地铁BAS通讯网络及现场总线.docx
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地铁BAS通讯网络及现场总线
地铁BAS——通讯网络及现场总线
1总线问题综述1
2总线种类及执行标准2
3总线举例3
3.1基金会现场总线FF3
3.2ProfiBus3
3.3WorldFIP4
3.4ControlNet/DeviveNet4
3.5CAN5
3.6CC-Link5
3.6.1开放式现场总线CC-Link技术背景5
3.6.2CC-Link的通讯原理5
3.6.3CC-Link的卓越性能6
3.6.4应用特点简介8
1总线问题综述
根据地铁车站实际环境条件，通讯介质选用双绞线/同轴电缆或光纤均成可能。
当然，如果不考虑工程成本，当然选择光纤介质通讯是最可靠最安全的。
如果通讯距离不是很远，也没有很强的干扰因素，可采用双绞线/同轴电缆，部分距离超出范围，而且处于容易干扰的环境时，可改用光纤连接，这样既经济又能保证通讯品质，也是很好的选择方案。
至于传输距离和通讯速率不能以介质来衡量。
如果使用同种通讯协议的条件下，光纤介质通讯距离和通讯速率远远优于双绞线/同轴电缆，具体通讯距离和通讯速率应该由通讯协议本身决定。
下面介绍一下现场总线通讯协议及各协议采用不同的传输介质的性能比较。
2总线种类及执行标准
现场总线是用于过程控制现场仪表与控制室之间的一个标准的、开放的、双向的多站数字通信系统。
随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的发展，以全数字式现场总线（FIELDBUS）为代表的互联规范，正在迅猛发展和扩大。
由于采用现场总线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达到最佳的系统集成等一系列的优点。
近十几年由于现场总线的国际标准不能建立，现场总线发展的种类较多，约有40余种：
如德国西门子公司Siemens的ProfiBus，法国的FIP，英国的ERA，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：
FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与ControlNet等等。
各种总线符合的标准如下：
丹麦国家标准DSF21906：
P-Net
德国国家标准DIN19245（1-2）：
ProfiBus-FMS
德国国家标准DIN19245（3）：
ProfiBus-DP
德国国家标准DIN19245（4）：
ProfiBus-PA
法国国家标准FIPC46601-607：
WorldFIP
日本JEMA标准CC-Link
美国国家标准ANSI/NEMA以等同方式支持的ISA/IEC标准草案
1）ISA/IEC61158-1总论；
2）ISA/IEC61158-2物理层规范
3）ISA/IEC61158-3链路层服务定义1998/09/30未通过
4）ISA/IEC61158-4链路层规范；1998/09/30未通过
5）ISA/IEC61158-5应用层服务定义；1998/09/30未通过
6）ISA/IEC61158-6应用层规范；1998/09/30未通过
7）ISA/IEC61158-7管理系统
8）ISA/IEC61158-8一致性试验
9）ISA/IEC61804过程控制模块欧洲标准EN50170（CLC65CX）
Vol.IP-Net
Vol.IIProfiBus
Vol.IIIWorldFIP
Vol.IVFF,联合国（UK）IEC国家委员会提议
Vol.VControlNet,联合国（UK）IEC国家委员会提议
欧洲标准EN50254（CLC65CX）
1）ProfiBusDP
2）FIPDWF
3）Interbus
欧洲标准EN50295（CLCTC17B）
1）ASI
欧洲标准prEN50325
1）DeviceNet美国Rockwell
2）SDS美国Honeywell
国际标准ISO11898
1）德国CANbus;
2）美国DeviceNet;
3）特性接近ProfiBus;
国际标准IEC62026（IECSC65C）
1）ASI法国、德国
2）DeviceNet美国Rockwell
3）SDS美国Honeywell
3总线举例
总线的种类很多，下面只对基金会现场总线FF；ProfiBus；WorldFIP；ControlNet/DeviveNet；CAN；CC-Link进行介绍：
3.1基金会现场总线FF
现场总线基金会包含100多个成员单位，负责制订一个综合IEC/ISA标准的国际现场总线。
它的前身是可互操作系统协议ISP（InterperableSystemProtocol）--基于德国的ProfiBis标准，和工厂仪表世界协议WORLD （WorldFactoryInstrumentationProtocol）--基于法国的FIP标准。
ISP和WORLDFIP于1994年6月合并成立了现场总线基金会。
基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层）。
另外增加了用户层。
基金会现场总线是国际上几家现场总线经过激烈竞争后形成的的一种现场总线，由现场总线基金会推出。
与私有的网络总线协议不同，FF总线不附属于任何一个企业或国家。
其总线体系结构是参照、ISO的OSI模型中物理层、数据链路层和应用层，并增加了用户层而建立起来的通信模型。
FF得到了世界上几乎所有的著名仪表制造商的支持，同时遵守IEC的协议规划，与IEC的现场总线国际标准和草案基本一致，加上它在技术上的优势，所以极有希望成为将来的主要国际标准。
FF总线采用屏蔽双绞线通讯介质，提供了Hl和H2两种物理层标准。
Hl是用于过程控制的低速总线，传输速率为31.25Kbps，传输距离为200m、450m、1200m、1900m四种（加中继器可以延长），可用总线供电，支持本质安全设备和非本质安全总线设备。
H2为高速总线，其传输速率为1Mbps（此时传输距离为750m）或2.5bps（此时传输距离为为500m）。
H1和H2每段节点数可达32个，使用中继器后可达240个，Hl和H2可通过网桥互连。
FF的突出特点在于设备的互操作性、改善的过程数据、更早的预测维护及可靠的安全性。
3.2ProfiBus
ProfiBus自1984年开始研制现场总线产品，现以成为欧洲首屈一指的开放式现场总线系统，欧洲市场占有率大于40%，广泛应用于加工自动化、楼宇自动化、过程自动化、发电与输配电等领域。
1996年6月ProfiBus被采纳为欧洲标准EN50170第二卷。
PNO为其用户组织，核心公司有：
Siemens公司，E+H公司，Samson公司，Softing公司等。
ProfiBus技术特性：
ProfiBus以ISO7498为基础，以开放式系统互联网络OSI（OpenSystemInterconnection）作为参考模型，定义了物理传输特性，总线存取协议和应用功能。
ProfiBus家族包括ProfiBus-DP，ProfiBus-PA，ProfiBus-FMS。
ProfiBus-DP（DecentralizedPeriphery）是一种高速和便宜的通信连接，用于自动控制系统和设备级分散的I/0之间进行通信。
ProfiBus-FMS（FieldBusMessageSpecification）用来解决车间级通用性通信任务。
与LLI（LowerLayerInterface）构成应用层，FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务，LLI协调了不同的通信关系并向FMS提供了不依赖设备访问数据链层。
ProfiBus-PA（ProcessAutomation）专为过程自动化而设计的，它可使传感器和执行器接在一根共用的总线上。
根据IEC61158-2国际标准，ProfiBus-PA可用双绞线供电技术进行数据通信，数据传输采用扩展的ProfiBus-DP协议和描述现场设备的PA行规。
当使用电缆耦合器，ProfiBus-PA装置能很方便的连接到ProfiBus-DP网络。
Profibus由Siemens公司提出并极力倡导，己先后成为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170，是一种开放而独立的总线标准，在机械制造、工业过程控制、智能建筑中充当通信网络。
Profibus由Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS三个系列组成。
Profibus-PA（ProcessAutomation）用于过程自动化的低速数据传输，其基本特性同FF的H1总线，可以提供总线供电和本质安全，并得到了专用集成电路（ASIC）和软件的支持。
Profibus-DP与Profibus-PA兼容，基本特性同FF的H2总线，可实现高速传输，适用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传输，用于连接Profibus-PA和加工自动化。
Profibus-FMS适用于一般自动化的中速数据传输，主要用于传感器、执行器、电气传动、PLC、纺织和楼宇自动化等。
后两个系列采用RS485通信标准，传输速率从9.6kbps到12Mbps，传输距离从1200M到l00m（与传输速率有关）。
介质存取控制的基本方式为主站之间的令牌方式和主站与从站之间的主从方式，以及综合这两种方式的混合方式。
Profibus是一种比较成熟的总线，在工程上的应用十分广泛。
3.3WorldFIP
WorldFIP协会成立于1987年3月，以法国CEGELEC、SCHNEIDER等公司为基础开发了FIP（工厂仪表协议）现场总线系列产品。
协会有100多个成员，产品在法国市场占有率大于60%，欧洲约25%。
产品适用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输、地铁和过程自动化等领域。
1996年6月WorldFIP被采纳为欧洲标准EN50170。
WorldFIP是一个开放系统，不同系统、不同厂家生产的装置都可以使用WorldFIP，应用结构可以是集中型、分散型和主站-从站型。
WorldFIP现场总线构成的系统可分为三级：
过程级、控制级和监控级，这样用单一的WorldFIP总线就可以满足过程控制、工厂制造加工系统和各种驱动系统的需要了。
WorldFIP协议有物理层、数据链路层和应用层组成。
应用层定义为两种：
MPS定义和SubMMS定义。
MPS是工厂周期/非周期服务，SubMMS是工厂报文的子集。
物理层的作用能够确保连接到总线上的装置间进行位信息的传递。
介质是屏蔽双绞线或光纤。
传输速度有31.25kb/s，1Mb/s和2.5Mb/s，标准速度是1Mb/s，使用光纤时最高可达5Mb/s。
WorldFIP的帧有三部分组成，即帧起始定界符（FSS），数据和检验字段，以及帧结束定界符。
应用层服务有三个不同的组：
BAAS（Bus Arbitrator Application Services），MPS（Manufacturing Periodical / a Periodical Services），SubMMS（Subset of Messaging Services）。
MPS服务提供给用户：
本地读/写服务，远方读/写服务，参数传输/接收指示，使用信息的刷新等。
处理单元通过WorldFIP的通信装置（通信数据库和通信芯片组成）挂到现场总线上。
通信芯片包括通信控制器和线驱动，通信控制器有FIPIU2，FIPCO1，FULLFIP2，MICROFIP等，线驱动器用于连接电缆（FIELDRIVE，CREOL）或光纤（FIPOPTIC/FIPOPTIC-TS）。
通信数据库用于在通信控制器和用户应用之间建立链接。
3.4ControlNet/DeviveNet
ControlNet的基础技术是在RockwellAutomation企业于1995年10月公布。
1997年7月成立了ControlNetInternational组织（http:
//www.controlnet.org），Rockwell转让此项技术给该组织。
组织成员有50多个如ABBRoboties，HoneywellInc.，YokogawaCorp.，ToshibaInternational，Procter&Gamble，OmronElectronicsInc.等。
DeviceNet的相关网址（http:
//www.odva.org/）
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Rockwell自动化系统简化为三层结构模式：
信息层（Ethernet以太网），控制层（ControlNet控制网），设备层（DeviceNet设备网）。
ControlNet层常传输大量的I/O和对等通讯信息，具有确定性和可重复性的，紧密联系控制器和I/O设备的要求。
它具备如下特点：
1）ControlNet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）ControlNet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）ControlNet使用同轴电缆可达6km，节点数99个，两个节点间距离最长达1000m，48个节点距离可长达250m，采用光纤和中继器后通讯距离可达几十公里。
ControlNet应用于过程控制，自动化制造等领域。
3.5CAN
CAN（ControllerAreaNetwork）称为控制局域网，属于总线式通讯网络。
CAN总线规范了任意两个CAN节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解释协议，CAN协议分为二层：
物理层和数据链路层。
物理层决定了实际位传送过程中的电气特性，在同一网络中，所有节点的物理层必须保持一致，但可以采用不同方式的物理层。
CAN的数据链路层功能包括帧组织形式，总线仲裁和检错、错误报告及处理，确认哪个信息要发送的，确认接收到的信息及为应用层提供了接口。
CAN网络具有如下特点：
CANBUS网络上任意一个节点均可在任意时刻主动向网络上的其它节点发送信息，而不分主从。
通讯灵活，可方便地构成多机备份系统及分布式监测、控制系统。
网络上的节点可分成不同的优先级以满足不同的实时要求。
采用非破坏性总线裁决技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据。
具有点对点，一点对多点及全局广播传送接收数据的功能。
通讯距离最远可达10KM/5KBPS，通讯速率最高可达1MBPS/40M。
网络节点数实际可达110个。
每一帧的有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低。
每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，数据出错率极低，可靠性极高．通讯介质采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。
在传输信息出错严重时，节点可自动切断它与总线的联系，以使总线上的其它操作不受影响。
3.6CC-Link
3.6.1开放式现场总线CC-Link技术背景
以三菱电机为主导的多家公司以“多厂家设备环境、高性能、省配线”理念开发、公布和开放了现场总线CC-Link，第一次正式向市场推出了CC-Link这一全新的多厂商、高性能、省配线的现场网络。
CC-Link是Control&CommunicationLink（控制与通信链路系统）的简称。
即：
在工控系统中，可以将控制和信息数据同时以10Mbps高速传输的现场网络。
CC-Link具有性能卓越、应用广泛、使用简单、节省成本等突出优点。
作为开放式现场总线，CC-Link是唯一起源于亚洲地区的总线系统，CC-Link的技术特点尤其适合亚洲人的思维习惯，并在全球广泛的应用。
3.6.2CC-Link的通讯原理
CC-Link的底层通讯协议遵循RS485，具体的通讯方式请参照下图B9-08.
图B9-08
CC-Link提供循环传输和瞬时传输2种通信方式。
一般情况下，CC-Link主要采用广播－轮询（循环传输）的方式进行通讯。
具体的方式是：
主站将刷新数据（RY/RWw）发送到所有从站，与此同时轮询从站1；从站1对主站的轮询作出响应（RX/RWr），同时将该响应告知其它从站；然后主站轮询从站2（此时并不发送刷新数据），从站2给出响应，并将该响应告知其它从站；依此类推，循环往复。
广播－轮询时的数据传输帧格式请参照下图，该方式的数据传输率非常高。
除了广播－轮询方式以外，CC-Link也支持主站与本地站、智能设备站之间的瞬时通讯。
从主站向从站的瞬时通讯量为150字节/数据包，由从站向主站的瞬时通讯量为34字节/数据包。
瞬时传输时的数据传输帧格式请参照下图，由此可见瞬时传输不会对广播轮询的循环扫描时间造成影响。
所有主站和从站之间的通讯进程以及协议都由通讯用LSI－MFP（MitsubishiFieldNetworkProcessor）控制，其硬件的设计结构决定了CC-Link的高速稳定的通讯,如下图B9-09所示。
图B9-09
3.6.3CC-Link的卓越性能
一般工业控制领域的网络分为3到4个层次，分别是上位的管理层，控制层和部件层。
部件层也可以再细分为设备层和传感器层，CC-Link是一个以设备层为主的网络，同时也可以覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感器层。
1.CC-Link的网络结构
现场总线CC-Link的一般系统构成如图B9-10所示：
图B9-10
一般情况下，CC-Link整个一层网络可由1个主站和64个子站组成，它采用总方式通过屏蔽双绞线进行连接。
网络中的主站由三菱电机FX系列以上的PLC或计算机担当，子站可以是远程I/O模块、特殊功能模块、带有CPU的PLC本地站、人机界面、变频器、伺服系统、机器人以及各种测量仪表、阀门、数控系统等现场仪表设备。
如果需要增强系统的可靠性，可以采用主站和备用主站冗余备份的网络系统构成方式。
采用第三方厂商生产的网关还可以实现从CC-Link到ASI、S-Link、Unit-wire等等网络的连接。
2.CC-Link的传输速度和距离
CC-Link具有高速的数据传输速度，最高可以达到10Mbps，其数据传输速度随距离的增长而逐渐减慢，传输速度和距离的具体关系如下表B9-10。
表B9-10:
传输速度和距离的对应关系
CC-Link的中继器目前有多种：
一种为T型分支中继器AJ65SBT-RPT，每增加一个距离延长一倍。
一层网络最多可以使用10个。
第二种为光中继器AJ65SBT-RPS或AJ65SBT-RPG，用光缆延长，因此在一些比较容易受干扰的环境可以采用。
光中继器要成对使用，每一对AJ65SBT-RPS之间的延长距离为1公里，最多可以使用4对；每一对AJ65SBT-RPG之间的延长距离为2公里，最多可以使用2对。
第三种为空间光中继器AJ65BT-RPI-10A/AJ65BT-RPI-10B，采用红外线无线传输的方式，在布线不方便，或者连接设备位置会移动的场合使用。
空间光中继器也必须成对使用，两者之间的距离不能超过200米，还有一些方便接线的中继器和与其他网络相连的网关和网桥。
CC-Link提供了110欧姆和130欧姆两种终端电阻，用于避免因在总线的距离较长、传输速度较快的情况下，由于外界环境干扰出现传输信号的奇偶校验出错等传输质量下降的情况。
3．CC-Link实现高速大容量的数据传输
CC-Link提供循环传输和瞬时传输2种方式的通信。
每个内存站循环传送数据为24字节，其中8字节（64位）用于位数据传送，16字节（4点RWr、4点RWw）用于字传送。
一个物理站最大占用4个内存站，故一个物理站的循环传送数据为96个字节。
对于CC-Link整个网络而言，其循环传输每次链接扫描的最大容量是2048位和512字。
在循环传输数据量不够用的情况下，CC-Link提供瞬时传输功能，可将960字节的数据，用指令传送给目标站。
CC-Link在连接64个远程I/O站、通信速度为10Mbps的情况下，循环通信的链接扫描时间为3.7毫秒。
稳定快速的通信速度是CC-Link的最大优势。
4.CC-Link丰富的功能
1）自动刷新功能、预约站功能
CC-Link网络数据从网络模块到CPU是自动刷新完成，不必有专用的刷新指令；安排预留以后需要挂接的站，可以事先在系统组态时加以设定，当此设备挂接在网络上时，CC-Link可以自动识别，并纳入系统的运行，不必重新进行组态，保持系统的连续工作，方便设计人员设计和调试系统。
2）完善的RAS功能
RAS是Reliability（可靠性）、Availability（有效性）、Serviceability（可维护性）的缩写。
例如故障子站自动下线功能、修复后的自动返回功能、站号重叠检查功能、故障无效站功能、网络链接状态检查功能、自诊断功能等等，提供了一个可以信赖的网络系统，帮助用户在最短时间内恢复网络系统。
3）互操作性和即插即用功能
CC-Link提供给合作厂商描述每种类型产品的数据配置文档。
这种文档称为内存映射表，用来定义控制信号和数据的存储单元（地址）。
然后，合作厂商按照这种映射表的规定，进行CC-Link兼容性产品的开发工作。
以模拟量I/O开发工作表为例，在映射表中位数据RX0被定义为“读准备好信号”，字数据RWr0被定义为模拟量数据。
由不同的A公司和B公司生产的同样类型的产品，在数据的配置上是完全一样的，用户根本不需要考虑在编程和使用上A公司与B公司的不同，另外，如果用户换用同类型的不同公司的产品，程序基本不用修改。
可实现“即插即用”连接设备。
4）循环传送和瞬时传送功能
CC-Link的2种通信的模式：
循环通信和瞬时通信。
循环通信是数据一直不停地在网络中传送，数据是安站的不同类型，可以共享的，由CC-Link核心芯片MFP自动完成；瞬时通信是在循环通信地数据量不够用，或需要传送比较大的数据（最大960字节），可以用专用指令实现一对一的通信。
5）优异抗噪性能和兼容性
为了保证多厂家网络的良好的兼容性，一致性测试是非常重要的。
通常只是对接口部分进行测试。
而且，CC-Link的一致性测试程序包含了抗噪音测试。
因此，所有CC-Link兼容产品具有高水平的抗噪性能。
正如我们所知，能做到这一点的只有CC-Link。
除了产品本身具有卓越的抗噪性能以外，光缆中继器给网络系统提供了更加可靠、更加稳定的抗噪能力。
至今还未收到过关于噪音引起系统工作不正常的报告。
3.6.4应用特点简介
由于CC-Link可以直接连接各种流量计、电磁阀、温控仪等现场设备，降低了配线成本，并且便于接线设计的更改；通过中继器可以在4.3公里以内保持10Mbps的高速通讯速度，因此广泛用于半导体生产线、自动化传送线、食品加工线以及汽车生产线等各个现场控制领域。
在中国国内，也已经有不少地方使用了CC-Link。
现将其应用特色归纳如下：
◆便于组建价格低廉的简易控制网
作为现场总线网络的CC-Link不仅可以连接各种现场仪表，而且还可以连接各种本地控制站PLC作为智能设备站。
在各个本地控制站之间通讯量不大的情况下，采用CC-Link可以构成一个简易的PLC控制网，与真正的控制网相比，价格极
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