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中北大学学位论文 p r o fib u s - d p 技术研究及其通信接口的开发 摘要 由于采用现场总线技术将使控制系统结构简单，系统安装费用减少并且易于维护， 用户可以自由选择不同厂商、不同品牌的现场设备实现系统集成的最优化等一系列优 点，现场总线技术已经成为自动化技术发展的热点。 p r o f i b u s 现场总线已经成为开放的国际标准，并在全世界得到了广泛应用，这既给 国内现场设备及仪表提出了新的更高要求，同时也提供了新的市场机会。国内的产品要 想打入国际市场就必须带有p r o f i b u s 接口，才能方便地接入标准的p r o f i b u s 网络，因 此，为现场设备与仪表开发p r o f i b u s 通信接口是国内自动化领域的当务之急。 p r o f i b u s 包括p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s - p a 。p r o f i b u s - f m s 三个系列，其中 p r o f i b u s d p 是一种经过优化的、高速廉价的通信连接，用于自动控制系统和设备级分 散的i l o 之间进行通信。 本文对p r o f i b u s 现场总线技术进行了理论分析，着重分析了p r o f i b u s d p 的协议 及其报文结构。并在此基础上，提出了开发p r o f i b u s d p 智能化从站通信接口的两种方 案：一种是采用s p c 3 开发p r o f i b u s d p 智能化从站接口韵方案；另一种是用软件实现 数据链路层协议从而开发智能化从站接口的方案。 论文重点论述了第一种方案的软硬件实现过程，即采用s i e m e n s 公司生产的s p c 3 协议芯片开发d p 智能化从站接口模块，p r o f i b u s d p 协议的关键时间部分由协议芯片 s p c 3 实现，其余部分由微处理器8 0 c 3 2 完成。 最后本文探讨了开发d p 智能化从站接i s i 模块的第二种方案。该方案不使用专用协 议芯片而由软件实现d p 从站协议，通过荜片机的u a r t 与主站进行通信a 关键词： 现场总线，p r o f i b u s d p ，协议。通信接口，开发方案 中北大学学位论文 t h et e c h n i c a lr e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n tf o rt h ec o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c eo f p r o f i b u s g a oh u a ，y a 0z h u t i n g a b s t r a c t t h ef i e l d b u sh a sb e c o m ea nh o ts p o to ft h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i c t e c h n i q u eb e c a u s e i t sm a n y s t r o n gp u i n t sf o re x a m p l e ，i t sa d o p t i o nw i l lm a k et h es t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e m b e c o m es i m p l e ，m a k et h ee r e c t i n ge x p e n s e so fc o n t r o ls y s t e md e c r e a s e ，m a k et h es y s t e m m a i n t e n a n c eb e c o m ee a s y ，a n dm a k et h eu s e rc a nc h o o s ed i f f e r e n tb r a n df i e l dd e v i c e s p r o d u c e db y d i f f e r e n tm a n u f a c t u r e st or e a l i z et h ei n t e g r a t e ds y s t e m p r o f i b u sh a sa l r e a d yb e c o m eo n eo ft h eo p e n l yi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d sa n db e e nu s e d w i d e l yi nt h ew h o l ew o r l d ，w h i c hn o to n l yp r o v i d e st h en e wm a r k e to p p o r t u n i t y , b u tp u t s f o r w a r ds e r i o u s c h a l l e n g e st o t h ed o m e s t i cf i e l dd e v i c e sa n di n s t r u m e n t s t oe n t e rt h e i n t e r n a t i o n a lm a r k e ta n db ec o n v e n i e n t l yc o n n e c t e dt ot h es t a n d a r dp r o f i b u s n e t ，d o m e s t i c f i e l d b u sp m d u c t sm u s th a v ep r o f i b u sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，t h e r e f o r e ，i ti su r g e n tt o d e v e l o p t h ep r o f i b u si n t e r f a c ef o r t h ed o m e s t i cf i e l d b u se q u i p m e n t si nt h ea u t o m a t i cf i e l d t h ep r o f i b u si n c l u d e st h ep r o f i b u s - d p , p r o f i b u s p aa n dp r o f i b u s - f m s p r o f i b u s d pi sak i n do f o p t i m i z e dc o m m u n i c a t i o nc o n n e c t i o nw i t hh i g hs p e e da n dc h e a p e x p e n s e s ，a n di ti su s e dt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o no ft h ea u t o m a t i cc o n l t u ls y s t e mt ot h e d i s t r i b u t e di oe q u i p m e n t s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r o f i b u si nt h e o r ya n de m p h a s i z e st h ep r o t o c o la n dm e s s a g e s t r u c t u r eo ft h ep r o f i b u s d p , b a s e do nw h i c ht h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt w od e v e l o p m e n t p r o p o s a l sf o rt h ep r o f i b u s d pi n t e l l i g e n ts l a v es t a t i o n sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e o n ei s t od e v e l o pt h ei n t e r f a c ew i t ht h es p c 3 ，t h eo t h e ri sw i t ht h es o f t w a r et h a tr e a l i z e st h ep r o t o c o l o f t h ed a t a - l i n kl a y e r t h i s p a p e rm a i n l yd e s c r i b e s t h eh a r d w a r e c o m p o s i t i o n a n ds o f t w a r ep r o g r a mf o rt h ef i r s t d e v e l o p m e n t t h a t i st h ed e v e l o p m e n tf o rt h ep r o f i b u s d p i n t e l l i g e n ts l a v e s t a t i o n s c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ew i t ht h es p c 3p r o d u c e db ys i e m e n s t h ek e yt i m es e c t i o n so f t h e 中北大学学位论文 p r o f i b u s d pp r o t o c o la r ei m p l e m e n t e db ya p r o t o c o lc h i pn a m e d s p c 3 ，a n d o t h e rs e c t i o n s a l ee x e c u t e db yt 1 1 e8 0 c 3 2 f i n a l l y ，t h i sp a p e r d i s c u s s e st h es e c o n dd e v e l o p m e n tf o rt h ep r o f i b u s d pi n t e l l i g e n t s l a v es t a t i o n sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e w i t hw h i c ht h ep r o f i b u s - d p p r o t o c o l s a l e r t t i m p l e m e n t e db y t h ec h i ps p c 3 ，b u t b y t h es o f t w a r e t h ec o m m u n i c a t i o nw i t ht h em a s t e r s t a t i o nc a nh er e a l i z e dt h r o u g ht h ei n t e r f a c eu a r to ft h em i c r o p r o c e s s o r k e y w o r d s ： f i e l d b u s ，p r o f i b u s - d p ，p r o t o c o l ，c o m m u n i c a t i o ni m e f f a e e ，d e v e l o p m e n t 中北大学学位论文 本人声明 我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成 的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 作者姓名：高华 签 字：南竿 日期：2 0 0 5 年2 月1 8 日 中北大学学位论文 1 、绪论 1 0 引言 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，企业信息交换沟通的领域正在迅速 覆盖从现场设备层到控制、管理的各个层次，同时也引起了工业控制系统体系结构与设 备的重大变革。顺应工业控制系统领域技术向现场仪表智能化、控制功能分散化、控制 系统开放化的发展趋势，8 0 年代末、9 0 年代初，新一代全分布式控制系统现场总线 控制系统( f c s ) 应用而生，现场总线( f i c l d b u s ) 正是这种新型控制系统的核心技术。该 技术集控制、计算机、数字通信、网络、智能传感器、自动化仪表等技术为一体主要 用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备的互连通信。由于采 用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，适应 了工业控制系统领域的技术发展趋势，并且给自动化系统的最终用户带来了更大的实惠 和更多的方便，因此，它一经产生便成为工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关 注，并被称为控制技术新时代的开端。现场总线控制系统( f c s ) 也必将成为工业自动 化的主流。 1 1 现场总线产生的背景 纵观控制系统的发展史，可以发现，每一代新的控制系统的出现都是对老一代控 制系统中存在的不足而给出的更完善的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大因 素的推动下占领市场的主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生也不例外。现 场总线的产生既源于用户的迫切需求，也是科技发展的必然结果。 ( 1 ) 模拟仪表控制系统( a c s ) 2 0 世纪5 0 年代以前，第一代过程控制体系结构( 基地式气动信号控制系统) 是基于 o 2 1 k g f c m 2 的气动信号标准，随后的第二代过程控制体系结构( 电动单元组合式模拟 仪表控制系统) 使用的是4 2 0 m a 的模拟信号。其显著缺点是：模拟信号精度低，易受 干扰。 ( 2 ) 集中式数字控制系统( c c s ) 至t j 7 0 年代，人们在测量、模拟和逻辑控制领域中使用了数字计算机，从而产生了 中北大学学位论文 集中式控制，即第三代过程控制体系结构( c c s ) 。由于这种控制系统采用了单片机、 p l c 或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统 中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。集中式控制系统的优点是易于根 据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制机时的选择上可以统一调度和安排。 但其不足是对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统 任务增加时，这种系统的通信变得相当复杂，从而导致控制器的效率和可靠性急剧下降。 ( 3 ) 集散式控制系统( d c s ) 在8 0 年代，随着微处理器的出现，产生了第四代控制系统即集散式控制系统( d c s ) 。其核心思想是集中管理，分散控制即管理与控制相分离。上位机用于集中监视管理 功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连 以实现相互之间的信息传递，因此，这种分布式控制系统体系结构有力地克服了集中式 控制系统中对控制器的处理能力和可靠性要求高的缺陷。工业控制系统发展n d c s 阶段 可谓发生了质的变化，但问题仍然存在，主要表现在： 一对一结构：一台仪表，一对传输线，单向传输一个信号，这种一对一结构造 成接线繁杂、工程周期长、安装费用高、维护困难等； 可靠性差：在d c s 中，控制器与现场设备之间的通信仍是4 2 0 m a 模拟信号，模 拟信号精度低，而且易受干扰，为此采用各种措施以提高抗干扰性和传输精度， 其结果是增加了成本： 互操作性差：尽管模拟仪表采用统一了的4 2 0 m h 的信号标准。可大部分技术参 数仍由制造商制定，不同厂家的软硬件产品不能互换，在通信方面基本上仍属 于按各制造厂自身的通信协议工作，这就导致了用户依赖制造厂商，无法达到 系统的最优化； 失控：d c s 系统仅能从过程控制站得到现场仪表传来的4 2 0 r a h 模拟量信号或 2 4 v d c 等开关量信号，并以此监控现场设备，而对现场设备及仪表的参数、故障 及工作状态则一无所知，更谈不上对其进行调整和预测，使现场设备处于失控 状态。 由于d c s 控制不能做到彻底分散，危险依然相对集中，这样就大大制约t d c s 功能 的迸一步发挥，且d c s 造价昂贵。在这种情况下，用户对控制系统提出了可靠性和开放 一2 中北大学学位论文 化程度要提高、成本要降低的迫切要求。 ( 4 ) 现场总线控制系统( f c s ) 正是基于以上原因，随着大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装 置等现场设备智能化，即内置c p u 控制器，完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至 回路调节等功能。因此，考虑对这些智能现场设备增加一个串行数据接口( r s 一2 3 2 4 8 5 ) 有了这样的接口，控制器就可以按其规定的协议，通过串行通信方式( 而不是i 0 方式) 完成对现场设备的监控，如果全部或大部分现场设备都具有串行通信接口并具有统一的 通信协议，控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接，完成对所有现场设备 的监控，于是，现场总线及现场总线控制系统( f c s ) 应运而生。现场总线控制系统( f c s ) 用开放的现场总线通信网络将工业自动化系统最底层的现场控制器与现场智能化仪表、 设备互连成实时网络控制系统，传输信号由数字信号代替了传统的4 2 0 r a a 、0 6 v 模拟 量信号和开关量信号。 作为新一代的控制系统。一方面，f c s 突破了d c s 系统采用通信专用网络的局限，采 用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把d c s 的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放 到现场，并且实现了全数字式通信，提高了系统的抗干扰能力。可以说，开放性、分散 性与全数字通讯是现场总线控制系统最显著的特征。 1 2 现场总线技术及其特点和优点 1 2 1 现场总线的概念 根据国际电工委员会i e c 标准和现场总线基金会f f 的定义：现场总线是连接智能现 场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络【2 1 。也被称为开放式、 数字化、多点通信的底层实时控制网络。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字 计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。采用可进行简 单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仅表、计算机等作为网络节点连接成网络 系统，并按公开、规范的通信协议，在位于生产控制现场的多个微机化测量控制设备之 间、以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间，实现数据传输与信息交换，形 3 中北大学学位论文 成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，现场总线技术是把单个分散的智能化 测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共 同完成自控任务的网络系统与控制系统。 现场总线不单单是一种通信技术，其意义不仅仅是用数字仪表代替了模拟仪表，更 重要的是引起了整个控制系统体系结构的根本性变革。它给自动化领域带来的变化，正 如计算机网络给单台计算机带来的变化。如果说，计算机网络把人类引入到信息时代， 那么现场总线则使自控系统与设备加入到信息网络的行列，成为企业信息网络的底层， 使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。 1 2 2 现场总线技术的特点 ( 1 ) 全数字化。在采用f c s 的企业中，用于生产管理的局域网与用于自动控制的现 场总线网络紧密衔接，实现了全数字式通信，从而提高了控制系统的可靠性。 ( 2 ) 双向传输。传统的4 2 0 m a 电流信号，一条线只能传递一路信号。现场总线设 备则在一条线上即可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制信息。 ( 3 ) 系统的开放性。一个开放系统可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相 连。开放系统把系统集成的权利交给了用户，用户可按自己的需要把来自不同供应商的 产品组成大小随意的系统。 ( 4 ) 可互操作性与互换性。现场总线以统一标准或约定来规范系统部件的接口、 外部连接和相互通信，不同厂商的设备可互连、互操作，实现“即接即用”；不同品牌 i 的同类设备可互换，实现了设备的供应不再依赖特定的制造商。 ( 5 ) 现场设备的智能化与功能自治性。由于传感测量、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，自动控制的基本功能仅靠现场设备即可完成，并可 随时诊断设备的运行状态。 ( 6 ) 系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能， 而不再需要一个中央控制计算机，实现了彻底的分布式控制，从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系。简化了系统结构，提高了可靠性。 ( 7 ) 对现场环境的适应性。现场总线是专为在现场环境工作而设计的，它支持双 绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，并可满足 本质安全防爆等要求。 d 一 中北大学学位论文 1 2 3 现场总线技术的优点 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，使控制系统的设计、 安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。 ( 1 ) 节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直 接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可节省一大笔硬件投资。 ( 2 ) 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或条电缆 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，连线设计与接 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 连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验 工程的测算资料，可节约安装费用6 0 以上【3 i 。 ( 3 ) 节省维护歼销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通 过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，使用户可以在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。 ( 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备 来集成系统，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。 ( 5 ) 提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模 拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系 统的结构简化，设备与连线减少，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。 此外，由于现场总线设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等 优点。 1 3 现场总线国内外研究动态及标准化进展 1 3 1 国内外研究动态 由于采用现场总线技术将使控制系统结构简单，系统安装费用减少并且易于维护， 用户可咀自由选择不同厂商、不同品牌的现场设备实现系统集成的最优化等一系列优 点，2 0 世纪9 0 年代以来。现场总线技术以及基于该技术的控制系统( f c s ) 在国内外引 起人们的高度重视，成为世界范围内自动化技术发展的热点。国际上许多有实力、有影 5 中北大学学位论文 响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的研发。据不完全统计，世界 上有近2 0 0 种现场总线技术【4 l ，经过十几年的竞争和完善，较具生命力的有十几种，特 别是i e c 6 1 1 5 8 成为国际标准，多总线并存已成定局。由于这些总线都有着各自不同的技 术特长及其擅长的应用领域，并且都有国际上的大型跨国公司作背景和依托，因此多总 线共存的局面将持续相当长的时间。 目前在国际上，现场总线技术发展的总体情况是在竞争中“合作共存”与“共同进 化”。主要体现在：第一，在各总线协议下，形成了由一家或几家公司牵头、众多公司参与 的国际组织；如ff 基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 、p r o f i b u s 国际用户组织等。第二， 在从事自己主流现场总线技术的同时，研究开发其它总线标准的产品；如p r o f i b u s 的代 表s i e m e n s 开发了d e v i c e n e t 、e t h e r n e t 、a s i n t e r f a c e 等，f f 的中坚s m a r 开发了 p o r f i b u s 、h a r t 。第三，一些典型控制系统在技术上包含了多种总线标准，共存一体；如 f i s h e r - r o s e m o u n t 公司的d e l t a v 系统包容了f f 的h i 、h a r t 、e t h e r n e t 。也可以兼容 p r o f i b u s d p 。第四，制定出了不同背景的企业标准、国家标准和地区标准，这些标准也 分别是相应国际组织的标准：较具代表性的有以德国s i e m e n s 公司为主要后台的 p r o f i b u s ，现场总线基金会的f f 等等。第五，多总线并存于iec 6 1 1 5 8 ；iec 6 1 1 5 8 的通过，并不会使其它总线的发展在短期内停止，多总线共存的局面将持续相当长的时 间。第六，现场总线将转向e t h e r n e t 网络，工业以太网将成为现场总线中的主流技术。 在1 9 9 4 年以前i e c 现场总线国际标准起草工作的障碍主要是i s p 与w o r l d f i p 之间 的矛盾，现在主要是来自f f 与p r o f i b u s 之间的矛盾。目前。p r o f i b u s 和f f 共同构成 当今现场总线的两大体系，由于p r o f i b u s 现场总线投运时间较长，已广泛应用于工业 自动化的各个主要领域，p r o f i b u s 的三个模块( d p 、f m s 、p a ) 可以满足不同的应用对 象和通信速率方面的要求，其开放性很好，而且鉴于p r o f i b u s 已成为国际标准，因此， 得到了众多生产厂家的支持。此外，p r o f i b u s 是从p i 。c 发展而来，得到了p l c 销售商的 大力支持，再加上f f 标准迟迟得不到完善，p r o f i b u s 将会有更大的发展空间，有望成 为国际上推广速度最快、用户最多、应用范围最广及最有发展前景的现场总线。p r o f i b u s 在中国也已拥有众多的用户，如玉溪卷烟厂、青岛卷烟厂、青岛啤酒厂、海尔冰箱厂、 西安杨森制药厂、北京隆福大厦楼宇空调工程等。 一6 中北大学学位论文 我国民族工控产品如p l c 、d c s 长期落后于国外，根本原因是国外少数几家大公司 为保证其垄断经营的地位对其工控产品采用封闭式结构，我国对其关键核心技术只有通 过引进消化后方可掌握，因此贻误了市场时机而总是落后于人家，受制于人。而开放的 现场总线的出现无疑为我国自动化仪表行业和自控领域提供了一个平等竞争的良好机 遇，我们应当紧紧抓住这一契机推出有中国特色的现场总线产品。开创中国自己的国 际工控产品的名牌，从而翻开中国工控界发展的新篇章。同时我国现场总线的发展也面 临着严峻的挑战，同国外相比，我国正处于现场总线技术研究开发的初级阶段，国内研 究开发现场总线技术的现状是：主要研究h a r t 协议，。c a n 总线产品最多，l o n w o r k 总线 产品用于楼宇控制最多，但在工业控制领域不是主流。p r o f i b u s 正处于开发中，目前还 没有一种p r o f i b u s 产品通过认证。为了缩短与发达国家现场总线技术上的差距，中国 已制定了十五期间现场总线及其开放自动化系统规划要点和发展方针，并将继续给予支 持，因此，在国内必将形成一个研究、开发、应用现场总线的热潮。 面对种类繁多的现场总线，我国应加强各种现场总线精髓的研究，扬长避短。制订 出中国自己的现场总线标准，以便将来更好地与最终的现场总线国际标准接轨；同时针 对各行业的具体特征，选择在该领域具有较好业绩的一种或两种现场总线加以研究开 发。推出具有自身特色的现场总线产品，提高市场占有率。 l _ 3 2 现场总线标准的晟新进展 由于世界各国和各集团为了维护自身的经济利益，现场总线国际标准的统一经历了 一个长期的过程，直到1 9 9 9 年1 2 月通过了现场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 ，包括8 种现场总 线，经过几年的补充和完善，在2 0 0 3 年4 月由i e c s c 6 5 c m t 9 d 、, 组负责制订的i e c 6 1 1 5 8 一 e d 3 ( 现场总线标准第3 版) 正式成为国际标准，新版本标准共规定了1 0 种类型的现场 总线”i ，以反映工业网络通信技术的最新发展。 ( 1 ) t y p e l 现场总线( t s 6 1 1 5 8 ) 在1 9 9 8 年以前，i e c s c 6 5 c 只推荐了一种类型的现场总线，该总线主要采纳f f 总 线和w o r l d f i p 总线基本技术，并严格按照i e c 定义制定现场总线标准。由于种种原因， 经过多轮投票未能通过，只能按规定成为技术报告t s 6 1 1 5 8 ，以此为基础形成现在的 t y p e l 现场总线。 现场总线基金会f f 是- t - 赢利性的学术和标准化的国际组织，其目标是建立单一 7 中北大学学位论文 的、开放的、可互操作的现场总线国际标准。有1 0 0 多个成员单位，几乎包括国际上所 有主要的过程控制供应商。1 9 9 7 年4 月这个组织在中国成立了中国仪器仪表行业协会现 场总线专业委员会( c f f c ) ，致力于这项技术在中国的推广应用。 f f 成立的时间比较晚，在推出自己的产品和把这项技术完蹩地应用到工程上相对 于p r o f i b u s 和w o r l d f i p 要晚。但由于f f 是以f i s h e rr o s e m o u n t 公司为核心的i s p ( 可 互操作系统协议) 与w o r l d f i pn a 两大组织合并而成的，因此这个组织具有相当实力， 目前卧在i e c 现场总线标准的制订过程中起着举足轻重的作用。 f f 协议按照i s o o s i 的七层模型省去了其中的3 6 层，另外增加了用户层。主要 用于石油化工、连续工业过程控制中的仪表。 ( 2 ) t y p e 2 现场总线( c o n t r o l n e t 和e t h e r n e t i p ) t y p e 2 现场总线得到c i ( c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l ) 组织的支持。c o n t r o l n e t 的 基础技术是由r o c k w e l la u t o m a t i o n 公司于1 9 9 5 年1 0 月公布，1 9 9 7 年7 月成立了c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l 组织，r o c k w e ll 转让此项技术给该组织。组织成员有5 0 多个如a b b r o b o t i e s 、h o n e y w e l l i n c 、y o k o g a w a c o r p 、t o s h i b a i n t e r n a t i o n a l 、p r o c t e r & g a m b l e 、 o m r o n e l e c t r o n i c s l n c 等。 c o n t r o l n e t 现场总线网络是一种用于对信息传送有时间苛刻要求的、高速确定性网 络，同时它允许传送无时间苛求的报文数据。传统的工厂级的控制体系结构有五层即工 厂层、车间层、单元层、工作站层、设备层组成。而r o c k w e l l 自动化系统简化为三层结 构模式：信息层( e t b e r n e t 以太网) ，控制层( c o n t r o l n e t 控制网) ，设备层( d e v i c e n e t 设备网) ，t y p e 2 现场总线构成的系统结构即由信息层( e t h e r n e t ) 、控制层( c o n t r o l n e t ) 和现场层( d e v i c e n e t ) 组成。c o n t r o l n e t 层常传输大量的i o 和对等通讯信息，它具 有如下特点：1 ) c o n t r o l n e t 在单根电缆上支持两种类型的信息传输：有实时性的控制 信息和i o 数据传输，无时间苛求的信息发送和程序上下载；2 ) c o n t r o l n e t 技术采取 了一种新的通信模式，以生产者客户模式取代了传统的源目的模式它不仅支持传统的 点对点通讯，而且允许同时向多个设备传递信息。生产者客户模式使用时间片算法保 证各节点实现同步，从而提高了带宽利用率：3 ) c o n t r o l n e t 使用同轴电缆可达6 k m ，节 点数9 9 个，两个节点间距离最长达1 0 0 0 m ，采用光纤和中继器后通讯距离可达几十公里 【6 j 。c o n t r o l n e t 应用于过程控制，自动化制造等领域。 8 一 中北大学学位论文 e t h e r n e t i p 以太网工业协议是一种开放的工业网络，它使用有源星型拓扑结构， 可将l o m b p s 和l o o m b p s 产品混合使用。该协议在t c p u d p i p 之上附加控制和信息协议， 提供一个公共的应用层，c i p 的控制部分用于实时i o r 文，其信息部分用于报文交换。 c o n t r l n e t 和e t h e r n e t i p 都使用该协议进行通信。分享相同的对象库、对象和设备行规， 使得多个供应商的装置能在整个网络中实现“即插即用”。 ( 3 ) t y p e 3 现场总线( p r o f i b u s ) t y p e 3 现场总线得到了p r o f i b u s 用户组织p n o ( p r o f i b u sn a t i o n a lo r g a n i z a t i o n ) 的支持，到目前为止，p n o 已拥有6 0 0 多个成员，他们遍布于欧洲、美洲、亚洲、；l l z i 1 和澳大利亚。1 9 9 7 年在中国机电一体化技术应用协会下成立了现场总线( p r o f i b u s ) 专 业委员会，简称c p o 。德国s i e m e n s 公司是p r o f i b u s 产品的主要供应商。 1 9 9 1 年p r o f i b u s 成为德国国家工业现场总线协议标准，代号d i n l 9 2 4 5 ，1 9 9 6 年经 欧洲电工委员会批准成为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 ，1 9 9 9 年1 2 月被批准成为国际标准i e c 6 1 1 5 8 的组成部分( t y p e l l i ) ，因此。p r o f i b u s 已经成为一种国际化的、开放的现场总线标准。 p r o f i b u s 技术在欧洲等发达国家和地区已经趋于成熟，形成了系列产品，并在各个自动 化控制领域得到广泛应用，据调查它约占4 0 的欧洲市场l l l 。 p r w i b u s 使用了i s o o s i 的第一层、第二层、第七层，并自定义了用户接口层。 p r o f i b u s 包括p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s - p a ，p r o f i b u s - f m s 三个系列。p r o f i b u s - d p 是 一种经过优化的、高速廉价的通信连接，用于自动控制系统和设备级分散的i o 之间进 行通信。p r o f i b u s f m s 用来解决车问级通用性通信任务。p r o f i b u s p a 专为过程自动化 而设计的，具有本征安全性。当使用电缆耦合器，p r o f i b u s - p a 装置能很方便的连接到 p r o f i b u s d p 网络。p r o f i b u s 主要用于p l c 。 ( 4 ) t y p e 4 现场总线( p - n e t ) t y p e 4 现场总线得到了p n e t ( p r o c e s sa u t o m a t i o nn e t ) 用户组织的支持。p - n e t 技 术的设计开始于1 9 8 3 年，由丹麦的几家自动化系统公司、大学与“美国物理学会( a p s ) ” 在丹麦联合开发。随后这项技术在丹麦逐渐成熟，并且投入实际运行，p - n e t 技术主要 应用在啤酒、农业灌溉和水厂自动化系统中，该现场总线现已成为e n 5 0 1 7 0 欧洲标准的 第l 部分。 9 中北大学学位论文 p - n e t 为带多网络和多端口功能的多主总线( 每段最多可容纳3 2 个主站) ，允许在几 个总线区直接寻址，无需递阶网络结构，是一种多主站主从式总线，每段总线最长1 2 0 0 米。每段最多可连接1 2 5 个设备，各总线段之间用中继器，数据以n z r 编码异步传输，传 输速率为7 6 8 k b s 。 p - n e t 总线协议结构采用了i s o o s i 模型的第一、二、三、四、七层并利用信道结 构定义用户层。该总线物理层基于r s 4 8 5 标准，使用屏蔽双绞电缆，第二层数据链路层 协议由p n e t 协议芯片处理，第三、四层功能由微处理器中的软件实现。其通信采用一 种“虚拟令牌传递( v i r t u a lt o k e n ) ”的方式，总线访问权通过虚拟令牌在主站之间循 环传递，即通过主站的访问计数器和空闲总线位周期计数器确定令牌的持有者和持有令 牌的时间。这种令牌传递方式是一种基于时间的循环机制，比报文传递令牌方式的传递 效率更高。p - n e t 对从站的通信程序仅需几干字节的编码，结构简单，不需采用专用芯 片，比其它总线更易于开发和转化。“小系统、低成本”是p n e t 总线的主要特征之一。 ( 5 ) t y p e 5 现场总线( h s e ) t y p e 5 现场总线即为i e c 定义的h 2 总线，它由f f 负责组织开发，并于1 9 9 8 年决定 全面采用已广泛应用于 t 产业的高速以太网( h i g hs p e e de t h e r n e t ，h s e ) 标准，该总 线使用框架式以太网( s h e l fe t h e r n e t ) 技术，传输速率从1 0 0 m 到1 g b p s 或更高。h s e 完全支持t y p e 9 现场总线的各项功能，如功能块和装置描述语言等，并允许基于以太网 的装置通过一种连接装置与h l 装置相连接。连接到一个装置上的h 1 装置无需主系统的 干预就可进行对等层通信，同样也可与另一个连接装置上的h 1 装置直接进行通信。 h s e 总线成功地采用c s m a c d 链路控制协议和t c p i p 传输协议，并使用了高速以太 网i e e e 8 0 2 3 u 标准的最新技术。t y p e 5 现场总线于2 0 0 0 年3 月完成了规范制定、实验 室测试和现场试验，并开始推向市场。这也标志着e t h e r n e t 网络开始全面进入工业自 动化领域。 ( 6 ) t y p e 6 现场总线( s w i f t n e t ) t y p e 6 现场总线由美国s h i ps t a r 协会主持制订，得到美国波音公司的支持，主要 用于航空和航天等领域。 该总线足一种结构简单、实时性高的总线协议仅包括物理层和数据链路层，在标 准中未定义应用层。物理层传输速率为5 m b p s ，此时每秒传送1 0 5 个不同的报文。总线 1 0 中北大学学位论文 使用t d m a ( s l o t t e dt i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 槽路时间片多路存取方式，提 供专用高速、低抖动同步通道和按要求指定的通道。专用通道适用于自动状态数据的分 配或交换，按要求指定的通道则适用于非调度报文。t d m a 方式将总线上的时间分割为相 等长度间隔，称作槽路。只有当总线上的站分配到槽路时，它才能监听和发送。每个站 还能根据所占的比例，协调总线存取、数据传输和接收数据。 ( 7 ) t y p e 7 现场总线( w o r d f i p ) w o r l d f i p 的北美部分与i s p 合并成为阡后，w o r l d f i p 的欧洲部分仍保持独立，总部 设在法国。w o r l d f i p 协会成立于1 9 8 7 年3 月。是以法国几个跨国公司( c e g e l e c 、g e c a l s t h o m 、s c h n e i d e r 公司等) 为基础的跨国、跨行业的技术协会，其宗旨是研究、推广 f i p ( 工厂仪表协议) 现场总线系列产品和技术。协会有1 0 0 多个成员，产品在法国市场 占有率大于6 0 ，欧洲约2 5 。产品广泛用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输、地 铁和过程自动化等领域。1 9 9 6 年6 月w o r l d f i p 被采纳为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的第3 部分。 w o r l d f i p ( w o r l d f a c t o r y i n s t r u m e n t a t i o n p r o t o c 0 1 ) 协议由物理层、数据链路层 和应用层组成。物理层的作用能够确保连接到总线上的装置问进行位信息的传递。介质 是屏蔽双绞线或光纤。传输速度有3 1 2 5 k b s ，i m b s 和2 5 m b s ，标准速度是1 m b s ，使 用光纤时最高可达5 m b s 。应用层定义为两种：m p s 定义和s u b 腿s 定义。应用层服务有三 个不同的组：b a a s ( b u sa r