（本节内容大部分来自网络文库资料，并根据教材体裁整合、改写，作为教材的一个章节，不声明原创）

11.6 工业现场总线

本节只对总线的通用概念做铺垫，不涉及具体总线的实际使用与维护细节。

一、现场总线的基础知识

（一）现场总线

现场总线是应用于设备底层现场工作环境，各设备共享的，以串行方式双向传递全数字化信息的一组公共信息通道。

现场总线是为适应工业、生活等现场相对恶劣的安装环境，为快速传递信息，简化安装结构而设计的一种自动化产品。它得益于计算机技术、通讯技术的高速发展。

现场总线必须具备如下几个特征：

1）用一组（最少两根）导线作为公共通道，所有设备均通过这条通道传递信息。

2）数据流传递是串行的。

3）信号双向传输。

4）全数字化传送。

图11-24：传统点对点控制（左）与总线系统（右）比较

由于总线系统采用公共数据通道，因此线路比点对点控制要明显减少，可靠性也就获得大幅度提高。

（二）现场总线的结构、原理

1、传输线路结构

现场总线一般需要2-5根导线传递信息。大致分如下形式：

1）信息、电源共线：数字信号通过调制器调制到载波信号上，载波信号沿一对导线传递，接收时，数字信号要从载波信号中解调，同时载波信号经过整流可以获得信号工作电源。

这种传输方式传输距离比较远，抗干扰能力强，但电路相对复杂。

最典型的如PROFIBUS。

2）信息、电源分开：信息流、电源线在总线电缆中分开传输。

这种传输方式传输距离相对近，比较容易受到干扰，但电路相对简单。

最典型的如DEVICENET。

2、总线传输原理

由于总线传输是工作在比较高的频率下，与工频信号的50HZ完全不同，因此总线传输有其独特的特点：

1）串行传输：信号是串行传输的。

2）行波：由于线路远长于点对点传输方式，加上传输频率高，数据间隔近，所以总线上的信号是以行波形式传送的。即多组信号同时上线，就像高速公路上同时行驶众多的车辆一样。

例题：试计算50HZ的电波波长是多少？100米线路上只承载1个波的临界频率是多少？

波长λ×频率f=速度v

当f=50Hz时，λ=3×108/50=6000(km)

当λ=100m时，f=3×108/100=3（MHz）

这就看出，常规电路上跑的电信号，波长远远大于工厂电路的长度，可以按线性电路的常规分析来理解，线路上同一时间驻留的只是一个电波。而总线系统都是百K到几十MB的数据，长度又大部分是百米甚至几十公里，同时上线的将有多个电波或数据位。

3）终端电阻：如果两条信号线两端不封闭，波源信号（入射波）传递到末端后，将产生反射波，反射波将沿着信号线返回，并与后续信号产生干涉，从而造成信号出错。因此在两个末端必须加终端电阻，以吸收信号的剩余能量。

终端电阻是要根据电路实际物理情况计算的，如DEVICENET的终端电阻就是110-120欧姆。

3、拓扑结构

总线的拓扑结构与IT的拓扑结构类似，也有总线型、环型、树型等形式。具体允许的拓扑结构需要查阅说明书。

关于拓扑结构，要注意如下问题：

1）任何总线都有固定的最长传输距离，使用时应留出至少20%的余量。当要加大传输距离时，需要加中继器。

2）不是所有总线都允许有分支，且分支长度累计受到限制。

3）信号传输距离和频率有关，一般频率越高，传输距离越短。

（三）总线的分层

按照传统的IT系统分层结构，大部分总线系统实际上定义了其中的第一、二、七层。

第一层：物理层（现场设备层）

通过总线与I/O、传感器、阀组、变频器等现场设备的连接，实现系统与现场设备的最底层控制的交互。

第二层：数据链路层

通过总线系统与区域控制器、显示装置的连接，实现数据在控制器之间的交互，并提供人机工作的接口。

第七层：应用层

即系统的综合管理，程序开发等工作。

ASI、DEVICENET、PROFIBUS在应用层时，经常要借用以太网作为传输介质，而PROFINET一类新兴的一网到底总线，却可以实现几个层次的无缝对接。

这和前面章节讲到的网络C/S架构是类似的。

（四）现场总线的发展

现场总线技术产生于二十世纪八十年代，是电子、计算机、通讯、网络、自动化等技术发展的综合结果。它迎合了企业综合自动化对开放性、通用性、可靠性的日益增加的要求。

由于开始没有一个统一的国际标准，各企业相继开发自己的总线产品，制定现场总线标准，形成了百花齐放的现状。据不完全统计，目前市场上形形式式的现场总线有200多种，号称为开放标准的也有二、三十种。

　　1984年IEC提出现场总线国际标准的草案。1993年才通过了物理层的标准IEC1158-2。

　　1994年6月，ISP 和World FIP成立了FF(Fieldbus Foundation，现场总线基金会), 推出了FF现场总线，成为现场总线发展的主流方向。

　　由于世界各大企业的现行产品的市场利益与统一标准产品之间的激烈冲突，事实上要统一标准非常困难，经过长期的磨合和平衡，最终形成了统一标准与个性化标准共存的局面。即使经过长达15年后的1999年，61158标准还是综合了8大类产品，即在现场总线国际标准IEC61158中，采用了一带七的类型，即：

类型1 原IEC61158技术报告（即FF －H1）

类型2 Control Net（美国Rockwell）公司支持

类型3 Profibus（德国SIEMENS公司支持）

类型4 P-Net（丹麦Process Data公司支持）

类型5 FF HSE（即原FF H2， 美国Fisher Rosemount 公司支持）

类型6 Swift Net（美国波音公司支持）

类型7 WorldFip（法国Alstom公司支持）

类型8 Interbus（德国Phoenix contact公司支持）

目前61158的基本原则是：不改变原来61158的内容，作为类型1，并不改变各个子集的行规，作为其他类型，并对类型1提供接口。

　　在IEC61158之前，CAN是唯一被批准为国际标准的现场总线。CAN由ISO/TC22技术委员会批准为国际标准ISO11898（通信速率＜1Mbps）和ISO11519（通信速率≤125Kbps）。CAN总线得到了计算机芯片商的广泛支持，它们纷纷推出直接带有CAN接口的微处理器（MCU）芯片。因此在接口芯片技术方面CAN已经遥遥领先于其他所有现场总线。

二、现场总线的常见类型

（一）现场总线概况

现场总线是串行总线，类型很多，常见的包括DeviceNet、Profibus、CC-Link、CAN、AS-i、InterBus、FF、P-NetV、WorldFIP、Foundation Fieldbus、ControlNet、SwiftNet、HART、LonWorks、Modbus等。现场总线为车间级设备自动化提供了优秀的解决方案，同时也广泛应用在化工、楼宇宙控制中。我们工厂比使用比较多的有：DeviceNet、Profibus、CC-Link。

（二）常用现场总线

下面就部分主流的工业现场总线做简单的介绍。

1、Profibus总线

该总线1984年由德国西门子公司推出，是德国标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线，IEC61158类型3。Profibus用户组织为PNO，拥有600多个成员，近2000种产品。

它又分DP、FMS、PA三部分。

图11-25：PROFIBUS现场总线系统架构

1）Profibus-DP

• 定义了ISO标准的第一、二层。

• 专门设计为自动控制系统和设备级分散的I/O之间进行通信使用

• 使用Profibus-DP模块可取代24伏或4～20毫安的串联式信号传输。

• 直接数据链路映像（DDLM）提供的用户接口，使得对数据链路层的存取变得简单方便

• 传输可使用RS－485传输技术或光纤媒体

2）Profibus-FMS

• 定义了第一、二、七层。

• 用来解决车间级通用性通信任务。

• 与LLI（Lower Layer Interface）构成应用层

• Profibus-FMS可使用RS－485和光纤传输技术

3）Profibus-PA（Process Automation）

• 是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，可应用于本质安全领域

• 可用双电缆总线供电技术进行数据通信

• 数据传输采用扩展的Profibus-DP协议，使用电缆耦合器，Profibus-PA装置能很方便的连接到Profibus-DP网络。

PROFIBUS的通信为主从式。主站决定了总线的数据通信，当主站获得总线控制权（令牌）时，可以主动发送和向从站请求信息。从站无总线控制权，仅能对接收的信息进行确认或在主站发出请求后向主站发送。

　　PROFIBUS提供了三种类型的传输：

· 用于DP和FMS的RS485传输

· 用于PA和IEC1158－2传输

· 光纤（FO）

A. RS485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术，又称为H2。采用屏蔽双绞铜线，共用一根导线对。

　　传输速率可选：9.6Kbps和12Mbps之间。

　　站点数：每分段32个站，不带中继器；带中继器可多达127个站

　　传输距离：

波特率 (Kbps)

9.6

19.2

93.75

187.5

500

1500

12000

距离/段 (m)

1200

1200

1200

1000

400

200

100

　　B. IEC1158－2传输技术是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称为H1。

　　传输速率：31.25Kbps，电压式。

　　站点数：每段最多为32个，总数最多为126个。

　　距离：采用双绞线电缆，传输距离可达1900m。

　　C. Profibus系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体以增加高速传输的最大距离。

2、DeviceNet总线

该总线开发商是美国Rockwell集团的AB公司。DeviceNet可以用来连接低级工业设备（如传感器、变送器、电机等）和高级工业设备（如PLC和工业计算机）。

DeviceNet 的低层使用的是CAN总线规范。

其技术特点：

• 遵从CAN协议，使用第一、二层

• 125kbps~500kbps通信速率。

• 响应时间较快

• 可灵活的增加和移去设备而不必停机

• 点对点，多主或主/从通信

• 故障显示（LEDs）

• 可以通过网关和以太网、ControlNet等相连

• 支持总线供电、从节点对从节点的直接传输

• 不支持本质安全、时间同步、介质冗余

3、CC-LINK总线

在1996年11月，以三菱电机为主导的多家公司公布和开放了现场总线CC-Link。

由于CC-Link研发和公布的时间相对较晚，在业内的硬件和软件的基础相对较为完善和先进，故在技术层面上有其得天独厚的优势。并迅速进入市场，快速扩充其市场份额。

　　2000年11月，CC-Link协会（CC-Link Partner Association简称CLPA）在日本成立，主要负责CC-Link在全球的普及和推进工作。

主要性能：

　　CC-Link的系统硬件搭建和系统组态都非常简单，硬件上只需要3芯屏蔽绞线将所有设备链接就可以，软件上CC-Link不需要专门的组态软件，网络参数只需在PLC主站中简单设定便可以完成系统组态和数据刷新设定工作。

三菱公司又推出了更经济、灵活的CC-Link/LT。主要性能如下：

　　后期还推出了CC-Link V2、安全总线等更高性能的产品。

4、HART总线

HART是由Rosemount公司提出的用于现场智能仪表和控制室设备间通讯的总线。

• HART协议兼有模拟（4~20mA）和数字两家之长，目前成为智能仪表“事实上”的标准。

• HART不是现场总线的国际标准，但却是从模拟系统向标准的现场总线过渡的一块踏脚石。

• 单台设备通信距离3000m，多台设备互联通信距离1500 m。

• 通信方式：主从模式、突发模式

• 应用编程：针对过程控制开发了适用的命令，如量程、变量、单位等的读操作，写主变量单位、微调DA的零点和增益，特征化、微调传感头校正等。

4、IEC现场总线（IEC61158）

• 通信参考模型

• 协议数据与信息编码

• 通信模式：客户/服务器、发布/预定接收、报告分发

• 拓扑结构：星型或总线型拓扑

• 铜质线缆，光纤

• 可寻址的最大节点数：232/段；216/网络

• 可挂接的最大节点数：32/段，216/网络

• 最大距离：31.25Kbps时1900米；1M时750米，2.5M时500米

5、FF H1

• 定义了一、二、七层。

• 通信参考模型

• 通讯模式：客户/服务器；发布/预定接收；报告分发

• 拓扑结构：星型或总线型拓扑

• 双绞线，光纤

• 可寻址的最大接点数：240/段；240段/网络

• 可挂接的最大节点数 32/段；16/段（总线供电）；6/段（本安）

• 最大距离：31.25Kbps时1900米；可接4个中继器

FF高速以太网HSE

• 充分利用低成本的商业以太网技术，如100M、1Gbit/s技术。

• 支持所有H1的功能，如功能块、设备描述等

• 支持H1设备与以太网设备通过链接设备进行连接

• 链接设备可与H1设备点对点通信，H1设备之间也可通过链接设备通信。

6、PROFInet总线

• DCOM机制（通过TCP）

– DCOM的传输是由事件驱动的，较低的那些层提供连接的安全性。

• 以太网上的实时通信

– 按照UDP/IP，生产数据应采用（在动态资源的开销方面）尽可能小的协议传输。可用标准的网络部件实现。

7、ControlNet

• 概况

– ControlNet最早由Rockwell公司于1995年10月提出。

– Rockwell公司等22家企业于1997年7月联合发起成立了ControlNet International组织。

• Rockwell自动化系统的三层控制层网络。

图11-26：Rockwell自动化系统的三层控制层网络

– 信息层（Ethernet以太网）

– 控制层（ControlNet控制网）

– 设备层（DeviceNet设备网

ControlNet的技术特点：

• 生产者/使用者型通信模式

– 通过标识符辨认是否要接受某个报文(无地址)

– 多个用户可同时使用某个节点产生的同一数据

– 节点可产生多个数据组(各自具有自己的标识符)

– 减少通信流量, 数据可同时到达各节点

• I/O触发机制

– 传统的轮询机制:重复数据，浪费网络带宽

– 状态改变触发:只当数据变化时节点才产生数据

– 可按用户指定的速度周期性地产生数据

8、CAN总线

• 定义了第一、二层，第七层要由制造者拓展。

• CAN总线是德国BOSCH公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议

• 是交通运载工具电气系统中应用较广的总线，现在也逐步应用到工业领域中

• 1993年11月，ISO正式颁布CAN为国际标准ISO11898。

• 支持CAN协议的公司有Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、Honeywell等公司

技术特点：

• 传输速率： 可达到1Mbps/40m

• 支持的介质：铜线，光纤

• 最大长度/段： 10千米/5kbps

• 媒体访问控制方式：CSMA/冲突按优先权解决

• 可寻址的最大节点数：211

• 可挂接的最大节点数：110

• 不支持本质安全、总线供电

9、P-NET

• 1983年由丹麦的PROCES-DATA A/S公司推出

• 1990年，国际P-NET用户组织（the International P-NET User Organization）成立

• 欧洲标准（EN50170 Vol.1）、IEC61158 的八种总线之一

该总线网络层次：

• 物理层

• P-NET规范采用三种标准：RS485、RS232、IS16

• 总线长度：最大1200m（EIA RS485）

• 现场设备数目：≤125个设备

• 波特率：76.8kbit/s

• 供电方式：总线供电

• 数据链路层

• 通信模式：基于时间的虚拟令牌传递

• 通讯方式：主从式、多主式

• 数据包大小：可变

10、WorldFIP

• 概况

– 1987年3月成立，前身为法国标准FIP。

– 1994年6月，WorldFIP北美部分与ISP协议合并成为FF，欧洲部分仍保持独立。

– 支持公司：Alstom、 Honeywell等

• 网络与协议

– 物理层、数据链路层、应用层三层结构

– 曼彻斯特编码、传输速率31.25bps传输速率31.25K到2.5M

– 屏蔽双绞线、光纤传输。

• 特点

– 适合工业过程控制

– 符合电磁兼容性的EMC标准，抗干扰能力强

– 通讯方式与FF及IEC标准完全一致，容易转化

11、INTERBUS

• 1984年德国的Phoenix Contact推出

– 组织：Interbus club 551家成员

– 标准：

• 德国 DIN19258

• 欧洲 EN50253

• 国际标准 IEC61158

– 特点

• 由一大批独立的供应商支持，提供中立和独立的解决方案，用户的选择面较大，较灵活

• 网络特点

• 最长1300英尺

• 远程网不供电

• 电平标准RS-485

• 全双工、波特率500K/s

12、SwiftNet

• 概况

– 1996年SHIPSTAR 公司应Boeing公司要求，研究适用于飞行测试和飞行器模拟控制的现场总线。对DeviceNet、 Foundation、PROFIBUS-DP、WorldFIP四种现场总线进行最终性能测试后发现它们的总体性能仍无法满足要求。1998年，产生SwiftNet。

• 是一个真正同步、高速数据总线

– 采用了TDMA（时分多路总线协议），其扫描频率可达85K/秒，将总线上所有节点的局域时间锁定，以实现报警同步，并可杜绝差拍所引起的伪信号，也将有效减少随机因素对总线的影响。

技术特点：

• 网络容量

– 可使增至30，000，000节点和100，000，000变量的多桥网络同步。各节点之间的时间差仅为50 微秒。

• 应用协议

– SwiftNet 支持应用数据包的范围可从64~896字节，且数据包的大小并不影响数据传输速度。

• 同步

– SwiftNet同步机制不受软件影响，有效消除了网络滞后对设备运转、数据传输和事件响应的影响，并有助于补偿非实时系统，如Windows NT。

13、LonWorks

• 1990年由美国Echelon公司推出，得到Motorola、Toshiba公司的支持

• 网络层次与协议特点

– 采用ISO/OSI模型的全部七层通信协议

– 通信速率：300bps~1.5Mbps，通信距离达2700m

– 传输媒体可以为双绞线、光纤、射频、红外线、电力线

• 技术开发特点

– 采用LonTalk协议，封装于Neuron（神经元）芯片中

– 鼓励OEM开发方式

– 面向对象的设计方法，把网络通信设计简化为通信参数设置

• 主要应用领域：楼宇自动化、家庭自动化、工业自动化

14、ASi

ASi（Actuator Sensor Interface执行器传感器接口）总线是自动化系统中最低层级的现场总线。

ASi总线的优点：

· 不需要参数化的软件

· 在电气和机械方面都是标准化的，与生产商无关

· 安装简单、快速，极性不可能接错

· 接口芯片可以集成在传感器和执行器上，以提高其监视和故障分析能力

· 防护等级高，可在现场直接应用

· 具有自检测功能，抗干扰能力强

　　ASi总线是一种简单的主从系统，控制数据传输的每个线路段只有一个主设备。主设备依次查询从设备并要求从设备应答。它采用固定的报文长度和数据格式，识别过程是不必要的。

　　ASi总线的主要技术数据如下：

· 网络结构：线形或树型结构

· 传输媒体：数据和电源共用的无屏蔽双线电缆（2×1.5mm2）

· 最大电缆长度：无中继器/扩展器时为100m，有中继器/扩展器时为300m

· 最大循环时间：当完全配置时为5ms

· 最大站点数：31个

· 二值传感器/执行器数：

　　124个（当用4输入，4输出，2输入/2输出或2×2数模块时，即4×31个）

　　248个（当用4输入/4输出模块时，即8×31个）

· 访问方法：循环查询主-从方法，从主设备（PLC、PC）循环采集数据

· 错误纠正：数据采集包含对错误报文的识别和重发

三、现场总线的维修要点

总线维修与传统的点对点通讯维修不同，由于它是一线到底的，出现问题时影响面积大，关联点多，因此修理时间比较长。

建议自制一些方便的修理工具，如用于跨接的电缆、终端电阻、T型转换测试头等，以解决快速检测故障的需要。

另外特别强调的是，总线系统的拓扑图必须完整、正确，否则将大大延长修理时间。

下面列举几种常见的总线故障及其处理方法。

（一）连接不良

现象是没有规律的断网，随着维修的进程，断网区域可能不断变化。

现场总线最多的故障是接头接触类故障，这类故障来自于总线电缆接头的虚接。而虚接的原因主要有：

1）产品质量问题，接头公母配合不良。

2）现场机械设备震动虚接。

3）安装质量：电缆没有有效固定，或安装位置不合适，电缆有扭曲应力没消除。

检测手段：

1）通过编程器查看组态连接的断开点。

2）通过通讯接口模块的提示判断。

3）现场巡检各站点模块指示灯。

4）用二分法，把总线干缆上的所有站点，每次取终点位置测量终端电阻，判断异常侧的方向，依次收缩范围，直至发现故障点。如DeviceNet的终端电阻为单端120欧姆。

（二）驱动能力不足

现象是局部区域网络连接故障，区域相对稳定。

原因是网络长期使用后，局部接点的阻抗变化导致负载特性变化，对于那些冗余不足的总线系统，可能会导致驱动能力不足。

解决方法是在合适的位置增加中继器。

（三）电源故障

这类故障发生频次不高，原因是：

1）负载出现对地短路，拉低电源电压或造成电源烧毁。

2）传输距离过长，电源驱动能力不足；或线路经过一段时间的劣化后，出现驱动能力不足。

对策方法：

1）测量网络电源模块，监视电压波动情况。

2）查找短路点或异常负载。

3）更换或维修直流电源。

（四）干扰

干扰成因复杂，偶尔会造成总线系统工作不稳定。

大致成因：

1）总线系统，或相邻系统接地不良。

2）系统中出现重干扰源。

3）线路敷设方式不合理，强弱电没有有效分离。

这类故障很难短时间内找到成因，一般需要大量的试验过程。

目前我们引入的总线监测仪，可以监测总线数据发送/接收波形、电平等，给我们提供了更直观的总线状态判断依据。

本节要点复习：

1、熟练维护你身边的PLC控制设备，读懂PLC程序。

2、会使用PLC编程软件。

3、了解触摸屏开发过程。

4、了解Profibus-DP、DeviceNet、CC-Link几种常见总线的物理结构和使用特点，会诊断常见的总线故障。