第四章 现场总线技术谈英姿

tanyz@seu.edu.cn东南大学自控系工业自动化教研室

内容题要•概述•现场总线标准化的发展现状•现场总线的标准化•几种流行的现场总线技术•现场总线发展展望

概述•什么是现场总线•现场总线的结构特点•现场总线的技术特征•现场总线的分类

什么是现场总线• 根据国际电工委员会ＩＥＣ61158 标准定义 ,现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线 .• 现场总线是用于现场仪表与控制室系统之间的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统。 • 现场总线控制系统是建立在现场总线技术基础上的网络结构扁平化，具有开放性、可互操作性、常规控制功能彻底分散、有统一的控制策略组态方法的新一代的分散型控制系统。

现场总线的结构特点•现场总线模型结构

一般的现场总线网络只采用三层：物理层、数据链路层、网络层；最简单的只有前两层，复杂一点的外加一个应用层。•现场总线系统结构类型

主从型；C/S 型环型通信型

现场总线的技术特征•功能上管理集中，控制分散；•结构上横向分散、纵向分级；•快速实时响应能力；•互操作性；•高可靠性；

快速实时响应能力•快速实时响应能力的要求

传输速率不高于 1Mbps响应时间为 0.01 － 0.5s具有处理随机事件的能力

•提高实时性的措施

高可靠性•硬件严格筛选；•软件简单易用；•在线快速排除故障；•独立的局部数据库；•容错技术和冗余技术

现场总线的分类按照与其传送的平均数据分组（ data packet ）长度相关的复杂程度分，现场总线又可分为四类：

传感器层：信息量小、响应快、位传输设备层：可靠性高、响应快、字节传输控制层：信息量大、可靠性高、信息传输信息层：信息量大、集成度高、文件传输

现场总线标准化的发展现状•现场总线国际标准化体系结构•现场总线系统安全规范

“ 本安”的概念•功能块与设备描述规范

现场总线国际标准化体系结构

现场总线国际标准协议 IEC62026低压开关设备和控制设备技术委员会• 第 1部分：一般要求• 第 2部分：执行 /传感器接口 AS－ I• 第 3部分：电器设备网络 DeviceNet• 第 4部分： LonTalk（已取消）• 第 5部分：智能化分布系统 SDS• 第 6部分：串行多路控制总线 SMCB

现场总线系统安全规范

功能块与设备描述规范•现场设备信息格式及功能描述规范称为”行规” (Profile), 行规可有效实现各种现场设备应用层互联。 •功能块的应用•功能块的结构

现场总线的标准化•现场总线标准化情况——多标准并存现场总线国际标准 IEC61158 中采用的 8 种类型，以及其他一些现场总线，如 Lonworks 等，将在今后一段时间内共同发展，并相互竞争相互取长补短。此外；国际跨国公司除了从事他们所支持的现场总线技术的研究与开发，还兼顾其他总线的应用。

现场总线标准1. FF2. ControlNet3. Profibus4. P-NET5. FFHSE6. SwiftNet7. WorldFIP8. INTERBUS

FFHSE• 支持单位 : 现场总线基金会 (Fisher-Rosemount 等 100 多家公司 ) 。• 准 :IEC61158;IEC61784;IEC61131-3;IEEE80 和 RFC894 的工业标准以太网 ;IETF( 互联网管理任务要点 ) 。• 应用领域 : 流程工业及其它工业控制。• 使用情况 : 艾默生等公司 (4 家 ) 已有产品通过注册。

主要性能特点·IEC 支持，开放性好，可互操作性好 ;· 使用工业级的以太网、集线器、交换机等设备 ;· 网络层使用 IP 行规，传输层使用 TCP 、VDP( 用户数据报协议，即为 IEIF 标准下768项协议 ) 行规 ;·作为 FCS的主干网络，可局域网冗余，设备冗余。

FF• 支持单位 : 现场总线基金会 (Fisher-Rosemount 等 100 多家公司 ) 。• 标准 :IEC61158;IEC61784 。• 应用领域 : 流程工业及其它工业控制。• 使用情况 : 已有试点工程投入运行。• 多家生产各种有 FFH1 接口的产品，可以满足系统集成要求。

FF 主要性能特点·IEC 支持，开放性好，可互操作性好 ;· 多种传输介质 ;· 传输速率 31.25kbit/s;· 支持本质安全防爆 ;· 有数据链路网桥连接与 HSE 相连。

Profibus• Profibus-DP• Profibus-PA• Profibus-FMS

Profibus-DP• Profibus-DP 支持单位 : 西门子公司 Profibus 国际组织 (PI) ，我国有用户组织或专业委员会 (CPO) 。• 标准 :IEC61158; IEC61784; DIN19245;EN50170  。• 应用领域 : 工厂自动化和楼宇自动化。• 使用情况 : 应用很广，已有 250 家生产厂商 2000 多种产品，已安装 25 万节点。

Profibus-DP 主要性能特点·传输速率范围很广，可高速数据通信 9.6Kbit/s~12Mbit/s·传输介质 :RS-485 技术双绞屏蔽铜电缆和光纤传输 ;

Profibus-PA• Profibus-PA • 支持单位 : 西门子公司 Profibus 国际组织 (PI) ，我国有用户组织或专业委员会(CPO) 。标准 :IEC61158; IEC61784;DIN19245;EN50170 。• 应用领域 : 流程工业。• 使用情况 : 应用很广，已有 250 家生产厂商 2000 多种产品，已安装 25 万节点。

Profibus-PA主要性能特点·用于连接现场仪表，可本质安全防爆 ;· 可通过耦合器与 Profibus-DP 相连 ;

Profibus-FMS• Profibus-FMS支持单位 : 西门子公司 Profibus 国际组织 (PI) ，我国有用户组织或专业委员会 (CPO) 。• 标准 :IEC61158; IEC61784; DIN19245;EN50170 。• 使用情况 : 应用很广，已有 250 家生产厂商 2000 多种产品，已安装 25 万节点。

Profibus-FMS主要性能特点·为单元层和现场层的数据通信，为多功能通信 ;· 可与 Profibus-DP 在同一总线上传输信息。应用领域 : 工厂级或车间级的通信。

WorldFIP• WorldFIP世界工厂仪表协议支持单位 :法国 Alstom 公司 ( 原 Honeywell 公司为北美参加单位，后与 FF合并 ) 。标准 :IEC61158;IEC61784;EN50170(FIP 为法国国家标准 ) 。• 应用领域 : 电力工业、铁路交通、工业控制、楼宇自动化。• 使用情况 : 应用较广，已有 400 多种产品。

主要性能特点·实时工业控制网络 ;· 通信速率 :31.25Kbit/s,1Mbit/s, 2.5Mbit/s,25Mbit/s;· 传输介质 :屏蔽双绞线、光纤 ;· 层次清晰、简洁高效，控制信息和非控制信息互不干扰，时空一致，确保同步

P-NET• 支持单位 :丹麦 Proces-Data 公司。• 标 准 :IEC61158;IEC61784;EN50179 。• 应用领域 :奶制品厂、啤酒厂、农业环境控制、动物饲养系统、沥青和水泥生产、纺织工业、太阳能电站、燃料管理系统。• 使用情况 : 应用历史较长，在食品工业和农业、养猪自动化方面，欧洲市场占有率高。

P-NET 主要性能特点· 使用屏蔽双绞线电缆 (RS485) ，总线分段结构，每段长 1200m;· 通信速率 :76.8kbit/s;· 结构简单灵活，易于扩展，不采用专用芯片。

SwiftNet

• SwiftNet得到美国波音公司支持。 SwiftNet 现场总线是一种结构简单、实时性强的总线，协议仅包括物理层和数据链路层，在标准中没有定义应用层。

INTERBUS• 支持单位 :PhoenixContact 公司、 INTERBUS用户协会和行业标准化协会 (INTERBUS-CLUB)　• 标准 :IEC61158;IEC61784; EN50254;DIN19258 。• 应用领域 : 工业控制，用于 PLC 、 IPC 等现场设备的连接。汽车制造、生产线、食品工业、煤矿输送线、合成纤维、自来水厂。• 使用情况 : 应用很广， 1000 多家生产厂家， 2500多种产品，已有 450万节点 50万系统应用实绩。

INTERBUS主要性能特点·环型拓扑网络，通过总线控制板引出主干线外，并具有 165 分支层 ;· 传输媒介 :铜导线、光导传输、其他传输(红外、高频电环式 );· 传输速率 :500kbit/s( 标准 ) 、 125kbit/s( 特殊用途 ) 、 2Mbit/s(2001 年后应用 );·端子连接部分结构有特色。  

几种流行的现场总线技术•基金会现场总线 FF• Profibus 现场总线•HART 通信协议• CAN总线• DeviceNet－ ControlNet 系统

现场总线发展展望•现场总线国际标准

真正的统一？•现场总线技术和工业以太网的结合•未来的网络？