硕士论文-集成电路板锡膏印刷机现场总线系统应用.pdf

上海交通大学 硕士学位论文 集成电路板锡膏印刷机现场总线系统应用 姓名：夏明伟 申请学位级别：硕士 专业：控制工程 指导教师：韩兵;黄雄哲 20091105 上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 第 I 页 集成电路板锡膏印刷机现场总线系统应用 摘 要 集成电路板锡膏印刷机现场总线系统应用 摘 要 随着电子产品向微型化、便携式、网络化和多媒体方向迅速发展， SMT(Surface Mount Technology 表面贴装技术)在电子工业中正得到越 来越广泛的应用，并且在许多领域部分或全部取代了传统电子装配技术， SMT 的出现使传统电子装配技术发生了根本的、革命性的变革。同时, 工 业控制领域越来越成熟的现场总线通信技术的发展，使得 SMT 装备设备 的控制方式也发生了改变。例如，集成电路板锡膏印刷机，为了简化结 构、增加可靠性、提高整体性能，CAN 总线控制系统取代了传统 DCS 控制 系统的锡膏印刷机。由于表面贴装技术在国外发展的比较早，技术成熟， 所以这方面的自动化设备几乎都是国外生产的。所以我研究这台锡膏印 刷机，对于国产此种设备提供一定的依据。 本课题从现有的 CAN 总线控制系统的锡膏印刷机入手， 分析了锡膏印 刷机这一个多传感器多运动机构的复杂控制设备，对设备中使用的传感 器和马达进行了分析和总结，并通过对比常规 DCS 控制系统，研究了基 于 CAN 总线的锡膏印刷机 FCS 控制系统。与传统的锡膏印刷机控制结构 相比，CAN 总线锡膏印刷机的控制系统机构减少了硬件配线，易于系统的 模块化实现和故障诊断。CAN 总线在保证锡膏印刷机系统可靠性的同时， 提高了设备精度，降低了成本，具有重要的应用价值。 关键字：关键字：锡膏印刷机，CAN 总线，CANopen，DCS，FCS，SMT 上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACT 第 II 页 Applications of Fieldbus Control System for the Integrated Circuit Board Paste Printer ABSTRACT With the miniaturization, portability, networking and miltimedia of electronic product，SMT has become more and more popular in electronic industry, and it takes the place of the traditional electronic assembly technology partially or wholly. SMT has revolutionized the traditional electronic assembly technology. At the same time, with the development of the fieldbus in the industry automation field, the control mode of SMT equipment has also changed. For example, the integrated circuit board paste printer, the control system with CAN bus has took the place of one with the traditional distribution control system for simplifying control structure, improving reliability, boosting overall performance. This paper analyses the control system mechanism of the paste printer, and investigates the fieldbus control system of the paste printer based on CAN bus. The paste printer control system based on CAN bus has lower wiring than the control system of the traditional paste printer, it will be easy to realize the system module and troubleshooting. The CAN bus can ensure the system reliability, improves the system precision and reduces the cost of the paste printer, so it has the important functional value. Key words: Paste Printer, CAN Bus, CANopen, DCS（Distribution Control System） , FCS （Fieldbus Control System） , SMT （Surface Mount Technology） 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 近年来，随着全球个人电脑和个人电子产品的不断普及，需求也不断增大。电子制造业已经 超过其它任何行业，成为当今第一大产业。在 20 世纪 70 年代末中国改革开放之时，正是全球个 人消费类电子产品的初期，中国的崛起加速的全球消费类电子产品的快速普及。短短十余年，中 国就成为全球最大的电子产品制造基地 12。 电子制造是从硅片制备到产品成型的实现过程。一个电子产品的制造过程大致如图 1-1 所 示。其中，把元器件安装到集成电路板（PCB, Print Circuit Board）上有两中方式：通孔安装 技术（THT，Through Hole Technology）和表面贴装技术（SMT，Surface Mounting Technology） 。 SMT 的优点非常突出，已成为电子生产领域里的主流技术。 图 1-1 电子产品的物理实现过程 Fig.1-1 Physical Achievement Process of Electronic Products 表面贴装技术是新一代电子组装技术,它将传统的电子元器件压缩成为体积只有几十分之一 的器件,从而实现了电子产品组装的高密度、高可靠、小型化、低成本，以及生产的自动化。将 这些元器件装配到 PCB 上的工艺方法称为 SMT 工艺 12。相关的组装设备则称为 SMT 设备。 1.2 表面贴装技术介绍及国内外现状表面贴装技术介绍及国内外现状 表面贴装技术是将表面贴装元器件贴装焊接到 PCB 表面规定位置上的电路板卡制造技术。 具 产品 接插件、导 线连接等 通孔安装， 表面贴装 引线键合， 倒装芯片等 半导体 工艺 晶片 元器件 单晶硅片 板卡 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 2 页 体过程可分为锡膏印刷、贴片和回流焊三个步骤。首先在 PCB 焊盘上印刷锡膏，再将表面贴装元 器件准确地放到印有锡膏的焊盘上，通过整体加热（回流焊）使得锡膏中的锡熔化、助焊剂挥发， 冷却后就在元器件引脚与焊盘之间形成了焊点，完成元器件与 PCB 的互连。 1.2.1 表面贴装技术的优点表面贴装技术的优点 (1 )贴装密度高 表面贴装元器件（SMC/SMD, Surface Mount Component/Surface Mount Device）与传统通 空插装元器件相比， 所占面积和重量都大为减少。 一般来说， 采用SMT可使电子产品体积缩小60% 70%，重量减轻90%以上。通孔安装技术元器件，它们按2.54 mm网格安装元件，而SMT贴装元件网 格从1.27 mm发展到了目前的0.63 m m网格，个别达0.5 mm网格的安装元件，密度更高。例如一 个64引脚的双列直插(DIP)集成块，它的贴装面积为25mmx75mm，而同样引脚采用引线间距为 0.63mm的方形扁平封装集成块(QFP)，它的贴装面积为12mmx12mm 12。 (2)可靠性高 由于片式元器件的可靠性高，器件小而轻，故抗震动能力强，自动化生产程度高。贴装可靠 性高，一般不良焊点率小于百万分之十，比通孔插元件波峰焊接技术低一个数大连理工大学硕士 学位论文量级，用SM1，贴装的电子产品平均无故障时间(MTBF)为25万小时，目前几乎有90%的电 子产品采用SMT工艺 12。 (3)高频特性好 由于片式元器件贴装牢固， 器件通常为无引线或短引线， 降低了寄生电感和寄生电容的影响， 提高了电路的高频特性。采用SMC及SMD设计的电路最高频率达3GHz,而采用通孔元件仅为500MHz。 采用SMT也可缩短传输延迟时间，可用于时钟频率为16MHz以上的电路。若使用多芯片模块MCM技 术，计算机工作站的高端时钟频率可达l00MHz，由寄生电抗引起的附加功耗可降低2至3倍。 (4)成本低 印制板使用面积减小，面积为采用通孔技术面积的1/12，若采用CSP安装，则其面积还可 大幅度下降; 印制板上钻孔数量减少，节约返修费用; 频率特性提高，减少了电路调试费用: 片式元器件体积小、重量轻，减少了包装、运输和储存费用; 片式之 器件(SMC/SMD)发展快，成本迅速下降，一个片式电阻己同通孔电阻价格相当，约 0.3美分，合2分人民币。 (5)便于自动化生产 目前穿孔安装印制板要实现完全自动化，还需扩大40%原印制板面积，这样才能使自动插件 的插装头将元件插入，若没有足够的空间间隙，将碰坏零件。而自动贴片机采用真空吸嘴吸放元 件，真空吸嘴小于元件外形，可提高安装密度。事实上小元件及细间FE QFP器件均采用自动贴片 机进行生产，以实现全线自动化生产。 当然 ， SMT大生产也存在一些问题，如: 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 3 页 元器件上的标称数值看不清，维修工作困难; 维修调换器件困难，并需专用工具: 元器件与印制板之间热膨胀系数(CTE)一致性差。随着专用拆装设备及新型的低膨胀系数 印制板的出现，它们已不再成为阻碍SMT深入发展的障碍 12。 1.2.2 SMT 的基本工艺流程的基本工艺流程 表面贴装技术是一组技术密集、知识密集的技术群，涉及到元器件封装、电路基板技术、印 刷技术、自动控制技术、软钎焊技术、物理、化工、新型材料等多种专业和学科。在设备方面， 如贴片机， 多为从国外引进， 近年来又引进柔性好适应面宽的设备， 这些设备都采用计算机控制， 由计算机、图像识别系统、传感器、伺服系统组成控制系统，涉及计算机控制理论、图像识别等 多种学科知识。一般贴片机采用焊接结构为基础机架，采用大量精密灵敏组件如滚动丝杆、滑动 直线导轨、磁性流体阻尼器件等，巧妙地组装上气动系统、真空系统和电气控制，与机械式凸轮 分配轴系统相结合，广泛采用同步带传动，涉及到机械学的各个领域。中、高速贴片机运行速度 快，振动频率高，一旦紧固松动、传感器移位、结构件错位、任何一个电接触浮动都会导致设备 不能正常运行.事故原因需从机、电、光几个方面寻找，故要求SMT人员机电并通，具有丰富的机 电一体化学科知识。在新型材料方面，焊膏和胶水都是触变性质流体，它们引起的缺陷占SMT总 缺陷的60%,熟练掌握这些材料知识才能保证SMT质量。SMT还涉及多种装联工艺，如印刷工艺、点 胶工艺、贴放工艺、固化工艺，只要其中任一环节工艺参数漂移，就会导致不良品产生 1。 SMT生产线装备主要包括锡膏印刷机、点胶机、贴片机、回流焊炉和质量检测装置。其主要 工艺流程如下:PCB锡膏印刷 锡膏印刷质量检测 元件贴装点胶一一点胶质量检测 元件贴 装 贴装质量检测 热风回流焊接 焊接质量检测- PCB性能检测。 SMT工艺有两类最基本的工艺流程，一类是锡膏一再流焊工艺，即单纯的THT工艺；另一类是 贴片一波峰焊工艺，即单纯的SMT工艺。在实际生产中，应根据所用元器件和生产装备的类型以 及产品的需求，选择单独进行或者重复、混合使用，以满足不同产品生产的需要。现将基本的工 艺流程图示如下: （1） 单面组装工艺 图 1-2 单面组装工艺 Fig1-2 Process of Single-Side Assembly 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 4 页 （2） 单面混装工艺 单面元器件混装工艺流程是比较常见的工艺流程，如图 1-3 所示。一般先在电路板上印刷锡 膏，在贴装 SMC/SMD，再利用回焊炉焊接好，然后插上穿孔元器件通过波峰焊焊接好。该工艺操 作简单，但组装密度相对较低。典型产品有 VCD/DVD 解码板、电脑服务器主机板等。 图 1-3 单面混装工艺 Fig1-3 Process of Single-Side Multi-assembly （3）双面组装工艺 图 1-4 双面组装工艺 Fig1-4 Process of Double-Side Assembly （4）双面混装工艺 双面元器件混装工艺流程也是常见的工艺流程之一。它与单面元器件混装工艺流程不同，在 焊接面增加了贴片元器件，元器件组装密度有所提高，工艺也要复杂一些，如图 1-5 所示。流程 a 是第一面先贴片并回流焊，第二面贴片元器件暂时先由贴片胶粘接并固化，插装完成后与通孔 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 5 页 元器件一起通过波峰焊完成焊接。由于波峰焊是一种群焊工艺方式，所以流程 a 生产效率较高。 这种工艺流程普遍用与规模化产品的生产，多用于消费类电子产品的组装。但由于波峰焊无法焊 接引脚较密的贴片元器件，所以第二面只能分布一些简单的贴片元器件。流程 b 与流程 a 稍有不 同，第二面有涂覆贴片胶固化改为了印刷锡膏及再流焊。流程 b 主要用在第一面布有大型 IC 器 件，第二面又以片式元件为主，可以充分利用 PCB 空间，实现安装面积最小化，工艺控制复杂， 要求严格。常用于密集型或超小型电子产品，如手机等。 （a） （b） 图 1-5 双面混装工艺 Fig1-4 Process of Double-Side Milti-assembly 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 6 页 1.2.3 SMT 生产线构成 生产线构成 SMT 生产线主要由焊膏印刷机、贴片机、再流焊接设备和检测设备组成 。 SMT 生产线的设 计和设备选型要结合主要产品生产实际需要、实际条件、一定的适应性和先进性等几方面进行考 虑 2。 图 1-6 SMT 生产线构成 Fig.1-6 Structure of Production Line 1.2.4 锡膏印刷机介绍及国内外现状 锡膏印刷机介绍及国内外现状 锡膏印刷机是完成锡膏印刷的自动化设备。此类设备的厂商主要有英国的 Dek，美国的 MPM， 日本的日立、松下、三洋、Minami，德国的西门子，韩国的三星、LG，合资企业日东、科隆威， 中国东莞凯格的 GKG 等。这些设备中，尤其是 Dek 和 MPM，无论从品牌知名度还是市场占有率来 讲，都是市场中的领先者。 印刷机可分为半自动和全自动两种。半自动印刷机不能和其它 SMT 设备连接，需要人为操作 （例如放板，取板等） ，但它结构简单，价格便宜，典型机型有 DEK 公司的 248。全自动印刷机 连接到 SMT 生产线上，无须人为干预，集成电路板（PCB）由送板机自动传送到印刷机，印刷机 印刷完成， 自动传到下一台设备。 自动化程度高， 适用于规模化生产。 如英国 DEK 公司的 Infinity APi 型印刷机就是一种具有压力控制系统的全自动印刷机。印刷参数可通过计算机输入和设定， 丝印模板和PCB的对位点可用对位相机视觉系统自动识别对准， 其印刷的可重复精度可达2.0 CPK 25um, 印刷循环周期 8s。 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 7 页 1.2.5 贴片机介绍及国内外现状 贴片机介绍及国内外现状 贴片机是完成元器件贴装的自动化设备， 就是将 SMC/SMD 等表面贴装元器件从其包装结构中 取出，然后贴放到 PCB 的指定焊盘位置上，英文将这一过程称为“Pick and Place”。当然所贴 放的焊盘位置需是已涂敷了锡膏，或虽未涂敷锡膏，但在元器件所覆盖的 PCB 板面上已涂敷了贴 片胶。贴放后，元器件依靠锡膏或贴片胶的粘附力初粘在指定的焊盘位置上。 贴片机是计算机控制，集光、电气及机械为一体的高精度自动化设备。它通过拾取、位移、 对位、放置等功能，将 SMC/SMD 快速准确地贴放到 PCB 上指定的焊盘位置。目前，世界上生产贴 片机的厂家有几十家，但常见的贴片机以日本和欧美的品牌为主，主要有 SIEMENS（西门子） 、 PANASONIC（松下） 、Universal、YAMAHA（雅马哈） 、CASIO（卡西欧） 、SONY（索尼） 、FUJI（富 士） 、Samsung 等，型号规格也有很多。 贴片机按贴片速度分类，贴片机可分为中速、高速、超高速三种。 （1）中速贴片机 中速贴片机的贴片 3000 片/h 9000 片/h。一般适用于产品试制、新品开发、小批量生产 及特殊 SMC/SMD 贴装。 （2）高速贴片机 高速贴片机的贴片率一般为 9 千片/h 4 万片/h。它适用于 SMC/SMD 范围较宽，配件丰富， 功能完善，具有较高的贴片精度，又具有一定的生产效率的场合。另外，设备的性能价格比较适 中，是中小批量生产的优先选用设备。 （3）超高速贴片机 超高速贴片机的贴片为 4 万片/h 以上。它生产效率高，适宜大批量生产，特别适用于大量 使用片式电容器、片式电阻器、小型 SMD 而少量使用特殊 SMD 的生产。如 Panasonic CM602、 Fuji NXT 和 Universal 的高速机都可以达到 12 万片/h。 1.2.6 回焊炉介绍及国内外现状 回焊炉介绍及国内外现状 回流焊是伴随微型化电子产品的出现而发展起来的焊接技术， 主要应用于各类表面组装元器 件的焊接。 它是提供一种加热环境，使预先分配到印刷电路板板焊盘上的膏状软钎焊料重新熔 化，从而让表面贴装的元器件和 PCB 焊盘通过焊锡膏合金可靠的给合在一起的焊接技术。回流焊 操作方法简单，效率高，质量好，一致性好，节省焊料，是一种适合自动化生产的电子产品装配 技术，目前已成为 SMT 电路板组装技术的主流。 回流焊机的结构主体是一个热源受控的隧道式炉膛，沿传送系统的运动方向，设有若干独立 控温的温区，通常设定为不同的温度，全热风对流回流焊炉一般采用上、下两层的双加热装置。 电路板由入口进入再流焊炉膛，到出口传出完成焊接，整个再流焊过程一般需经过预热、保温干 燥、回流、冷却温度不同的四个阶段。要合理设置各温区的温度，使炉膛内的焊接对象在传输过 程中所经历的温度按合理的曲线规律变化，这是保证再流焊质量的关键。 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 8 页 电路板通过再流焊机时，表面组装器件上某一点的温度随时间变化的曲线，称为温度曲线。 如图 1-7 所示。 图 1-7 炉温曲线 Fig.1-7 Oven Profile 目前，世界上生产这类设备的厂家主要有美国的 Heller、BTU，德国的 REHM、ERSA，日本的 TAMURA、SUZUKE，中国香港的日东（SUNEAST） ，中国大陆的劲拓、科隆等。 1.3 本课题的研究内容本课题的研究内容 本课题先对表面贴装技术进行了介绍，分析总结了集成电路板锡膏印刷机、元器件贴片机、 锡膏回流焊炉的国内外现状。接着分析了锡膏印刷机可采用的现场总线标准，然后从锡膏印刷机 的结构入手，分析各个功能模块的控制原理。并通过对比常规 DCS 控制系统，研究基于 CAN 总线 的锡膏印刷机 FCS 控制系统。分析 CAN 现场总线的控制结构，进一步与集散控制系统对比，从而 得出现场总线控制系统和集散控制系统的优缺点。 与传统的锡膏印刷机控制结构相比，CAN 总线锡膏印刷机的控制系统机构可减少硬件配线， 易于系统的模块化实现和故障诊断。CAN 总线在保证锡膏印刷机系统可靠性的同时，提高了系 统精度，降低了成本，具有重要的应用价值。 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 9 页 1.4 本章小结本章小结 本章介绍了表面贴装技术的概念，表面贴装技术是新一代电子组装技术,它将传统的电子元 器件压缩成为体积只有几十分之一的器件,从而实现了电子产品组装的高密度、高可靠、小型化、 低成本，以及生产的自动化。将这些元器件装配到 PCB 上的工艺方法称为 SMT 工艺，总结了表面 贴装技术的优点。分析了表面贴装的工艺流程，包括单面组装、单面混装、双面组装和双面混装 四大组装方式。 本章还分析了表面贴装的生产线构成， 分析和介绍了表面贴装设备的国内外现状， 如锡膏印刷机的介绍、贴片机的介绍和回焊炉的介绍及国内外现状。 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 锡膏印刷机可采用的现场总线标准 第 10 页 第二章第二章 锡膏印刷机可采用的现场总线标准锡膏印刷机可采用的现场总线标准 2.1 现场总线概论现场总线概论 现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的 一种串行、数字式、多点、双向通信的数据总线。或者，现场总线是以单个分散的数字化、智能 化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能 的网络系统与控制系统 3。现场总线控制结构图如图 2-1 所示（以 Profibus 现场总线为例） 。 图 2-1 现场总线系统控制结构 Fig.2-1 Structure of Fieldbus Control System 传统的 DCS 控制系统的现场设备与控制器之间的连接采用一对一的接线方式，传递 4-20mA 或 24VDC 信号。其控制结构图如图 2-2 所示。 现场总线技术主要特征是采用数字式通信方式取代设备级的 4-20mA（模拟量）/24VDC（开 关量）信号，使用一根电缆连接所有现场设备。 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 锡膏印刷机可采用的现场总线标准 第 11 页 图 2-2 DCS 系统控制结构 Fig.2-2 Structure of Distribution Control System 2.1.1 现场总线的基本概念现场总线的基本概念 现场总线是应用在工业和工程现场， 在嵌入式测量仪表与控制设备之间实现双向串行多节点 数字通信的网络系统。现场总线系统是具有开放连接和多点数字传输能力的底层控制网络。近几 年来，它迅速在制造工业、流程工业、交通工程、建筑工程和民用与环境工程等方面的自动化系 统中实现了成功应用并向更广阔的应用范围发展。 现场总线技术把专用微处理器置入系统的现场装置， 使它们各自都具有了数字计算和数字通 信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把现场装置连接成的网络系统，并按公开、 规范的通信协议，在现场装置之间以及现场装置与控制室的计算机之间，实现数据传输和信息交 换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。现场总线使自动控制系统的结构大大简化，分散化 的设备都具有通信能力和控制信息处理能力，提高了控制系统的可靠性和整体性能水平 3。 2.1.2 现场总线的结构特点现场总线的结构特点 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 锡膏印刷机可采用的现场总线标准 第 12 页 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式，即是一种开放通信网络，又是一种全分布控 制系统。现场总线系统由于采用了智能现场设备，使原先 DCS 系统中处于控制室的控制模块、 各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等 执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场 完成，实现了彻底的分散控制。 由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现在一对线路上传输多个信号（包括多个运行 参数值、多个设备状态、故障信息） ；现场设备以外不再需要模拟/数字、数字/模拟转换部件。这 样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约互连电缆与各种安装、维护费用创造了条件 4。 2.1.3 现场总线的技术特点现场总线的技术特点 现场总线系统在技术上具有以下特点： a 系统体系的开放性 开放主要是相关标准和规范的公开。任何设备制造企业和公 司，现场总线设备的用户都可以方便地得到现场总线有关标准协议文本。因此，所有企业生产的 现场总线设备，一旦标有相应现场总线的标志如 FF，就意味着对公开协议的一致遵从。一个开 放系统是说明它可以在任何地方与遵守相同标准的其他设备或系统连接应用。通信协议一致公 开，各不同企业的设备之间可实现信息交换。现场总线开发者是要致力于建立统一的工厂底层网 络的开放系统。用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。通 过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。 b 互可操作性与互用性 互可操作性是指实现互连设备和系统间的信息传送与交换； 而互用则意味着不同生产企业的性能类似的设备可实现相互替换。 由于现场设备的智能化和功能 自治，它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成。因此，现场 设备可以完成自动控制的基本功能，并可随时将诊断设备运行状态的信息进行交换。这样就保证 了系统的互可操作性和互用性。 c 系统结构的高度分散性 现场总线构成了一种新型的全分散性控制系统的体系结 构。与现有的集散控制系统 DCS 集中与分散相结合的系统体系相比，简化了系统结构并提高了 可靠性。由于现场总线设置在生产过程现场，企业网络底层的现场总线专为现场环境而设计，支 持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等不同传输介质，具有较强的抗干扰能力， 能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求。这种对现场环境的适应性支持了高 度分散的系统结构 5。 2.1.4 现场总线的优点现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，时控制系统从设计、安装投运 到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 锡膏印刷机可采用的现场总线标准 第 13 页 a 节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、 控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等。 b节省安装费用 现场总线系统的连接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接 多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与街头校对的工作量也大大 减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近链接在原有电缆上，即节省了投 资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型实验工程的测算资料表明，可节约安装费用 60% 以上。3 c节省维护开销 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并能通过数字通 信将相关的诊断维护信息发送到控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早 期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维 护工作量。 d提高了系统的准确性与可靠性 由于现场总线设备智能化、数字化，与模拟信号相比， 它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与 连线较少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性 6。 此外，由于它的设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。 2.2 现场总线的起源与发展趋势 现场总线的起源与发展趋势 2.2.1 现场总线的起源与发展现场总线的起源与发展 现场总线起源于欧洲，随后发展至北美。早在 1984 年，制定国际标准的权威机构之一，国 际电工委员会 IEC（International Electro-technical Commission）就开始着手制定现场总线的国际 标准，但由于国际上几个跨国大公司为了各自的利益，阻碍和干扰了制定单一的现场总线国际标 准。经过了 15 年围绕着国际标准的现场总线竞争以妥协而告终。结果是出现了多种现场总线的 国际标准，到目前为止，至少已有 14 种之多。目前新一轮围绕着市场的现场总线竞争正在进行， 一种较少的现场总线国际标准始终是用户的希望和要求。为了寻找出路，目前国内外不少组织与 厂商正在寻找新的方法，将以太网（Ethernet）应用于现场总线将是一个新的亮点，现在已经出 现了多种基于实时以太网 RTE（Real Time Ethernet）的现场总线，但还处在继续研发之中 3。 2.2.2 现场总线开放统一和几种标准共存的发展方向现场总线开放统一和几种标准共存的发展方向 1983 年现场总线的概念首先在欧洲被提出。1984 年国际电工委员会 IEC 开始制订现场总线 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 锡膏印刷机可采用的现场总线标准 第 14 页 的国际标准，稍后成立了推广及试用的组织 IFC。1989 年 Profibus 成为德国国家标准。1990 年 FIP 成为法国国家标准。1992 年 ISP（Interoperable System Protocol）可互操作系统协议成立。它 基于 Profibus，全世界有 100 多家公司和企业参加。1993 年又成立 ISPF，即 ISP 基金会，以支持 实施 ISP 组织，由当时的美国 Fisher-Rosemount 公司牵头。1993 年 IEC 61158-2 物理层规范通 过表决成为国际标准， 但关键的链路层协议因与 Profibus 存在分歧而未获通过。 1993 年 World FIP （World Factory Instrumentation Protocol，世界工厂仪表协议）成立。 它基于法国的标准 FIP，也 有 100 多家公司参加，由美国的 Honeywell 公司牵头。1994 年 6 月 ISP 与 World FIP 认为两大 组织有必要相互融合，于是合并成为现场总线基金会（Fieldbus Foundation） ，简称 FF。FF 表示 一个现场总线组织和一种现场总线协议标准。World FIP 的北美部份参加了 FF，World FIP 的欧 洲部分仍保持独立。FF 的成立应当顺利地产生现场总线的国际标准了，但实际过程复杂多变。 1996 年 12 月 30 日1998 年 9 月 30 日期间，矛盾仍然严重，再经过 4 次投票表决，结果仍 然是唯一的现场总线国际标准没有获得通过。 1995 年 9 月 15 日 IEC 执委会作出决议，修改现有技术标准构筑容纳不同的协议框架，并 且至少容纳包括一种其他协议，从而为多种现场总线国际标准存在铺平了道路。1999 年底表决 的结果，包括 8 种类型在内的 IEC 61158 现场总线国际标准终于获得了通过。长达 15 年之久的， 围绕着国际标准的现场总线标准以相互妥协而告终，结果出现了多种标准共存的局面。 现有的 现场总线国际标准有： （1）IEC 61158（IEC/TC65/SC65C）的 10 种类型： IEC 技术报告（相当于 FF 的低速部分 H1，由美国 Rosemount 等公司支持） ； ControlNet 由美国 Rockwell 等公司支持； Profibus 由德国 Siemens 等公司支持； P-Net 由丹麦 Process Data 等公司支持； FF 的 HSE,（High Speed Ethernet） 由美国 Emerson 等公司支持； Swift net 由美国波音等公司支持； World FIP 法国 Alstom 等公司支持； Interbus 由德国 Phoenix Contact 等公司支持； FF 的应用层（Application Layer） ； Profinet 德国 Siemens 等公司支持。 可以看出，IEC 61158 实际上包括了 FF，Control Net，Profibus, P-net, Swift Net, World FIP，Interbus 与 Profinet 共 8 种现场总线。 （2）IEC 62026（IEC/TP17/SC17B）包括了 4 种现场总线国际标准： ASi（Actuator Sensor-interface） 执行器传感器接口，由德国 Festo 与 Btf 等公司支持； DeviceNet 由美国 Rockwell 等公司支持； SDS（Smart Distributed System） 灵巧式分散型系统，由美国 Honeywell 等公司支持； Seripex（串联多路控制总线） 。 （3）ISO 11898 与 ISO 11519 包括 CAN （Control Aero Network 控制器局域网络， 由德 国 Bosch 等公司支持 ） ；CAN 11898 （1Mbit/s）,CAN 11519（125kbit/s） 。 另外还有美国标准现场总线 LonWorks。因此，目前现场总线的国际标准至少有 14 种，而且 还有可能增加 3。 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 锡膏印刷机可采用的现场总线标准 第 15 页 2.3 几种重要的现场总线标准几种重要的现场总线标准 2.3.1 基金会现场总线基金会现场总线 基金会现场总线是由现场总线基金会（Fieldbus Foundation）组织开发的，它得到了世界上 主要的自控设备供应商的广泛支持。基金会现场总线的网络协议是按照 ISO/OSI 参考模型建立 的，它由物理层、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。 物理层提供机械、电气、功能性和规程性功能，以便在数据链路实体之间建立、维护和拆除 物理连接。物理层通过物理连接在数据链路实体之间提供透明的位流传输。基金会现场总线的传 输介质有双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输。基金会现场总线按照传输速率和功能又分为 H1 低速总线和 H2 高速现场总线。H1 总线主要用于现场级，其传输速率为 31.25kbps，通信距离可 达 1900m（可加中继器延长） ，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2 总线主要面向过程 控制级、远程 I/O 和高速工厂自动化的应用，其速率为 1Mbps 和 2.5Mbps 两种，其通信距离分别 为 750m 和 500m 4。 数据链路层负责实现链路活动调度，数据的接受发送，活动状态的相应，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，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。LAS 的全部操作分为：CD 调度、活动 表维护、数据链路时间同步、令牌传送和 LAS 冗余。基金会现场总线应用层包括应用进程、应 用进程对象、应用实体和应用服务元素等。主要提供通信功能、特殊功能以及管理控制功能。它 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 子层为 FMS 子层提 供发布者/接收者（Publisher/Subscriber）模式、客户/服务器（Client/Server）模式和报告分发模 式三种报文传送服务。FMS 子层则提供对象字典（OD）服务、变量访问服务和事件服务等。 基金会现场总线用户层具有标准功能块（FB）和设备描述（DD）功能。标准规定了 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要的所 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性 11。 2.3.2 LonWorks 现场总线现场总线 LonWorks 是由美国 Echelon 公司 1991 年推出的具有强劲实力的全新现场总线技术， 它采用 了 ISO/ OSI 模型的全部 7 层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络通信设计简化为 参数设置。 其通信速率从 300bps 到 1.5Mbps 不等， 直接通信距离可达 2700m(78kbps ， 双绞线) ， 支持双绞线、同轴电缆、光纤等多种通信介质。LonWorks 技术所用的协议为 LonTalk，它是 OSI 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 锡膏印刷机可采用的现场总线标准 第 16 页 参考模型面向现场对象应用的一个子集。它比现场总线历来推荐的功能覆盖面更广，如支持多介 质、大网络。这为工厂制造自动化的测、控、管一体化提供了全局性的解决方案。LonWorks 提 供一个开放性强的局部操作网络(LON) ，但 LonWorks 控制网络又不同于一般的 LON ，它是针 对控制对象研制的新型网络。其特点是与通信介质无关，优化成适于实时控制通信，以数据交换 率和响应时间来衡量网络性能 34。 LonWorks 现场总线的主要技术特点： (1) LonWorks 的技术核神经元芯片(Neuron Chip) 该芯片内部装有 3 个微处 理器 CPU。一个用于完成 OSI 模型中第 1 和第 2 层的功能，称为媒体访问控制 MAC 处理器， 实现介质访问的控制和处理；第二个用于完成第 3 到第 6 层的功能，称为网络处理器，进行网 络变量的寻址和处理、函数路径选择、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等；第三个 是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码，从而完成用户现场控制应用。芯片中还具有存贮 信息缓冲器，以实现 CPU 之间的信息传递，并作为网络缓冲器和应用缓冲器。 （2） LonWorks 的通信核心网络变量 它是 LonWorks 通信协议 LonTalk 的具体实现 形式，属于表示层和应用层，应用程序声明网络变量，经过编译，网络节点中就建立了相应的数 据结构和输入/ 输出缓冲区。在网络建立时，将不同节点中的输入/ 输出缓冲区连接起来就组成 了网络变量。由于网络变量的建立和连接是分开的，因此可以大规模地生产。当应用程序写输出 网络变量时，NeuronChip 自动将网络变量打包，根据节点内的网络构造数据，选择相应的寻址 方式进行传输。 网络上的其他节点根据报文中的目的节点地址和输出网络变量的选择码来更新对 应的输入网络变量，同时产生一个事件，通知应用程序网络输入变量已经改变。由此可见，网络 变量的引入，简化了网络通信的设计。 （3）LonWorks 的通信协议LonTalk 它是 LonWorks 的通信协议，固化在神经元芯 片内。它是直接面向对象的网络协议，为 LonWorks 通信设置框架，支持 ISO/ OSI 模型的 7 层 协议，可使简短的控制信息在各种介质中非常可靠地传输。 2.3.3 Profibus 现场总线现场总线 Profibus 是 Process Filedbus 的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标准，即 EN50170 欧洲标准，Profibus 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 为主从结构，可方便的构成集中式、集散式和分布式控制系统。针对不同的控制场 合，它分为 Profibus-DP、Profibus-PA 和 Profibus-FMS 三个系列。DP 型用于分散外设间的高速数 据传输，适合于加工自动化领域的应用。PA 型是用在过程自动化的总线类型，该技术是由西门 子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。FMS 意为现场信息规范，适用于纺织、楼 宇自动化、可编程控制器和低压开关等。 （1）Profibus-DP 它用于传感器和执行器级的高速数据传输，以 DIN 19245 的第一部分为 基础，根据所需要达到的目标对通信功能加以扩充。DP 的传输速率可达 12 Mbps，一般构成单 主站系统，主站、从站间采用循环数据传送方式工作。这种设计主要用于设备一级的高速数据传 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 锡膏印刷机可采用的现场总线标准 第 17 页 送，在这一级，中央控制器(如 PLC/ PC) 通过高速串行线与分散的现场设备(如 I/ O 、驱动器等) 进行通信，与这些分散的设备进行数据交换多数是周期性的。 （2）Profibus-PA 对于安全性要求较高的场合， 可选用 PROFIBUS - PA 协议，这由 DIN 19245 的第四部分描述。 PA 具有本质安全特性， 实现了 IEC 1158-2 规定的通信规程。 PROFIBUS - PA 是 PROFIBUS 的过程自动化解决方案。PA 将自动化系统和过程控制系统与现场设备如压 力、温度和液位变送器等连接起来，代替了 420 mA 模拟信号传输技术、节约了设备成本，且 大大提高了系统功能和安全可靠性。因此， PROFIBUS - PA 特别适用于化工、石油、冶金等行 业的过程自动化控制系统。 （3）Profibus-FMS 主要解决车间一级通用性通信任务，完成中等传