現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是從八十年代中期發(fā)展起來的。經歷了十幾年的時間，現(xiàn)場總線控制技術已經被廣泛應用于汽車、造紙、紡織、煙草、機械、石油化工、電力、樓宇自控等各個控制領域。現(xiàn)場總線控制技術由于其巨大的技術優(yōu)勢，被認為是工業(yè)控制發(fā)展的必然趨勢，將逐步取代傳統(tǒng)的PLC點對點接線的控制方法。

1.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結構及其特點

現(xiàn)場總線是一種串行的數(shù)字數(shù)據通訊鏈路，它溝通了生產過程領域的基本控制設備(即現(xiàn)場級設備)之間以及更高層次自動控制領域的自動化控制設備(即車間級設備)之間的聯(lián)系。下圖是一個簡單的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的實例。該系統(tǒng)主要包括一些實際應用的設備，如PLC、掃描器、電源、輸入輸出站、終端電阻等。其它系統(tǒng)也可以包括變頻器、軟起動器、人機界面等。

主控器(Host)可以是PLC或PC，通過總線接口整個系統(tǒng)進行管理和控制。

總線接口，有時可以稱為掃描器，可以是分別的卡件，也可以集成中PLC中。總線接口作為網絡管理器和作為主控器到總線的網關，管理來自總線節(jié)點的信息報告，并且轉換為主控器能夠讀懂的某種數(shù)據格式傳送到主控器?？偩€接口的缺省地址通常設為“0”電源，是網絡上每個節(jié)點傳輸和接收信息所必須的。通常輸入通道與內部芯片所用電源為同一個電源，習慣稱為總線電源。而輸出通道使用獨立的電源，稱為輔助電源。

輸入輸出節(jié)點，在該實例中第一個節(jié)點是8通道的輸入節(jié)點。雖然輸入有許多不同的類型，在應用中最常用的是24V直流的2線、3線傳感器或機械觸點。該節(jié)點具有IP67的防護等級，有防水、防塵、抗振動等特性，適合于直接安裝在現(xiàn)場。另一個節(jié)點是端子式節(jié)點，獨立的輸入/輸出端子塊安裝在DIN導軌上，并連接著一個總線耦合器。該總線直流耦合器是連接總線的網關。這種類型的節(jié)點是開放式的結構，其防護等級為IP20，它必須安裝在機箱中。端子式輸入/輸出系統(tǒng)包含有許多種開關量與模擬量輸入/輸出模塊，以及串行通訊、高速計數(shù)與監(jiān)控模塊。端子式輸入/輸出系統(tǒng)可以獨立使用也可以結合使用。

節(jié)點地址3，是一個輸出站。連接一個輔助電源，該電源用于驅動電磁閥和其他的電器設備。通過將輔助電器與總線電源分開可以極大地降低在總線信號中的噪音。另外大部分總線節(jié)點可以診斷出電器設備中的短路狀態(tài)并且報告給主控器，即使發(fā)生短路也不會影響整個系統(tǒng)的通訊。

節(jié)點地址4連接的是一個帶有總線通訊接口的智能型光電傳感器。這說明，普通傳感器等現(xiàn)場裝置可以通過輸入輸出模塊連接到現(xiàn)場總線系統(tǒng)工程中，也可以單獨裝入總線通訊接口，連接到總線系統(tǒng)中。

總線電纜和終端電阻?？偩€電纜一般分為主干纜和分支電纜。各種總線協(xié)議對于總線電纜的長度都有所規(guī)定，不同的通訊波特率，對應不同的總線電纜長度。同時，分支電纜的長度也是有所限制的。 網絡的最后部分是終端電阻。在一些總線系統(tǒng)中。這個終端電阻只是連接到兩數(shù)據線的簡單電阻。它是用來吸收網絡信號傳輸過程中的剩余能量。 從上面的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的實例中可以看出，與傳統(tǒng)的PLC點對點的控制方法相比，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有無可比擬的優(yōu)勢。其特點包括:

(1) 具有較高的性能價格比。系統(tǒng)綜合成本及時性安裝費用減少40%。

導線、連接附件的大幅度的減少。由原來的幾百根，甚至幾千根控制電纜減少到一根總線電纜，從而也使接線端子、電纜橋架等附件大幅度的減少。

設計、安裝、調試、維護的費用大幅度地減少，維護和改造的停工時間減少60%。原來繁瑣的原理圖、布線圖設計變得簡單易行;標準接插件快速、簡便的安裝，使人力、物力大量的減少;強大 的故障診斷能力，使系統(tǒng)的調試和維護變得輕松和愉快。

(2) 系統(tǒng)性能大幅度的提高，使控制系統(tǒng)的檔次跨越了一個臺階，可靠的數(shù)據傳輸，快速的數(shù)據響應，強大的抗干擾能力。許多總線在通訊介質、信息檢驗、信息糾錯、重復地址檢測等方面都有嚴格的規(guī)定，從而確?？偩€通訊快速、完全可靠的進行。

自動診斷、顯示故障位置。診斷包括總線節(jié)點的通訊故障、電源故障，以及現(xiàn)場裝置和連接件的斷路、短路故障，從而迅速地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的各種故障位置和狀態(tài)。

采用數(shù)字信號通訊，有效提高系統(tǒng)的測量和控制精度。各種開關量、模擬量信號就近轉變?yōu)閿?shù)字信號，避免了信號的衰減和變形。

許多總線節(jié)點具有IP67的防護等級，具有防水、防塵、抗振動的特性?？梢灾苯影惭b于工業(yè)設備上，大量減少了現(xiàn)場接線箱，使系統(tǒng)美觀而實用。

本質安全型總線。更加適合直接安裝于石油、化工等危險防爆場所，減少系統(tǒng)發(fā)生危險的可能性。

1.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基本概念

(1) 訪問方法(Media Access)指在總線上通訊的權利。有三種主要的類型:

主控(Master Control)一個高級別的節(jié)點控制所有的信號傳輸，順序和時間。除非主節(jié)點要求，其他節(jié)點不能通訊。Profibus-DP在主站和從站之間采用這種訪問方法。

令牌方式(Token Passing)一種信息轉移的方法，每次循環(huán)每個節(jié)點有一次機會通訊。Profibus-DP在主站和主站之間采用這種訪問方法。

CSMA一種訪問方法，允許每一節(jié)點通訊，只要該節(jié)點有信息要發(fā)布并且沒有其他節(jié)點占用通訊線。當以真正的CSMA 方式操作時，有可能兩個節(jié)點同時通訊。有兩種主要的方法處理可能存在的沖突:

a)CD—沖突監(jiān)測(collision detection)-所有的發(fā)送器必須同時是接收器。如果兩個節(jié)點同時開始通訊，它們將聽到發(fā)生了沖突，都停止通訊，等待一個任意長的時間，重新再通訊。以太網采用這種訪問方法。

b)BA—逐位仲裁(Bitwise arbitration)地址最低的節(jié)點，優(yōu)先級最高，享有繼續(xù)通訊的權力，而另一個節(jié)點則停止通訊。DeviceNet采用這種訪問方法。

(2) 總線拓撲結構—拓撲結構是描述總線的專用術語，指通訊線連接各節(jié)點的方法。

線狀結構(Bus)簡單的直線式拓撲結構稱作線狀結構。Profibus-DP、DeviceNet主要都采用這種結構。

分支結構(Branch)通?？偩€可以有分支，有時分支可以繼續(xù)有分支。不同的總線有不同的的規(guī)定，有的總線分支被限制在幾厘米之內，有的總線允許有任意的拓撲結構，僅限制通訊線的累計長度。

星型結構(Star)另外一種拓撲結構是星型結構。這種方法流行于計算機主機結構。主機按照這種結構連接外圍設備，如磁帶儲存器，打印機和終端。現(xiàn)在，星型結構有了更廣泛的意義，有源或無源的多端口分接器都象一個星型結構，但在內部是一種帶多個分支的公用總線，用于一個小區(qū)域范圍的連接。

環(huán)狀結構(Ring)環(huán)狀結構通常是一種理論上的拓撲結構，盡管真正的環(huán)狀結構存在。真正的環(huán)狀結構中每個節(jié)點也是一個中繼器。信息進入一個節(jié)點，該節(jié)點讀取信息，并加入新的信息發(fā)送給下一個節(jié)點。如具有更先進的協(xié)議和附加的硬件，當環(huán)斷掉或一個節(jié)點中繼器損壞，節(jié)點可以重新循環(huán)信息。

現(xiàn)場總線在發(fā)展的最初，各個公司都提出自己的現(xiàn)場總線的協(xié)議，如AB公司的DeviceNet,TURCK公司的Sensoplex,Honeywell公司的SDS，Phoenix公司的InterBus-S，以及Seriplex,ASI等。經過十幾年的發(fā)展，現(xiàn)場總線的協(xié)議逐漸趨于統(tǒng)一，針對制造業(yè)自動化，DeviceNet在北美和日本用的比較普遍，PROFIBUS-DP在歐洲用的比較普遍。針對過程自動化，PROFIBUS-PA和Foundation Fieldbus占據大部分市場。其他的總線協(xié)議如ASI、InterBus-S、Sensoplex在某些特殊的領域也有一些市場，下面分別介紹各種總線的一些特點。

2 PROFIBUS的構成

PROFIBUS是Process Fieldbus的簡稱，它是1987年由原西德聯(lián)邦科技部集中了13家公司及5家研究所的力量按照ISO/OSI參考模型制定現(xiàn)場總線的德國國家標準(PROFIBUS)。經過2年多的努力，完成了制定工作，與1991年4月在DIN19245中發(fā)表，正式成為德國現(xiàn)場總線的國家標準。后來，又通過投票成為歐洲標準EN50170。

PROFIBUS已成為國際化的開放現(xiàn)場總線標準，得到了眾多生產廠家的支持，并和基金會現(xiàn)場總線一起成為現(xiàn)場總線的兩大體系，在歐洲，PROFIBUS擁有40%以上的市場分額，近年來，在北美和日本的發(fā)展情況也不錯。由于得到PLC生產商的支持，加上基金會現(xiàn)場總線的標準遲遲得不到完善，PROFIBUS將會有更大的發(fā)展空間。

90年代初，PROFIBUS由西門子引入中國，開始被國內所接受。由于得到中德兩國政府有關部門的支持及西門子的大力推廣，PROFIBUS在中國發(fā)展勢頭良好，目前，PROFIBUS在我國已擁有眾多用戶，如上海揚樹蒲電廠、西安揚森制藥廠、云南玉溪卷煙廠、青島啤酒廠、海爾冰箱生產線。

PROFIBUS 遵循ISO/OSI模型，其通信模型由三層構成;物理層、數(shù)據鏈路層和應用層。PROFIBUS由三部分組成，PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification,現(xiàn)場總線報文規(guī)范)、PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery，分散型外圍設備)、PROFIBUS-PA(Process Automation,過程自動化)。

2.1 PROFIBUS-FMS

此部分是完成控制器與現(xiàn)場器件之間的通信及控制器之間的信息交換。它提供了大量的通信服務，如現(xiàn)場信息傳送、數(shù)據庫處理、參數(shù)設定、下栽程序、從機控制和報警等，適用完成以中等傳輸速度進行較大數(shù)據交換的循環(huán)和非循環(huán)通信任務。由于它是完成控制器與智能現(xiàn)場設備之間的通信以及控制器間的信息交換，因此它主要考慮系統(tǒng)的功能，而不是系統(tǒng)的響應時間。FMS提供了叫多種類的通信服務，應用靈活，可用于大范圍和復雜的通信系統(tǒng)。PROFIBUS-FMS;在使用RS-485時，其通信速率為9.6 Kbps-500 Kbps，距離1.6Km-4.8Km，最多可接122個節(jié)點，使用FSK(頻移鏈控)時，最多32個節(jié)點，距離可達5Km，介質可為雙絞線或光纜。

2.2 PROFIBUS-DP

PROFIBUS-DP是一種優(yōu)化的通信模塊，旨意在解決設備一級的高速數(shù)據通信。在這一級，中央控制器(如PLC/PC)通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設備(I/O、驅動器、閥門等)進行通信，傳輸速率可達12Mbit/s。一般情況下，DP構成主站系統(tǒng)，主站和從站一循環(huán)的方式進行數(shù)據傳輸;另外，DP的擴展功能也能提供了非循環(huán)數(shù)據傳輸?shù)哪芰Α?/SPAN>PROFIBUS-DP:RS-485雙絞線或光纜通信速率為9.6kbps-12Mbps;最大距離12Mbps時為100m，1.5Mbps時為200m，可用中繼器加大距離，最多站數(shù)126個。

2.3 PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA是PROFIBUS過程自動化的解決方案，是PROFIBUS-DP向現(xiàn)場的延伸，用DP可以將若干PA連接在一個自動化系統(tǒng)中。它具有本質安全的特性，專門的傳輸技術符合國際標準IEC1158-2，適用于本征安全要求較高場合和總線供電的站點。PROFIBUS-PA通信速率為31.25kbps，最大距離為≤1.9km，其每一段上可連接的儀表臺數(shù)≤32臺，但決定于所接入總線儀表設備的耗電量和應用的最大總線電流，只要饋入總線的電流不超過規(guī)定的最大電壓值和電流值，就可以保證在危險區(qū)域中運行的本質安全。

三種系列的PROFIBUS很容易集成在一起，DP和FMS使用了同樣的傳輸技術和統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，因而這兩套系統(tǒng)可在同一根電線上同時操作;PA和DP之間使用分段耦合器能方便集成在一起。PROFIBUS家族幾乎涵蓋了現(xiàn)場總線所有的應用領域，如加工制造、過程自動化和樓宇自動化等，普遍性是PROFIBUS與其他規(guī)范相比最重要的優(yōu)點。

3 PLC與PROFIBUS

PLC與現(xiàn)場總線的聯(lián)系是非常緊密的，可以說，在工業(yè)現(xiàn)場總線中PLC是現(xiàn)場總線上不可缺少的控制器。PROFIBUS是個開放性的產品，推出以來得到了眾多PLC廠家的支持，紛紛在其產品上提供了與PROFIBUS的接口。目前，比較流行的PLC產品(如西門子的S5和S7系列、歐姆龍系列、三菱Quantum系列)都具有與PROFIBUS相連的能力。眾多PLC廠家的政策擴大了工業(yè)現(xiàn)場用戶的選擇余地，客觀上保護了用戶的利益，鞏固了PROFIBUS在PLC的傳統(tǒng)應用領域的地位，加強了PROFIBUS對基金會現(xiàn)場總線FF的競爭能力。

PROFIBUS的傳輸介質采用屏蔽雙絞線，節(jié)點通過總線終端器(bus teminal)或總線連接器(bus connector)連接到總線上。每段(segment)最多32個節(jié)點，段與段之間通過中繼器(repeater)連接，網絡節(jié)點總數(shù)最多為127個。PROFIBUS在有些地方與MODICON Modbus Plus有些相似。例如，PROFIBUS的總線終端器就與MB+分支器差不多。總線終端器與PROFIBUS總線相連，并帶有一根1.5m或3.0m的連接電纜(Connecting Cable)，電纜未端是一個9針的485公接頭，直接連接到符合PROFIBUS協(xié)議的設備上的9針485插座上。

MODICON的140CR81100通信模塊可以將Quantum系統(tǒng)與PROFIBUS網絡相連，作為PROFIBUS-DP上的主設備與其他節(jié)點通訊，尤其是可以控制常用的Siemens的交流/直流傳動系統(tǒng)。該模塊的基礎是80386EX微處理器，模塊上插有一塊PCMCIA卡(467NHP911)，與PROFIBUS的通訊接口就是由這塊卡定義的。從這塊卡上引出一個PROFIBUS RS-485連接器(490NAD91102)，通過485口與網絡相連。模塊帶有標準的RS-232C接口，與計算機相連對模塊進行診斷。該模塊最多可以帶32個PROFIBUS節(jié)點，通信速率可調，其通信速率與通信距離的關系如下:

l 通信距離最遠為1.2km時，其通信速率有三種可選擇:9.6kbps、19.2 kbps、93.75kbps 。

l 通信距離最遠為1.0km時，其通信速率為187.5kbps。

l 通信距離最遠為0.5km時，其通信速率為500kbps。

l 通信距離最遠為0.2km時，其通信速率為1.5Mbps。

l 通信距離最遠為0.1km時，其通信速率有三種可選擇:3Mbps、6Mbps、12Mbps。

140RP81100是一個標準的Quantum模塊，可以插在Quantum機架的任意一個槽位中。該模塊與兩個CPU兼容，而且可以同時使用的數(shù)量也與CPU型號有關;140CPU21304最多2個，140CPU42402 最多6個。對該模塊進行配置需要Modsoft2.3以及專用的PROFIBUS-DP配置軟件包332SPU83301。

4 現(xiàn)場總線的主要產品

連接于總線上的產品，可以分為有源和無源兩大類。

4.1 有源產品

有源產品可以產生通訊信號、響應信號、調整信號或者兼而有之。 有源產品包括以下部件:

(1) 節(jié)點(Node)總線上可以編址的設備。

(2) 總線模塊(Bus Modulea)任何形式的現(xiàn)場節(jié)點，可以使用端子或接插件連接傳感器、閥門、按鈕等各種現(xiàn)場裝置。

(3) 網關(Gateway):一種特殊的節(jié)點，用于兩面種不同的總線之間的信號和數(shù)據變換。

(4) 放大器- 一種用于實時(加強)信號，以精確復制原始信號。連接同一總線的兩部分，解決通訊信號在通訊線上由于電氣損耗而造成的衰減。當信號變弱而不變形時可以使用放大器。

(5) 中繼器(Repeater)用于加強信號，產生不變形的新信號。連接同一總線的兩端，當信號變弱或變形時可以使用中繼器。

(6) 橋(Bgridge)有兩類橋。一種是用于連接同一種協(xié)議，不同傳輸速度的兩個段。另一種是一種智能的中繼器，當通訊的源地址和目的地址位于不同總線段時，用于重復兩個段間的數(shù)據。橋必須被編程設定地址和相關的段。當橋讀地址時，要有幾個位的等待時間。橋可以應用于設備級總線，但應用并不普遍。

(7) 路由器(Router)-用于廣域網的高等級橋。這類產品很少應用于設備級總線。

(8) 有源多端口分接器(Active hub)多端口中繼器或放大器，以增加總線的分支能力。

(9) 接口卡、接口模塊(Interface card,interface module)指網關的常用術語，作為PLC或PC到設備及總線的接口。

4.2 無源總線產品

無源總線產品包括:

(1) T型分支(Tee)用于產生總線上的一路分支。

(2) 無源多端口分接器(Passive hub)多端口T型分支。

(3) 終端電阻(Terminating Resistor)安裝在總線的始端和末端的電阻，用于穩(wěn)定和調整信號。

(4) 總線電纜(Busline)連接節(jié)點，傳送數(shù)據的各種電纜。

5 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應用

現(xiàn)場總線技術自推廣以來，已經在世界范圍內應用于冶金、汽車制造、煙草機械、環(huán)境保護、石油化工、電力能源、紡織機械等各個領域的工業(yè)控制。

應用的總線協(xié)議主要包括PROFIBUS、DeviceNet、Foundation、Fieldbus、Interbus_S等。在汽車行業(yè)，現(xiàn)場總線控制技術應用的非常普遍，國外設計的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已應用很廣泛，從單機設備到整個生產線的輸送系統(tǒng)，全部采用現(xiàn)場總線的控制方法。而國內的應用仍大多集中中生產線的輸送系統(tǒng)、隨著技術的不斷發(fā)展和觀念的更新必然會逐步擴展其應用領域。 目前，已在汽車行業(yè)應用現(xiàn)場總線控制技術的項目包括:

(1) 上海通用汽車別克轎車生產線的總裝車間、焊裝車間、發(fā)動機車間、沖壓車間全面采用PROFIBUS-DP協(xié)議，從單臺的沖壓機床、焊接機器人，到生產部件的輸送。

(2) 一汽大眾AUDI C5V6生產線的總裝車間、焊裝車間采用DevicenNet協(xié)議。AB-PLC5作為主控器，現(xiàn)場模塊采用TURCK的現(xiàn)場總線產品。

(3) 張家港牡丹汽車廠涂漆車間采用PROFIBUS-DP協(xié)議控制車間的自行小車;涂漆車間采用DeviceNet協(xié)議。

(4) 一汽轎車廠紅旗轎車生產線涂漆車間

(5) 橇輸送系統(tǒng)的改造采用PROFIBUS-DP協(xié)議。

（轉載）