1.7　主要现场总线技术

1.7.1　典型现场总线结构

现场总线控制系统的体系结构如图1.5所示。最底层是Infranet控制网（即FCS，现场总线控制网络），各控制器节点下放分散到现场，构成一种彻底的分布式控制体系结构，网络拓扑结构任意，可为总线型、星型、环型等，通信介质不受限制，可用双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等多种形式。由FCS形成的Infranet控制网很容易与Intranet企业内部局域网和Internet全球信息网互联，构成一个完整的企业网络三级体系结构。现场总线技术使控制系统向着分散化、智能化、网络化方向发展，使控制技术与计算机及网络技术的结合更为紧密。基于开放通信协议标准的现场总线，为控制网络与信息网络的连接提供了方便，因而对控制网络与信息网络的融合和集成起到了积极的促进作用。

1.7.2　FF现场总线

基金会现场总线，即Foudation Fieldbus，简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议。这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统互链模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。

基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为3125kbps，通信距离可达1900m（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离为750m和500m。物理传输介质可支持比绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC 1158-2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变，或是负跳变。正跳变代表0，负跳变代表1，从而使串行数据位流中具有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。接收方既可根据跳变的极性来判断数据的“1”、“0”状态，也可根据数据的中心位置精确定位。

1.7.2.1　FF现场总线的层次

FF的协议规范建立在ISO/OSI层间通讯模型之上，它由3个主要功能部分组成：物理层、通信栈和用户层。

（1）物理层。物理层对应于OSI第1层，从上层接收编码信息并在现场总线传输媒体上将其转化成物理信号，也可以进行相反的过程。

（2）通信栈。通信栈对应于OSI模型的第2层和第7层，第2层即数据链路层（DLL），它控制信息通过第1层传输到现场总线，DLL同时通过LAS（链接活动调度器）连接到现场总线。LAS用来规定确定信息的传输和批准设备间数据的交换。第7层即应用层（AL），对用户层命令进行编码和解码。

（3）用户层。用户层是一个基于模块和设备描述技术的详细说明的、标准的用户层，定义了一个利用资源模块、转换模块、系统管理和设备描述技术的功能模块应用过程（FBAP）。

1.7.2.2　FF现场总线的特点

资源模块定义了整个应用过程（如制造标识，设备类型等）的参数。功能模块浓缩了控制功能（如PID控制器，模拟输入等）。转换模块表示温度、压力、流量等传感器的接口。

（1）功能模块。FF发布的最初10个功能模块覆盖了80％以上的基础过程控制轮廓。除此之外FF还增加了19个高级功能模块。一个现场总线设备必须具有资源模块和至少一个功能模块，这个功能模块借助总线在同一或分开的设备中通过输入与/或输出参数连接到其他功能模块。每一个输入/输出参数都有一个值和一个状态。每个参数的状态部分带有这个值的质量信息，如好、不定或差。

功能模块执行同步化和功能模块参数在现场总线上的传送使得将控制分散到现场总线成为可能。系统管理和网络管理负责处理这一功能，以及将时间发布给所有设备，自动切换到冗余时间打印者，自动分配设备地址，在现场总线上寻找参数名或标识。

（2）设备描述技术。设备描述（DD）是实现互操作的用户层技术的另一个关键因素，DD被用来描述标准模块参数和供应商的特殊参数以使任何主系统能够与这些参数互操作。在一定意义上，DD是主系统所使用设备参数的扩展描述。

供应商用一种称为设备描述语言（DDL）的特殊编程语言编写设备描述（DD）。DDL源码被转换成充当现场总线设备“驱动器”的有效DD二进制形式。DD提供了控制系统或主系统理解设备数据意义所必需的所有信息，包括校准和诊断等功能的人机接口。

FF为所有标准模块提供了DD。设备供应商通常准备一个增量DD，它以简便的方法在已经存在的DD上添加额外的功能。同时把通用的DD注册到基金会，基金会将使用户通过订购手续得到这些注册的DD。

另外，基金会提供一个能读懂DD的标准软件库进行设备描述服务。任何带设备描述服务的主系统只要具有设备的DD就能与FF设备互操作。

1.7.3　Profibus现场总线

Profibus是Process Fieldbus的简称，它是1987年由原西德联邦科技部集中了13家公司及5家研究所的力量按照ISO/OSI参考模型制定现场总线的德国国家标准（Profibus）。经过2年多的努力，完成了制定工作，与1991年4月在DIN19245中发表，正式成为德国现场总线的国家标准。后来，又通过投票成为欧洲标准EN50170。

Profibus已成为国际化的开放现场总线标准，得到了众多生产厂家的支持，并和基金会现场总线一起成为现场总线的两大体系，在欧洲，Profibus拥有40％以上的市场份额，近年来，在北美和日本的发展情况也不错。由于得到PLC生产商的支持，加上基金会现场总线的标准迟迟得不到完善，Profibus将会有更大的发展空间。

Profibus遵循ISO/OSI模型，其通信模型由三层构成：物理层、数据链路层和应用层。Profibus由三部分组成，Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification，现场总线报文规范）、Profibus-DP（Decentralized Periphery，分散型外围设备）、Profibus-PA（Process Automation，过程自动化）。

（1）Profibus-FMS。Profibus-FMS是完成控制器与现场器件之间的通信及控制器之间的信息交换。它提供了大量的通信服务，如现场信息传送、数据库处理、参数设定、下载程序、从机控制和报警等，适用完成以中等传输速度进行较大数据交换的循环和非循环通信任务。由于它是完成控制器与智能现场设备之间的通信以及控制器间的信息交换，因此它主要考虑系统的功能，而不是系统的响应时间。FMS提供了较多种类的通信服务，应用灵活，可用于大范围和复杂的通信系统。Profibus-FMS在使用RS-485时，其通信速率为9.6～500kbps，距离1.6～4.8km，最多可接122个节点，使用FSK（频移链控）时，最多32个节点，通信距离可达5km，介质可为双绞线或光缆。

（2）Profibus-DP。Profibus-DP是一种优化的通信模块，旨意在解决设备一级的高速数据通信。在这一级，中央控制器（如PLC/PC）通过高速串行线同分散的现场设备（I/O、驱动器、阀门等）进行通信，传输速率可达12Mb/s。一般情况下，DP构成主站系统，采用主站和从站循环的方式进行数据传输；另外，DP的扩展功能也能提供了非循环数据传输的能力。PROFIBUS-DP：RS-485双绞线或光缆通信速率为9.6kbps～12Mbps；最大距离12Mbps时为100m，1.5Mbps时为200m，可用中继器加大距离，最多站数126个。

（3）Profibus-PA。Profibus-PA是Profibus过程自动化的解决方案，是Profibus-DP向现场的延伸，用DP可以将若干PA连接在一个自动化系统中。它具有本质安全的特性，专门的传输技术符合国际标准IEC 1158-2，适用于本质安全要求较高场合和总线供电的站点。Profibus-PA通信速率为31.25kbps，最大距离为≤1.9km，其每一段上可连接的仪表台数≤32台，决定于所接入总线仪表设备的耗电量和应用的最大总线电流，只要馈入总线的电流不超过规定的最大电压值和电流值，就可以保证在危险区域中运行的本质安全。三种系列的Profibus很容易集成在一起，DP和FMS使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而这两套系统可在同一根电线上同时操作，PA和DP之间使用分段耦合器能方便集成在一起。Profibus家族几乎涵盖了现场总线所有的应用领域，如加工制造、过程自动化和楼宇自动化等，普遍性是Profibus与其他规范相比最重要的优点。

（4）Profibus通信距离。Profibus通信速率可调，其通信速率与通信距离的关系如下。

①通信距离最远为1.2km时，其通信速率有三种可选择：9.6kbps、19.2kbps、93.75kbps。

②通信距离最远为1.0km时，其通信速率为187.5kbps。

③通信距离最远为0.5km时，其通信速率为500kbps。

④通信距离最远为0.2km时，其通信速率为1.5Mbps。

⑤通信距离最远为0.1km时，其通信速率有三种可选择：3Mbps、6Mbps、12Mbps。

1.7.4　Profinet现场总线

Profinet是Profibus国际组织（PI）提出的用于自动化的开放的工业以太网标准，为自动化技术提供广泛和完整的解决方案。

开发Profinet的动力源自用户的需求、独立制造商预期投资的缩减以及涉及整个工厂范围工程的要求。Profinet创立了一个现代化的自动化概念：基于以太网标准，可实现与现场总线系统的无缝集成。它代表了一个重要的方面，即满足公司管理层到现场层通信的连续性。Profinet由以下主要部分组成：分散式现场设备、分布式自动化、用于所有客户需要的统一通信、网络安装、IT集成、现场总线集成。

Profinet是一种用于工业自动化领域的创新、开放式以太网标准（IEC 61158）。使用Profinet，设备可以从现场级连接到管理级。PROFINET的基本特点如下。

（1）用于自动化的开放式工业以太网标准。

（2）基于工业以太网。

（3）采用TCP/IP和IT标准。

（4）是一种实时以太网。

（5）实现现场总线系统的无缝集成。

（6）通过Profinet，分布式现场设备（如现场IO设备，信号模板）可直接连接到工业以太网，与PLC等设备通信。

（7）借助于具有Profinet的能力接口或代理服务器，现有的模板或设备仍可以继续使用。

（8）IO Supervisor（IO监视设备）可用于HMI和诊断。

（9）在Profinet的结构中，Profinet IO是一个执行模块化，分布式应用的通讯概念。