浅谈PLC的现场总线技术

    在传统的自动化工厂中，位于生产现场的许多设备和装置，如：传感器、调节器、变送器、执行器等都是通过信号电缆与计算机、PLC相连的。当这些装置和设备相距较远、分布较广时，就会使电缆线的用量和敷设费用大大地增加，造成了整个项目的投资成本增加、系统连线复杂、可靠性降低、维护工作量增大、系统进一步扩展困难等问题。因此人们迫切需要一种可靠、快速、能经受工业现场环境、低廉的通信总线，将分散于现场的各种设备连接起来，实施对其监控。现场总线（Field Bus）就是在这种背景下产生了。

1 现场总线的概念

    根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF（Fieidbus Foundation）的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络。也就是说基于现场总线的系统是以单个分散的，数字化，智能化的测量和控制设备作为网络的节点，用总线相连，实现信息的相互交换，使得不同网络，不同现场设备之间可以信息共享。现场设备的各种运行参数状态信息以及故障信息等通过总线传送到远离现场的控制中心，而控制中心又可以将各种控制、维护、组态命令又送往相关的设备，从而建立起了具有自动控制功能的网络。

    现场总线的节点是现场设备或现场仪器，但不是传统的单功能的现场仪器，而是具有综合功能的智能仪表。例如，温度变送器不仅具有温度信号变换和补偿功能，而且具有PID控制和运算功能；调节阀的基本功能时信号驱动和执行，另外还有输出特性补偿、自效验和自诊断功能。现场设备具有互换性和互操作性，采用总线供电，具有本质安全性。

    现场总线不仅是一种通信技术，也不仅是用数字仪表代替模拟仪表，关键是用新一代的现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）代替传统的集散控制系统DCS（Distributed Control System），实现现场通信网络与控制系统的集成。

2 现场总线的发展

    现场总线始于20世纪80年代，到90年代其技术日趋成熟，并受到世界各自动化设备制造商和用户的广泛关注。它成为自动化技术发展的热点，并导致自动化系统结构与设备的深刻变革。

    一般把控制系统的发展分为五代。

    1) 第一代控制系统：50年代前的气动信号控制系统PCS。

    2) 第二代控制系统：4~20mA等电动模拟信号控制系统。

    3) 第三代控制系统：基于数字计算机的集中式控制系统。

    4) 第四代控制系统：70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS。

    5) 第五代控制系统：以开放性、分散性与数字通信为特征的现场总线控制系统FCS。

    PLC的生产商也将现场总线技术应用于各自的产品之中，构成工业局域网的底层，使得PLC网络实现了真正意义上自动控制领域发展的一个热点，给传统的工业控制技术带来了有一次革命。

3 现场总线的主要特点

    1) 全数字化通信：采用现场总线技术后只用一条通信电缆就可以将控制器与现场设备（智能化的、具有通信口）连接起来，提高了信号传输的可靠性。

    2) 系统具有很强的开放性：这里的开放是指对相关标准的一致性和公开性，用户可按自己的需要和对象，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

    3) 具有强的互可操作性与互用性：实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信，不同生产厂家的性能类似的设备可以进行互用。

    4) 现场设备具有智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

    5) 系统结构的高度分散性：由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中于分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构。

    6) 对现场环境的适应性：工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境工作而设计的，它可支持多种转输介质，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送点与通信，并可满足本质安全防爆要求等。

4 几种主要的现场总线协议及其特点

    现场总线发展的最初，各个公司都提出自己的现场总线协议，如AB公司的DeviceNet、TURCK公司的Sensoplex、Hpneywell公司的SDS、Phoenix公司的InterBus-S等。经过十几年的发展，现场总线的协议逐渐趋于统一。针对制造业自动化，DeviceNet在北美和日本用得比较普遍，PROFIBUS-DP在欧洲用得比较普遍。针对过程自动化，PROFIBUS-PA和Foundation Fieldbus占据大部分市场。其他的总线协议如ASI、InterBus-S、Sensoplex在某些特殊的领域也有一些市场。

    下面介绍几种主要的现场总线协议及其特点。

    1) PROFIBUS

    PROFIBUS是在1987年，由德国科技部集中了13家公司和5家科研机构的力量，按照ISO/OSI参照模型制订的现场总线的德国国家标准，并已成为欧洲标准EN50170，主要由拥有400多个公司成员的PROFIBUS用户组成（PNO）进行管理。

    PROFIBUS有3部分组成，即PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP及PROFIBUS-PA。

    2) DeviceNet

    DeviceNet（设备网）是一种低价位的总线，最初由AB公司设计，现在已经发展成为一种开放式的现场总线的协议，可连接自动化生产线系统中广泛的工业设备。它的管理组织ODVA由全球多家公司组成，提供设备网的产品、支持设备网规范的进一步开发。

    DeviceNet能够降低设备安装的费用和时间。控制系统中的接近开关、光电开关和阀门等可通过电缆、插件、站等产品进行长距离通信。并且能够提高设备级的诊断能力。相对于PROFIBUS-DP，DeviceNet具有更强大的通信功能，支持除了主-从方式之外的，多种通信方式，可以更灵活地应用于控制系统中。

    3) Foundation Fieldbus

    高级过程控制现场总线Foundation Fieldbus（基金会现场总线）是针对过程自动化而设计的，它是通过数字、串行、双向的通信方法来连接现场装置的。Foundation Fieldbus通信不是简单的数字4~20mA信号，而是使用复杂的通信协议，它可连接执行简单的闭环算法（如PID）的现场智能装置，一个通信段可配置32各现场装置。

    4) LonWorks

    LonWorks（Local Operating Network）由美国Ecelon公司推出，它采用了ISO/OSI模型的全部七层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300bit/s至15Mbit/s不等，直接通信距离可达2700m（78kbit/s，双绞线），支持双绞线、同轴电缆、光线、射频、红外线、电源线等多种通信介质，被誉为通用控制网络。

    5) CAN

    CAN是控制网络Control Area Network的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。

    CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，但其模型结构只有三层：OSI底层的物理层、数据链层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线，通信频率最高可达1Mbit/s/40m，具有较强的抗干扰能力。[page]

    6) HART

    HART是Highway Addressable Remote Transduer的缩写。最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持。HART通信模型也是由三层组成：物理层、数据链路层和应用层。物理层采用了FSK（Frequency Shift Keying）技术，在4~20mA模拟信号上叠加一个频率信号，数据传输速率为1200bit/s，逻辑“0”的信号频率为2200Hz，逻辑“1”的信号传输频率为1200Hz。

5 PROFIBUS简介

    各类现场总线协议具有各自的特点及应用领域，为进一步说明现场总线技术的特点，以下对PLC系统中应用较广泛的PROFIBUS作一简要介绍。

    5.1 PROFIBUS的组成

    PROFIBUS主要由三个相互兼容的部分：PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-DP组成。

    1) PROFIBUS-DP（Distrbuted Periphery）：一种高速（数据传输速率9.6kbit/s~12Mbit/s）、经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O之间的通信，可满足快速响应的时间要求；位于这一级的PLC或工业控制计算机可以通过PROFIBUS-DP同分散的现场设备进行通信。

    2) PROFIBUS-PA（Process Automation）：它是专为过程自动化所设计的协议，可用于安全性要求较高的场合。

    3) PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）：可以用于车间级监控网络，FMS提供大量的通信服务，用以完成中等级传输速度进行的循环和非循环的通信服务。对于FMS而言，它考虑的主要是系统功能而不是系统响应时间。FMS服务向用户提供了广泛的应用范围和更大的灵活性，通常用于大范围，复杂的通信系统。

    5.2 PROFIBUS协议结构

    PROFIBUS协议以ISO/OSI参考模型为基础，第一层为物理层，定义了物理的传输特性；第二层为数据链路层；第三层至第六层PROFIBUS未使用；第七层为应用层，定义了应用的功能。

    PROFIBUS-DP使用了ISO/OSI通信标准中的第一及第二层（即物理层和数据链路层）和用户接口层。第三层到第七层未使用，这种的精简的结构确保高速数据传输。直接数据链路映像程序（DDLM）提供对第二层的访问。在用户接口中规定了PROFIBUS-DP设备的应用功能，以及各类型的系统和设备的行动特性。这种为高速传输用户数据而优化的PROFIBUS协议特别适用于PLC与现场级分散的I/O设备之间的通信。

    PROFIBUS-DP物理层与ISO/OSI参数模型的第一层相同，采用EIA-RS485协议，如图1所示。

图1 RS485总线段结构图

    图1中两根数据线通常被称为A线和B线，分别对应RXD/TXD-N和RXD/TXD-P信号。根据数据线传输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输媒体。

    PROFIBUS采用了统一的介质存取协议，由OSI参考模型的第二层来实现，并提供了两种基本介质存取控制方式：令牌总线和主从方式。其中令牌总线与局域网IEEE8024协议一致，主从方式的数据链路协议与局域网标准不同，它符合HDLC中的非平衡正常响应模式（NRM）

    HDLC中的非平衡正常响应模式的工作特点是：总线上一个主站控制着多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路：主站发出命令（Command），从展给出响应(Respond)，主站与从站间传输帧的格式如图2所示。从站可以连续发出多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链路中帧的传输过程分为三个阶段：数据链路建立、帧传输和数据链路释放。

图2 主站与从站之间传输帧的格式

    对图2的各项说明如下。

    1) F为帧标志字段（8位）

    2) A为从站地址字段。

    3) C为控制字段，表示帧类型、编号、命令和控制信息。该字段将HDLC帧分为3种类型：信息帧（I）、监控帧（S）、和无编号帧（U）。其中信息帧用于应用数据（Useful Date）的传输并捎带应答；监控帧用于监视链路上的正常操作，对链路状态做出各种响应（如认可帧、请求重传或暂停等）；无编号帧（不含信息字段）用于传输各种无编号命令和响应，例如建立链路工作模式，释放链路及报告特殊情况等

    4) 信息字段由PKW和PZD两部分构成。PKW（Parameter ID）用于读写参数值，如写入控制字或读出状态字等，一般为4Byte长；而PZD（Process Date）用于存放控制器的具体控制值，设置站点或状态字的参数，一般为2~10Byte长。

    5) FCS是帧校验字段，它对整个帧的内容进行循环冗余码（CRC）校验。该HDLC帧最长可达24Byte。

    PROFIBUS-DP并未采用ISO/OSI的应用层，而是自行设置了一个用户层，即用户接口。该层定义了DP的功能、规范与拓展要求等。

    综上所述，PROFIBUS是一种国际化的、开放的、不依赖与设备生产商的现场总线标准，在制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他自动化领域。特别是，PROFIBUS在满足实时性方面有更大的特点，PROFIBUS-DP的实时性远高于其他局域网，因而特别适用于工业现场。

    PROFIBUS在我国的应用也较为广泛。2001年11月，PROFIBUS现场总线成为中华人民共和国机械行业标准JB/T10308.3-2001。