十种类型现场总线的体系结构综述

适用于设备级自动控制系统与分散I/O之间高速通信。Profibus-PA专为过程自动化设计，它能够将变送器和执行器连接到一根公共总线，使用两根线就可以完成供电和数据通信，并能实现本质安全性能。以此为基础，扩展的DP功能DPV1进一步完善了Profibus-PA功能；DPV2解决了从站之间的通信与时间同步等重大问题。

图3 Type3 Profibus现场总线体系结构

　　Profibus-DPV1主要是增加了非循环服务，并扩大了与2类主站的通信。众所周知，Profibus-DP性能的特征是在循环连接（Mscy-C1）的基础上应用数据交换服务，实现一个主站和一系列从站之间集中的数据交换。1类主站指PLC、PC或控制器。2类主站指操作员站和编程器等。DPV1扩展了上述功能，在已有的Mscy-C1连接基础上，增加了非循环服务，利用新的服务可以对从站中任何数据组进行读写。过去，2类主站只能利用DP从站的无连接服务，现在则可通过面向连接的通信对数组进行非循环读写，同时为进入因特网通信扩充了功能。

　　Profibus-DPV2可以实现循环通信、非循环通信以及从站之间的通信。由于从站之间可直接通信，通信时间缩短1个DP总线周期和主站周期，从而使反应时间缩短60%至90%，同时建立了等时间间隔的总线循环周期，其时间偏差小于1μs，即适用于高精度定位控制，又可实现闭环控制。DPV2可根据不同的应用需要开发专用行规（profile），如用于运动控制的ProfiDrive和用于联锁保护的Profisafe等。

　　4 Type4 P-NET现场总线

　　P-NET现场总线由丹麦Process-Data Sikebory Aps公司从1983年开始开发，主要应用于啤酒、食品、农业和饲养业，它得到P-NET用户组织的支持，在现场大约有5000多个应用系统。

图4 Type4 P-NET现场总线体系结构

　　P-NET现场总线是一种多主站、多网络系统，图4给出了P-NET系统的体系结构。总线采用分段结构，每个总线分段上可以连接多个主站，主站之间通过接口能够实现网上互连，它允许在几个总线区直接寻址，无需递阶网络结构。该总线通信协议包括1、2、3、4和7层，并利用信道机构定义用户层。通信采用虚拟令牌（virtual token）传递方式，主站发送一个请求，被寻址的从站在390μs内立即返回一个响应，只有存放到从站内存中的数据才可被访问。每个站节点都含有一个通用的单芯片微处理机，配套的2KB EPROM不仅可用作通信，而且可用于测量、标定、转换和应用功能。P-NET接口芯片执行数据链路层的所有功能，第3层和第4层的功能由宿主处理器中的软件解决。该总线物理层基于RS-485标准，使用屏蔽双绞线电缆，传输距离1.2km，应用NRZ编码异步传输。

　　5 Tpye5 FF HSE现场总线

　　1998年，美国Fieldbus Foundation（FF）基金会决定采用高速以太网（High Speed Ethernet，HSE）技术开发H2现场总线，作为现场总线控制系统控制级以上通信网络的主干网，它与H1现场总线整合构成信息集成开放的体系结构，图5给出了系统结构。HSE网络遵循标准的以太网规范，并根据过程控制的需要适当增加了一些功能，但这些增加的功能可以在标准的Ethernet结构框架内无缝地进行操作，因而FF HSE总线可以使用当前流行的商用（COTS）以太网设备。100Mbps以太网拓扑是采用交换机形成星形连接，这种交换机具有防火墙功能，以阻断特殊类型的信息出入网络。HSE使用标准的IEEE802.3信号传输，标准的Ethernet接线和通信媒体。设备和交换机之间距离，使用双绞线为100米，光缆可达2千米。HSE使用连接装置（LD）连接H1子系统，LD执行网桥功能，它允许就地连在H1网络上的各现场设备，以完成点对点对等通信。HSE支持冗余通信，网络上的任何设备都能作冗余配置。

图5 系统结构

　　FF HSE的1~4层由现有的以太网、TCP/IP和IEEE标准所定义，HSE和H1使用同样的用户层，现场总线信息规范（FMS）在H1中定义了服务接口，现场设备访问代理（FDA）为HSE提供接口。用户层规定功能模块、设备描述（DD）、功能文件（CF）以及系统管理（SM）。FF规范21种功能模块供基本的和先进的过程控制使用。FF还规定了新的柔性功能模块（FFB），用以进行复杂的批处理和混合控制应用，FFB支持数据采集的监控，子系统接口、事件顺序、多路数据采集、PLC和其他协议通信的网间连接器。

　　6 Type6 SwiftNet现场总线

　　Type6 SwiftNet现场总线由美国SHIP STAR协会主持制定，得到美国波音公司的支持，主要用于航空和航天等领域。该总线是一种结构简单、实时性高的总线，协议仅包括物理层和数据链路层。SwiftNet现场总线采用分层总线式拓扑结构，其通信体系结构如图6所示。

图6 Type 6 SwiftNet现场总线体系结构

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