现场总线综述及应用实例.docx

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现场总线综述及应用实例

现场总线技术综述

1.概述

现场总线控制系统技术是20世纪80年代中期在国际上开展起来的一种崭新的工业控制技术.现场总线控制系统（FCS）的出现引起了传统的PLC和DCS控制系统根本结构的革命性改变.现场总线系统技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量,使其系统检测和控制单元的分布更趋合理.更重要的是从原来的面向设备选择控制和通信设备转变成为了基于网络选择设备.尤其是20世纪90年代现场总线控制系统技术逐渐进入中国以来,结合Internet和Intranet的迅猛开展,现场总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性.现场总线控制系统技术已成为了工业控制领域中的一个热点.

1.现场总线的特点

现场总线技术实际上是采用申行数据传输和连接方式代替传统的并联信号传输和连接方式的方法,它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的数据传输,同时在保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性.一般的现场总

线具有以下几个特点：

（1）布线简洁

（2）开放性（3）实时性（4）可靠性

2.现场总线的优点

由于现场总线以上的特点,格外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以及检修维保,都表达出优越性.

1.节省硬件数量与投资,

2.节省安装费用

3.节省维保开销

4.用户具有高度的系统集成主动权

5.提升了系统的准确性与可靠性

3.现场总线的应用领域

目前现场总线技术的应用主要集中在冶金、电力、水处理、乳品饮料、烟草、水泥、石化、矿山以及OEM用户等各个行业,同时还有道路无人监控、楼宇自动化、智能家居等新技术领域.

2.现场总线的标准

1.IEC61158的制定

1984年IEC指出现场总线国际标准的草案.1993年才通过了物理层的标准IEC1158-2,并且在数据链路层的投票过程中几经反复.

开展61158现场总线的本意是排他的和联合的〞,各自独立的现场总线〞将给用户带来许多头疼的技术问题,牺牲的是用户的利益.在现场总线领域里,德国派（ISP,InteroperableSystemProjec用互操作系统规划,是一个以Profibus为了根底制定的现场总线国际组织）和法国派（WORLDFIP）的对持十分剧烈,五不相让,以至于IEC无法通过国际标准.1994年6月在国际上要求联合强烈的呼声和用户的压力下,ISP和WorldFIP成立了FF（FieldbusFoundation现场总线基金会）,推出了FF现场总线.IEC投票的文本就是以FF为了蓝本的方案.这是现场总线开展的主流方向.

由于FF的目标是致力于建立统一的国际标准,它的成立实质上意味着工业界将摒弃ISP（含PROFIBUS）和WORLDFIP.它的成立导致了德国派ISP立即解散；法国派（WORLDFIP）已经明确表示不反对IEC的方案,并且可以友好地与IEC方案互联,甚至指出了与FF无缝连接〞方案；而剩下的德国派PROFIBUS由于与FF的方案和技术途径不同,过渡将是非常困难,因此强烈反对IEC方案以保住市场份额.但是PROFIBUS指出的技术理由仅仅是一些支节问题,于是一些评论认为了它是出于商业利益的驱动去反对FF,国际上的现场总

线之争已经演变成为了PROFIBUS的德国派与以FF为了代表的联合派〞竞争.有趣的是工业国家的大公司往往脚踏几条船〞参加各种现场总线以获得更多的商业利益,如最能说明问题的是最主要的反对者西门子公司（PROFIBUS主要成员）

也参加了FF.这种具有格外意义事实已经说明了PROFIBUS要与FF对抗在技术上处于明显的劣势.

在现场总线国际标准IEC61158中,采用了一带七的类型,即：

类型1原IEC61158技术报告（即FF—H1）

类型2ControlNet（美国Rockwell）公司支持

类型3Profibus（德国SIEMENS公司支持）

类型4P-Net（丹麦ProcessDat我司支持）

类型5FFHSE（即原FFH2,美国FisherRosemount公司支持）

类型6SwiftNet（美国波音公司支持）

类型7WorldFip（法国Alstom公司支持）

类型8Interbus（德国Phoenixcontact公司支持）

目前61158的根本原那么是

不改变原来61158的内容,作为了类型1

不改变各个子集的行规,作为了其他类型,并对类型1提供接口

2.关于IEC62026的情况

IEC62026的情况就没有那么复杂,它的构成如下：

IEC62026—1一般要求GeneralRules（inpreparation）

IEC62026—2电器网络DeviceNetwork（DN）

IEC62026—3操动器传感器接口Actuatorsensorinterface（ASI）

IEC62026—4协议（规约）Lontalk

IEC62026—5灵巧配电系统Smartdistributedsystem（SDS）

IEC62026—6多路申行控制总线.SerialMultiplexedControlBus（SMCB）另外IEC17B乂发出一个NP文件“

2021年6月以下文件将进入最后一轮投票,并通过,（即将出版）

IEC62026—1一般要求GeneralRules（inpreparation）

IEC62026—2电器网络DeviceNetwork（DN）

IEC62026—3操动器传感器接口Actuatorsensorinterface（ASI）

IEC62026—5灵巧配电系统Smartdistributedsystem（SDS）

3.ISO11898

现场总线领域中,在IEC61158和62026之前,CAN是唯一被批准为了国际标准的现场总线.CAN由ISO/TC22技术委员会批准为了国际标准ISO11898（通信速率＜1Mbps）和ISO11519（通信速率＜125Kbps.CAN总线得到了电脑芯片商的广泛支持,它们纷纷推出直接带有CAN接口的微处理器（MCU）芯片.带有CAN的MCU芯片总量已经到达130,000,000片（不一定全部用于CAN总线）；因此在接口芯片技术方面CAN已经遥遥领先于其他所有现场总线.

需要指出的是CAN总线同时是IEC62026—2电器网络DeviceNetwork（DN）和IEC62026—5灵巧配电系统Smartdistributedsystem（SDS）的物理层,因此它是IEC62026最主要的技术根底.

3.几种典型的现场总线介绍

1.Profibus

PROFIBUS是1987年,德国联邦科技部集中了13家公司的5个钻研所的力量,按ISO/OSI参考模型制订的现场总线的德国国家标准,其主要支持者是

德国西门子公司,并于1991年4月在DIN19245中发表,正式成为了德国标准.开始只有PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS,1994年乂推出了PROFIBUS-PA,它引用了IEC标准的物理层（IEC1158—2,1993年通过）,从而可以在有爆炸危险的区域（EX）内连接本质平安型通过总线馈电的现场仪表,这使PROFIBUS更加完善.PROFIBUS已于1996年3月15日批准为了欧洲标准EN50170的第2卷.

1组成：

PROFIBUS有三个局部组成：

PROFIBUS-FMS（FieldMessageSpecification）主要是用来解决车间级通用性通讯任务.可用于大范围和复杂的通讯.总线周期一般小于100ms.

PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery这是一种经过优化的高速和廉价的通信总线,它的设计是专门为了自动控制系统与分散的I/O设备级之间进行通信使用的.总线周期一般小于10ms.,

Profibus-PA（ProcessAutomation是专门为了过程自动化设计的,它可使传感器和执行器按在一根共用的总线上,甚至在本质平安领域也可接上.根据IEC1158-2标准,PROFIBUS-PA用双线进行总线供电和数据通信.

2协议结构

Profibus协议结构是根据ISO7498国际标准以OSI作为了参考模型的.但省略了3〜6层,同时乂增加了效劳层.

PROFIBUS-DP使用了第一层（物理层）,第二层（数据链路层）和用户接口,第三层到第七层未加以描述.这种结构保证了数据传输的快速和有效进行,直接数据链路映象（DDLM）为了用户接口易于进入第二层.用户接口规定了

用户系统以及不同设备可调用的应用功能,并详细说明了各种不同PROFIBUS

-DP设备的设备行为了,还提供了传输用的RS485传输技术或光纤传输技术.

PROFIBUS-FMS:

对第一层、第二层和第七层（应用层）均加以定义.

PROFIBUS-PA:

采用了扩展的DP协议.另外还使用了描述现场设备行为了的PA规约.根据IEC1158-2标准,这种传输技术可保证其本质的平安性并通过总线给现场设备供电.使用分段式耦合器,PROFIBUS-PA设备能很方

便地集成到PROFIBUS-DP网络上.

PROFIBUS-DP和PROFIBUS—FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议,因而这二套系统可在同一根电缆上同时操作.

3传输技术

PROFIBUS提供了三种类型的传输：

用丁DP和FMS的RS485传输

用丁PA和IEC1158—2传输

光纤（FO）

A.RS485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术,这种技术通常称为了H2.采用屏蔽双绞铜线,共用一根导线对.线性总线结构允许站点增加或减少,而且系统的分步投入也不会影响到其它站点的操作.后增加的站点对已投入运行的站点没有任务影响.

传输速率可选：

9.6Kbps和12Mbps之间.

站点数：

每分段32个站,不带中继器；带中继器可多达127个站

传输距离：

波特率

（Kbps）

.6

9

9.2

3.75

9

87.5

1

00

5

500

1

2021

距离/

段（m）

200

1

200

1

200

1

000

1

00

4

00

2

00

B.IEC1158-2传输技术是一种位同步协议,可进行无电流的连续传输,通常

称为了H1

传输速率：

31.25Kbps,电压式站点数：

每段最多为了32个,总数最多为了126个距离：

采用双绞线电缆,传输距离可达1900m.

C.Profibus系统在电磁干扰很大的环境下应用时,可使用光纤导体以增

加高速传输的最大距离.许多厂家提供专用总线插头,可将RS485信号转换成光信号和光信号转换成RS485信号,这样就为了RS485和光纤传输技术在同一系统上使用提供了一套开关控制的十分简便的方法.

4应用情况

PROFIBUS的应用包含了加工制造自动化、过程自动化和楼宇自动化.

2.FF（FundationFieldbus）基金会现场总线

现场总线基金会是一个国际性的组织,有120多个成员,包含了全球主要的过程控制产品的供给商,基金会成员生产的变送器、DCS系统、执行器、流量仪表占世界市场的90%.

FF是迫丁用户的压力丁1994年6月由ISP与WORLDFIP（北美）合并成立的现场总线基金会.

ISP是可互操作系统协议（Interoperablesystemprotocoj的简称,它基丁德国的Profibus标准,成立丁1992年9月,当时有100多个公司参加,其中以仪表厂为了多,由FisherRosemount公司牵头.WORLDFIP是工厂仪表世界协议

（WorldFactoryInstrumentationProtocol）的简称,它基丁法国的FIP标准,由Honeywell公司牵头,也有100多个公司参加,不少是PLC制造厂.

1FF的拓朴结构（图6）

警所有蹦硕HBUS-FM3、

无II少

远程I小占配电柜低压聪柜

诚MCC）

H1低速现场总线

-31.25Kbps

-2〜32个设备/段

•供电与通讯

•本质平安

•双绞线1900米（最大）

-适合于过程设备的基层总线.

H2局速现场总线

•1Mbps/2.5Mbps速率

•可集成多达32条H1总线

•冗余

•双绞线750m/500m.

-支持PLC和加工工业设备

2FF的协议结构

FF应用了ISO/OSI模型的第一层、第二层和第七层（应用层）,再在应用层上加上了用户层.FF的物理层符合IEC1158—2标准,采用IEC1158-2技术.

3FF特点

由于世界上一些大的仪表公司都参加了FF,因此FF开发的现场总线产品在

品种与性能上都能满足过程控制的要求,而且使用方便,FF具有很好的可互操

作性和可互换性,可互操作性就是来自同厂家的设备可以相互通讯并且可以在多厂家的环境中完成功能,可互换性就是来自不同厂家的设备在功能上可以用同类设备互换.

4应用情况

2021年,由多个供给商提供的基于H1标准的小的实验系统被用于培训和技术确认,并已在世界上试用.

3.CAN（ControllerAreaNetwork）

CAN是由RobentBosch公司为了汽车制造工业而开发的,是开放的通讯标准,包含ISO/OSI模型的第一层和第二层,由不同的制造者扩展第七层,CIA（CAN

inAutomation）组织开展了一个CAN应用层（CAL）并由此规定了器件轮廓,以联网相互可操作的以CAN为了根底的控制器件,或使EIA模块相互可操作.

CAN目前已由ISO/TC22技术委员会批准为了国际标准ISO11898（通信速率<1Mbps）和ISO11519（通信速率v125KbpS,在现场总线中,目前是唯一被批准为了国际标准的现场总线.但IEC下面的TC22是分管电力电子的技术委员会,而工业自动化的现场总线那么是由IEC的TC65所分管,须经TC65的批准才行.

1CAN的协议结构

采用ISO/OSI模型的第一层、第二层和第七层.

2CAN的特点

-废除了传统的站地址编码而代之以对通信数据块进行编码.

•采用双绞线,通信速率高达1Mbps/40m,直接传输距离最远可达10km/5kbps.可挂设备最多可达110个.

•信号传输采用短帧结构,每一帧有效字节数为了8个,因而传输时间短,受十扰的概率低.当节点严重错误时,具有自动关闭的功能,以切断该接点与总线的联系,使总线上的其他接点及其通信不受影响,具有较强的抗十扰水平.

•CAN支持多主站方式,网络上任何接点均可在任何时刻主动向其它接点发送信息,支持点对点,一点对多点和全局播送方式接收/发送数据.CAN采用总线仲裁技术,当出现几个节点同时在网络上传输信息时,优先级高的节点继续发送数

据,而优先级低的节点那么主动停止发送,从而防止总线冲突.

•CAN不能用于防爆区.

3应用情况

CAN目前主要用于汽车、公共交通的车辆、机器人、液压系统及分散型I/O

五大行业.此外Allen-Bradley以及Honeywell>MicroSwitch在CAN根底上发展了格外的应用层,组成了A—B公司的DeviceNet和HoneyWell公司的SDS（智能分散系统）现场总线.由于CAN的帧短,速度快,可靠性强,比拟适合用于开关量控制的场合,故CAN的销量在增加,据欧洲市场调查,CAN占有率从1994年的5%增加到2021年的9%.

4.WorldFIP

成立于1987年3月,是以法国几个跨国公司为了根底,开发了FIP（工厂仪表

协议）现场总线系列产品.到目前为了止,WorldFIP协会拥有100多个成员,这

些成员生产300多个WorldFIP现场总线产品.WorldFIP产品在法国市场占有率大于60%,在欧洲市场占有大约25%的份额.这些产品广泛用于发电及输配电、加工制造自动化、铁路运输过程自动化等领域,2021年6月成为了欧洲标准

EN50170第3卷.

用WorldFIP构成的系统分为了三级,即过程级、控制级和监控级.用单一的WorldFIP总线可以满足过程控制、工厂制造加工系统和各种驱动系统的需要.WorldFIP的协议结构是由ISO/OSI模型的第一层、第二层和第七层构成.其中第一层物理层符合IEC1158-2标准.

传输媒体可以是屏蔽双绞线或光纤.

传输速率为了：

31.25Kbps用于过程控制.

1Mbps用于加工制造系统.

2.5Mbps用于驱动系统.

标准速率为了1Mbps,使用光纤时最高速率可达5Mbps.

目前WorldFIP的总线产品有法国CEGELEC公司的Alspa-8000系统,Schneider公司的Modicon-TBXplc系统,GEC—ALSTHOM公司的S—900SCADA系统等.

5Devicenet

DeviceNet是一种低本钱的现场总线链路,将工业设备（如：

限位开关、光电传感器、阀组、电动机起动器、过程传感器、条形码读取器、变频驱动器、面板显示器和操作员接口）连接到网络,从而免去了昂贵的硬接线.DeviceNet是

一种简洁的网络解决方案,在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时,减少了配线和安装工业自动化设备的本钱和时间.DeviceNet的直接互连性不仅改善

了设备间的通信,而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能,这是通过硬接线

I/O接口很难实现的.

DeviceNet总线技术具有网络化、系统化、开放式的特点,DeviceNet总线的组织机构是开放式设备网络供货商协会〞,简称“ODVA（OpenDeviceNetVendorAssociation）.ODVA是一个独立组织,管理DeviceNet技术标准,促进DeviceNet

在全球的推广与应用.ODVA实行会员制,会员分供货商会员（Vendormember^

和分销商会员（Distributormember）.ODVA现有供货商会员300多个,其中包括ABB、Rockwell、PhoenixContactsOmron、Hitachi、Cutler-Hammer等几乎

所有世界闻名的电器和自动化元件生产商.ODVA的作用是帮助供货商会员向

DeviceNet产品开发者提供技术培训、产品一致性实验工具和实验,支持成员单位对DeviceNet协议标准进行改良；出版符合DeviceNet协议标准的产品目录,组织研讨会和其它推广活动,帮助用户了解掌握DeviceNet技术；帮助分销商开

展DeviceNet用户培训和DeviceNet专家认证培训,提供设计工具,解决DeviceNet系统问题.ODVA全球网站地址：

hppt:

\\1odva.org,ODVA在中国有办事机构ODVAChina,网址：

hppt:

\\1odvachina.orc^Devicenet可以回纳出以下一些技术特点：

最大64个节点.

125kbps~500kbps通信速率.点对点,多主或主/从通信.可带电更换网络节点,在线修改网络配置.

采用CAN物理层和数据链路层规约,使用CAN规约芯片,得到国际上主要芯造商的支持.

支持选通、轮询、循环、状态改变和应用触发的数据传送.

低本钱、高可靠性的数据网络.

既适合于连接低端工业设备,乂能连接象变频器、操作终端这样的复杂设备.采用无损位仲裁机制实现按优先级发送信息.

具有通信错误分级检测机制、通信故障的自动判别和恢复功能.

得到众多制造商的支持,如：

Rockwell、OMRON、Hitachi、Cutter-Hammer、Mithileichi等.Devicenet制造商协会拥有三K多个会员遍布世界各地.

2021年12月1日发行的国家标准化管理委员会通报中,公布了Devicenet现场总线已被批准为了国家标准.DeviceNet中国国家标准的编号为了GB/T

18858.3-2021,名称为了<低压开关设备和控制设备控制器—设备接口（CDI）第3局部：

DeviceNet>.该标准于2021年10月8日被批准,并于2021年4月1日开始实施.

6ASi

ASi（ActuatorSensorInterface执行器传感器接口）总线是自动化系统中最

低层级的现场总线.它是一种开发式与生产商无关的总线,适合于二值传感器和执行器的联网.

ASi总线的优点：

不再需要传感器/执行器与较高级的控制器之间的大量连接线,代之以一根二芯电缆线；

不需要参数化的软件；

在电气和机械方面都是标准化的,与生产商无关；

应用穿刺法接触连接,安装简洁、快速,极性不可能接错；

接口芯片可以集成在传感器和执行器上,以提升其监视和故障分析能力,

防护等级高,可在现场直接应用；

具有自检测功能,抗十扰水平强.

ASi总线是一种简洁的主从系统,控制数据传输的每个线路段只有一个主设备.主设备依次查询从设备并要求从设备应答.它采用固定的报文长度和数据格式,识别过程是不必要的.

ASi总线的主要技术数据如下：

网络结构：

线形或树型结构；

传输媒体：

数据和电源共用的无屏蔽双线电缆（2X.5mm2）;

连接方法：

采用穿刺法；

最大电缆长度：

无中继器/扩展器时为了100m,有中继器/扩展器时为了

300m；

最大循环时间：

当完全配置时为了5ms；

最大站点数：

31个；

二值传感器/执行器数：

124个（当用4输入,4输出,2输入/2输出或2X2数模块时,即4>31个）;

248个（当用4输入/4输出模块时,即8>31个）;

访问方法：

循环查询主-从方法,从主设备（PLC、PC）循环采集数据;错误纠正：

数据采集包含对错误报文的识别和重发.

7Interbus

Interbus是一种器件级现场总线,它是德国PhoenixContact公司（一种中小

型私人企业）

钻研和开发的,在1987年正式公布,2021年成为了DIN19825标准,2021年成为了EN50254欧洲标准,目前已成为了IEC61158国际标准.它快速、准确（令牌传递、环形拓扑）,最多可连接512个远程〞节点,每段距离为了400m.Interbus也允许次级有10m的回路环,在这些本地〞总线中,远程和本地可应用相同的芯片,但节点不能相互交换数据.

到2021年底,Interbus已有125000多个应用工程和170万个联网的节点.Interbus俱乐部有700多家制造商支持、400多家会员单位,主要应用于汽车、印刷、物资搬运和机床等.

四.PROFIBUS现场总线在SBR污水处理工艺中的应用

1.SBR工艺介绍

SBR（SequencingBatchReactor）是间歇式活性污泥法的简称