现场总线的特点与标准

现场总线技术

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参考考模模型型概概述述第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。几种流行行的现场场总线-FoundationFieldbus-Profibus（ProcessFieldbus）-LonWorks（LocalOperatingNetworks）-CAN（（ControlAreaNetwork）HART（（HighwayAddressableRemoteTTransducer）-IndustryEthernet-Modbus、、RS–485等FF总线的的特点点>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总线的的通信信模型型FF-H1：用户层层（应应用程程序））现场总总线报报文规规范子子层FMS现场总总线访访问子子层FAS数据链链路层层物理层层用户层层物理层层通信栈7216543物理层层规定定物理理连接接性能能,符符合IEC61158-2标准，，通信信栈控控制报报文在在现场场总线线的传传输。。链路路层通通过LAS来管理理对总总线的的访问问，FAS为报文文规范范子层层提供供服务务，后后者为为用户户层提提供服服务和和报文文格式式。FF-HSE：：用户层层FDAIEEE802.2应用层层物理层层物理层层符合合IEEE802.3u标准，，数据据链路路层符符合IEEE802.2规范。TCP/UDPIPIEEE802.3u传输层网络层数据链路层层网络层协议议是IPV.4标准，传传输层TCP是面向连接接的协议，，UDP是无连接协协议。FDA的作用与H1的FMS相似。FF总线的网络络结构操作站...交换机其它总线网网络HSE链接设备网关H1总线线HSE链接接设设备备路由由器器HSE子网网HSE现场场设设备备H1总线线>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总线线的的通通信信模模型型用户户层层数据据链链路路层层物理理层层物理理层层规规定定物物理理特特性性,采采用用RS-485通信信标标准准,数数据据链链路路层层MAC描述述总总线线访访问问方方式式，，FLC为总总线线链链路路控控制制。。应应用用层层FMS规定应应用协协议,低低层接接口LLI则协调不不同的通通信关系系。用户户层规定定了应用用功能。。模型分层层FMSDPPAFMS行规DP行规PA行规FMS应用层LLI未用未用FLCMACIEC接口IEC61158-2物理连接接，电气气特性，，介质，，RS-485Profibus总线的网网络结构构操作员站站Profibus-DPPLC监控层工程师站站Profibus-FSM或Ethernet现场层Profibus-PADP/PA耦合器>HARTHART总线的特特点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总线的通通信模型型HRAT命令内容容数据链路路层物理层模型分层层应用层HART通信协议议规则电气特性性，介质质物理层规规定了信信号传输输方式、、电气特特性、介介质等；；数据链路路层定义义了HART通信协议议规则，，包括信信息格式式及信息息的接收收与发送送处理；；应用层规规定了三三类HART命令：通通用命命令、普普通应用用命令和和专用命命令，为为解决不不同厂家家设备的的互换性性及互操操作问题题，HART也采用设设备描述述语言。。基本主设设备安全栅现场仪表表HART总线的网网络结构构现场仪表表现场仪表表副主设备备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用于工控控网要解解决的关关键技术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用于工控控网络的的几种技技术方案案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。适用于过程控控制的现场总总线现场总线的选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的应用用场合合现场总总线控控制系系统现场仪仪表：：具有标标准通通信接接口的的智能能变送送、控控制、、显示示、执执行仪仪表。。>现场总总线控控制系系统的的组成成现场总总线控制网网络包包括现现场测测控仪仪表、、通信信设备备、电电缆、、上位位计算算机以以及通通信和和组态态软件件。上位监监控计计算机机：符合工工业标标准，，具有有通信信接口口(或或网卡卡)、、操作作系统统的工工业控控制计计算机机。通信设设备和和软件件：通信转转换装装置、、网卡卡及监监控界界面与与现场场仪表表之间间数据据交换换软件件(DDE、OPC等)。用户组组态软软件：：制作监监控界界面，，实现现显示示、操操作、、报警警、制制表、、打印印等功功能。。通信信接接口口卡卡监控控计计算算机机不同同子子网网其它它网网络络路由由器器网关关现场场仪仪表表用户户应应用用软软件件网络络通通信信软软件件传感器执行器现场总线线控制系系统示意意图通信软件件DDE(Dinamicdataexchange)：动态数据据交换基基于消息息机制，，用于控控制系统统实时数数据通信信。当当数据量量大时，，效率较较低。微微软公司司已停止止发展DDE技术，但但仍给予予支持。。目前前大多数数监控软软件也支支持DDE。。OPC(OLEforProcessControl)：用于过程程控制的的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范，用于于客户程程序和服服务器之之间的数数据通信信。OPC使监控软件件能高效效、稳定定地对硬硬件设备备进行存存取操作作，系统统应用软软件之间间也可灵灵活地进进行信息息交换。。组态软件件应具有有如下功能:

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。工控组态态软件常使用INTOUCH、iFIX、、组态王王、坤坤瑞等等组态王王运行行组态王王开发发>现场总总线控控制系系统实实例基于于RS-485总线线的的控控制制系系统统MODBUS、、中继器监控计算机现场仪表

RS485/232RS4852KmRS485/232系统统结结构构:应用用实实例例（（能能源源计计量量和和管管理理））: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线为介质采用无线通信信方式使用单位：上上海石化、宝宝钢集团、浦浦东机场、金金茂大厦等上海同欣自动动化仪表仪表表有限公司，，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-LinkPROFIBUSDPS7416S7414ControllerPROFIBUSPA系统结结构:通过总总线连连接远远程I/O:PROFIUSDPET200MRemoteI/OSIWAREXWeighingSystembusIndustrialEthernet/FastEthernetET200MRemoteI/ODigitalI/OsCountersAnalogueI/OsincludingHARTProtocolSpecialmodulesforWeighingBatchingPIDLoopControlPositioningetc.远程I/Os的集成成是实实现工工厂自自动化化的必必要条条件：：1.能够处处理以以下信信号：：-pressureswitches-temperatureswitches-levelswitches-flowswitches,etc.2.能够操作：：-开关阀-螺纹阀3.能集成模拟拟I/Os和特殊模块块：-weighing,batching,-PIDloopcontrolPROFIBUS支持HART协议，保护护了用户投投资发展趋势是是把远程I/Os放在危险区区（ET200iS）通过GSD、GSE文件实现互互操作S7400Controller连接驱动设设备和执行行器:PROFIUSDPVariablespeeddrives

SIMOVERTMASTERDRIVESMICROMASTERMotormanagementSIMOCODESystembusIndustrialEthernet/FastEthernetMotor集成驱动设设备例如变频器器,马达达驱动的抽抽水泵和鼓鼓风机etc.电动执行器器对于一个个工厂的完完整自动化化是必须的的。PROFIBUS对执行器和和驱动设备备提供综合合性的诊断断：-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文件实现互互操作S7400Controller电动执行器器：SIPOSPump连接现场操操作面板:PROFIUSDPSystembusIndustrialEthernet/FastEthernet用于现场显显示和操作作–Textdisplaystolocaldisplayofinformation–PushButtonPanelsforlocaloperation–Operatorpanelsandbarcodereadersforhazardousareasarealsoavailable通过GSD文件实现互互操作S7400ControllerOP37OP7TD17PP17PROFIUSDPS7400ControllerSystembusIndustrialEthernet/FastEthernetDP/PA-LinkGasAnalyserFlowPressureTemperaturepH,C,O2ValvePositionerLevelPROFIBUSPAPROFIBUSPA耦合器coupler的主要作用用：1.实现物理层层的转换2.通过总线向向现场仪表表供电3.安全栅栅功能：实现危险区区与安全区区的电气隔隔离链接器Link的主要作用用：1.控制着着过程仪表表与主控制制器之间的的数据通信信工作，它它肩负着主主设备和从从设备的双双重身份。。2.作为主主设备,它它控制着内内部总线的的正常工作作;作为从从设备,它它又担负着着与上一层层总线的通通信任务。。通过Profibus-PA连接现场仪表表:可连接现场仪仪表的数量: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/耦合器器,Ex-(非-Ex)-区(每台仪表表12mA)max.30现场仪表/LinkDP/PA-Link24VPROFIBUS-PA110mA400mA危险区DP/PA耦合器提供可可用的电压PROFIBUSPA设备的最小工工作电压是9V典型的PA总线电阻值是是44/km电缆长度的计计算遵循Ohm’slawPROFIBUSPA的最大长度包包括所有分支支的长度(1900m)每个DP/PA-Link能够连接最大大5个PA耦合器，在安安全区建议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-CouplersiaibsafeareaProfibus-PA总线长度:基于Profibus总线控制系统统应用实例:吸收塔吸收塔DP/PA-LinkET200M

RemoteI/OIndustrialEthernet/FSMS7400ControllerPROFIUSDPS7400ControllerEngineeringStationESOperatorStationOSPROFIBUSPA吴泾化化工厂厂醋酸酸车间间尾气气回收收系统统，AI、、AO、DI、、DO共300多多点，，控制制回路路30个。。Tel套装装置100万，，可节节省安安装费费用50%以上DeltaV现场总总线控控制系系统功能特点: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。端子块块控制网网络现场接接线I/O接口控制器器系统电电源I/O卡件DeltaV控制器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卡件输入输输出卡卡件RTDTCAIPIMVAODIDOSOE支持各各种总总线协协议的的数据据接口口卡SerialCard串口卡卡FieldbusCard现场总总线卡卡件HartAIHart协议输输入卡卡HartAOHart协议输输出卡卡PROFIBUSDP接口卡卡As-i协议接接口卡卡DeviceNet卡HSE高速总总线接接口卡卡冗余卡卡件本安型型卡件件软件包包资源管管理器器(Explorer)：系统组组态的的基本本浏览览工具具，允允许访访问视视图中中的任任一项项，并并可以以拖放放的方方式进进行操操作。。类似似Windows资源源管管理理器器布布局局和和操操作作方方式式单一一窗窗口口管管理理整整个个系系统统资资源源系统统组组态态的的调调度度室室系统统资资源源分分配配办办公公室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模块自动识别控制制工工作作室室(ControlStudio)：：提供供图图形形化化界界面面，，创创建建和和修修改改控控制制策策略略，，在在线线浏浏览览和和调调试试。。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作室(GraphicsStudio)：使用图形形、文字字、数字字和动态态显示工工具，创创建高分分辨率的的实时过过程图形形。轻松拖放放组态方方式各种图形形模板，，用户可可以自制制模板使用照片、三三维图像、声声音等各种多多媒体设备管理系统统(AMS)：：在线对设备进进行组态、标标定和远程故故障诊断。AMS是用于仪表和和调节阀管理理的设设备管理系系统基于FF和Hart的仪表数据服服务器通用数据库和和界面及使用用方法内置于AMS、单工作站AMS、分布式AMS、OPCServerAMSAMS的主要功能:组态（Configuration)标定辅辅助(Calibration