现场总线的类型

现场总线国际标准化概况

自20世纪80年代中期开始，世界上各大控制厂商及标准化组织推出了多种互不兼容的现场总线协议标准，据不完全统计，迄今为止世界上已出现过的总线有近200种。不同标准的现场产品不能互换，给用户造成极大的不便。从1984年起，IEC(国际电工委员会)/TC65(工业过程测量及控制技术委员会)和ISA(美国仪表学会)就开始了制订国际标准的工作，最终在1999年12月通过了一个包含了多种互不兼容的协议的标准，即IEC61158国际标准

IEC61158Ed.3.0对现场总线模型进行了阐述，分成总论、物理层规范和服务定义、数据链路服务定义、数据链路协议规范、应用层服务定义、应用层协议规范6个部分，它的用户层功能块是IEC61804标准，再加上IEC61784(连续与断续制造用行规集，草案)构成一个完整的现场总线标准

该标准包括了目前国际上用于过程工业及制造业的8类主要的现场总线协议

类型1，IEC61158技术规范。这是由IEC/ISA负责制订的，曾试图使之成为统一的国际标准的一个技术规范，基金会现场总线FF的H1(低速现场总线)是它的一个子集

类型2，ControlNet现场总线。美国AB公司、Rockwell开发，ControlNetInternational(CI)组织支持

类型3，Profibus现场总线。德国西门子公司开发，Profibus用户组织(PNO)支持。欧洲现场总线标准三大总线之一

类型4，PNet现场总线。丹麦ProcessData公司开发，PNet用户组织支持。欧洲现场总线标准三大总线之一

类型5，FFHSE(HighSpeedEthernet，高速以太网)。现场总线基金会FF开发的H2(高速现场总线)

类型6，SwiftNet现场总线。美国SHIPSTAR协会主持制定，波音公司支持

类型7，WorldFIP现场总线。法国WorldFIP协会制订并支持。欧洲现场总线标准三大总线之一

类型8，Interbus现场总线。德国PhoenixContact公司开发，InterbusClub支持

上述8种总线中，类型1是为过程控制开发的，支持总线供电和本质安全。类型2(ControlNet)为监控级总线，它的底层(设备级)总线为DeviceNet，两者有着共同的应用层。类型3(Profibus)有3个部分(ProfibusFMS、ProfibusDP和ProfibusPA)，采用不同的物理层，分别用于监控级、断续生产的制造业的现场级和过程控制的现场级。类型4(PNet)多用于食品、饲养业、农业及工业一般自动化。类型5(FFHSE)是与之配套的高速现场总线，用于对时间有苛刻要求或数据量较大的场合，如断续生产的制造业，以及监控级。类型6(SwiftNet)主要用于航空航天领域。类型7(WorldFIP)也有不同的物理层，可用于过程控制和制造业的现场级。类型8(Interbus)主要用于制造业的现场级(设备级)或一般自动化

除了IEC61158外，IEC及ISO还制定了一些特殊行业的现场总线国际标准

1993年ISO/TC22/SC3(公路车辆技术委员会电气电子分委员会)发布的ISO11898公路车辆—数字信息交换—用于高速通信的CAN以及低速标准ISO11519

由于CAN没有规定应用层和物理接口，一些组织给它制定了不同的应用层和物理接口标准，构成了几种完整的现场总线协议，其中比较有名的如DeviceNet、SDS以及CANopen等

其中IECSC17B(低压配电与控制装置分委员会)发布的国际标准IEC62026低压配电与控制装置—控制器与设备接口(CSIs)。这个标准包括了已有的4种现场总线：2000年7月发布的DeviceNet、SDS(Smartdistributedsystem)和AS-i(Actuatorsensorinterface)，以及2001年11月审议通过的Seriplex总线(SerialmultiplexedcontrolBus)

在众多标准的现场总线中，与工厂自动化、气动制造厂商关系密切的有以下10大现场总线，即Profibus、Interbus、DeviceNet、CANopen、ABBCS31、MoellerSuconet、Allen-Bradley1771远程I/O、CC-Link、IP-Link、AS-i及ProfiNet以太网总线等。各气动厂商通过阀岛上的各种现场总线节点来支持它们。针对特定的现场总线类型，系统需要有功能强大的集中式PLC以及主站接口来支持。在设备数量较少但输入/输出点数较多、整个系统的功能复杂但对通信水平的要求较高时，现场总线是最理想的控制方案。在这种情况下，接线简单、诊断和维护简便等优点将会超过为现场总线主站接口和专业技术所支付的额外费用

Profibus总线系统

Profibus是一个非专利、开放式的现场总线系统，其网络关系见图a，在生产和过程自动化领域的应用非常广泛

Profibus支持下列最大值：①12Mbps；②127个站点；③200m的总线长度

Profibus允许在不改变接口的情况下对不同生产厂商设备之间的数据进行交换。系统的非专利性和开放式特点符合欧洲标准EN50170

Profibus用户组织(PNO)及其附属组织代表了所有使用及解决Profibus方案的用户及制造商的利益

Profibus有三种不同的类型：

Profibus-DP、Profibus-PA、Profibus-FMS

Profibus-DP：自动化系统和分散式外围设备之间的通信速度经优化的类型。ProfibusDP非常适用于生产自动化场合。ProfibusDP的工作速率较任何CAN网络(DeviceNet，CANopen等)快得多，后者最高只有1MB

Profibus-PA：用于过程自动化应用领域的类型。ProfibusPA可通过总线进行数据的通信和能量的传递

Profibus-FMS：单元一级通信任务的解决方案，如PC和PLC之间的通信

Profibus的基本特性：Profibus用在活动站点，如PLC或PC(指的是主站设备)上和用在被动站点，如传感器或驱动器(用作从站设备)上是有区别的

有三种不同的传输方式：①RS-485传输，针对DP和FMS，用一根两芯电缆；②IEC1158-2传输，针对PA；③光纤电缆

网络布局：线性总线，两端带活动的总线终端

介质：屏蔽的双绞电缆

插头：9针Sub-D插头

总线长度：①12Mbps时为100m(不带中继器)，②1.5Mbps时为200m

站点数量：每个阶段有32个站点，不带中继器。带中继器时最多可扩展到127个站点

传输速度：9.6kbps，19.2kbps，93.75kbps，187.5kbps，500kbps，1500kbps至12Mbps

Interbus是一个非专利、开放式且可靠的现场总线系统，在生产和过程自动化方面应用非常广泛

Interbus允许在不改变接口的情况下对不同生产厂家设备之间的数据进行快速交换。系统的非专利性和开放式特点符合欧洲标准EN50254。InterbusClub代表了所有使用及解决Interbus方案的用户及制造商的利益

Interbus是一种符合闭环协议的I/O传输方式。Interbus传输方式有多种不同的物理类型

①用于通信的现场总线，如在控制箱中

②Interbus闭合回路，用于连接带少量I/O的元件

③远程总线，用于距离较长的情况

所有的通信方式使用同一种有效的Interbus协议。Interbus的基本特性：Interbus基于主站/从站访问方式进行工作，因此总线主站也可作为与主控器或总线系统的链接

有三种不同的传输方式：①与负载无关的电流信号，用于闭合回路；②RS-485传输，用于远程总线；③光纤电缆，用于采用RuggedLine技术的远程总线

网络布局：环形分布，即所有站点在封闭的传输回路都是激活的

介质(远程总线)：屏蔽的双绞电缆(2×2导体+平衡器)

介质(闭合回路)：一般的非屏蔽两芯电缆

插头(远程总线)：①9针圆形插头；②9针Sub-D插头；③RuggedLine技术

插头(闭合回路)：快插技术

总线长度(远程总线)：①两设备之间的距离为400m；②最长的距离为12.8km

总线长度(闭合回路)：①两设备之间的距离为20m；②最长的距离为200m

站点数量：最多512个

传输速度：500kbps；2Mbaud

系统结构：PhoenixContact的软件CMD可作为非专利的配置、启动和诊断工具使用

DeviceNet总线系统

DeviceNet是一种低成本的现场，用于工业设备，如限位开关、光学传感器、阀岛、频率转换器和操作面板。它能降低所需的高成本线路数量，提高设备一级的诊断功能

DeviceNet的基本特性：DeviceNet通信是基于以广播为媒介的控制器域网络(CAN)的，最初是由Bosch公司为汽车部分开发的，以安全且性价比高的网络来替代汽车上使用的昂贵线路。尽管CAN能支持几千个节点且数据速率高达1MB，但DeviceNet仅限64个节点和125、250以及500KB速率工作的网络。它是一种主—从连接基网络，主设备由一个从设备请求连接，然后两个设备进行非控制和I/O数据连接的协商。一旦建立I/O连接，主设备使用查询、循环状态改变的通信方式与从设备通信(见图b)。针对汽车结构在传输可靠性和抗干扰能力上的高要求，以及在温度变化较大场合所需的功能性，使得CAN成为工业自动化领域数据传输的最理想硬件基础。由“开放式DeviceNet供应商协会”ODVA规定的开放式网络标准指的是DeviceNet符合非专利特性的要求。由“特别兴趣小组”SIG成员制作的特殊设备行规使得设备的替换非常方便

DeviceNet派生型概况：DeviceNet是基于生产商/消费者模型工作的，因此，数据源取代接收器。任何人需要数据源中的数据都可收到数据。设备如此配置是为了在状态改变的情况下能提供信息，然后给网络发送一个相应的数据包(带有设备ID)。在网络上，任何需要这个信息的人都可接收到数据包

状态的改变：当对象的状态已发生改变时，数据只能由生产商发送。“Heartbeat”在传输中断间隙监控预发送和预接收状态

循环通信：设备数据与时间无关，如用于温度传感器的数据。设备数据以相当低的频率、但有规律的时间间隔进行传递，这将使得网络的频带宽度和那些与时间有关的设备无关

补充信息：事件驱动、非循环读取或写入来自特定站点的数据。对于设备一级的诊断数据，这种方法非常典型。各种通信方式支持单主站和多主站结构。在网络中，对于一些从站来说，控制器相当于是一个主站，而对于更高一级的主站，它同时起从站的作用

位选通信：最多64个站点，每个站点同时分配一位。每一位可作为一个请求来发送数据或被设备直接用作输出数据

轮询通信：所有带这种通信设置的设备都以循环、预定义顺序发送数据交换的请求

CANopen总线系统

控制器局域网络(简称为CAN)于1983年开发，1986年开始投入市场。它主要是为汽车行业元件的联网而开发的。目前，CAN已成为一种现代化汽车、公交车、货车、火车和实用车辆的标准网络。在20世纪90年代中期对基于CAN的协议进行了定义，包括：DeviceNet、SmartDistributedSystem、CANopen。当其他总线系统还处于开发阶段的时候，以“自动化领域的CAN”(简称CiA)命名的CAN用户组织于1992年成立。为了确保CANopen设备之间的兼容性，CiA和用户及制造商共同合作，致力开发合适的规格说明

CANopen总线系统的基本原理和特点简介如下

网络拓扑结构：线性网络，其结构与多路主站系统的结构相当。每个总线站点接收其他站点的所有信息，并可在任何时候发送它自己的信息

总线长度：根据规定，最大的总线长度在很大程度上取决于所用的波特率，10kbps时为5000m，1000kbps时为40m

站点数量：最多可对127个总线节点赋址

传输速度：10~1000kbps。对于CAN总线，通常通过总线对CAN收发器供电。在这种情况下使用4芯总线电缆，可通过分支线路进行连接。但分支线路的长度是有限制的，且大小与波特率有关

CANopen支持两种基本消息：过程数据消息PDO和服务数据消息SDO。过程数据消息PDO用于高优先级、少批量消息。而服务数据消息SDO用于大批量、低优先级消息

过程数据消息(PDO)实时数据必须快速传输。使用高级的优先级标识码，最大的数据长度为8个字节。数据的传输可以是以下几种方式：①事件驱动；②同步；③循环；④基于请求

服务数据消息(SDO)用于参数数据的传输。使用初级的优先级标识码。在这种情况下，数据的长度不限于8个字节。典型SDO数据包括：①超时；②掩值；③映射参数

ABBCS31总线系统

ABB的总线系统适用于自动化技术的所有领域

ABB总线系统的基本原理和特点简介如下

总线站点：ABB公司的现场总线最多可将63个现场总线站点连接到现场总线主站上

波特率：数据以恒定的波特率187.5kbps传输

总线接口：总线接口基于带主站/从站结构的RS485

输入/输出：每个现场总线地址最多可处理16个输入/输出。带多于16个输入/输出的阀岛最多占用4个现场总线地址

总线系统

MoellerSuconet

基于RS485的总线系统，可选择CP分支扩展

MoellerSuconet总线系统的基本原理和特点简介如下

总线站点：SuconetK现场总线最多可连接98个总线站点

波特率：总线接口波特率为187.5或375kbps，取决于结构特点、总线长度等

总线接口：总线接口基于带主站/从站结构的RS485

AllenBradley1771远程I/O

远程I/O通用网络是一个用于Rockwell/AllenBradley公司的SLC500和PLC5控制器的I/O网络，用来控制分散式设备(如分散安装的I/O底座、I/O模块)和智能化设备(如电驱动器、显示器和控制单元)

AllenBradley1771远程I/O总线系统的基本原理和特点简介如下

总线基于主站/从站模型工作，因此控制器的扫描器总是主站(见图23-5-113)。当从站从主站接收到一个请求时，从站才有所响应

波特率：Twinax电缆的全长为3000m，用作传输介质。最大的波特率为230.4kbps

配置：从站可作为逻辑机架进行配置，机架有以下规格：①1/4机架；②1/2机架；③3/4机架；④1机架。数据可在主站和从站之间以32、64、96或128位分段(根据机架的规格而定)进行交换，或通过总线最多以64字为块进行发送

CC-Link总线系统

Mitsubishi公司(控制和通信)开发的总线系统，可进行CP分支的扩展

CC-Link总线系统的基本原理和特点简介如下

总线站点：所有接口类型(Sub-D或端子条)都有集成的T形分配器功能，因此支持输入和输出总线电缆的连接

波特率：156~10000kbps。通过DIL开关在硬件上进行设定

总线接口：采用RS485传输技术的集成接口是为典型的CC-Link3线连接技术而设计的(符合CLPACC-Link规定V1.11)

IP-Link总线系统

由Beckhoff公司开发的光纤电缆(FOC)现场总线。该现场总线是一个环形总线。使用光纤电缆使其可用于存在许多干扰的场合

IP-Link总线系统的基本原理和特点简介如下

总线站点：最多可连接124个站点

波特率：2000kbps

总线接口：总线接口采用的是两个IP-Link光纤电缆接头

AS-i总线系统

AS-i是一个非专利、开放式安装系统，在有关最低等级的分散式生产和过程自动化的生产中占有很大的份额，且所占比例在逐步增大

AS-i总线系统的基本原理和特点简介如下

AS-i系统允许通过一根电缆对功率和数据进行传递。采用站点与黄色电缆相连接的先进技术，较低的连接成本，这些都意味着即使站点只带少量的输入和输出(带两个芯片的阀岛最多能带8个输入和8个输出)也可联网

采用这种系统类型，安装成本可降低26%~40%，这一点已得到了证明。对于要将单个或一小组驱动器、阀和传感器连接到主站控制器上这种情况，该系统是降低成本的理想之选。新的开发，如参数化Profile7.4或AS-i工作安全性概念为新的应用领域开辟了道路。系统的非专利性和开放式特点符合欧洲标准EN50295和国际标准IEC62026-2。已获得认证的产品上有AS国际协会的标志。AS国际协会及其附属组织指的是所有对AS-i感兴趣的制造商

特性：①主—从站原理；②非专利产品；③在线路布局上无限制条件；④只通过一根两芯电缆即可连接电源和传输数据；⑤抗干扰能力强；⑥介质：未屏蔽电缆2×1.5mm2；⑦每个AS-i分支上可为8个输出提供数据和电源传输；⑧在31个从站的情况下，每个从站上最多有4个输入和4个输出；⑨在62个从站的情况下，每个从站上最多有4个输入和3个输出(A/B操作，符合规定V2.1)；⑩在31个从站的情况下，每个从站带4个模拟量输入或输出；构架7.3：每个从站的模拟量值(16位，符合规定V2.1)；构架7.4：可对通信方式进行参数设定，如每个从站16×16位(符合规定V2.1)；模块，用于控制箱(IP20)和恶劣的工业环境(IP65，IP67)；绝缘置换技术；电缆长度100m，使用中最多可扩展至500m；高效的故障控制；调试简单；通过总线接口进行电子方式地址选择

优点：①简单的连接技术。一根电缆用于连接电源和传输数据；电缆剖面的特殊外形可防止极性错误，具有故障控制功能，故无需屏蔽；采用绝缘压紧连接技术保证了即插即运行

②气动应用场合的理想之选。可对局部范围内的小批量现场驱动器进行控制，也可对分散于较大区域的单个驱动器进行控制。该总线系统气管长度短，提高循环速度，降低耗气量。AS-i元件具有安装和通信双重功效

③功能强大的系统元件。AS-i技术从属于目前已广泛使用的现场总线技术，是对现场总线技术的有力补充

ProfiNet以太网总线

ProfiNet是源自ProfiBus现场总线国际标准组织(PI)的开放的自动化总线标准。它基于工业以太网标准，使用TCP/IP协议和IT标准，实现自动化技术与实时以太网技术的统一，能够无缝集成其他现场总线系统

ProfiNet可将所有工厂自动化功能甚至高性能驱动技术应用均包括在内。开放式标准可适用于工业自动化的所有相关要求：工业可兼容安装技术、网络管理简单和诊断、实时功能、通过工业以太网集成分布式现场设备等

ProfiNet符合已有IT标准，并支持TCP/IP，确保了公司范围内各部门间的通信交流。现有技术或现场总线系统与该一致性基础设施在管理层面和现场层面均可集成。这样，分布式现场设备可通过ProfiNet与工业以太网直接相连。设备网络结构的一致性同时可确保整个生产厂的通信一致性。同时，通过代理服务器技术，ProfiNet可以无缝的集成现场总线ProfiBus和其他总线标准，从而较好地保护了原有投资

分布式现场设备与ProfiNet以太网的相互连接，具有良好的系统协同性，适用于严峻的工业环境(高温场和杂散发射/EMC)。此外，实时功能也是完成最新通信任务的当务之急

根据响应时间的不同，ProfiNet支持下列三种通信方式

TCP/IP标准通信

ProfiNet基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准。而TCP/IP是IT领域内关于通信协议方面事实上的标准，尽管其响应时间大概在100ms的量级，但对于工厂控制级的应用来说，这个响应时间就足够了

实时(RT)通信

对于传感器和执行器设备之间的数据交换，系统对响应时间的要求更为严格，因此，ProfiNet提供了一个优化的、基于以太网第二层(Layer2)的实时通信通道，通过该实时通道，极大地减少了数据在通信栈中的处理时间，ProfiNet实时通信(RT)的典型响应时间是5~10ms

等时同步实时(IRT)通信

在现场级通信中，对通信实时性要求最高的是运动控制(MotionControl)，ProfiNet的等时同步实时(IsochronousReal-Time，IRT)技术可以满足运动控制的高速通信需求，在100个节点下，其响应时间要小于1ms，抖动误差要小于1μs，以此来保证及时的、确定的响应