统的构成如图3所示。4 模块化自动控制系统在上海大众汽车的应用上海大众经过多年的发展，已形成了包括3个汽车生产厂和2个发动机厂区在内的5大生产区域，年生产能力达到 40万辆各类轿车和发动机，截至2003年底，上海大众已累计产销量25 787万辆。2003年一年整车销售达到396万辆。Phoenix公司通过与大众公司十多年的长期合作，共同开发了应用于汽车工业的现代制造控制系统，这种控制系

11、统采用了INTERBUS、现场总线专用单元马达启动器、鲁棒式输入输出模块、光纤通讯技术和现场诊断技术。这种技术的应用大大减少了初期的投资费用和中期的安装调试时间，保证了生产运行的可靠性以及极短的维修时间，生产设备的使用率大大提高，生产效率也随之提高。自1992年开始，就在上海大众得到了应用，包括生产Santana的汽车二厂，Santana 2000的车身车间，生产 PASSAT的汽车三厂的车身车间、油漆车间、总装车间，还是生产 POLO的汽车一厂的工艺车间都采用了Phoenix公司的自动控制技术和自动控制产品。 上海大众汽车三厂车身车间共有61台焊接机器人，采用了先进的车顶激光熔焊和后盖激光钎

12、焊的新技术。 这61台焊接机器人都通过INTERBUS 联成总线网络，互相之间通过INTERBUS进行数据通讯和交换，以保证车身的尺寸稳定和整体焊接质量。三厂油漆车间和总装车间的生产线全部采用INTERBUS的总线技术，运用了Phoenix的分布式现场总线安装技术，采用了大量的IP67的现场功能模块马达启动器和具有强大抗电磁场能力的鲁棒性的IP67模块以及光纤传输技术。由于INTERBUS的简单的连接技术、可靠的抗干扰能力以及强大的故障诊断功能，保证了PASSAT的生产线满负荷的三班运行，生产效率大大提高。上海大众汽车一厂从2000年中停产改造转为生产高品质的小型车POLO，其中的车身、油漆和

13、总装车间都采用了Phoenix的控制技术和INTERBUS 技术。采用的 INTERBUS总线控制系统包括有 56个 S7400 系列的总线控制器，大量IP20的控制柜输入输出模块、IP67 马达启动器以及具有INTERBUS接口的SIEMENS 变频器和SEW的电机控制器。各个子控制系统之间现场数据的通讯通过INTERBUS的网关来实现。油漆线与焊接线、总装线相连，构成了一个完整的工厂自动化系统，该系统经过短短一年多的安装调试，于2001年12月正式投产。Phoenix 控制系统还在一汽集团的Audi A6、东风集团的Citron 毕加索、沈阳中华等有广泛应用。第一讲 INTERBUS的原理

14、及发展方向前言自2000年IEC学会宣布的八种现场总线技术作为国际标准后，在国际上已结束关于究竟采用哪种总线技术的争论。但是现场总线仍是一种正在发展中的技术，而且一直处在不断完善的过程中。所以现在正是我们加快自己开发的步伐，缩短与国外技术差距的的最好时机。问题是我们要发展，要开发现场总线的前提是要掌握和了解现场总线是一种什么样的技术和在工业自动控制领域中占有的地位。尤其重要的是现在不是争论到底应该用哪一种现场总线，哪一种现场总线应该成为中国的总线标准的时候，而是对几种比较重要的现场总线的技术进行深入的研究，取精用弘，融会贯通，以形成一个完整的中国式现场总线的发展体系。基于这种想法，我想借“总线

15、论坛“一角，抛砖引玉，先介绍一种在国内尚未“成名”，但又在国际上得到最广泛应用的现场总线INTERBUS（采用这种技术的设备90是进口的），然后再讨论一下目前几种重要的现场总线。INTERBUS技术是德国PHOENIXCONTACT公司（一家中小型私人企业）研究和开发的现场总线，作为一种最早开发的现场总线，现已广泛地应用于汽车工业、仓储及传送技术、烟草工业、造纸工业、包装工业、食品工业等。1996年成为DIN19825德国标准，1998年成为EN50254欧洲标准，2000年成为IEC61158国际标准。全球1000多个生产厂家提供2500多种总线产品，目前已经超过400万节点，四十多万个系统

16、应用在世界各地，使INTERBUS成为国际上应用最广泛的现场总线之一。为什么INTERBUS现场总线能成为一种非常成熟、稳定、可靠的总线，如果说八种现场总线国际标准的产生是一个政治的产物，是协调各国利益的最后产物，那么为什么德国却有两种国际标准的现场总线。如果说一般具有国际标准的现场总线都是由著名的跨国公司研制开发出来，并通过强大的经济实力和政治背景推广到市场上，那么为什么一家以生产工业连接件为主导产品的中小型企业也能研制开发具有国际先进水平的现场总线，而且在世界自动化领域中占有一席之地？以下就这些问题我想作些分析，并希望与同行进行交流。一 为什么要采用现场总线技术为什么要采用现场总线技术，再

17、次提出这个问题似乎是老生长谈了，但是明确这个问题对于开发什么样的现场总线却有重要的意义。所以这里不妨再总结一下。1 控制系统的发展推动了现场总线技术的诞生总线（Bus）的概念由来已久，现场总线（Fieldbus）的诞生是在80年代初。它的出现根本原因是实践和用户的需要，实践的需要是产生现场总线的动力。在80年代初，工业自动化控制领域发生了什么变化呢？计算机技术、IC技术的迅猛发展越来越广泛地应用到PLC控制器上，使之能力越来越强，可带检测，变送器和执行器的点数和控制回路越来越多。越来越多的信号需要进行传输，需要越来越多点到点的电缆，这样增加了线路敷设设计的复杂性，也增加了投资和安装，调试与维护

18、的费用。系统的安全型和可靠性也大大降低。因此用户迫切需要一种新的工业通信技术，通过采用这种技术可降低电缆及其相关的成本，并能将一部分的控制功能分散到现场输入/输出设备上，提高系统的安全性和可靠性。2 串联通讯方法实现了现场总线的技术要实现新的工业通信技术的关键是要采用新的传输方法。常规的点到点的传输方法，即并联传输方法已明显地不能满足大量现场数据的传输任务，特别对于模拟量信号的传输更需要用特殊的导线，以提高传输的抗干扰能力。并联传输时，传输的信号越多、需要连接的导线也越多。更重要的是采用并联传输方法的控制系统都属于封闭式的控制系统，很难实现不同系统之间的信号交换。而采用串联传输方法就可将以上问

19、题迎刃而解。图1表示的是用一根串联总线可以连接现场设备、控制器、执行器、监控器的所有不同类型的数据。3 采用简化的通讯网络结构实现了现场总线在工业领域中的成功应用对于传统的并联传输来说，信号的传输都采用点到点的传输（实际是简单的连接），不存在传输网络的问题，当确定采用串联传输方法来实现工业控制器与现场设备的信号传输后，就产生了另一个问题：怎么样才能使控制器发出的信号送入每个现场设备（执行器）中去，又怎样从每个现场设备上（变送器）取得信号，这也就是工业通信应该采用什么样的网络。计算机的通信系统的结构是网络状的，从一点到另外一点的通信路径是不确定，而且可以采用多种路径。但是在工业网络中就不必采用这

20、种网络。所以现在大部分现场总线的结构采用线状的或环状的，虽然它的拓扑可以是总线型、回路型，但是通讯路径是固定的。这种简化的网络结构使通信技术能够在工业控制领域得到应用，也使工业控制系统的设计更加能适应实践的需要。实践证明，现场总线与并联传输方法相比有很大的优点，由于减少导线，节省了设计时间，也节省了连接件，减少了控制柜的尺寸，同时先进诊断功能也可以减少停机时间，提高生产效率。同时现场总线对于模拟量信号的传输要比并联传输具有更高的可靠性。开放性的现场总线统一了与不同现场设备的接线方法，使系统更加灵活，方便。实践证明，采用现场总线技术可以减少50以上的控制柜的空间，免去DA及AD的传换，提高了控制

21、精度，减少66以上的电缆的用量，并能使控制系统智能分散化。所有这些优点无疑使现场总线在最近十年在全世界得到了越来越多的应用。图2表示的是控制柜过去和现在的重大变化。二 选择现场总线系统的关键是什么现场总线的技术实际是采用串联数据传输和连接的方法代替传统的并联信号传输连接的方法，以此实现了控制层与现场设备层之间的数据传输。所以选择现场总线系统的关键首先是要区别两种传输方法的优缺点和不同点。图3表示了两种不同传输方法的不同的导线连接方法。表1列出了并联传输与串联传输的特点。通过对这两种传输方法的分析，可以了解到什么是选择现场总线系统的关键。从表1可以看到串联传输方法在安装、设计、调试以及连接技术上

22、有明显的优点，但在通信的方面，如传输时间、实时时间、循环时间、传输的确定性以及诊断等方面逊于并联传输方法。因此当我们选择现场总线系统的时候，要注意以下几点：(1) 总线能传输不同类的数据 由于一个总线系统必须能与不同的设备相连，从传输数据长度仅为1位到16位的简单数字量（过程数据）输入/输出模块，到复杂、智能式的仪器仪表，变频器，控制器和机器人等。此类设备需要传输的数据较为复杂（参数数据），从32位到1K。这些数据主要作为智能化的现场总线设备的参数设定，设备的初始化。这两种数据具有完全不同的要求和特点，但是选择的总线系统中必须能同时传输过程数据和参数数据。 (2) 总线系统的开放性 一个总线必

23、须具有强大的开放性，这开放性指两方面，一方面能与不同的控制系统相连接，另一方面其通讯的需要必须开放，便于用户的自行开发。(3) 总线的循环周期 一个总线系统中所有过程数据更新一次的时间，一般应在15ms之间(4) 总线的传输时间 总线的传输速度要求越快越好。速度越快，表示系统的响应时间就越短，但是传输速度的快速不能仅靠提高传输速率来解决。(5) 传输周期的确定性 总线系统传输必须具有确定的时间，即控制器发出控制值的时间间隔及接收现场总线设备实际值的时间间隔必须是一个定值，这样才能保证完成控制和调节的任务。(6) 协议效率 指采用数据传输的协议帧中必须要有程序处理的用户数据所占的比率。(7) 传

24、输的安全性 在选择总线系统时必须注意到传输效率这一点，在传输效率高的前提下，可以选择比较低的传输速率。因为采用低的传输速率接线数据通信，有较高的抗干扰能力，而且传输距离长。（如500K的传输速率，最大传输距离为400米；而12M的传输速率，最大距离是100米）(8) 传输媒介 一个完整的现场总线系统，除了构成网络的范围（即最大距离）是一个重要的指标外，同时能否在一个总线系统中实现在不同的总线段之间采用不同的传输媒介，也是一个重要的因素。它使系统的构成更为灵活，更符合工况实际的要求。(9) 诊断功能 当系统发生故障时，诊断功能不仅能找出错误，而且不需特殊的工具，就能纠正故障。同时能够方便地替换坏

25、的模块，以减少停机时间，提高工作效率。(10) 成熟的现场总线技术 选择的总线系统必须有生命力，是一种成熟的技术，具有国际标准的技术，这样才能保证其总线产品能长期提供。综上所述，如果我们选择一个变送器/执行器总线，就必须满足以下要求： 同时互不干扰地传输过程数据和参数数据； 总线的采样周期必须少于5ms； 每个现场总线设备的字长为816位； 整个总线系统至少可以带100个以上的现场总线模块； 循环周期的时间必须可以计算； 循环周期的时间是恒定的； 尽量低的传输速率，尽量高的传输效率。 第二讲 INTERBUS介绍一 INTERBUS的网络结构用于现代工业控制系统的开放性的现场总线INTERBU

26、S将所有的过程外围设备与控制系统（PLC，PC控制器）统一的连接起来。通过一根串联的总线电缆使变送器，执行器，智能设备单元，加工单元互相构成一个网络，并与上位机，监控机连接起来。INTERBUS拓扑网络的组成参见图1。 INTERBUS的拓扑网络是一个环形系统，所有的总线模块都主动的互相连接在一个封闭的传输回路中，每个模块接收前一个模块的信号，并送给下一个模块。与其它的环形网络不同的是在INTERBUS系统的电缆不仅包括了发送导线（前站送往后站），还有接收导线。具有全双工型传输方法INTERBUS工作方法像一个空间分布，闭环的移位寄存器。各个不同的现场设备串联一起，并与一个主站相连接。在INT

27、ERBUS系统中，总线设备是一个带有INTERBUS接口（移位寄存器）的从站，其移位寄存器的长度取决于总线设备中数据的长度，目前数据长度可从0位到512位中选择。INTERBUS拓扑除了从总线控制板引出的主干线外，并具有16分支层，这样的网络结构能满足实际应用提出的各种系统结构的要求。以主从式传输方法组成的INTERBUS系统最多可带512个总线模块，最后一个模块自行闭合整个环路。INTERBUS通信采用点对点的连接方法，其示意图参见图2。 每个模块都有一个接收和一个发送单元，这一特点对于传输的安全性来讲具有重要的作用，因为与一般的线性网络系统相反，当传输处于不定状态时，INTERBUS不会传

28、输无定义的信息，模块中的传输关系是确定的。采用点对点的连接可省去终端电阻，这样系统的扩展性更高，灵活性更强，更适应于工况实际的需要。采用带有分支的总线终端模块既完成分层的任务，同时也提供了带INTERBUS的网络中的总线段任意关断，连接的可能性。特别对出现总线故障后进行处理的方法更加灵活，减少了系统的停机时间。通过采用物理环形网络和移位寄存器的方法，总线系统不必进行设置地址和按址传输的方法，在实践工作中这就意味着INTERBUS的设备可以简单地安装，迅速地进行现场调试。对每个模块进行硬件设置地址(DIP开关)的工作被省去，这个优点特别体现在当总线模块损坏被掉换时，不用重新设址，当然也就不会发生

29、地址重迭现象。二 INTERBUS总线系统的构成INTERBUS总线系统的构成参见图3。(1) INTERBUS的总线控制板INTERBUS的主站，又可称为总线控制板（PC控制器或PLC控制器的总线接口控制板）。它的作用是对整个INTERBUS进行控制、组态和诊断，并有一个I/O数据堆栈，保存了全部的输入/输出数据。当总线运行时，主站发出输出信号到现场外围设备，同时接收现场外围设备的输入信号。由于INTERBUS采用主从传输的方法，所以在一个INTERBUS总线系统中只有一个主站来控制整个传输环路的流程，主站有一个连接从站的接口，通过这个接口引出了整个环路。同时INTERBUS还有一个与控制器

30、（PLC控制器、PC控制器、IPC）相配的数据信号总线或接口，这样现场总线的信号可以通过总线主站与控制器进行数据交换。INTERBUS总线系统除了主站外，还有从站（INTERBUS模块），带有INTERBUS接口的各种仪表，应用连接不同控制器的系统藕合器以及组成本地和远程总线段的终端模块。(2) 总线段INTERBUS总线由互相连接的总线段（最多255个段）组成。按照传输的特性，INTERBUS中有三种不同的总线段，即远程总线段、本地总线段和INTERBUS Loop段。远程总线段 除了第一个远程总线段与主站相连接外，其他每个远程总线段开始于一个远程总线终端模块，总线终端模块又称中继站。一个I

31、NTERBUS总线系统可有255中继站，这个限制仅仅因为考虑INTERBUS协议长度（4096位25616位）的原因。系统的总长为12.8公里。其主要的性能指标见表1。 远程总线模块除了中继站外，还有远程输入/输出模块、远程显示屏模块、远程变频器模块，以及作为INTERBUS从站的子控制系统设备，如机器人控制系统，辨识系统等。一种特殊的远程总线段称为安装远程总线段，它连接了安装总线模块，其之间的传输距离为50米。安装远程总线的模块采用混合式的电缆，除传输信号外，也传输24V（最大4.5A）的模块供电电源和模块的变送器电源。所以安装远程总线模块往往采用IP65以上的等级，其优点是直接安装在机器上

32、或工业设备上，省去了很大一部分安装时间和安装电缆。常用的安装远程总线模块有输入/输出模块、变频器、马达启动器、阀门、编码器和检测装置等。本地总线段 每个终端中继站引出一个由本地总线模块组成的本地总线段，本地总线的任务是传输短距离的信号，主要运用在控制柜或放在现场的控制盒里。那里所有的变送器/执行器的信号集中起来，并连接在本地总线模块上。因为传输距离短的原因，所以两个本地总线模块之间的信号传输采用简单的带有TTL电平的物理方法。因此每个本地总线段的最大距离是10米。两个本地模块的距离最大不能超过1.5米。本地总线段的模块供电电源由远程终端中继模块提供。本地模块只需要提供给变送器和执行器的附加电源

33、。按照采用不同类型的本地总线模块，本地总线段主要可分ST本地总线，INLINE本地总线。值得一提的是INLINE模块是开放性的总线模块，通过各种总线耦合器（如Profibus耦合器、Devicenet耦合器、Canopen耦合器）与其他总线相连。一些气动阀门也可以直接与INLINE模块相连。目前INLINE模块有数字/模拟量输入输出模块、气动阀门模块及各种功能模块（如增量模块、计数模块、V24通信模块、智能式控制器模块、变频器模块），可以能构成一个用于中小型设备的独立的控制系统。INTERBUS Loop段 INTERBUS Loop本地总线段是具有IP65等级的直接用于现场的本地总线段。尽管

34、其传输的原理仍采用INTERBUS集总帧的方法，但是传输媒介是采用一根两芯无屏蔽的导线。每个Loop模块通过这根导线联成一个环路。所有的数据信号和24V的模块供电电源通过这根导线进行传输。Loop环路采用电流环的原理。由于采用电流传输的方法，所有相对于常用的电压传输方法具有更高的抗干扰能力。需传输的信号以Manchester编码的形式迭加在24V供电电源上。其总线物理媒介的传换由一个特定的终端模块实现，这根模块与INTERBUS环路中远程/本地总线段相连接。一个Loop环路可带63模块，总长为200米，每个模块之间的距离是20米。整个环路中的最大电流是1.8A。根据工业控制系统以及工业现场的需

35、要，利用以上不同的INTERBUS总线段可以构成不同的能够满足一切实际要求的现场总线网络结构。(3) 数据传输媒介INTERBUS的传输媒介主要有三种：铜导线传输媒介，光导线传输媒介和其他传输媒介。在一个INTERBUS总线系统中，这三种传输媒介可以混合使用，以提高构成网络的灵活性。铜导线传输媒介 铜导电缆的传输媒介是INTERBUS总线系统中最常用的一种传输媒介。它由两对双绞线和一个屏蔽线组成。双绞线保证导线能在电磁场的环境下工作，导线外壳镀锌的屏蔽层保护导线的电污染。数据传输的方法采用RS485原则。因为传输采用对称的双绞线，信号采用电位差的形式，许多外部的干扰得到了补偿。光导线传输媒介

36、INTERBUS是第一个采用光导传输技术的现场总线，早在1994年就制定了DIN19258的光导传输的补充文件，每个模块都可以方便地采用光导传输媒介。在INTERBUS总线系统中无论电导还是光导都采用全双工制，使用运用光导无需改变总线的网络结构。光导技术在INTERBUS中既可以运用在远程总线段，也可以用在本地总线段上。同时在一个系统中既可以运用电导又可以采用光导，其传换只需在模块接口上加一个光电传换器即可。传输距离的长度取决于采用光导的材料，一般塑料光导为70米，硬塑光导（HCS）为300米，玻璃光导为3000米左右。其他传输媒介 如主要用在物流，高架库上的红外线传输方法（最大距离为200米

37、）。用于汽车行业的特殊的电槽高频传输方法和用于旋转工件台、起重机、机器人等的电环式传输方法等（最大旋转转速为每分60转）。三 INTERBUS的数据传输方法(1) 面向信息的传输方法为了克服由于采用串联传输方法引起的信号延迟时间的问题，任何总线必须找出一个尽可能高效率的协议。按照面向信息的传输方法只能在一定的条件下能满足过程数据的实时传输的要求，因为面向信息的传输方法主要用于点对点连接时大数据块的通讯。每个或多个设备同时与一个其他设备进行通讯，所有需要传输的数据被“装入”信息帧里，即包含启动位、地址、控制信息、数据、数据安全信息（CRC）和结束位，参见图4。借助于信息帧可以使每个设备知道，一个

38、电报的开始/结束，电报的发送/接收地址，数据的正确性（通过检验CRC数据）。面向信息的通信方法如果采用主从式传输系统，则每个从站设备只能得到主站的请求时才能对传输媒介进行访问，而且还要发出相应的确认回答，这就是说，当一个主站向从站设备发出一个信息，这个从站接收到此信息后必须发送确认回答信号给主站。主从传输方法的好处是不会产生访问冲突的现象。 面向信息的通信方法往往被用于线性拓扑的总线网络结构，即每个从站都被挂在一个传输媒介上。每个从站设备必须占有本身地址，当主站向传输总线发出信号时，通过比较主站发出的信号中含有的目标地址和从站设备的本身地址，以确定这一信号是否属于自己。主站为了能得到系统的全部

39、信号，就必须按顺序对每个从站设备进行信息交换，即读入输入信号，发出输出信号。每个从站设备为了完成信号从主站传送到本身，并从本身送给主站一个反馈（确认）回答这个过程，需要相应的时间，这个时间称为回答时间，取决于设备本身处理信号的快慢，数据量的多少以及采用的传输速率。面向信息方式的总线系统的循环周期时间就是各个从站设备回答时间的总和。以上可见，面向信息的通信方法采用线性拓扑的主从式总线网络结构，其传输效率比较低。比如说，如果我们希望读出一个输入模块上的信息，首先主站发出一个请求信号给其对应的从站设备(这个请求信号不含有实际需要的信息)，从站设备送出响应回答信号给主站，响应回答信号不仅包含了实际的输

40、入信息，同时还包含了帧信号(控制信号)。整个传输信息中含有的实际信息，即I/O信号很少，就是说传输效率不高。为了快速传输数据，必须提高传输速率。这正是在工业实践中所不希望的。因此INTERBUS采用了另外的传输协议的方法，现场总线层，即变送器/执行器层的一个重要任务是通过简单便宜的总线接口将各设备连接起来进行近似实时双工性（同时读入/写出）的数据传输，为了实现这种要求，就需要采用不同于面向信息的传输方法。面向过程数据的传输方法完全能满足变送器/执行器层的要求。一种面向过程数据的传输方法，比方INTERBUS所采用的方法，称为集总帧协议。 (2) 面向过程数据的传输方法集总帧协议在面向过程数据的

41、传输方法中，所有变送器和执行器的信号都被放在一个通信帧内，这个通信帧称为集总帧，其结构参见图5。在这种情况下，整个包括所有设备的系统只有一个协议，只需要一个帧信息（控制信息）。帧信息包括一个启动信息，（LOOPBACK），数据安全/结束信息。在集总帧中，如果系统带的设备越多，传输效率就越高，因为有效信息与控制信息的比例越高。在集总帧协议中，整个系统只有一个循环运行的通信帧。对于主站来讲，带有I/O信息的所有设备被看作一个“逻缉”设备，现场设备的地址正好对应于通信帧中的数据在协议中的物理位置，这样我们就不需要给现场设备进行地址设置，总线的管理得到了简化。同时其设备占有数据大多数是固定的，并在运行

42、中不会改变，所以这种协议很符合用于变送器/执行器层上设备的情况，如编码器占有24位长度，这长度在系统运行时不会改变。这样通过确定总线带设备的个数，就能知道协议的长度，通过知道协议的长度就能知道传输的时间，如果知道了传输时间，那么每个设备就能保证得到一个恒定的采样时间，所以可以认为集总帧具有实时性。集总帧具有非常高的传输效率，这样尽管INTERBUS采用500K的传输速率，同样能够快速传输信息，其带来的好处不仅提高了抗干扰的能力，而且也为今后继续提高传输速率提供了广泛的余地。不同现场总线的传输效率的比较参见表2。第三讲 INTERBUS的数据传输一 INTERBUS的PCP参数数据传输方法在工业

43、的实际应用中，特别是在现场设备的数据传输中，不仅需要传输过程数据，即字位短（116位）具有实时性要求的循环传输数据，而且在一定的情况下也需要传输参数数据，即字位较长（100K位）无实时性要求的非循环传输数据。因此，INTERBUS协议采用复合式数据结构，即同时采用过程数据通道和参数数据通道，这是与其他总线的重要区别。它对提高INTERBUS的性能起了重要的作用，实现了一个协议可完成由不同控制器、智能设备和简单变送器/执行器组成的总线网络，显示了INTERBUS协议的优越性和完整性。参数数据通道作为过程数据通道的补充，它的作用体现在两个总线模块进行非周期性复杂的数据传输时。参数数据通道传输的信息

44、往往无实时性的要求，而且只当系统请求时才进行运作。参数数据采用主从式PMS(Peripherals Message Specification)的大量信息的传输方法。这种方法是以MAP/MMS为基础。参数数据通道主要用于总线设备的初始化和参数化。INTERBUS的模块往往只带有过程数据通道。也可以根据实际要求增加参数数据通道。增加了参数数据通道的INTERBUS的集总帧协议的格式如图1所示。 在相应的集总帧上，根据需要参数数据按序列进入参数通道，这意味着一个完整的参数数据块被分隔为一个个小的数据块，然后这些小的数据块按顺序先后进入循环执行的协议里进行传输。每个传输周期仅传输整个参数数据的一部分

45、。传输后重新组成参数数据块是由附加的OSI通讯协议第2层的DLL(Data-Link-Layers)软件来实现的，用户不必考虑。通过分块参数传输的方法，避免了由于协议长度的增加而导致信号周期加大、实时性差的矛盾。同时通过在协议中设置一个固定的参数通道长度，仍然保证了传输协议长度的不变性，从而使系统的循环时间无论是进行或不进行参数传输都保持恒定。采取这种混合协议帧的方法，INTERBUS系统可以在快速传输过程数据的同时，传输多达100K以上的参数数据。这种特殊的协议帧的结构将两种不同的传输数据有机的统一成一体，既不影响INTERBUS系统的传输效率，同时又能满足传输信息数据的需要。INTERBU

46、S系统采用了优化的混合集总帧协议以及环形网络结构后，只需要一种500Kbps的传输速率就能达到MS级的传输周期。传输时间也可以通过下面的公式简单地进行计算。实际上循环周期与系统的点数成正比。T=tsw+13*(6+n)+1.5m*tbit上式中，T为传输周期；n为有效传输的位数；m为现场总线模块的个数；软件延迟时间tsw为200ms；传输一个字节的时间tbit为2ms。INTERBUS循环周期的线性、可计算的特点给实践带来了很大的优点。因为循环周期时间是可知、恒定的，那么在控制器运行的过程中就可以事先考虑该时间的影响。同时决定采用怎样的控制技术，以满足现场总线的要求。图2表示了INTERBUS

47、的传输周期与系统所带输入/输出（I/O）个数的比例关系。 二 INTERBUS数据传输的安全性和可靠性1 采用Loop-Back-Word(LBW)启动字来实现对INTERBUS环路循环时间的监视 实现INTERBUS现场总线系统通讯的先决条件是传输的安全性。当系统受到外界干扰，如整个环路发生断开现象或总线系统中的移位寄存器的长度由于总线段的关闭或连接发生变化时，将会引起通讯的中断和错误。由于INTERBUS采用环路网络的方法，整个环路的传输时间与回路的长度有关，因此每个环路的循环时间是固定的。因此，INTERBUS运用了信号周期时间监视的方法，即LBW。如图3所示，当INTERBUS系统运行

48、时，主站首先发出一个按一定格式构成的LBW字，当主站重新得到这个字时，表示INTERBUS的环路已循环了一次，该时间就是INTERBUS系统的循环时间。以后主站根据每个得到LBW字的时间就能检测出整个环路是否正常。如果时间太长，表示系统的移位寄存器的长度发生变化，系统不正常；如果时间太短，表示系统的移位寄存器的长度短了，系统也不正常；如果主站一直得不到LBW的信号，则说明系统已不成环路了。通过时间检测的方法，不仅保证传输运行的正确，也保证了每个现场总线模块上信号传递的周期性。2 INTERBUS数据传输的可靠性采用LBW字可以知道INTERBUS系统状态的变化，如INTERBUS是否正确的连接

49、，INTERBUS的网络结构是否被改变以及INTERBUS的环路是否闭合等。而为了检查内部传输数据的正确性，INTERBUS采用了CRC循环冗余编码。CRC码检错方法是将要发送的数据比特序列当作一个多项式的系数，在发送方用收发双方约定的生成多项式去除，求得一个余数多项式，这个余数多项式称为CRC检测数列。INTERBUS利用按CCITT规定的16阶生成多项式来构成一个CRC检测数列：G(x)=x16+x12+x5+1每个INTERBUS的现场总线模块在数据移位的过程中，每个比特与生成多项式进行XOR的运算并移位。每个模块上的接收端和发送端都计算出一个CRC检测数，当所有数据在INTERBUS环

50、路被移位后，一个模块的发送端的CRC生成多项式的结果将与下一个模块的接收端的CRC生成多项式的结果进行比较。如果两个结果一致，表示传输数据是正确的；反之，传输的数据有错，在INTERBUS的数据检测时钟到来时，便发出一个出错信号。CRC检测数仅仅从一个模块送到下一个模块，并不是在这个环路里传输。所以在16个移位时钟后，CRC检测数的传输就结束了，下16位传输数据检测的结果。所以在集总帧中最后加上32位的协议帧测试信号位FCS INTERBUS所有信息的传输在海明距离HD4进行。如图4所示，传输数据在集总帧协议加上CRC检测数据后，当数据有一位发生了变化，那么CRC检测数据就至少有3位会发生相应

51、的变化。因此在一个循环周期中找出错误的机率是：100检查出单位错；100检查出离散的两位错；100检查出奇位个数错；100检查出长度小于或等于16位的突出错；99.9检查出长度大于16位的突出错。3 INTERBUS数据传输时的系统保护当数据传输过程中发生错误时，系统应能够随时复原到一个预定的状态，即安全状态。系统在发生故障时，也能自动地回到一个安全的位置。这就要求系统发生事故时，所有的输出信号必须置为零。以保证工业设备能够毫无问题的停止工作。一般来说所有输出的电平必须为“零”。INTREBUS采用一个分频式的清零信号来实现这一功能。当导线断裂时，INTRERBUS的模块可通过主站或者自行地还

52、原到设定值，即系统被清零。通过分频清零信号的方法，系统不仅能回到设定值，而且还能知道出错的地点。分频清零信号是通过清零信号不同的脉冲长短来实现。小于256?s的脉冲称为短脉冲，大于25ms的脉冲称为长脉冲。因为两线制传输不能传输清零信号，所以清零信号是通过INTERBUS协议中的监视方法来进行。即在发送信号时，通过检测两个模块中传输状态电报来实现。每个有效的状态电报将监视时钟置为初始值。如当导线断开后，传输线上没有传输信号，模块在26?s后(两个数据电报的传输时间)开始测量传输中断时间。如果中断时间超过256?s，即为短清零信号，所有远程终端模块关闭输出端，每个INTERBUS总线段被隔离。只

53、有主站与第1个总线终端模块相连接，在短清零信号的时间，I/O模块的输出信号没有被清零；如果数据传输中断时间超过25ms，则为长清零信号，长清零信号除了具有与短清零信号同样的功能外，还将输出信号置为零。同时借助于集总帧中控制数据，主站还可以有目的地将其远程或本地总线段置为清零状态。这种清零也称为编程清零。总之，通过LBW的控制，每个模块中CRC的检测技术的应用以及分频式的清零信号等措施，使INTERBUS系统成为一种可靠、安全的现场总线系统，被广泛地应用在各个工业自动化控制领域中。4 INTERBUS数据传输时的抗干扰能力INTERBUS数据传输的抗干扰能力可通过两方面来实现。(1) 采用500

54、Kbps的传输速率与其它的现场总线相反，INTERBUS采用对传输媒介和总线模块的连接没有很高要求的500Kbps的传输速率，提高了模块本身的抗电磁场（EMC）干扰能力。(2) INTERBUS模块产品进行严格的测试，并得到CE的认证，即包含EN50082-2的EMC的认证。PHOENIX CONTACT公司生产的INTERBUS模块都进行了6种包括EN55022、ENV50140、IEC801-6、IEC801-2、IEC801-4和IEC801-5欧洲和国际标准的测试。所有的测试都在经过授权的专业测试单位进行第四讲 INTERBUS系统的诊断功能INTERBUS成为国际上最广泛使用的现场总

55、线之一，其主要原因就在于INTERBUS总线系统具有强大的诊断功能，每个输入/输出模块一直到总线控制板都有诊断显示功能。INTERBUS系统的状态可以根据现场模块的显示直接进行诊断，也可以通过专门的软件来判断。表1阐述了在整个自动化控制系统中INTERBUS能够在哪些层面中实现诊断任务。可见，INTERBUS可以完成从控制层到现场层的全部诊断任务。而INTERBUS诊断功能的基础是由系统特殊的网络结构和传输协议构成的，即INTERBUS是一个环形系统，与线性系统相比，在错误诊断方面具有很大的优点。因为环形系统中的每个模块在运行时都被检测。当发生短路或开路故障时，对于线性系统，不能正确地指出故障

56、的地点，因为整个系统的数据传输被中断了。而在环形系统中，可以正确的指出错误的地点，并能说明出错的原因。当INTERBUS系统发生故障时，主站停止整个数据传输周期，进入诊断周期。所有模块将输出端自行关闭，然后主站与连接着的第一个模块进行通讯，如果通讯成功，则与第二个模块进行通讯。依次类推，直到主站不能与下一个子站进行通讯。而且每个传输段中的CRC检验码能够周期判断随机干扰的出错位置。在线自动连接或切断系统的子系统或总线段，并使余下的系统仍能继续工作，减少了系统的停机时间。INTERBUS的诊断功能体现在构成整个INTERBUS总线系统的各个模块上，如总线的模块、总线控制板、总线的各个智能设备。I

57、NTERBUS还对光纤传输具有控制功能。能自动地检测出光导传输的能量进行控制，并根据光导传输的质量发出不同的显示状态。诊断状态的信息可以通过不同的途径获取。根据不同的类型，INTERBUS主要采用两种方法：直觉观测法和软件诊断法。1 直觉观测法PHOENIX公司生产的INTERBUS总线模块上都采用LED或LC的显示装置来显示诊断数据。通过诊断显示的内容，操作人员不借助于任何其它的工具就可得到INTERBUS系统的状态。根据INTERBUS系统的结构，除了总线控制板上有集中诊断显示外，每个分散在系统中的模块上也有相应的系统运行状况的显示。作为集中诊断显示，这里以PLC的总线控制板为例。PLC总线控制板上有4行LC，用于显示系统或模块出错的原因，地点和有关的错误代码。通过这些信息可以诊断下列错误： 总线运行状态的诊断：传输导线的短路，连接线的开路，模块损坏以