1.7　主要現場總線技術

1.7.1　典型現場總線結構

現場總線控制系統的體系結構如圖1.5所示。最底層是Infranet控制網（即FCS，現場總線控制網絡），各控制器節點下放分散到現場，構成一種徹底的分布式控制體系結構，網絡拓撲結構任意，可為總線型、星型、環型等，通信介質不受限制，可用雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外線等多種形式。由FCS形成的Infranet控制網很容易與Intranet企業內部局域網和Internet全球信息網互聯，構成一個完整的企業網絡三級體系結構?，F場總線技術使控制系統向著分散化、智能化、網絡化方向發展，使控制技術與計算機及網絡技術的結合更為緊密。基于開放通信協議標準的現場總線，為控制網絡與信息網絡的連接提供了方便，因而對控制網絡與信息網絡的融合和集成起到了積極的促進作用。

1.7.2　FF現場總線

基金會現場總線，即Foudation Fieldbus，簡稱FF，這是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發展前景的技術。其前身是以美國Fisher-Rousemount公司為首，聯合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂的ISP協議和以Honeywell公司為首，聯合歐洲等地的150家公司制訂的WordFIP協議。這兩大集團于1994年9月合并，成立了現場總線基金會，致力于開發出國際上統一的現場總線協議。它以ISO/OSI開放系統互鏈模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。

基金會現場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為3125kbps，通信距離可達1900m（可加中繼器延長），可支持總線供電，支持本質安全防爆環境。H2的傳輸速率為1Mbps和2.5Mbps兩種，其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質可支持比絞線、光纜和無線發射，協議符合IEC 1158-2標準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼，每位發送數據的中心位置或是正跳變，或是負跳變。正跳變代表0，負跳變代表1，從而使串行數據位流中具有足夠的定位信息，以保持發送雙方的時間同步。接收方既可根據跳變的極性來判斷數據的“1”、“0”狀態，也可根據數據的中心位置精確定位。

1.7.2.1　FF現場總線的層次

FF的協議規范建立在ISO/OSI層間通訊模型之上，它由3個主要功能部分組成：物理層、通信棧和用戶層。

（1）物理層。物理層對應于OSI第1層，從上層接收編碼信息并在現場總線傳輸媒體上將其轉化成物理信號，也可以進行相反的過程。

（2）通信棧。通信棧對應于OSI模型的第2層和第7層，第2層即數據鏈路層（DLL），它控制信息通過第1層傳輸到現場總線，DLL同時通過LAS（鏈接活動調度器）連接到現場總線。LAS用來規定確定信息的傳輸和批準設備間數據的交換。第7層即應用層（AL），對用戶層命令進行編碼和解碼。

（3）用戶層。用戶層是一個基于模塊和設備描述技術的詳細說明的、標準的用戶層，定義了一個利用資源模塊、轉換模塊、系統管理和設備描述技術的功能模塊應用過程（FBAP）。

1.7.2.2　FF現場總線的特點

資源模塊定義了整個應用過程（如制造標識，設備類型等）的參數。功能模塊濃縮了控制功能（如PID控制器，模擬輸入等）。轉換模塊表示溫度、壓力、流量等傳感器的接口。

（1）功能模塊。FF發布的最初10個功能模塊覆蓋了80％以上的基礎過程控制輪廓。除此之外FF還增加了19個高級功能模塊。一個現場總線設備必須具有資源模塊和至少一個功能模塊，這個功能模塊借助總線在同一或分開的設備中通過輸入與/或輸出參數連接到其他功能模塊。每一個輸入/輸出參數都有一個值和一個狀態。每個參數的狀態部分帶有這個值的質量信息，如好、不定或差。

功能模塊執行同步化和功能模塊參數在現場總線上的傳送使得將控制分散到現場總線成為可能。系統管理和網絡管理負責處理這一功能，以及將時間發布給所有設備，自動切換到冗余時間打印者，自動分配設備地址，在現場總線上尋找參數名或標識。

（2）設備描述技術。設備描述（DD）是實現互操作的用戶層技術的另一個關鍵因素，DD被用來描述標準模塊參數和供應商的特殊參數以使任何主系統能夠與這些參數互操作。在一定意義上，DD是主系統所使用設備參數的擴展描述。

供應商用一種稱為設備描述語言（DDL）的特殊編程語言編寫設備描述（DD）。DDL源碼被轉換成充當現場總線設備“驅動器”的有效DD二進制形式。DD提供了控制系統或主系統理解設備數據意義所必需的所有信息，包括校準和診斷等功能的人機接口。

FF為所有標準模塊提供了DD。設備供應商通常準備一個增量DD，它以簡便的方法在已經存在的DD上添加額外的功能。同時把通用的DD注冊到基金會，基金會將使用戶通過訂購手續得到這些注冊的DD。

另外，基金會提供一個能讀懂DD的標準軟件庫進行設備描述服務。任何帶設備描述服務的主系統只要具有設備的DD就能與FF設備互操作。

1.7.3　Profibus現場總線

Profibus是Process Fieldbus的簡稱，它是1987年由原西德聯邦科技部集中了13家公司及5家研究所的力量按照ISO/OSI參考模型制定現場總線的德國國家標準（Profibus）。經過2年多的努力，完成了制定工作，與1991年4月在DIN19245中發表，正式成為德國現場總線的國家標準。后來，又通過投票成為歐洲標準EN50170。

Profibus已成為國際化的開放現場總線標準，得到了眾多生產廠家的支持，并和基金會現場總線一起成為現場總線的兩大體系，在歐洲，Profibus擁有40％以上的市場份額，近年來，在北美和日本的發展情況也不錯。由于得到PLC生產商的支持，加上基金會現場總線的標準遲遲得不到完善，Profibus將會有更大的發展空間。

Profibus遵循ISO/OSI模型，其通信模型由三層構成：物理層、數據鏈路層和應用層。Profibus由三部分組成，Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification，現場總線報文規范）、Profibus-DP（Decentralized Periphery，分散型外圍設備）、Profibus-PA（Process Automation，過程自動化）。

（1）Profibus-FMS。Profibus-FMS是完成控制器與現場器件之間的通信及控制器之間的信息交換。它提供了大量的通信服務，如現場信息傳送、數據庫處理、參數設定、下載程序、從機控制和報警等，適用完成以中等傳輸速度進行較大數據交換的循環和非循環通信任務。由于它是完成控制器與智能現場設備之間的通信以及控制器間的信息交換，因此它主要考慮系統的功能，而不是系統的響應時間。FMS提供了較多種類的通信服務，應用靈活，可用于大范圍和復雜的通信系統。Profibus-FMS在使用RS-485時，其通信速率為9.6～500kbps，距離1.6～4.8km，最多可接122個節點，使用FSK（頻移鏈控）時，最多32個節點，通信距離可達5km，介質可為雙絞線或光纜。

（2）Profibus-DP。Profibus-DP是一種優化的通信模塊，旨意在解決設備一級的高速數據通信。在這一級，中央控制器（如PLC/PC）通過高速串行線同分散的現場設備（I/O、驅動器、閥門等）進行通信，傳輸速率可達12Mb/s。一般情況下，DP構成主站系統，采用主站和從站循環的方式進行數據傳輸；另外，DP的擴展功能也能提供了非循環數據傳輸的能力。PROFIBUS-DP：RS-485雙絞線或光纜通信速率為9.6kbps～12Mbps；最大距離12Mbps時為100m，1.5Mbps時為200m，可用中繼器加大距離，最多站數126個。

（3）Profibus-PA。Profibus-PA是Profibus過程自動化的解決方案，是Profibus-DP向現場的延伸，用DP可以將若干PA連接在一個自動化系統中。它具有本質安全的特性，專門的傳輸技術符合國際標準IEC 1158-2，適用于本質安全要求較高場合和總線供電的站點。Profibus-PA通信速率為31.25kbps，最大距離為≤1.9km，其每一段上可連接的儀表臺數≤32臺，決定于所接入總線儀表設備的耗電量和應用的最大總線電流，只要饋入總線的電流不超過規定的最大電壓值和電流值，就可以保證在危險區域中運行的本質安全。三種系列的Profibus很容易集成在一起，DP和FMS使用了同樣的傳輸技術和統一的總線訪問協議，因而這兩套系統可在同一根電線上同時操作，PA和DP之間使用分段耦合器能方便集成在一起。Profibus家族幾乎涵蓋了現場總線所有的應用領域，如加工制造、過程自動化和樓宇自動化等，普遍性是Profibus與其他規范相比最重要的優點。

（4）Profibus通信距離。Profibus通信速率可調，其通信速率與通信距離的關系如下。

①通信距離最遠為1.2km時，其通信速率有三種可選擇：9.6kbps、19.2kbps、93.75kbps。

②通信距離最遠為1.0km時，其通信速率為187.5kbps。

③通信距離最遠為0.5km時，其通信速率為500kbps。

④通信距離最遠為0.2km時，其通信速率為1.5Mbps。

⑤通信距離最遠為0.1km時，其通信速率有三種可選擇：3Mbps、6Mbps、12Mbps。

1.7.4　Profinet現場總線

Profinet是Profibus國際組織（PI）提出的用于自動化的開放的工業以太網標準，為自動化技術提供廣泛和完整的解決方案。

開發Profinet的動力源自用戶的需求、獨立制造商預期投資的縮減以及涉及整個工廠范圍工程的要求。Profinet創立了一個現代化的自動化概念：基于以太網標準，可實現與現場總線系統的無縫集成。它代表了一個重要的方面，即滿足公司管理層到現場層通信的連續性。Profinet由以下主要部分組成：分散式現場設備、分布式自動化、用于所有客戶需要的統一通信、網絡安裝、IT集成、現場總線集成。

Profinet是一種用于工業自動化領域的創新、開放式以太網標準（IEC 61158）。使用Profinet，設備可以從現場級連接到管理級。PROFINET的基本特點如下。

（1）用于自動化的開放式工業以太網標準。

（2）基于工業以太網。

（3）采用TCP/IP和IT標準。

（4）是一種實時以太網。

（5）實現現場總線系統的無縫集成。

（6）通過Profinet，分布式現場設備（如現場IO設備，信號模板）可直接連接到工業以太網，與PLC等設備通信。

（7）借助于具有Profinet的能力接口或代理服務器，現有的模板或設備仍可以繼續使用。

（8）IO Supervisor（IO監視設備）可用于HMI和診斷。

（9）在Profinet的結構中，Profinet IO是一個執行模塊化，分布式應用的通訊概念。