现场总线技术文档格式.docx

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进人90年代以来，作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线（FieldBus—FB）技术发展迅速、影响巨大，引起了工程技术界的普遍兴趣与重视，被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。

1现场总线的概念

1．1什么是现场总线

所谓现场总线，是指将现场设备（如数字传感器、变送器、仪表与执行机构等）与工业过程控制单元、现场操作站等

互连而成的计算机网络，具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。

国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求：

（1）同一数据链路上过程控制单元（PCU）、PLC等与数字1/O设备互连；

（2）现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取；

（3）通信媒体安装费用较低。

SP50委员会提出的两种现场总线结构模型是：

（1）星型现场总线用短距离、廉价、低速率电缆取代模拟信号传输线，如图1所示；

（2）总线型现场总线数据传输距离长、速率高，采用点—点、点—多点和广播式通信方式，如图2所示。

为了理解现场总线的概念，这里不妨再作些解释。

一般来说，现场级的控制网络可以分为三个层次：

SensorBus、DeviceBus和FieldBus。

其中SensorBus面向的是简单的数字传感器和执行机构，主要传输状态信息，网上交换的数据单元是位（bit）；

DeviceBus面向的是模拟传感器和执行器，主要传输模拟信号的采集转换值、校正与维护信息等，网上交换的数据单元是字节（Byte）；

而FieldBus面向的是控制过程，除了传输数字与模拟信号的直接信息外，还可传输控制信息，即FieldBus上的结点可以是过程控制单元（PCU），FieldBus网络交换的数据单元是帧（Frame）。

网3列出了几种现场级网络及其在控制网络三个层次中所处的位置。

目前，现场总线技术与产品已进入“战国时期”，1999年在德国举办的“99INTERMARK国际博览会”即为例证。

为此，IEC下属的SC65C决定修改IECII58协议，不再讨论建立统一标准的问题，而将至少8种现场总线产品纳入其中。

1.2现场总线技术特征

现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有以下几项技术特征。

（1）现场设备已成为以微处理器为核心的数字化设备，彼此通过传输媒体（双绞线、同轴电缆或光纤）以总线拓扑相连；

（2）网络数据通信采用基带传输（即数字数据数字传输），数据传输速率高（为Mbit/s或10Mbit/s级），实时性好，抗干扰能力强；

（3）废弃了集散控制系统（DCS）中的1/O控制站，将这一级功能分配给通信网络完成；

（4）分散的功能模块，便于系统维护、管理与扩展，提高可靠性；

（5）开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互连设备与控制级网络或管理信息级网络相连；

（6）互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需要的网络。

1.3现场总线通信协议特点

现场总线通信协议基本遵照ISO/OSI参考模型，主要实现第1、2、7层功能。

（1）物理层采用EIA—RS232、EIA—RS422/RS485等协议。

由于在某些情况下，现场传感器、变送器要从现场总线“窃取”电能作为它们的工作电源，因此对总线上数字信号的强度（驱动能力）、传输速率、信噪比以及电缆尺寸、线路长度等都提出一定要求。

（2）数据链路层考虑到现场设备故障较多，更换频繁，所以数据链路层媒体访问控制多采用受控访问（包括轮询和令牌）协议，通常，各PCU、PLC作为主站，传感器、变送器等作为从站。

另外，须支持点—点、点—多点和广播通信方式。

（3）应用层解决应用什么样的高级语言（或过程控制语言）来作为面向用户的编程（或组态）语言，其中包括设备名称、网络变量与配置（捆绑）关系，参数与功能调用及相关说明等，一般应具有符合IEC1131—3标准的图形用户界面（GUI）

2典型现场总线技术与产品

当前国际上具有代表性的现场总线技术与产品是EIA——RS——485总线、PROFIBus、CANBuS与LONW0RKS等，下面分别予以简要说明。

2.1EIA——RS——485总线

EIA一RS一485总线是工业领域广泛应用的LSO/OSI模型物理层标准协议之一。

（1）机械特性采用RS—232/RS—485连接器（如ADAM4520）将PC串口RS—232信号转换成RS—485信号，或接入TTL/RS—485转换器（如MAX485）将I/O接口芯片TTL电平信号转换成RS—485信号，进行远距离高速双向串行通信。

（2）电气特性信号负逻辑，＋2V～＋6V表示“0”，-6V～-2V表示“1”，二线双端半双工差分电平发送与接收，无公共地线，能有效克服共模干扰、抑制线路噪声，传输距离1.2km，最高数据传输速率可达10Mbit/s（＜40m）。

（3）功能与规程特性网络媒体采用双绞线、同轴电缆或光纤，安装简易，电缆数量、连接器、中继器、滤波器使用数量较少（每个中继器可延长线路1.2km），网络成本低廉。

RS—485总线的数据链路协议，除有的采用符合ISO高级数据链路控制协议（HighDataLinkControl—HDLC）的数据链路处理器件或专有接口器件执行外，多数是参照HDLC或其他一些标准自行定义而成，由此可组建经济实用型工业局域网（见参2）

由于国内许多电子产品都含有用通用异步串行传输接口（UniversalAsynchronousReceiveandTransfer—UART），另外RS—232接口也是PC的标准配置，因此，开发RS—485总线数据链路协议较好的方案是以字节式异步通信为基础，相应的帧格式如图4所示。

至于媒体访问控制部分则可采用受控访问或随机访问等不同方式。

帧起始

地址域

控制域

帧长度

数 

据

帧校验

图4 

RS-485总线数据链路协议一般帧格式

2.2PROFIBus

PROFIBus（ProcessFieldBus），欧洲开放式现场总线标准（EN50170），由Profibus—FMS（FieldbusMessageSpecification）、Profibus-PA（ProcessAutomation）和Profibus-DP（DistributivePeripheral）等三部分组成。

其中Profibus-DP是一种高速（数据传输速率9.6Kbit/s～12Mbit/s）、经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O之间的通信，可满足交直流调速系统快速响应的时间要求；

Profibus-PA用IECII58一2标准，传输速率为31.25Kbii／s，提供本质安全特性，适用于安全性要求较高以及由总线供电的场合；

Profibus一FMS主要解决车间级通信问题，完成中等传输速度的循环或非循环数据交换任务。

使用PROFIBus技术的核心公司有Siemens、E＋H、Sanson和Softing等。

2．2．1总线拓朴结构

Profibus-DP的典型结构如图5所示。

图中Master（PLC）为主站、变频器、整流器为从站（Slave），与之配套的通信处理器分别是CB1和CB24。

从站数32（接人中继器，可增至128），传输距离2km。

上位机装有STEP7基本软件和DVAS7通信软件，用于对PLC编程和对网络进行组态与设置。

2，2．2Profibus一DP通信协议

Profibus一DP物理层与ISO/OSI参考模型的第一层相同，采用EIA一RS485协议，根据数据传输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输媒体。

Profibus一DP数据链路层协议媒体访问控制（MAL）部分采用受控访问的令牌总线（TokenBus）和主从方式。

其中令牌总线与局域网IEEE8024协议一致，令牌在总线上的各主站间传递，持有令牌的主站获得总线控制权，该主站依照关系表与从站或与其他主站进行通信。

主从方式的数据链路胁议与局域网标准不同，它符合HDLC中的非平衡正常响应模式（NRM）。

该模式的工作特点是：

总线上一个主站控制着多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路；

主站发出命令（Commande），从站给出响应（Pesponse）；

从站可以连续发送多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。

数据链路中帧的传输过程分为三个阶段：

数据链路建立、帧传输和链路释放。

正常响应模式主站与从站之间传输帧的格式如图6所示。

PKW：

ParameterID

PZD:

ProcessData

图6Profibus-DP的帧格式

图中F为帧标志字段（8位）。

A为从站地址字段。

控制字段C表示帧类型、编号、命令和控制信息，它将HDLC帧分为三种类型：

信息帧

（1）、监控帧（S）和无编号帧（U）。

其中信息帧用于应用数据（UsefuLData）的传输并捎带应答；

监控帧用于监视链路上的正常操作，对链路状态作出各种响应（如认可帧、请求重传或暂停等）；

无编号帧（不含信息字段）用于传输各种元编号命令和响应，例如建立链路工作模式，释放链路及报告特殊情况等。

信息字段由PKW＋PZD的应用数据构成，PKW用于读写参数值，如写入控制字或读出状态字等，一般为4B长，而PZD用于存放控制器的具体控制值，设置站点或状态字的参数，一般为2～10B长。

例如，PKW=P554.1代表向变频器的主驱动模块写入一个16位的控制字，控制字的每一位都代表一种不同的控制含义；

PZD的第二个字节为0#～7#电机的起停控制位。

FCS是帧校验字段，它对整个帧的内容进行循环冗余码（CRC）校验。

该HDLC帧最长可达24B。

Profibus-DP并未采用ISO/OSI的应用层，而是自行设置一用户层。

该层定义了DP的功能、规范与扩展要求等。

综上所述可知，Profibus-DP的实时性远高于其他局域网，因而特别适用于工业现场。

它的缺陷是，若向网中增删站点，就要重新初始化整个网络，并对各站重新排序。

2．3CANBus

作为ISO11898CAN标准的CANBus（ControLLerAreaNet-workBus），是制造厂中连接现场设备（传感器、执行器、控制器等）、面向广播的串行总线系统，最初由美国通用汽车公司（GM）开发用于汽车工业，后日渐增多地出现在制造自动化行业中。

2．3．1CANBus系统组成及性能

CANBus系统组成示意于图7中，它通过相应的CAN接口连接工业设备（如限位开关、光电传感器、管道阀门、电机启动器、过程传感器、变频器、显示板、PLC和PCI作站等）构成低成本网络。

直接连接不仅提供了设备级故障诊断方法，而且提高了通信效率和设备的互换性。

CANBus数据传输速率为1Mbit/s，线路距离lkm，基本站点数64，传输媒体是屏蔽双绞线或光纤。

图7CANBus系统组成示意图

2．3．2CANBus数据链路控制特点

CANBus数据链路层协议采用平等式（Peertopeer）通信方式，即使主机出现故障，系统其余部分仍可运行（当然性能受一定影响）。

当一个站点状态改变时，它可广播发送信息到所有站点。

CANBus