现场总线技术的概念

    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铺设费用大大地增加，造成了整个项目的投资成本增加、可靠性下降、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、成本低廉的通信总线，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)就是在这样的背景下产生的。    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(Fieldbus Founclation，FF)的定义：现场总线是连接智能现场设备和白动化系统的数字化、双向传输、多分支结构的通信网络。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、组态命令传送至相关的设备，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表，但不是传统的单功能现场仪表，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；调节阀的基本功能是信号驱动和执行，另外还有输出特性补偿、自校验和自诊断功能。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。    可见，现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。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( Fieldbus Control System，FCS)代替传统的集散控制系统( Distributed Control System，DCS)，实现现场通信网络与控制系统的集成。    2．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。    (1) PROFIBUS的组成 PROFIBUS主要由3个相互兼容的部分PROFIBUS-FMS、PRO-FIBUS-PA和PROFIBUS-DP组成。    1) PROFIBUS-DP( Distribured Periphery)：-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，可满足系统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( Fielclbus Message Specification)：可以用于车间级监控网络，FMS提供大量生产的通信服务，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空间和更大的灵活性，通常用于大范围，复杂的通信系统。    (2) PROFIBLS-DP协议结构 PROFIBUS-DP协议以ISO/OSI参考模型为基础，第1层为物理层，定义了物理的传输特性；第2层为数据链路层；第3层至第6层PROFIBUS-DP未使用；第7层为应用层，定义了应用的功能。这种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2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为特性。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参考模型的第1层相同，采用EIA-RS-485协议，如图6-1所示。图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。根据数据传输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输介质。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、规范与扩展要求等。
    图6-1    EIA-RS-485总线段结构图    PROFIBUS-DP采用了统一的介质存取协议，由OSI参考模型的第2层来实现，并提供了两种基本介质存取控制方式：令牌总线方式和主从方式。其中令牌总线与局域网IEEE 8024协议一致，主从方式的数据链路层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)，从站给出响应(Respond)，主站与从站间传输帧的格式如图6-2所示。从站可以连续发送多个帧，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3个阶段：数据链路建立、帧传输和数据链路释放。
    图6-2    主站与从站间传输帧的格式    对图6-2中的各项说明如下。    1)F为帧标志字段( 8bit)。    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 Data)的传输并捎带应答；监控帧用于监视链路上的正常操作，对链路状态作出各种响应（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，如写入控制字段或读出状态字等，一般为4B长；而PZD( Process Data)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—10B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)检验。该HDLC帧最长可达248。    PROFIBUS是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产的现场总线标准，在制造工业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力以及其他自动化领域都有广泛的应用。特别是因PROFIBLTS-DP的实时性远高于其他局域网，所以特别适用于工业现场。