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现场总线种类及标准

发布时间:2020-11-23 13:00:37

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,现场总线技术正越来越受到人们的重视。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。 
现场总线的种类主要有:基金会现场总线FF;ProfiBus;WorldFIP;ControlNet/DeviveNet;CAN等 

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。 

2、ProfiBus 
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。

3、WorldFIP 
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。

4、ControlNet/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。 

5、CAN 
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。


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