现场总线的特点与标准

现场总线的特点与标准思考题现场总线特点及总线标准总线网络结构与通信规范几种流行的现场总线现场总线控制系统

>什么是现场总线？它是现场仪表之间以及现场仪表与监控计算机之间的全数字、串行双向、多站点的开放型通信系统。现场总线特点及总线标准

现场总线是企业实现综合自动化、信息化、管控一体化的需要。（TQCSE）>现场总线的产生和发展

高新技术的发展为现场总线的产生奠定了基础。

现场总线技术是测控领域的通信和网络技术。现场仪表FieldBusEthernet管理层监控层现场总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的网络。FCS是第5代控制系统>现场总线技术特点开放性：现场总线的一致性、公开性。

互操作与互用性：现场设备间的信息沟通、互可操作及不同厂家设备的相互替换。

功能自治性：传感测量、补偿计算、信息处理与控制功能在现场仪表中完成。

高度分散性：构成一种全分散性的控制系统结构。

环境适应性：支持各种传输介质、两线制和本安防爆。

>现场总线标准工业控制总线标准主要由IEC的几个技术委员会负责。IECTC65制订了用于工业控制系统的IEC61158。目前流行的PROFIBUS、FF等现场总线也纳入了IEC的Type1~8标准。IECTC17B制订了用于低压开关和控制装置的IEC62026。广为使用的DEVICENET、AS-I等总线也纳入了IEC标准。现场总线标准的制订工作起步很早，由于各大集团公司从自身的利益出发，意见不一，经多年争论，在2000年颁布了涵盖多种规范的现场总线标准,统一标准的愿望未能实现。

>IEC61158的标准现场总线

Type1：IEC61158技术报告。

Type2：ControlNet，得到CI组织的支持。

Type3：Profibus，得到PNO组织的支持。

Type4：P-NET，得到该总线用户组织的支持。

Type5：FF-HSE，由FF组织开发。

Type6：Swiftnet，得到美国波音公司的支持。

Type7：WorldFIP，属欧洲标准EN50170。

Type8：Interbus，得到InterbusClub支持。现确认包括Profinet在内的共10种类型，且在2007年之前不再增加。（规范共4600多页）

由上可知，标准的问世只是划定了若干现场总线的市场疆域，并让一些大公司和集团以此为基础再图发展，寻求进一步的商业利益。

有人提出：对由不同基础、不同应用背景、不同科学底蕴的集团和公司用一种“统一”的标准约束是否合理?

能否统一？

从2001年开始，现场技术发展的重点已不是去追求统一标准；而是集中在如何合理应用,发现并解决问题,切实地推动FCS的实际应用。同时在推广应用过程中确定不同现场总线的适用场合、性能价格比等,以实现优化设计。总线网络结构与互连规范>网络结构星型：每个站点都连接到中央节点。环型：站点连接成一封闭环路。总线型：所有站点共享一条传输链路。树型：总线结构的扩展形式。

>传输介质

双绞线、同轴电缆、光缆、电力线等。OSI参考模型概述第7层应用层Application第6层表示层Presentation第5层会话层Session第4层传输层Transport第3层网络层Network第2层数据链路层DataLink第1层物理层PhysicalTCP/IP与OSI>介质访问策略(MAC)CSMA/CD：

站点的发送是随机的，为避免争用介质引起的冲突，要监听传输线上是否有信息在发送(先听后讲)。

TokenRing：站点的发送是受控的，令牌在环型网上传送，只有获得此令牌的站点，才有权向环路发送信息。

TokenPassingBus：

兼有CSMA结构简单和TokenRing无冲突的优点，物理结构上是总线网，逻辑结构上是环型网。

>网络互连规范(OSI参考模型)

物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层物理层提供为建立、维护、断开物理连接的机械、电气、功能等特性。数据链路层用于建立、维护拆除链路连接，实现无差错传输的功能。应用层提供用户服务，如文件传输等。>网络互连设备中继器用于物理层，起信号放大作用。网桥用于连接两个不同数据链路层协议的网络。路由器用于网络层，实现不同子网之间的数据传输。网关用于不同通信协议和不同操作系统网络之间的互连。几种流行的现场总线-FoundationFieldbus-Profibus（ProcessFieldbus）-LonWorks（LocalOperatingNetworks）-CAN（ControlAreaNetwork）HART（HighwayAddressableRemoteTTransducer）-IndustryEthernet-Modbus、RS–485等FF总线的特点>FoundationFieldbus用于现场级控制的FF-H1传输速率32.25Kbps,直接通信距离达1900m，其现场仪表可完成检测、变送、调节、计算、报警、故障诊断等控制与信息处理任务。

FF-H1采用令牌传递的总线控制方式,令牌传递由链路活动调度器（LAS）控制,以确保信息传递的及时性。(周期信息和非周期信息)

在应用层之上增加了用户层,用户层的功能块和设备描述使仪表的现场控制功能与仪表设备的互操作易于实现。

为现场仪表提供两种供电方式：非总线供电和总线供电；支持本质安全防爆，可用于易燃、易爆的场合。

基于以太网的FF-HSE,在上层与H1基本一致，在底层则采用了流行的以太网+TCP/IP协议，HSE充分利用现有以太网技术，它满足了最终用户对互操作性、低成本和高速现场总线解决方案的要求。

HSE支持H1的所有功能，而且其功能模块中还包括新的应用于离散和I/O子系统的“柔性功能模块”，使用标准语言(IEC61131)编程。

FF总线的通信模型

FF-H1：用户层（应用程序）

现场总线报文规范子层FMS

现场总线访问子层FAS数据链路层

物理层

用户层物理层

通信栈7216543物理层规定物理连接性能,符合IEC61158-2标准，通信栈控制报文在现场总线的传输。链路层通过LAS来管理对总线的访问，FAS为报文规范子层提供服务，后者为用户层提供服务和报文格式。

FF-HSE：用户层FDAIEEE802.2

应用层物理层

物理层符合IEEE802.3u标准，数据链路层符合IEEE802.2规范。TCP/UDPIPIEEE802.3u

传输层网络层数据链路层网络层协议是IPV.4标准，传输层TCP是面向连接的协议，UDP是无连接协议。FDA的作用与H1的FMS相似。

FF总线的网络结构操作站...交换机其它总线网络HSE链接设备网关H1总线HSE链接设备路由器HSE子网HSE现场设备H1总线>ProfibusProfibus总线的特点Profibus包括Profibus-DP、-FMS、-PA，传输速率9.6Kbps~12Mbps,相应通信距离为1200~100m，可实现总线供电和本质安全防爆(PA)。

Profibus-DP用于现场控制器与分散I/O之间的数据通信；Profibus-FMS用来解决车间级通信任务,此层将被Ethernet取代；Profibus

–PA用于过程自动化,可连现场变送器、执行器。

Profibus采取主站之间的令牌传递方式和主从之间的主、从通信方式。Profibus-DP允许构成单主站或多主站系统。

Profibus行规（用户接口）可使不同厂商生产的零部件互换使用,从而保证各家厂商的现场设备的互换性和互操作性。PA行规包括各种设备功能、行为的必要规范以及描述各类设备组态信息的数据单。Profibus总线协议芯片已形成系列，有多种集成芯片可供使用,以满足不同需要，构成复杂程度各异的Profibus总线。Siemens公司的SPM2单片可用来构成简单的DP从站,ASPC2可构成DP主站,SIM1与SPC4可实现PA的功能。Profibus总线的通信模型用户层数据链路层

物理层

物理层规定物理特性,采用RS-485通信标准,数据链路层MAC描述总线访问方式，FLC为总线链路控制。应用层FMS规定应用协议,低层接口LLI则协调不同的通信关系。用户层规定了应用功能。

模型分层FMSDPPAFMS行规DP行规PA行规FMS应用层LLI未用未用FLCMACIEC接口IEC61158-2物理连接，电气特性，介质，RS-485

Profibus总线的网络结构操作员站Profibus-DPPLC监控层工程师站Profibus-FSM或Ethernet现场层Profibus-PADP/PA耦合器>HARTHART总线的特点HART使用OSI参考模型的第1、2、7三层,传输速率较低，一般为1200bps，新版本6.0已提高到9600bps，通信距离可达3000m。

HART总线采用基于Bell202通信标准的FSK技术，在4~20mA的模拟信号上叠加了一个频率信号,因此能同时传送模拟和数字信号而不相互干扰。

HART支持多主站通信，在一根总线上也可连接多个现场智能仪表,它能实现总线供电和本质安全防爆。

HART总线的通信模型HRAT命令内容数据链路层

物理层

模型分层应用层HART通信协议规则电气特性，介质物理层规定了信号传输方式、电气特性、介质等；数据链路层定义了HART通信协议规则，包括信息格式及信息的接收与发送处理；应用层规定了三类HART命令：通用命令、普通应用命令和专用命令，为解决不同厂家设备的互换性及互操作问题，HART也采用设备描述语言。

基本主设备安全栅现场仪表HART总线的网络结构现场仪表现场仪表副主设备HART至少需要一个主设备和一个现场仪表；现场仪表和副主设备均为并联，连接点可置于网络的任意位置；网络工作时，现场仪表可被更换，副主设备也可被连到网上。

>IndustryEthernetEthernet的特点以太网是IEEE802.3支持的局域网标准，它只定义了物理层和数据链路层,其上是网络层和传输层(TCP/IP)。以太网传输介质与速率分别为：10BASE-5(粗缆，10Mbps)；10BASE-2(细缆，10Mbps)；10BASE-T、F(双绞线、光纤，10Mbps)；100BASE-X(双绞线、光纤,100Mbps)；1000BASE-T(双绞线，1000Mbps)1000BASE-X(光纤，1000Mbps)以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术,几乎所有的编程语言都支持Ethernet的应用开发。以太网的硬件产品价格低廉,其网卡的价格只有Profibus、FF等现场总线的十分之一。人们对以太网的设计、应用积累了许多经验,软硬件资源丰富，技术十分成熟。工业界对以太网的发展予以高度重视，并给以大量的技术投入，保证了以太网技术的持续向前发展。以太网易于与Internet连接，能实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接。Ethernet用于工控网要解决的关键技术通信的实时性即确定性。以太网采用介质控制方式为CSMA/CD，在网络负荷较重时,将影响数据的传输效率。可通过提高通信速率，限制通信负荷以及采用交换式集线器和全双工通信,使碰撞机率大大降低。通信的稳定性和可靠性。

以太网所用的接插件、集线器、交换机、电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求。应设计用于工业现场、抗干扰性能好的产品。总线供电和本质安全防爆问题。目前以太网设备功耗都比较大,只能采用非总线供电(或利用通信电缆中的另一对双绞线)和隔离防爆的方法,应尽力研制低功耗的设备。网络的安全性问题。

以太网有可能受到病毒、黑客的入侵与非法操作的威胁，应采用网络隔离方法将控制网络与外部信息网分开，同时可采取用户密码、防火墙等多种安全措施。通信的一致性和互可操作性。以太网只定义了物理层、数据链路层以及其上的TCP/IP,而没有工业控制现场设备通信所需的高层协议，应当建立完整的、有效的应用层与用户层规范，以满足开放系统互操作的要求。FTP,SMTP,HTTPEthernet用于工控网络的几种技术方案Ethernet/IP(theControlNet/DeviceNetobjectsonTCP/IP)(CI)FFHSE(HighSpeedEthernet)(FF)Profinet(ProfibusonEthernet)(PI)IDA(InterfaceforDistributedAutomation)(SA)ModbusTCP(ModbusProtocolonTCP/IP)EPA(EthernetforPlantAutomation)小结上述几种现场总线均可构成现场控制系统,但只有FF-H1、Profibus-PA、HART三种总线可用于过程控制(总线供电和本安防爆)。从发展趋势看，EPA有良好的应用前景。能用现场仪表(变送器、执行器)构成现场控制回路的只有FF-H1总线,因其功能模块具有变送、调节、计算、报警、故障诊断等功能。适用于过程控制的现场总线现场总线的选择从性能和成本综合考虑：规模较小的普通测量控制系统选用HART总线,要求由现场仪表实现就地现场设备比较分散、需要就地控制。这是使用现场总线技术的关键，因为其优势是可节省大量现场布线开支，系统易于维护。系统对信息集成有较高的要求。在底层使用现场总线技术可将大量现场数据集成到管理层，为管理系统(CIMS)提供底层数据。在实时性要求高的场合，应使用较高的数据传输率。根据防爆要求选用相应等级的总线供电方案。控制则选用FF总线。如生产及控制设备来自欧洲可选用Profibus总线,如生产及控制设备来自美国或日本,选用FF总线。(Profibus更适合离散控制)FCS的应用场合现场总线控制系统现场仪表：具有标准通信接口的智能变送、控制、显示、执行仪表。>现场总线控制系统的组成现场总线控制网络包括现场测控仪表、通信设备、电缆、上位计算机以及通信和组态软件。上位监控计算机：符合工业标准，具有通信接口(或网卡)、操作系统的工业控制计算机。通信设备和软件：通信转换装置、网卡及监控界面与现场仪表之间数据交换软件(DDE、OPC等)。用户组态软件：制作监控界面，实现显示、操作、报警、制表、打印等功能。通信接口卡监控计算机

不同子网其它网络

路由器

网关现场仪表用户应用软件网络通信软件

传感器执行器现场总线控制系统示意图

通信软件DDE

(Dinamicdataexchange)：动态数据交换基于消息机制，用于控制系统实时数据通信。当数据量大时，效率较低。微软公司已停止发展DDE技术，但仍给予支持。目前大多数监控软件也支持DDE。OPC(OLEforProcessControl)：用于过程控制的OLE以ActiveX、COM&DCOM、XML及.NET技术为基础。OPC是一个开放的软件接口规范，用于客户程序和服务器之间的数据通信。OPC使监控软件能高效、稳定地对硬件设备进行存取操作，系统应用软件之间也可灵活地进行信息交换。组态软件应具有如下功能:

完善的人机界面功能:图形、报表、动画等。

丰富的图形库,并可扩充。

简便、易学的控制语言。

先进的安全管理系统。

强有力的通信功能。

先进的报警和事件管理。

广泛的数据获取和处理能力。

强大的网络和冗余能力。

支持多媒体：图片、声音、动画等。工控组态软件常使用INTOUCH、iFIX、组态王、坤瑞等

组态王运行组态王开发>现场总线控制系统实例基于RS-485总线的控制系统MODBUS、中继器监控计算机现场仪表

RS485/232RS4852KmRS485/232系统结构:应用实例（能源计量和管理）:RS485/232主台控制器数据从台数据主台RS485RS485流量计变送器流量演算表变送器热能计量表以屏蔽双绞线为介质采用无线通信方式使用单位：上海石化、宝钢集团、浦东机场、金茂大厦等上海同欣自动化仪表仪表有限公司，TelCS-7控制系统功能特点:PCS-7是基于Siemens全集成自动化概念的过程控制系统，表现在统一的数据管理、通信和软件。PCS-7采用标准的SIMATIC部件(S7/M7/C7控制器、PC、HMI、DP、PA部件等)进行配置，同时模块化的结构保证了系统的灵活性和统一性。PCS-7具有标准接口，允许非Siemens的部件与系统方便地连接，而不必使用价贵的专用接口(开放性)。完善的人机接口和编程功能。WinCC和工具软件提供了完成监控界面、编程、模拟、维护等功能。现场控制级使用Profibus-DP、PA及AS-I等总线，上层使用以太网。Engineering

StationESIndustrialEthernet/FastEthernetoperatorterminals

(1...16)OSserver

(1...6)EthernetPROFIUSDPS7417

ControllerET200M

RemoteI/OSIWAREX

WeighingET200M

RemoteI/ODP/PA-LinkPROFIBUSDPS7416

S7414

ControllerAS-InterfacePROFIBUSPADP/PA-LinkPROFIBUSDPS7416

S7414

ControllerPROFIBUSPA系统结构:通过总线连接远程I/O:PROFIUSDPET200M

RemoteI/OSIWAREX

WeighingSystembusIndustrialEthernet/FastEthernetET200M

RemoteI/ODigitalI/OsCounters

AnalogueI/OsincludingHARTProtocolSpecialmodulesforWeighing

Batching

PIDLoopControl

Positioning

etc.

远程I/Os的集成是实现工厂自动化的必要条件：

1.能够处理以下信号：

-pressureswitches

-temperatureswitches

-levelswitches

-flowswitches,etc.

2.能够操作：

-开关阀

-螺纹阀

3.能集成模拟I/Os和特殊模块：

-weighing,batching,

-PIDloopcontrol PROFIBUS支持

HART

协议，保护了用户投资

发展趋势是把远程I/Os放在危险区（ET200iS）

通过GSD、GSE文件实现互操作S7400Controller连接驱动设备和执行器:PROFIUSDPVariablespeeddrives

SIMOVERTMASTERDRIVES

MICROMASTERMotormanagement

SIMOCODESystembusIndustrialEthernet/FastEthernetMotor集成驱动设备例如变频器,马达驱动的抽水泵和鼓风机etc.电动执行器对于一个工厂的完整自动化是必须的。 PROFIBUS对执行器和驱动设备提供综合性的诊断： -过载

-马达温度

-耗电监控

-接地错误

-扭矩监控

-运行时间

通过GSD文件实现互操作S7400Controller电动执行器：SIPOSPump连接现场操作面板:PROFIUSDPSystembusIndustrialEthernet/FastEthernet

用于现场显示和操作–Textdisplaystolocaldisplayofinformation–PushButtonPanelsforlocaloperation–Operatorpanelsandbarcodereadersfor

hazardousareasarealsoavailable

通过GSD文件实现互操作S7400ControllerOP37OP7TD17PP17PROFIUSDPS7400ControllerSystembusIndustrialEthernet/FastEthernetDP/PA-LinkGasAnalyserFlowPressureTemperaturepH,C,O2ValvePositionerLevelPROFIBUSPAPROFIBUSPA

耦合器coupler的主要作用：1.实现物理层的转换2.通过总线向现场仪表供电3.安全栅功能：实现危险区与安全区的电气隔离链接器Link的主要作用：1.控制着过程仪表与主控制器之间的数据通信工作，它肩负着主设备和从设备的双重身份。2.作为主设备,它控制着内部总线的正常工作;作为从设备,它又担负着与上一层总线的通信任务。

通过Profibus-PA连接现场仪表:可连接现场仪表的数量:PROFIBUS-DP,to12MBit/sDP/PA-LinkPROFIBUS-PASIMATICS724Vmax.10DP-分支/CPUmax.123Link/DP分支max.5耦合器/LinkMax.9(30)仪表/耦合器,Ex-(非-Ex)-区(每台仪表12mA)max.30现场仪表/LinkDP/PA-Link24VPROFIBUS-PA110mA400mA危险区

DP/PA耦合器提供可用的电压

PROFIBUSPA设备的最小工作电压是9V典型的PA总线电阻值是44/km

电缆长度的计算遵循

Ohm’slawPROFIBUSPA的最大长度包括所有分支的长度(1900m)

每个DP/PA-Link能够连接最大5个PA耦合器，在安全区建议2个PA耦合器；PROFIUS-DPDP/PA-Link安全区:560m

危险1区:680m危险0区:790mPROFIBUSPA长度:PROFIBUSPADP/PA-Couplers

iaibsafeareaProfibus-PA总线长度:基于Profibus总线控制系统应用实例:吸收塔吸收塔DP/PA-LinkET200M

RemoteI/OIndustrialEthernet/FSMS7400ControllerPROFIUSDPS7400ControllerEngineering

StationESOperator

StationOSPROFIBUSPA吴泾化工厂醋酸车间尾气回收系统，AI、AO、DI、DO共300多点，控制回路30个。Tel套装置100万，可节省安装费用50%以上DeltaV现场总线控制系统功能特点:系统开放、模块结构、配置灵活、扩展方便。选用不同的I/O卡,可连接符合总线标准的多种现场设备。硬件安装简单、快捷。采用即插即用技术，可带电插拔，维护方便。本安I/O卡，集成隔离安全栅，IO卡件的每个通道均与现场隔离，系统可靠性高。软件功能丰富、多样。具有资源管理器、图形界面设计、先进控制软件、数据库管理和设备管理系统。拖－放式、图形组态(IEC61131控制语言标准)方式使得系统组态易于实现。支持OPC标准，DeltaV可方便地与厂内局域网连接。系统结构:系统包括工作站、通信网络、控制器及I/O卡件,支持FF、HSE、Profibus、HART等总线，可冗余配置。端子块控制网络现场接线I/O接口控制器系统电源I/O卡件DeltaV控制器支持多种现场总线，冗余配置，通信速率为100M，可带电插拔，系统能自动识别。I/O卡件输入输出卡件RTDTCAIPIMVAODIDOSOE支持各种总线协议的数据接口卡SerialCard串口卡FieldbusCard现场总线卡件HartAIHart协议输入卡HartAOHart协议输出卡PROFIBUSDP接口卡As-i协议接口卡DeviceNet卡HSE高速总线接口卡冗余卡件本安型卡件软件包资源管理器(Explorer)：系统组态的基本浏览工具，允许访问视图中的任一项，并可以拖放的方式进行操作。类似Windows资源管理器布局和操作方式单一窗口管理整个系统资源系统组态的调度室系统资源分配办公室预先设计的组态策略库自动显示硬件配置控制器自动分配地址I/O模块自动识别控制工作室(ControlStudio)：提供图形化界面，创建和修改控制策略，在线浏览和调试。面向对象的设计和布置无需编译直接生成控制器编码控制模块编辑轻松拖放组态方式每个单项均可直接编辑内置批量控制软件和现场总线功能直接轻松存档图形工作室(GraphicsStudio)：使用图形、文字、数字和动态显示工具，创建高分辨率的实时过程图形。轻松拖放组态方式各种图形模板，用户可以自制模板使用照片、三维图像、声音等各种多媒体设备管理系统