各類型現場總線的體系結構綜述
加入技術交流群
按照國際電工委員會IEC/SC65C的定義，安裝在制造或過程區(qū)域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行和多點通信的數據總線稱為現場總線。根據使用場合和用途不同，現場總線又分為H1低速現場總線和H2高速現場總線。IEC/SC65C最初定義H1總線為用于制造或過程區(qū)域的、通過兩根傳輸線向現場裝置供電的低速串行總線，H2總線為無需解決兩線制供電，用于裝置間傳送信息的高速串行總線。H1和H2總線相輔相成構成了完整的工業(yè)自動化系統信息通信網絡。
本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/150686.htm經過長達15年的爭論，IEC61158用于工業(yè)控制系統的現場總線國際標準于2000年初終于獲得通過，現場總線之爭逐漸隨之退潮，IEC/SC65C/WG6現場總線標準委員會到此也完成了歷史使命。為了進一步完善IEC61158標準，IEC/SC65C成立了MT9現場總線修訂小組，繼續(xù)這方面的工作。MT9工作組在原來8種類型現場總線的基礎上不斷完善擴充，于2001年8月制定出由10種類型現場總線組成的第三版現場總線標準，它們是：Type1 TS61158 現場總線、Type2 ControlNet和 EtherNet/IP現場總線、Type3 Profibus現場總線、Type4 P-NET現場總線、Type5 FF HSE現場總線、Type6 Swift-Net 現場總線、Type7 WorldFIP現場總線、Type8 Interbus現場總線、Type9 FFH1現場總線以及Type10 Profinet現場總線，該標準于2003年4月成為正式國際標準。限于篇幅，本文對10種類型總線做概要論述，并簡單綜述上述總線近三年來的最新進展。
1 Type1 TS61158 現場總線
Type1 現場總線標準由以下部分構成：
PhL：IEC61158-2：1993標準的超集(Superset);
Foundation Fieldbus的超集;
WorldFIP的功能超集;
DLL：IEC TS61158-3，TS61158-4;
Foundation Fieldbus的超集;
WorldFIP的功能超集;
AL：IEC TS61158-5，TS61158-6。
1998年之前，IEC/SC65C只推薦一種類型的現場總線，該總線主要采納Foundation Fieldbus總線和WorldFIP總線基本技術，并嚴格按照IEC定義制定現場總線標準，由于各種原因，經過多輪投票未獲通過，只能按規(guī)定成為技術報告TS61158，以此為基礎形成了現在的Type1現場總線。國際電工委員會推薦的通用現場總線網絡結構如圖1所示，從圖中可以看出現場總線系統可以支持各種工業(yè)領域的信息處理、監(jiān)視和控制系統，用于過程控制傳感器、執(zhí)行器和本地控制器之間的低級通信，可以與工廠自動化的PLC實現互連。在這里，H1現場總線主要用于現場級，其速率為31.25Kbps，負責兩線制向現場儀表供電，并能支持帶總線供電設備的本質安全;H2現場總線主要面向過程控制級、監(jiān)控管理級和高速工廠自動化的應用，其速率為1Mbps，2.5Mbps和100Mbps。
2 Type2 ControlNet和EtherNet/IP現場總線由ControlNet International(CI)組織負責制定的Type2現場總線標準由以下部分組成：
PhL和DLL：ControlNet;
AL：Control Net和EtherNet/IP。
Type2現場總線系統體系結構如圖2所示。ControlNet采用一種新的通信模式，即生產者/客戶(Producer/Consumer)模式，這種模式允許網絡上的所有節(jié)點，同時從單個數據源存取相同的數據，其主要特點是增強了系統的功能，提高了效率和實現精確的同步。網絡的媒體送取，通過限制時間存取算法來控制，即采用并行時間域多路存取(CTDMA)方法，在每個網絡刷新間隔(NUI)內調節(jié)節(jié)點的傳送信息機會。
圖2 Type2 現場總線系統體系結構
EtherNet/IP以太網工業(yè)協議是一種開放的工業(yè)網絡，它使用有源星形拓撲結構，可以將10Mbps和100Mbps產品混合使用。該協議在TCP/UDP/IP之上附加控制和信息協議(CIP)，提供一個公共的應用層。CIP的控制部分用于實時I/O報文，其信息部分用于報文交換。ControlNet和EtherNet/IP都使用該協議通信，分享相同的對象庫、對象和設備行規(guī)，使得多個供應商的設備能在上述整個網絡中實現即插即用。對象的定義是嚴格的，在同一種網絡上支持實時報文、組態(tài)和診斷。為了提高工業(yè)以太網的實時性能，ODVA(開放的DeviceNet供應商協會)于2003年8月公布了IEEE1588“用于EtherNet/IP實時控制應用的時鐘同步”標準。
3 Type3 Profibus 現場總線
Type3 現場總線得到Profibus用戶組織PNO的支持，德國西門子公司則是Profibus產品的主要供應商。Profibus系列由三個兼容部分組成，即Profibus-DP、Profibus-FMS和Profibus-PA三條總線構成。為了提高Profibus總線性能，近幾年PNO推出了新版本的Profibus-DP-V1和Profibus-DP-V2，同時逐步取消Profibus-FMS總線。擴展的Profibus-DP現場總線體系結構如圖3所示，Profibus-DP特別適用于設備級自動控制系統與分散I/O之間高速通信。Profibus-PA專為過程自動化設計，它能夠將變送器和執(zhí)行器連接到一根公共總線，使用兩根線就可以完成供電和數據通信，并能實現本質安全性能。以此為基礎，擴展的DP功能DPV1進一步完善了Profibus-PA功能;DPV2解決了從站之間的通信與時間同步等重大問題。
圖3 Type3 Profibus現場總線體系結構
Profibus-DPV1主要是增加了非循環(huán)服務，并擴大了與2類主站的通信。眾所周知，Profibus-DP性能的特征是在循環(huán)連接(Mscy-C1)的基礎上應用數據交換服務，實現一個主站和一系列從站之間集中的數據交換。1類主站指PLC、PC或控制器。2類主站指操作員站和編程器等。DPV1擴展了上述功能，在已有的Mscy-C1連接基礎上，增加了非循環(huán)服務，利用新的服務可以對從站中任何數據組進行讀寫。過去，2類主站只能利用DP從站的無連接服務，現在則可通過面向連接的通信對數組進行非循環(huán)讀寫，同時為進入因特網通信擴充了功能。
Profibus-DPV2可以實現循環(huán)通信、非循環(huán)通信以及從站之間的通信。由于從站之間可直接通信，通信時間縮短1個DP總線周期和主站周期，從而使反應時間縮短60%至90%，同時建立了等時間間隔的總線循環(huán)周期，其時間偏差小于1μs，即適用于高精度定位控制，又可實現閉環(huán)控制。DPV2可根據不同的應用需要開發(fā)專用行規(guī)(profile)，如用于運動控制的ProfiDrive和用于聯鎖保護的Profisafe等。
4 Type4 P-NET現場總線
P-NET現場總線由丹麥Process-Data Sikebory Aps公司從1983年開始開發(fā)，主要應用于啤酒、食品、農業(yè)和飼養(yǎng)業(yè)，它得到P-NET用戶組織的支持，在現場大約有5000多個應用系統。
圖4 Type4 P-NET現場總線體系結構
評論