2022年2022年几种典型的现场总线 .pdf

4 几种典型的现场总线介绍4.1 Profibus 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（ IEC11582,1993 年通过），从而可以在有爆炸危险的区域（EX）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。 组成： PROFIBUS 有三个部分组成： PROFIBUS-FMS （Field Message Specification ）主要是用来解决车间级通用性通讯任务。可用于大范围和复杂的通讯。总线周期一般小于 100ms。 PROFIBUS-DP （Decentralized Periphery ）这是一种经过优化的高速和便宜的通信总线，它的设计是专门为自动控制系统与分散的I/O 设备级之间进行通信使用的。总线周期一般小于10ms。图 4 Profibus 的组成部分 Profibus-PA （Process Automation）是专门为过程自动化设计的，它可使传感器和执行器按在一根共用的总线上，甚至在本质安全领域也可接上。根据IEC1158 2 标准， PROFIBUS-PA 用双线进行总线供电和数据通信。图 4 为 PROFIBUS 组成说明，图5 为 PROFIBUS 的应用范围。PROFIBUS 支持多主站通信（令牌方式）和主从通信。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - 图 5 Profibus 应用范围 协议结构Profibus 协议结构是根据ISO7498 国际标准以OSI 作为参考模型的。 但省略了 36 层，同时又增加了服务层。PROFIBUS DP 使用了第一层（物理层），第二层（数据链路层）和用户接口，第三层到第七层未加以描述。这种结构确保了数据传输的快速和有效进行，直接数据链路映象（DDLM ）为用户接口易于进入第二层。用户接口规定了用户系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS DP 设备的设备行为， 还提供了传输用的RS485传输技术或光纤传输技术。PROFIBUS FMS ：对第一层、第二层和第七层（应用层）均加以定义。PROFIBUS PA：采用了扩展的DP 协议。另外还使用了描述现场设备行为的PA 规约。根据 IEC11582 标准，这种传输技术可确保其本质的安全性并通过总线给现场设备供电。使用分段式耦合器，PROFIBUS PA 设备能很方便地集成到PROFIBUS DP 网络上。PROFIBUS DP 和 PROFIBUS FMS 系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而这二套系统可在同一根电缆上同时操作。 传输技术PROFIBUS 提供了三种类型的传输：用于 DP 和 FMS 的 RS485 传输用于 PA 和 IEC11582 传输光纤（ FO）A. RS485 传输是 PROFIBUS 最常用的一种传输技术，这种技术通常称为H2。采用屏蔽双绞铜线， 共用一根导线对。线性总线结构允许站点增加或减少，而且系统的分步投入也不会影响到其它站点的操作。后增加的站点对已投入运行的站点没有任务影响。传输速率可选：9.6Kbps 和 12Mbps 之间。站点数：每分段32 个站，不带中继器；带中继器可多达127 个站传输距离：波特率(Kbps) 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 距离 /段 (m) 1200 1200 1200 1000 400 200 100 B. IEC1158 2 传输技术是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称为H1。传输速率： 31.25Kbps，电压式。站点数：每段最多为32 个，总数最多为126 个。距离：采用双绞线电缆，传输距离可达1900m。C. Profibus 系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体以增加高速传输的最大距离。许多厂商提供专用总线插头，可将 RS485 信号转换成光信号和光信号转换成RS485信号，这样就为RS485 和光纤传输技术在同一系统上使用提供了一套开关控制的十分简便的方法。 应用情况PROFIBUS 的应用包括了加工制造自动化、过程自动化和楼宇自动化。据调查在1996年 PROFIBUS 已赢得了 43的德国市场， 以及大约41的欧洲市场。目前各主要的自动化设备生产厂均为其所生产的设备提供PROFIBUS 接口，产品范围包括1000 多种不同设备和服务， 约有 200 种设备已经认证。PROFIBUS 已在全世界十多万的实际应用中取得成功。到1997 年 1 月为止，安装的PROFIBUS 芯片已超过一百万台。4.2 FF（ Fundation Fieldbus）基金会现场总线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。FF 是迫于用户的压力于1994 年 6 月由 ISP 与 WORLDFIP （北美）合并成立的现场总线基金会。ISP 是可互操作系统协议（Interoperable system protocol ）的简称，它基于德国的Profibus 标准， 成立于 1992 年 9 月，当时有 100 多个公司参加， 其中以仪表厂为多， 由 Fisher Rosemount公司牵头。 WORLDFIP 是工厂仪表世界协议（World Factory Instrumentation Protocol ）的简称，它基于法国的FIP 标准，由 Honeywell 公司牵头，也有100 多个公司参加，不少是PLC制造厂。FF 的拓朴结构（图 6）图 6 FF 的拓扑结构名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - - - - - - - - - H1 低速现场总线 31.25Kbps 232 个设备 /段供电与通讯本质安全双绞线 1900 米（最大）适用于过程设备的基层总线。H2 高速现场总线 1Mbps/2.5Mbps 速率可集成多达32 条 H1 总线冗余双绞线 750m/500m。支持 PLC 和加工工业设备 FF 的协议结构FF 应用了 ISO/OSI 模型的第一层、第二层和第七层（应用层），再在应用层上加上了用户层。 FF 的物理层符合IEC11582 标准，采用IEC11582 技术。FF 特点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。 应用情况1997 年，由多个供应商提供的基于H1 标准的小的试验系统被用于培训和技术确认，并已在世界上试用。4.3 CAN （ Controller Area Network ）CAN 是由 Robent Bosch 公司为汽车制造工业而开发的，是开放的通讯标准，包括ISO/OSI 模型的第一层和第二层，由不同的制造者扩展第七层，CIA （CAN in Automation ）组织发展了一个CAN 应用层 （CAL ）并由此规定了器件轮廓，以联网相互可操作的以CAN为基础的控制器件，或使EIA 模块相互可操作。CAN 目前已由ISO/TC22 技术委员会批准为国际标准ISO11898（通信速率 1Mbps）和 ISO11519（通信速率 125Kbps ），在现场总线中，目前是唯一被批准为国际标准的现场总线。 但 IEC 下面的 TC22 是分管电力电子的技术委员会，而工业自动化的现场总线则是由IEC 的 TC65 所分管，须经TC65 的批准才行。CAN 的协议结构采用 ISO/OSI 模型的第一层、第二层和第七层。CAN 的特点废除了传统的站地址编码而代之以对通信数据块进行编码。采用双绞线，通信速率高达1Mbps/40m ，直接传输距离最远可达10km/5kbps。可挂设备最多可达 110 个。信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8 个，因而传输时间短，受干扰的概率低。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - 当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该接点与总线的联系，使总线上的其他接点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。 CAN 支持多主站方式，网络上任何接点均可在任何时刻主动向其它接点发送信息，支持点对点，一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。 CAN 采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点继续发送数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免总线冲突。 CAN 不能用于防爆区。 应用情况CAN 目前主要用于汽车、公共交通的车辆、机器人、液压系统及分散型I/O 五大行业。此外 Allen-Bradley 以及 Honeywell 、Micro Switch 在 CAN 基础上发展了特殊的应用层，组成了 AB 公司的 Device Net 和 Honey Well 公司的 SDS（智能分散系统）现场总线。由于CAN 的帧短， 速度快， 可靠性强， 比较适合用于开关量控制的场合，故 CAN 的销量在增加，据欧洲市场调查，CAN 占有率从 1994 年的 5增加到1996 年的 9。4.4 WorldFIP 成立于 1987 年 3 月，是以法国几个跨国公司为基础，开发了FIP（工厂仪表协议）现场总线系列产品。到目前为止，WorldFIP 协会拥有100 多个成员，这些成员生产300 多个WorldFIP 现场总线产品。 WorldFIP 产品在法国市场占有率大于60，在欧洲市场占有大约25的份额。 这些产品广泛用于发电及输配电、加工制造自动化、铁路运输过程自动化等领域， 1996 年 6 月成为欧洲标准EN50170 第 3 卷。用 WorldFIP 构成的系统分为三级，即过程级、控制级和监控级。用单一的WorldFIP总线可以满足过程控制、工厂制造加工系统和各种驱动系统的需要。WorldFIP 的协议结构是由ISO/OSI 模型的第一层、第二层和第七层构成。其中第一层物理层符合 IEC11582 标准。传输媒体可以是屏蔽双绞线或光纤。传输速率为：31.25K bps 用于过程控制。1M bps 用于加工制造系统。2.5M bps 用于驱动系统。标准速率为1M bps，使用光纤时最高速率可达5M bps。目前 WorldFIP 的总线产品有法国CEGELEC 公司的 Alspa-8000 系统，Schneider 公司的Modicon-TBXplc系统， GECALSTHOM公司的 S900 SCADA 系统等。4.5 Devicenet DeviceNet 是一种低成本的现场总线链路，将工业设备（如：限位开关、光电传感器、阀组、 电动机起动器、 过程传感器、 条形码读取器、 变频驱动器、 面板显示器和操作员接口）连接到网络，从而免去了昂贵的硬接线。DeviceNet 是一种简单的网络解决方案，在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。DeviceNet 的直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O 接口很难实现的。DeviceNet 总线技术具有网络化、系统化、 开放式的特点， DeviceNet 总线的组织机构是“ 开放式设备网络供货商协会” ，简称 “ODVA ” （Open DeviceNet Vendor Association ）。ODVA是一个独立组织，管理DeviceNet 技术规范，促进DeviceNet 在全球的推广与应用。ODVA名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - - 实行会员制，会员分供货商会员（Vendor members）和分销商会员（Distributor member ）。ODVA 现有供货商会员300 多个，其中包括ABB 、Rockwell 、Phoenix Contacts、Omron、Hitachi 、Cutler-Hammer 等几乎所有世界著名的电器和自动化元件生产商。ODVA 的作用是帮助供货商会员向DeviceNet 产品开发者提供技术培训、产品一致性试验工具和试验，支持成员单位对DeviceNet 协议规范进行改进；出版符合DeviceNet 协议规范的产品目录，组织研讨会和其它推广活动，帮助用户了解掌握DeviceNet 技术；帮助分销商开展DeviceNet 用户培训和 DeviceNet 专家认证培训，提供设计工具，解决DeviceNet 系统问题。 ODVA 全球网站地址： hppt:www.odva.org ，ODVA 在中国有办事机构ODVA China ，网址：hppt:www.odvachina.org 。DeviceNet 的网络结构如图7 所示。图 7 Devicenet 的网络结构Devicenet 可以归纳出以下一些技术特点：最大 64 个节点。125kbps500kbps 通信速率。点对点，多主或主/从通信。可带电更换网络节点，在线修改网络配置。采用 CAN 物理层和数据链路层规约，使用CAN 规约芯片，得到国际上主要芯片制造商的支持。支持选通、轮询、循环、状态变化和应用触发的数据传送。低成本、高可靠性的数据网络。既适用于连接低端工业设备，又能连接象变频器、操作终端这样的复杂设备。采用无损位仲裁机制实现按优先级发送信息。具有通信错误分级检测机制、通信故障的自动判别和恢复功能。得到众多制造商的支持，如：Rockwell 、 OMRON 、 Hitachi 、 Cutter-Hammer、Mithileichi 等。 Devicenet 制造商协会拥有三百多个会员遍布世界各地。2002 年 12 月 1日发行的国家标准化管理委员会通报中，公布了Devicenet 现场总线已被批准为国家标准。DeviceNet 中国国家标准的编号为GB/T 18858.3-2002 ，名称为低压开关设备和控制设备控制器设备接口（CDI ） 第 3部分： DeviceNet。该标准于2002 年10 月 8 日被批准，并于2003 年 4 月 1日开始实施。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - 4.6 ASi ASi（Actuator Sensor Interface 执行器传感器接口）总线是自动化系统中最低层级的现场总线。它是一种开发式与生产商无关的总线，适用于二值传感器和执行器的联网。ASi 总线的优点：不再需要传感器/执行器与较高级的控制器之间的大量连接线，代之以一根二芯电缆线；不需要参数化的软件；在电气和机械方面都是标准化的，与生产商无关；应用穿刺法接触连接，安装简单、快速，极性不可能接错；接口芯片可以集成在传感器和执行器上，以提高其监视和故障分析能力防护等级高，可在现场直接应用；具有自检测功能，抗干扰能力强。ASi 总线是一种简单的主从系统，控制数据传输的每个线路段只有一个主设备。主设备依次查询从设备并要求从设备应答。它采用固定的报文长度和数据格式，识别过程是不必要的。ASi 总线的主要技术数据如下：网络结构：线形或树型结构；传输媒体：数据和电源共用的无屏蔽双线电缆（2 1.5mm2）；连接方法：采用穿刺法；最大电缆长度：无中继器/扩展器时为100m，有中继器 /扩展器时为300m；最大循环时间：当完全配置时为5ms；最大站点数： 31 个；二值传感器 /执行器数：124 个（当用4输入， 4 输出， 2 输入 /2 输出或 2 2 数模块时，即4 31 个）；248 个（当用 4输入 /4 输出模块时，即8 31 个）；访问方法：循环查询主-从方法，从主设备（PLC、PC）循环采集数据；错误纠正：数据采集包含对错误报文的识别和重发。4.7 Interbus Interbus 是一种器件级现场总线，它是德国PhoenixContact 公司（一种中小型私人企业）研究和开发的，在1987 年正式公布， 1996 年成为 DIN19825 标准， 1998 年成为 EN50254欧洲标准，目前已成为IEC61158 国际标准。它快速、准确（令牌传递、环形拓扑），最多可连接 512 个“ 远程 ” 节点，每段距离为400m。Interbus 也允许次级有10m 的回路环，在这些“ 本地 ” 总线中，远程和本地可应用相同的芯片，但节点不能相互交换数据。到 1997 年底， Interbus 已有 125000 多个应用项目和170 万个联网的节点。Interbus 俱乐部有 700 多家制造商支持、400 多家会员单位，主要应用于汽车、印刷、物资搬运和机床等。4.8 部分现场总线技术特点总结现场总线特 点应 用Profibus-DP传输速率9.6-12Kbps 传输距离1001200m 传输介质双绞线或光缆支持 Profibus-DP 总线的智能电气设备、PLC等，适用于过程顺序控制和过程参数的监控名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - FF传输速率31.25Kbps 传输距离1900m 传输介质双绞线或光缆现场总线仪表，执行机构等过程参数的监控CAN传输速率5500Kbps 传输距离40-500m 传输介质两芯电缆汽车内部的电子装置控制，大型仪表的数据采集和控制WorldFIP传输速率31.252500Kbps 传输距离5005000m 传输介质双绞线或光缆可应用于连续或断续过程的自动控制DeviceNet传输速率125、250、500Kbps 传输距离100500m 传输介质五芯电缆适用于电器设备和控制设备的设备级网络控制，以及过程控制和顺序控制设备等Interbus传输速率500K12Mbps 传输距离100m 传输介质同轴电缆或者光缆车间设备和 PLC 网络控制ControlNet传输速率5Mbps 传输距离100400m 传输介质双绞线车间级网络控制和PLC 网络控制LonWorks传输速率781250Kbps 传输距离1302700m 传输介质双绞线或电力线由于智能神经元节点技术和电力载波技术，可广泛应用于电力系统和楼宇自动化更详细介绍名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 8 页 - - - - - - - - -