現場總線控制系統

現場總線和現場總線控制系統的定義

現場總線是順應智能現場儀表而發展起來的一種開放型的數字通信技術，其發展的初衷是用數字通信代替一對一的I/O連接方式，把數字通信網絡延伸到工業過程現場。根據IEC和美國儀表協會ISA的定義，現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，它的關鍵標誌是能支持雙向、多節點、總線式的全數字通信。

隨着現場總線技術與智能儀表管控一體化(儀表調校、控制組態、診斷、報警、記錄)的發展，這種開放型的工廠底層控制網絡構造了新一代的網絡集成式全分佈計算機控制系統，即現場總線控制系統(簡稱FCS)。FCS作為新一代控制系統，採用了基於開放式、標準化的通信技術，突破了DCS採用專用通信網絡的侷限；同時還進一步變革了DCS中“集散”系統結構，形成了全分佈式系統架構，把控制功能徹底下放到現場。

簡而言之，現場總線是把控制系統最基礎的現場設備變成網絡節點連接起來，實現自下而上的全數字化通信，可以認為是通信總線在現場設備中的延伸，把企業信息溝通的覆蓋範圍延伸到了工業現場。

傳統計算機控制系統中，現場儀表和控制器之間均採用一對一的物理連接。這種傳輸方式一方面要給現場安裝、調試及維護帶來困難，另一方面難以實現現場儀表的在線參數整定和故障診斷，無法實時掌握現場儀表的實際情況，使得處於最底層的模擬變送器和執行機構成了計算機控制系統中最薄弱的環節。

如圖4.1，現場總線採用數字信號傳輸，允許在一條通信線纜上掛接多個現場設備，而不再需要A/D、D/A等I/O組件。當需要增加現場控制設備時，現場儀表可就近連接在原有的通信線上，無需增設其它任何組件。

從結構上看，DCS實際上是“半分散”、“半數字”的系統，而FCS採用的是一個“全分散”、“全數字”的系統架構。FCS的技術特徵可以歸納為以下幾個方面：①全數字化通信――現場信號都保持着數字特性，現場控制設備採用全數字化通信。②開放型的互聯網絡――可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。③互可操作性與互用性――互操作性的含義是指來自不同製造廠的現場設備可以互相通信、統一組態；而互用性則意味着不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換而實現互用。④現場設備的智能化――總線儀表除了能實現基本功能之外，往往還具有很強的數據處理、狀態分析及故障自診斷功能，系統可以隨時診斷設備的運行狀態。⑤系統架構的高度分散性――它可以把傳統控制站的功能塊分散地分配給現場儀表，構成一種全分佈式控制系統的體系結構。

現場總線標準經歷了十多年的紛爭，1999年8月形成了一個由8個類型組成的IEC61158現場總線國際標準，分別是：TS61158、ControlNet、PROFIBUS、P－Net、FF－HSE、SwiftNet、WorldFIP和Interbus。IEC 61158國際標準只是一種模式，它不改變各組織專有的行規，各種類型都是平等的，其中Type2～Type8需要對Type1提供接口，而標準本身不要求Type2～Type8之間提供接口，目的就是為了保護各自的利益。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，在原來8種現場總線基礎上增加FF H₁和PROFInet。

歸納起來，P－Net和SwiftNe 是用於有限領域的專用現場總線，ControlNet、PROFIBUS、WorldFIP和Interbus是由PLC為基礎的控制系統發展起來的現場總線，FF H₁和HSE是由傳統DCS發展起來的現場總線，總線功能較為複雜和全面，它們是IEC推薦的國際現場總線標準。在樓宇自控領域，Lonworks和CAN總線具有一定的優勢；在過程自動化領域，過渡型的HART協議也將是近期內智能化儀表主要的過渡通信協議。相比較而言，FF和PROFIBUS是過程自動化領域中最具競爭力的現場總線，它們得到了眾多著名自動化儀表設備廠商的支持，也具有相當廣泛的應用基礎。

按照基金會總線組織的定義，FF總線是一種全數字、串行、雙向傳輸的通信系統，是一種能連接現場各種現場儀表的信號傳輸系統，其最根本的特點是專門針對工業過程自動化而開發的，在滿足要求苛刻的使用環境、本質安全、總線供電等方面都有完善的措施。為此，有人稱FF總線為專門為過程控制設計的現場總線。

在FF協議標準中，FF分為低速H₁總線和高速H₂總線。H₁主要針對過程自動化，傳輸速率31.25Kbps，傳輸距離可達1900m（可採用中繼器延長），支持總線供電和本質安全防爆。高速總線協議H₂主要用於製造自動化，傳輸速率分為1Mbps和2.5Mbps兩種。但原來規劃的H₂高速總線標準已經被現場總線基金會所放棄，取而代之的是基於以太網的高速總線HSE。

為了實現通信系統的開放性，FF通信模型參考了OSI模型，如圖4.2。

H₁總線的通信模型包括物理層、數據鏈路層、應用層，並在其上增加了用户層。物理層採用了IEC61158-2的協議規範；數據鏈路層DLL規定如何在設備間共享網絡和調度通信，通過鏈路活動調度器LAS來管理現場總線的訪問；應用層則規定了在設備間交換數據、命令、事件信息以及請求應答中的信息格式。H₁的應用層分為兩個子層――總線訪問子層FAS和總線報文規範子層FMS，功能塊應用進程只使用FMS，FAS負責把FMS映射到DLL。用户層則用於組成用户所需要的應用程序，如規定標準的功能快、設備描述等。不過，數據鏈路層和應用層往往被看作為一個整體，統稱為通信棧。

HSE採用了基於Ethernet和TCP/IP的六層協議結構的通信模型。其中，一～四層為標準的Internet協議；第五層是現場設備訪問會話，為現場設備訪問代理提供會話組織和同步服務；第七層是應用層，也劃分為FMS和現場設備訪問FDA二個子層，其中FDA的作用與H₁的FAS相類似，也是基於虛擬通信關係為FMS提供通信服務。

H₁總線的物理層根據IEC和ISA標準定義，符合ISA S50.02物理層標準、IEC1158-2物理層標準以及FF-816 31.25Kbps物理層行規規範。當物理層從通信棧接收報文時，對數據幀加上前導碼和定界碼，並對其實行數據編碼，再經過發送驅動器把所產生的物理信號傳送到總統的傳輸媒體上。相反，在接收信號時，需要進行反向解碼。

現場總統採用曼徹斯特編碼技術將數據編碼加載到直流電壓或電流上形成“同步串行信號”。前導碼是一個8位的數字信號10101010，接收器採用這一信號同步其內部時鐘。起始界定碼和結束界定碼標明瞭現場總線信息的起點和終點，長度均為8個時鐘週期，二者都是由“0”、“1”、“N+”、“N－”按規定的順序組成。

圖4.5(a)表示了H₁總線的配置思想，總線兩端分別連接一個終端器，形成對31.25KHz信號的通帶電路。發送設備產生的信號是31.25KHz、峯峯值為15～20mA的電流信號，如圖(b)；傳送給相當於50Ω的等效負載，產生一個調製在直流電源電壓上的0.75～1V的峯峯電壓，如圖(c)。H₁支持總線供電和非總線供電二種方式。

通信棧包括數據鏈路層DLL、現場總線訪問子層FAS和現場總線報文規範FMS三部分。

DLL最主要的功能是對總線訪問的調度，通過鏈路活動調度器LAS來管理總線的訪問，每個總線段上有一個LAS。H1總線的通信分為受調度/週期性通信和非調度/非週期性通信二類。前者一般用於在設備間週期性地傳送測量和控制數據，其優先級最高，其它操作只在受調度傳輸之間進行。

FAS子層處於FMS和DLL之間，它使用DLL的調度和非調度特點，為FMS和應用進程提供報文傳遞服務。FAS的協議機制可以劃為三層：FAS服務協議機制、應用關係協議機制、DLL映射協議機制，它們之間及其與相鄰層的關係如圖4-6所示。FAS服務協議機制負責把發送信息轉換為FAS的內部協議格式，併為該服務選擇一個合適的應用關係協議機制。應用關係協議機制包括客户/服務器、報告分發和發佈/接收三種由虛擬通信關係VCR來描述的服務類型，它們的區別主要在於FAS如何應用數據鏈路層進行報文傳輸。DLL映射協議機制是對下層即數據鏈路層的接口。它將來自應用關係協議機制的FAS內部協議格式轉換成數據鍵路層DLL可接受的服務格式，並送給DLL，反之亦然。

FMS描述了用户應用所需要的通信服務、信息格式和建立報文所必需的協議行為。針對不同的對象類型，FMS定義了相應的FMS通信服務，用户應用可採用標準的報文格式集在現場總線上相互發送報文。

用户層定義了標準的基於模塊的用户應用，使得設備與系統的集成與互操作更加易於實現。用户層由功能塊和設備描述語言兩個重要的部分組成。

FF總線的網絡拓撲

FF現場總線的網絡拓撲比較靈活，通常包括點到點型拓撲、總線型拓撲、菊花鏈型拓撲、樹型拓撲以及這多種拓撲組合在一起構成的混會型結構。其中，總線線型和樹型拓撲在工程中使用較多。在總線型結構中，總線設備通過支線電纜連接到總線段上，支線長度一般小於l20米，適用於現場設備物理分佈比較分散、設備密度較低的應用場合，分支上現場設備的拆裝對其它設備不會產生影響。在樹型結構中，現場總線上的設備都是被獨立連接到公共的接線盆、端子、儀表板或I/O卡，適用於現場設備局部比較集中的應用場合。

PROFIBUS共包括PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA三個兼容系列，各系列的協議結構如圖4.9所示。FMS定義了物理層、數據鏈路層和應用層和用户接口，物理層提供了光纖和RS485兩種傳輸技術。DP定義了物理層、數據鏈路層和用户接口，其中的物理層和數據鏈路層與FMS中的定義完全相同，二者採用了相同的傳輸技術和統一的總線控制協議(報文格式)。PA主要應用於過程控制領域，相當於FF的H₁總線，它可支持總線供電和本質安全，當使用分段耦合器，PA裝置能很方便的連接到DP網絡上。

PROFIBUS現場總線是世界上應用最廣泛的現場總線技術之一，既適合於自動化系統與現場I/O單元的通信，也可用於直接連接帶有接口的各種現場儀表及設備。DP和PA的完美結合使得PROFIBUS現場總線在結構和性能上優越於其它現場總線。

PROFIBUS提供了RS485傳輸、IEC1158－2傳輸和光纖傳輸三種類型。

RS-485傳輸用於PROFIBUS－DP/－FMS，其最大傳輸速率可達12Mbps，在不加中繼的情況下，傳輸速率與總線長度的對應關係如下表所示：

數據IEC1158－2的傳輸技術用於PROFIBUS－PA，是一種位同步協議，通過±9mA對基本電流（約10mA）的調製，以31.25kbps的速率傳輸。

PROFIBUS系統要橋接更長的距離或在電磁干擾很大的環境下應用時，可使用光纖導體（塑料和玻璃）傳輸，光鏈路插頭可以實現RS485信號和光纖導體信號的相互轉換。

PROFIBUS總線包括的三個兼容系列均使用一致的總線存取協議，這是一種包括主站之間的令牌方式和主站與從站之間的主從方式的混合協議，如圖4.10所示。

令牌環是所有主站的組織鏈，按照它們的地址構成邏輯環。在令牌環中，令牌在邏輯環中循環一週的最長時間是事先規定的，令牌需要在規定的時間內按照地址的升序在各主站中依次傳遞。

主從方式允許主站在得到總線存取令牌時與從站進行通信，每個主站均可向從站發送或索取信息。當某主站得到令牌報文後，該主站可在一定時間內執行主站工作。在這段時間內，它可依照主從關係表與所有從站通信，也可依照主主關係表與所有主站通信。

基於IEC1158-2傳輸技術總線段與基於RS485傳輸技術總線段可以通過耦合裝置相連，耦合器使二者信號相適配。每段通常配一個電源裝置，電源裝置經耦合器和PA總線為現場設備提供電源，這種供電方式可以限制PA總線段上的電流和電壓。如果需要外接電源設備，必須用適當的隔離裝置，將總線供電設備與外接電源設備連接在本質安全總線上，此時總線上的最大供電電壓和最大供電電流均具有明確的規定。按防爆等級和總線供電裝置，總線上的站點數量也將受到限制。

PROFIBUS的網絡拓撲可以是總線型、樹型和兩種拓撲的混合。線型結構沿着總線電纜連接各個站點，樹型結構允許現場設備並聯地接在現場配電箱上。混合拓撲結構適合多數實際系統的要求，它可以使總線的結構和長度趨於最優。

我們知道，當前的工業網絡已逐漸向高層IT系統的融合甚至通過Internet實現全球化聯網的趨勢發展，PROFINet正是體現了現場總線技術縱向集成的一種透明性理念。

為了保持與自動化系統較高層的一致性，PROFINet選用以太網作為通信媒介，一方面它可以把基於通用的PROFIBUS技術的系統無縫地集成到整個系統中，另一方面它也可以通過代理服務器實現PROFIBUS－DP及其它現場總線系統與PROFINet系統的簡單集成。

在整個協議架構中，獨立於製造商的工程設計系統對象ES-Object模型和開放的、面向對象的PROFINet運行期（runtime）模型是PROFINet定義的兩個關鍵模型。

工程設計系統對象模型用於對多製造商工程設計方案做出規定，提供用户友好的PROFINet系統組態。運行期模型則以具有以太網標準機制的通信功能為基礎，提供了一種優化的DCOM機制，作為用於硬實時通信應用領域的一種選擇。

PROFINet部件以對象的形式出現，自動化解決方案包含在運行期進行通信的自動化對象中，即運行期自動化對象RT-AUTO。在工程設計領域，一旦無需對通信編程而只需進行很方便地組態，創建自動化解決方案就變得相當簡單。

PROFINet為這些應用提供了兩種集成方案，如圖4.12。

如果現場總線的主站具備PROFINet的能力，這可通過將以太網接口和PROFINet運行期軟件的端口直接集成到現場總線主站的CPU中。否則，PROFIBUS也可以通過代理服務器實現與PROFInet的集成。原則上其它的現場總線如：FF、Interbus等通常都可以這種方式集成到PROFINet領域。 ^[2]