跳至內容

現場總線

維基百科，自由的百科全書

現場總線（fieldbus）是一類用於實時分布式控制的工業數字通信網絡。[1][2]現場總線的各種協議由國際電工委員會（IEC）標準化為IEC 61784/61158，不過也有一些現場總線未列在IEC 61158中，如Modbus、LonWorks、CANopen等。

一個複雜的自動化工業系統（例如組裝生產線）通常按分布式控制系統（DCS）的分層結構組織。在此階層的頂端一般是人機界面（Human Machine Interface, HMI），可以讓操作員監控及使用此系統，用於生產管理的上層通過非實時關鍵通信系統（如以太網）與直接控制層的可編程邏輯控制器（PLC）相連接。現場總線[3]則將直接控制層的PLC與現場層的組件連接起來，如感測器、致動器、馬達、開關、閥門、接觸器等實際動作或偵測的元件，並取代了通過電流環或數字輸入/輸出信號的直接連接。因此，現場總線的要求通常具有實時性要求和對成本的敏感性。自新千年以來，基於實時以太網的一系列現場總線技術得以建立，並有望在長期內取代傳統現場總線。

描述

[編輯]

現場總線是一種用於實時分布式控制的工業網絡系統，它是連接製造廠中各類儀表的一種方式。現場總線採用一種網絡結構，通常支持菊花鏈、星形、環形、分支型和樹形等多種網絡拓撲結構。早期的計算機連接使用的是RS-232（串行通信），該方式僅允許兩個設備之間的通信。這類似於當前使用的4-20 mA通信方案，每個設備在控制器層面需要一個獨立的通信端口；而現場總線則類似於當前的局域網連接，僅需一個控制器通信端口，便可同時連接多個（可達數百個）模擬信號和數字信號點。這不僅減少了電纜長度，也減少了所需電纜的數量。 此外，由於通過現場總線通信的設備通常內置微處理器，同一設備通常可提供多個信號點。一些現場總線設備現在已支持諸如PID控制等控制方案的設備端實現，而無需全部由控制器來處理。

歷史

[編輯]

在分布式控制系統中使用現場總線的最重要動機，是在不降低自動化系統的高可用性和可靠性的前提下，減少安裝與維護成本。其目標是通過一根雙絞線以及簡單的配置，實現來自不同製造商的現場外設設備的互聯。根據具體應用，傳感器與執行器的數量可能從單台設備中的數百個，到大型工廠中分布的數千個不等。現場總線的發展歷程正是圍繞實現這一目標展開的。

現場總線的前身

[編輯]

通用接口總線

[編輯]

可以說，現場總線技術的前身是1975年在IEEE 488中描述的HP-IB。[4]它後來被稱為「通用接口總線」（GPIB），並成為工業自動化儀器控制的事實標準。

GPIB主要用於自動測量領域，以實現來自不同廠商儀器的互聯。它是一種並行總線，通過一根帶有24根導線的電纜與連接器進行通信，其最大電纜長度為20米。

Bitbus

[編輯]
帶有Intel 8044的Bitbus控制卡

最早廣泛使用的現場總線技術是Bitbus。Bitbus由英特爾公司開發，用於提升Multibus系統在工業環境中的應用能力，通過將較慢的I/O功能與更快的內存訪問分離開來。1983年，英特爾在其現有的8051微控制器上加入現場總線固件，推出了8044 Bitbus微控制器。Bitbus在物理層採用EIA-485標準，使用兩對雙絞線——一對用於數據，另一對用於時鐘和信號。其在數據鏈路層使用SDLC協議，使得一個段上可連接250個節點，總傳輸距離達13.2公里。Bitbus採用主從結構，一個主節點控制多個從節點，從節點只響應主節點請求。在網絡層上，Bitbus未定義路由機制。8044僅支持相對較小的數據包（13字節），但集成了高效的RAC（遠程訪問與控制）任務集，且支持自定義RAC任務。1990年，電氣電子工程師協會（IEEE）將Bitbus採納為微控制器系統串行控制總線（IEEE-1118）標準。[5][6]

目前，BITBUS由BITBUS歐洲用戶組織（BEUG）負責維護。[7]

自動化用計算機網絡

[編輯]

辦公網絡並不適用於自動化應用，因為它們缺乏確定的傳輸延遲上限。ARCNET作為早在1975年就被構思用於辦公室連接的網絡，採用令牌傳遞機制，因此後來被應用於工業領域。

製造自動化協議

[編輯]

製造自動化協議（MAP）是通用汽車公司於1984年發起的一項將OSI標準協議應用於自動化技術的項目。MAP成為了一個由多家製造商支持的LAN標準化提案，主要用於工廠自動化。MAP使用10兆位每秒的IEEE 802.4令牌總線作為傳輸媒介。

由於其範圍廣泛且結構複雜，MAP未能實現廣泛應用。為了降低複雜性並在資源減少的情況下提高處理速度，1988年開發了增強性能架構（EPA）MAP，即MiniMap，它僅包含開放系統互聯基本參考模型的第1、2和7層。[8]該結構後被後續的現場總線標準所採納。

MAP最重要的成果是製造消息規範（MMS），即MAP的應用層。

製造消息規範

[編輯]

製造消息規範（MMS）是國際標準ISO 9506，規定了用於在網絡設備或計算機應用之間傳輸實時過程數據和監控控制信息的應用協議和服務，第一版於1986年發布。[9]

MMS成為許多其他工業通信標準發展的模型，如用於Profibus的FMS或CANopen的SDO。它仍作為應用層方案被用於例如IEC 61850標準中的電力系統自動化。

製造自動化中的現場總線

[編輯]

在製造自動化領域，現場總線的需求在於支持短反應時間，並以傳輸少量比特或字節為特徵，通信距離通常不超過數百米。

MODBUS

[編輯]
主條目：Modbus

1979年，Modicon（現為施耐德電氣）定義了一種串行總線，用於連接其可編程邏輯控制器（PLC），命名為Modbus。在最初的版本中，Modbus採用雙線電纜，傳輸EIA-485UART信號。該協議本身非常簡單，基於主從模式，支持的數據類型也僅限於當時PLC所能理解的類型。儘管如此，Modbus（尤其是其Modbus-TCP版本）仍是目前使用最廣泛的工業網絡之一，主要應用於樓宇自動化領域。

PROFIBUS

[編輯]
主條目：PROFIBUS

在德國政府資助的研究項目推動下，1987年開發了基於「現場總線消息規範」（FMS）的現場總線PROFIBUS。[10]但在實際應用中，FMS被發現過於複雜，不便於現場使用。1994年，西門子提出了一種改進的應用層「分布式外圍」（DP），該版本在製造業中獲得了良好反響。到2016年，PROFIBUS成為全球安裝數量最多的現場總線之一，[11]至2018年其安裝節點數已超過6000萬。[12]

INTERBUS

[編輯]
主條目：INTERBUS

1987年，菲尼克斯電氣開發了一種串行總線，用於將分布在不同空間的輸入輸出模塊連接到中央控制器。[13]控制器通過一個物理環發送一幀數據，該幀包含所有輸入和輸出信息。所用電纜包含5根線：一根接地線、兩根發送幀線、兩根接收幀線。通過該電纜，可以實現整個系統的樹狀拓撲結構。[14]

INTERBUS在製造業中非常成功，現場已安裝超過2290萬個設備。該技術已融合入以太網現場總線Profinet之中，目前由Profibus用戶組織e.V.負責維護。[15]

CAN

[編輯]
主條目：CAN bus

20世紀80年代，為了解決汽車中不同控制系統間的通信問題，德國博世公司首次開發了控制器局域網絡（CAN）。CAN的核心思想是：所有設備通過一組線纜連接，並可彼此自由交換數據。很快，CAN便擴展到了工廠自動化領域。

DeviceNet由美國公司艾倫-布拉德利（Allen-Bradley）（現為羅克韋爾自動化）和ODVA（開放DeviceNet供應商協會）共同開發，是一種基於CAN協議的開放現場總線標準，已被歐洲標準EN 50325採納。DeviceNet標準的制定與維護由ODVA負責。與ControlNet和EtherNet/IP一樣，DeviceNet屬於CIP（通用工業協議）網絡家族。CIP作為這三種工業網絡的通用應用層，使它們之間協調良好，並為管理層（EtherNet/IP）、單元層（ControlNet）與現場層（DeviceNet）提供分級通信體系。DeviceNet是一種面向對象的總線系統，採用生產者/消費者模式，設備既可作為客戶端（主站），也可作為服務端（從站），甚至同時具備兩者功能。客戶端和服務端可以是生產者、消費者或同時是二者。

CANopen由CiA（CAN in Automation——CANopen用戶與製造商協會）開發，自2002年底起成為歐洲標準EN 50325-4。CANopen使用CAN標準（ISO 11898-2）的第1、2層，並對引腳定義、傳輸速率及應用層進行了擴展。

過程自動化中的現場總線

[編輯]

在過程自動化系統中，傳統上大多數現場變送器通過4-20mA的電流環與控制設備連接。這種方式不僅能通過電流水平傳輸測量值，還能用一根兩芯電纜為設備供電，傳輸距離可超過一千米。這類系統也常用於危險區域。根據NAMUR標準，在這類應用中，現場總線需滿足特定要求。[16]專為儀表設計的IEC/EN 60079-27標準中，對用於0區、1區或2區的本質安全現場總線概念（FISCO）提出了相關要求。

WorldFIP

[編輯]

FIP（工廠儀表協議）標準起源於1982年法國發起的一項關於未來現場總線標準的需求分析。該研究促成了1986年6月的歐洲Eureka項目，旨在制定現場總線標準，項目共有13個合作夥伴參與。開發小組（法語名為「réseaux locaux industriels」）提出了首個在法國標準化的方案。FIP現場總線名稱最初來源於法語「Flux d'Information vers le Processus」（向過程流動的信息），後期也採用英文名稱「Factory Instrumentation Protocol」（工廠儀表協議）。

FIP在後來的十年中逐漸被PROFIBUS取代，在歐洲市場失去主導地位——WorldFIP官網自2002年起就沒有新的新聞發布。不過，FIP系列的一個近親今天依然活躍於列車車廂通信中的Wire Train Bus。此外，WorldFIP的一個特定子集——FIPIO協議，目前仍被廣泛應用於機器部件中。

Foundation現場總線（FF）

[編輯]

Foundation現場總線由國際自動化學會（ISA）以SP50項目的形式歷時多年開發而成。如今，Foundation現場總線在許多重型流程行業中得到廣泛應用，如煉油、石化、發電、食品與飲料、製藥以及核能行業。[17]

自2015年1月1日起，Foundation現場總線已併入新的FieldComm Group。[18]

PROFIBUS-PA

[編輯]

Profibus PA（過程自動化）用於測量和過程儀表、執行器與過程控制系統或PLC/DCS之間的通信。Profibus PA是Profibus的一個適用於過程自動化的物理層版本，其中多個「PA段」可以通過所謂的耦合器連接到Profibus DP上。段內的兩線制總線電纜不僅負責通信，還提供設備的供電（使用MBP傳輸技術）。Profibus PA的另一重要特性是廣泛應用的設備配置文件「PA Devices」（PA配置文件），該配置文件將主要的現場設備功能在跨廠商間實現了標準化。[19]

建築自動化領域的現場總線

[編輯]

建築自動化市場對現場總線的應用也提出了不同的要求：

  • 用於大範圍分布的簡單輸入/輸出設備的安裝總線
  • 控制暖通空調（HVAC）的自動化現場總線
  • 用於設施管理的管理網絡

1989年在法國定義的BatiBUS、擴展為歐洲安裝總線（EIB）的Instabus、以及歐洲家庭系統協議（英語：European Home Systems Protocol）三者於1999年合併為Konnex（英語：KNX）標準，編號為EN 50090（英語：EN 50090）（ISO/IEC 14543-3）。到2020年，已有495家成員公司在全球190個國家提供8,000款具備KNX接口的產品。[20]

LonWorks

[編輯]

可追溯到上世紀80年代，與其他網絡不同，LonWorks是由埃施朗公司的計算機科學家研發的成果。1999年，其通信協議（當時稱為LonTalk）被提交至ANSI並被採納為控制網絡標準（ANSI/CEA-709.1-B），並於2005年成為歐洲建築自動化標準EN 14908。該協議也是BACnet（ASHRAE/ANSI建築自動化標準）多個數據鏈路/物理層協議之一。

BACnet

[編輯]

BACnet標準最初由美國供熱、製冷與空調工程師學會（ASHRAE）於1987年開發，現在由其負責維護。BACnet自1995年起成為美國國家標準（ANSI）135，也是多個國家的國家標準，並於2003年成為全球性的ISO標準（ISO 16484）。[21]截至2017年，BACnet在建築自動化市場的份額達到60%。[22]

標準化

[編輯]

現場總線科技在1988年就已產生，並且有相關的標準ISA S50.02，但國際標準的發展卻耗時多年。1999年時國際電工協會（IEC）的SC65C/WG6標準委員會開會，設法解決在IEC現場總線標準草案上的差異及歧見，會議的結果形成了第二版的IEC 61158標準，其中有八種（type）不同的通訊協定。

該標準的設計初衷是為歐洲共同市場服務，重點並非協議統一性，而是為了消除國家間的貿易壁壘。協議的統一性問題則留給各個支持相應類型的國際組織處理。標準一經批准，IEC的相關開發工作便停止，該委員會也隨之解散。新成立的IEC SC65C/MT-9委員會繼續負責協調IEC 61158中超過4000頁內容的形式與實質問題。當前，協議類型的主要開發已基本完成。如安全現場總線、實時以太網現場總線等新協議會在典型的5年維護周期中被納入國際現場總線標準。2008版標準中，現場總線類型被重新劃分為「通信配置族」（CPF）。[23]

總線結構標準

[編輯]

曾有許多競爭性的現場總線技術，因此最初期望建立統一通信機制的設想未能實現。這種結果並不出人意料，因為現場總線技術在不同應用中的實現方式需要因地制宜；例如汽車工業中的現場總線功能上就與流程工廠控制中的現場總線不同。

IEC 61158：工業通信網絡 - 現場總線規範

[編輯]

1999年6月，IEC 行動委員會（CA）決定採用一種新的現場總線標準結構，並在2000年1月1日作為第一版正式生效，以迎接新千年的到來：在大型標準 IEC 61158 中，各種現場總線都有其對應的位置。[24] 專家們決定，IEC 61158 的結構將按不同的層進行維護，劃分為服務層和協議層。每種現場總線作為一種不同類型被納入該結構中。

IEC 61158《工業通信網絡 - 現場總線規範》標準分為以下幾個部分：

  • IEC 61158-1 第1部分：IEC 61158 與 IEC 61784 系列的概述與指導
  • IEC 61158-2 PhL：第2部分：物理層規範與服務定義
  • IEC 61158-3-x DLL：第3-x部分：數據鏈路層服務定義（類型x元素）
  • IEC 61158-4-x DLL：第4-x部分：數據鏈路層協議規範（類型x元素）
  • IEC 61158-5-x AL：第5-x部分：應用層服務定義（類型x元素）
  • IEC 61158-6-x AL：第6-x部分：應用層協議規範（類型x元素）

每一部分依然包含數千頁內容，因此這些部分又進一步細分為子部分。每種協議類型都被賦予一個編號，並根據需要擁有獨立的子部分。

為了查找IEC 61158各部分中與特定現場總線家族對應的子部分，必須了解該協議所屬的類型編號。

截至2019年版本，IEC 61158 中已規範了多達26種不同類型的協議。在 IEC 61158 的標準化過程中，品牌名稱被迴避，而是使用技術術語或縮寫來代替。例如，「以太網」用技術術語 CSMA/CD 或 ISO 8802.3 來表示。現場總線的名稱也一律被替換為類型編號。因此，在 IEC 61158 標準中，您找不到如 PROFIBUS 或 DeviceNet 這樣的術語。在定義IEC 61784章節中提供了完整的對應參考表。

IEC 61784：工業通信網絡 - 配置文件

[編輯]

很明顯，IEC 61158 中的這些現場總線標準合集本身並不適用於直接實施。它需要配合使用指南進行補充。這些指南說明了如何組合併使用 IEC 61158 的各部分，從而構建出可運行的系統。此類「組裝說明」隨後被編纂為 IEC 61784 現場總線配置文件。

根據 IEC 61158-1[25]，IEC 61784標準劃分為以下部分：

  • IEC 61784-1：連續和離散製造用現場總線的配置文件
  • IEC 61784-2：用於實時應用中基於ISO/IEC 8802-3的通信網絡的附加配置文件
  • IEC 61784-3：功能安全現場總線–通用規則與配置文件定義
  • IEC 61784-3-n：功能安全現場總線–CPF n的附加規範
  • IEC 61784-5-n：現場總線的安裝–CPF n的安裝配置文件

IEC 61784-1：現場總線配置文件

[編輯]

IEC 61784 第1部分[26] 標準的名稱是《連續和離散製造用現場總線的配置文件》（Profile sets for continuous and discrete manufacturing relative to fieldbus use in industrial control systems），列出了各國標準機構推薦的所有現場總線。2003 年第一版中引入了 7 個通信配置文件家族（CPF）：

其中 wiftNet在飛機製造（如波音）中應用廣泛，因此被納入首版。但這後來被證明是個錯誤，在2007年的第二版中該協議被移除。同時新增了CPF 8 CC-Link、CPF 9 HART協議和CPF 16 SERCOS（英語：SERCOS interface）。在 2014 年的第4版中，最後一個現場總線 CPF 19 MECHATROLINK被納入標準。2019 年的第5版僅為維護性修訂，沒有新增配置文件。

參見自動化通訊協定列表，其中列出了未包含在該標準中的現場總線。

IEC 61784-2：實時以太網

[編輯]

在第二版現場總線配置文件中首次引入了基於以太網物理層的配置文件。[27] 所有新開發的實時以太網（RTE）協議被歸入IEC 61784第2部分[28]，其標準名稱為《基於 ISO/IEC 8802-3 的實時網絡附加現場總線配置文件》。其中包括 Ethernet/IP、三種版本的PROFINET IO（A、B、C 類）、以及P-NET、[29]Vnet/IP[30]、TCnet[31]、EtherCAT、Ethernet POWERLINK、用於工廠自動化的以太網（EPA），以及支持實時發布-訂閱的新型MODBUS-RTPS和傳統的MODBUS-TCP。

SERCOS是一個有趣的例子，它原為運動控制領域的專用網絡，擁有獨立標準 IEC 61491。[32]隨着基於以太網的SERCOS III（英語：SERCOS III）出現，該標準被拆分，通信部分併入IEC 61158/61784，應用部分與其他驅動方案一起被整合至IEC 61800-7驅動專用標準中。

2007 年第一版中已列出的RTE配置文件：

2010 年第二版新增：

2019 年第四版新增：

  • CPF 19 FL-net
  • CPF 20 ADS-net

2023 年：

  • CPF 21 AUBUS

2014 年第三版加入了工業以太網（IE）版本的 CC-Link。CPF 20 ADS-net[33]和CPF 19 FL-net[34]被加入至2019年第4版。

更多關於這些實時以太網協議的細節，請參閱工業以太網詞條。

IEC 61784-3：安全性

[編輯]

針對功能安全，不同的聯盟開發了不同的協議，以用於符合IEC 61508的安全完整性等級3（SIL）或符合ISO 13849的性能等級「e」（PL）的安全應用。大多數解決方案的共同點在於它們基於「黑通道」（Black Channel），因此可以通過不同的現場總線和網絡進行傳輸。根據具體的協議配置，安全協議會提供諸如計數器、CRC、回顯、超時、唯一的發送者與接收者ID或交叉校驗等措施。

IEC 61784第3部分的第一版於2007年發布[35]，標題為《工業通信網絡–協議–功能安全現場總線》（Industrialcommunication networks – Profiles – Functional safety fieldbuses），包含以下通信協議族（CommunicationProfileFamilies，CPF）：

SERCOS也使用「CIP safety」協議[37]。2010年發布的第二版中，標準增加了如下CPF：

在2016年發布的第三版中，最後一個安全協議CPF 17 SafetyNET p被添加。第四版預計將在2021年發布。目前標準包含了9種不同的安全協議配置，這些內容都在下節中的全球符合性表中包含並引用。

定義IEC 61784

[編輯]

每個品牌的協議族被稱為通信協議族（Communication Profile Family），簡稱為CPF加編號。每個協議族可以定義現場總線、實時以太網解決方案、安裝規範和功能安全協議。這些可能的協議族在IEC 61784中被規定，並整理在下表中。

通信協議族（CPF）與服務及協議類型
Communication Profile Families (CPF) in IEC 61784 (sub-)part IEC 61158 Services & Protocols
CPF Family Communication Profile (CP) & trade name 1 2 3 5 PhL DLL AL
1 Foundation Fieldbus (FF) CP 1/1 FF - H1 X -1 -1 Type 1 Type 1 Type 9
CP 1/2 FF – HSE X -1 -1 8802-3 TCP/UDP/IP Type 5
CP 1/3 FF - H2 X -1 -1 Type 1 Type 1 Type 9
FSCP 1/1 FF-SIS -1
2 CIP CP 2/1 ControlNet X -2 Type 2 Type 2 Type 2
CP 2/2 EtherNet/IP X X -2 -2 8802-3 Type 2 Type 2
CP 3/3 DeviceNet X -2 -2 Type 2 Type 2 Type 2
FSCP 2/1 CIP Safety -2
3 PROFIBUS & PROFINET CP 3/1 PROFIBUS DP X -3 -3 Type 3 Type 3 Type 3
CP 3/2 PROFIBUS PA X -3 -3 Type 1 Type 3 Type 3
CP 3/3 PROFINET CBA (void since 2014) 8802-3 TCP/IP Type 10
CP 3/4 PROFINET IO Class A X -3 -3 8802-3 UDP/IP Type 10
CP 3/5 PROFINET IO Class B X -3 -3 8802-3 UDP/IP Type 10
CP 3/6 PROFINET IO Class C X -3 -3 8802-3 UDP/IP Type 10
FSCP 3/1 PROFIsafe -3
4 P-NET CP 4/1 P-NET RS-485 X -4 Type 4 Type 4 Type 4
CP 4/2 P-NET RS-232 (removed) Type 4 Type 4 Type 4
CP 4/3 P-NET on IP X -4 8802.3 Type 4 Type 4
5 WorldFIP CP 5/1 WorldFIP (MPS, MCS) X Type 1 Type 7 Type 7
CP 5/2 WorldFIP (MPS, MCS, SubMMS) X Type 1 Type 7 Type 7
CP 5/3 WorldFIP (MPS) X Type 1 Type 7 Type 7
6 INTERBUS CP 6/1 INTERBUS X -6 -6 Type 8 Type 8 Type 8
CP 6/2 INTERBUS TCP/IP X -6 -6 Type 8 Type 8 Type 8
CP 6/3 INTERBUS Subset X -6 -6 Type 8 Type 8 Type 8
CP 6/4 Link 3/4 to INTERBUS X -6 Type 8 Type 8 Type 10
CP 6/5 Link 3/5 to INTERBUS X -6 Type 8 Type 8 Type 10
CP 6/6 Link 3/6 to INTERBUS X -6 Type 8 Type 8 Type 10
FSCP 6/7 INTERBUS Safety -6
7 Swiftnet Deleted for lack of market relevance Type 6
8 CC-Link CP 8/1 CC-Link/V1 X -8 -8 Type 18 Type 18 Type 18
CP 8/2 CC-Link/V2 X -8 Type 18 Type 18 Type 18
CP 8/3 CC-Link/LT (Bus powered - low cost) X -8 Type 18 Type 18 Type 18
CP 8/4 CC-Link IE Controller X -8 8802-3 Type 23
CP 8/5 CC-Link IE Field Network X -8 8802-3 Type 23
FSCP 8/1 CC-Link Safety -8
9 HART CP 9/1 Universal Command (HART 6) X -- -- Type 20
CP 9/2 Wireless HART (See IEC 62591) -- -- Type 20
10 Vnet/IP CP 10/1 Vnet/IP X -10 8802-3 Type 17 Type 17
11 TCnet CP 11/1 TCnet-star X -11 8802-3 Type 11 Type 11
CP 11/2 TCnet-loop 100 X -11 8802-3 Type 11 Type 11
CP 11/3 TCnet-loop 1G X -11 8802-3 Type 11 Type 11
12 EtherCAT CP 12/1 Simple IO X -12 -12 Type 12 Type 12 Type 12
CP 12/2 Mailbox & time synchronization X -12 -12 Type 12 Type 12 Type 12
FSCP 12/1 Safety over EtherCAT -12
13 Ethernet POWERLINK CP 13/1 EPL X -13 -13 8802-3 Type 13 Type 13
FSCP 13/1 openSAFETY -13
14 Ethernet for Plant Automation (EPA) CP 14/1 EPA NRT X -14 -14 8802-3 Type 14 Type 14
CP 14/2 EPA RT X -14 -14 8802-3 Type 14 Type 14
CP 14/3 EPA FRT X 8802-3 Type 14 Type 14
CP 14/4 EPA MRT X -14 -14 8802-3 Type 14 Type 14
FSCP 14/1 EPA Safety -14
15 MODBUS-RTPS CP 15/1 MODBUS TCP X -15 8802-3 TCP/IP Type 15
CP 15/2 RTPS X -15 8802-3 TCP/IP Type 15
16 SERCOS CP 16/1 SERCOS I X -16 Type 16 Type 16 Type 16
CP 16/2 SERCOS II X -16 Type 16 Type 16 Type 16
CP 16/3 SERCOS III X -2 -16 8802-3 Type 16 Type 16
SFCP 2/1 CIP Safety -2
17 RAPIEnet CP 17/1 X -17 8802-3 Type 21 Type 21
18 SafetyNET p CP 18/1 RTFL (real time frame line) X -18 -18 8802-3 Type 22 Type 22
CP 18/2 RTFN (real time frame network) X -18 -18 8802-3 Type 22 Type 22
SFCP 18/1 SafetyNET p -18
19 MECHATROLINK CP 19/1 MECHATRILINK-II X -19 Type 24 Type 24 Type 24
CP 19/2 MECHATRILINK-III X -19 Type 24 Type 24 Type 24
20 ADS-net CP 20/1 NETWORK-1000 X -20 8802-3 Type 25 Type 25
CP 20/2 NX X -20 8802-3 Type 25 Type 25
21 FL-net CP 21/1 FL-net X -21 8802-3 Type 26 Type 26

例如，要查找PROFIBUS-DP的相關標準。它屬於CPF 3族，對應配置為CP 3/1。在表5中可以看到它的協議範圍定義在IEC 61784第1部分中。它使用的協議類型為3，因此需要IEC 61158-3-3、61158-4-3、61158-5-3和61158-6-3來定義協議。物理接口則由61158-2中的類型3統一定義。安裝規範可在IEC 61784-5-3的附錄A中找到。它還可與FSCP3/1結合，作為PROFIsafe，其定義見IEC 61784-3-3標準。

為了避免製造商必須顯式列出所有這些標準，標準中通過引用配置文件來進行規範。例如對於PROFIBUS-DP，相關標準的規範表達如下：

Compliance to IEC 61784-1 Ed.3:2019 CPF 3/1

IEC 62026：控制器-設備接口（CDI）

[編輯]

過程自動化應用（如流量計、壓力變送器及石化和電力等行業中的其它測量設備與控制閥）所需的現場總線網絡，與離散製造（如汽車製造中使用大量離散傳感器如運動傳感器、位置傳感器等）的網絡需求不同。離散型現場總線網絡通常稱為「設備網絡」。

早在2000年，國際電工委員會（IEC）就決定由技術委員會TC 121「低壓開關設備和控制設備」指定一套「控制器-設備接口」（CDI），以涵蓋設備網絡。這一編號為IEC 62026的標準集，[38]在2019年版本中包括以下部分：

  • IEC 62026-1：第1部分：通用規則
  • IEC 62026-2：第2部分：執行器傳感器接口（AS-i）
  • IEC 62026-3：第3部分：DeviceNet
  • IEC 62026-7：第7部分：CompoNet

以下部分已於2006年撤銷並不再維護：

  • IEC 62026-5：第5部分：智能分布式系統（SDS）
  • IEC 62026-6：第6部分：Seriplex（串行多路控制總線）

成本優勢

[編輯]

與4-20mA安裝方式相比，現場總線所需的布線量大大減少。這是因為多個設備可以以多點方式共用一套電纜，而不像4–20mA那樣每個設備需要一套獨立電纜。此外，現場總線網絡中每個設備可以傳輸多個參數，而在4–20mA連接中每條線路只能傳輸一個參數。現場總線還為創建預測性和主動維護策略提供了良好的基礎，設備所提供的診斷信息可顯著提高運維效率。

網絡結構

[編輯]

儘管各種技術都統稱為「現場總線」（fieldbus），但不同的現場總線並不容易互換。它們之間的差異非常顯著，以至於無法輕易互連。[39]要理解各種現場總線標準之間的差異，首先需要了解現場總線網絡的設計方式。以OSI模型為參照，現場總線標準主要體現在物理傳輸媒介，以及參考模型中的第1層、第2層和第7層。

對於每項技術，其物理媒介和物理層標準詳細規定了位時序、同步方式、編碼與解碼、帶寬、總線長度以及收發器與通信線路的物理連接方式。數據鏈路層標準則全面定義了消息在物理層發送前的組裝方式、錯誤處理、消息過濾、總線仲裁機制，以及這些功能在硬件中的實現方法。應用層標準主要規定了通信數據如何與需要通信的應用程序對接，描述了消息格式、網絡管理機制以及應用對服務請求的響應。第3至第6層在現場總線標準中通常並未涵蓋。[40]

功能特性

[編輯]

不同的現場總線提供了不同的功能和性能特徵。由於數據傳輸方法存在根本差異，因此現場總線之間的性能難以做出統一比較。在下表中，僅列出各類現場總線是否通常支持1毫秒或更快的數據更新周期。

現場總線類型 總線供電 電纜冗餘 最大設備數 同步功能 亞毫秒周期
AFDX 否 是 Almost unlimited 否 是
AS-Interface 是 否 62 否 否
CANopen 否 否 127 是 否
CompoNet 是 否 384 否 是
ControlNet 否 是 99 否 否
CC-Link 否 否 64 否 否
DeviceNet 是 否 64 否 否
EtherCAT 是 是 65,536 是 是
Ethernet Powerlink 否 Optional 240 是 是
EtherNet/IP 否 Optional Almost unlimited 是 是
Interbus 否 否 511 否 否
LonWorks 否 否 32,000 否 否
Modbus 否 否 246 否 否
PROFIBUS DP 否 Optional 126 是 否
PROFIBUS PA 是 否 126 否 否
PROFINET incl. IRT 否 Optional Almost unlimited 是 是
SERCOS III 否 是 511 是 是
SERCOS interface 否 否 254 是 是
Foundation Fieldbus H1 是 否 240 是 否
Foundation HSE 否 是 Almost unlimited 是 否
RAPIEnet 否 是 256 Under Development Conditional
Fieldbus Bus power Cabling redundancy Max devices Synchronisation Sub millisecond cycle

市場狀況

[編輯]

截至2008年，在過程控制系統領域，市場主要由Foundation現場總線和Profibus PA主導。[41] 這兩種技術採用相同的物理層規範（基於曼徹斯特編碼的2線制電流調製，頻率為31.25 kHz），但二者並不兼容。通常而言，使用可編程邏輯控制器（PLC）進行控制與監測的系統更傾向於採用PROFIBUS，而採用分布式控制系統（DCS）進行控制的應用更傾向使用Foundation現場總線。PROFIBUS技術由總部設在德國卡爾斯魯厄的Profibus International推廣，而Foundation現場總線技術則由位於美國德克薩斯州奧斯汀的Fieldbus Foundation擁有並推廣。

參見

[編輯]

外部連結

[編輯]

參考

[編輯]
  1. ^ IEC 61158-1:2019 Industrial communication networks – Fieldbus specifications – Part 1: Overview and guidance for the IEC 61158 and IEC 61784 series. International Electrotechnical Commission (IEC). April 2019: 11. 
  2. ^ Stouffer, Keith; Pease, Michael; Tang, CheeYee; Zimmerman, Timothy; Pillitteri, Victoria; Lightman, Suzanne; Hahn, Adam; Saravia, Stephanie; Sherule, Aslam. Guide to Operational Technology (OT) security (PDF) (報告). Gaithersburg, MD: National Institute of Standards and Technology (U.S.). 2023-09-28 [2025-04-24]. doi:10.6028/nist.sp.800-82r3. （原始內容存檔 (PDF)於2025-02-22）.  |issue=被忽略 (幫助)
  3. ^ bus. Electropedia. International Electrotechnical Commission (IEC). 2013 [2025-04-24]. definition 351-56-10. （原始內容存檔於2024-09-16）. 
  4. ^ The Hewlett-Packard Interface Bus (HP-IB) GPIB IEEE-488 IEC625. www.hp9845.net. [2025-04-24]. （原始內容存檔於2025-03-12）. 
  5. ^ Hunziker, Robin; Schreier, Paul G. Field buses compete for engineers' attention, start gaining commercial support. Personal Engineering & Instrumentation News (Rye, NH: PEC Inc.). August 1993, 10 (8): 35–37. ISSN 0748-0016. 
  6. ^ Zurawski, Richard (編). Industrial Communication Technology Handbook. Industrial Technology Series 1. Boca Raton, FL: CRC Press. 2005: 7–10 [4 Feb 2013]. ISBN 0849330777. LCCN 2004057922. 
  7. ^ BEUG - Bitbus European Users Group. www.bitbus.org. [2025-04-24]. （原始內容存檔於2025-02-17）. 
  8. ^ Shankar, Lall Maskara. Implementation of Mini-Manufacturing Automation Protocol for Personal Computers. IETE Technical Review. June 2015, 8 (4): 218–226 [2020-05-13]. doi:10.1080/02564602.1991.11438756. 
  9. ^ Industrial automation systems - Manufacturing Message Specification. International Standard Organization (ISO). 2003 [2020-05-13]. ISO 9506. （原始內容存檔於2024-11-21）. 
  10. ^ Bender, Klaus. PROFIBUS - Der Feldbus für die Automation. München Wien: Carl Hanser Verlag. 1990. ISBN 3-446-16170-8. 
  11. ^ Industrial network market shares 2016 according to HMS. Automation inside. 2016-03-01 [2020-05-25]. （原始內容存檔於2024-05-28）. 
  12. ^ More than 20 million PROFINET devices on the market. Press release. Profinet International. 2018-04-20 [2020-05-27]. （原始內容存檔於2024-04-28）. 
  13. ^ Baginski, Alfredo; Müller, Martin. INTERBUS. Grundlagen und Praxis. Hüthig Verlag Heidelberg. 1998. ISBN 3-7785-2471-2. 
  14. ^ Büsing, Alexander; Meyer, Holger. INTERBUS-Praxisbuch – Projektierung, Programmierung, Anwendung, Diagnose. Hüthig Verlag Heidelberg. 2002. ISBN 3-7785-2862-9. 
  15. ^ INTERBUS. Phoenix Contact Electronics GmbH. [2020-05-21]. （原始內容存檔於2025-04-24）. 
  16. ^ NE 074 Fieldbus Requirements. NAMUR AK 2.6 Communication. 2016-12-05 [2020-05-27]. （原始內容存檔於2025-02-15）. 
  17. ^ Fieldbus Foundation. Fieldbus Foundation. 2006 [2020-05-13]. （原始內容存檔於2020-11-14）. 
  18. ^ A UNIFIED VISION FOR A SMARTER INDUSTRY. FieldComm Group. [2020-06-13]. （原始內容存檔於2025-02-16）. 
  19. ^ PROFIBUS Technology and Application - System Description. PI (Profibus and Profinet International). 2016 [2020-06-13]. （原始內容存檔於2025-01-24）. 
  20. ^ KNX For Professionals – KNX Association [Official website]. www.knx.org. [2025-04-24]. （原始內容存檔於2025-04-16）. 
  21. ^ Building automation and control systems (BACS) — Part 5: Data communication protocol. ISO/TC 205 Building environment design. 2017 [2020-05-26]. ISO 16484-5. （原始內容存檔於2023-10-01）. 
  22. ^ BACnet Market Adoption (PDF). BACnet International Executive Office. 2018 [2020-05-26]. （原始內容 (PDF)存檔於2020-07-31）. 
  23. ^ IEC 61158 Technology Comparison (PDF). Fieldbus, Inc. 2008-11-13 [2020-05-11]. （原始內容存檔 (PDF)於2024-05-12）. 
  24. ^ Felser, Max. The Fieldbus Standards: History and Structures. 2002. 
  25. ^ Industrial communication networks - Fieldbus specifications - Overview and guidance for the IEC 61158 and IEC 61784 series. IEC TC 65/SC 65C. 2019 [2020-05-10]. IEC 61158-1. （原始內容存檔於2023-04-25）. 
  26. ^ Industrial communication networks - Profiles Part 1: Fieldbus profiles. IEC TC 65/SC 65C. 2019 [2020-04-28]. IEC 61784-1. （原始內容存檔於2023-02-09）. 
  27. ^ Felser, Max. Real-Time Ethernet for Automation Applications. 2009. 
  28. ^ Industrial communication networks - Profiles - Part 2: Additional fieldbus profiles for real-time networks based on ISO/IEC/IEEE 8802-3. IEC TC 65/SC 65C. 2019 [2020-04-28]. IEC 61784-2. （原始內容存檔於2023-04-25）. 
  29. ^ 29.0 29.1 International P-NET User Organization. P-NET Denmark. 2019 [2020-05-11]. （原始內容存檔於2025-02-21）. 
  30. ^ 30.0 30.1 Demachi, Kouji. Vnet/IP REAL-TIME PLANTNETWORK SYSTEM (PDF). Yokogawa Technical Report. 2005 [2025-04-25]. （原始內容存檔 (PDF)於2023-04-25）. 
  31. ^ 31.0 31.1 TCnet time-critical information and control network. Toshiba Infrastructure Systems & Solution Corporation. 2007 [2020-05-11]. （原始內容存檔於2016-10-17）. 
  32. ^ Electrical equipment of industrial machines - Serial data link for real-time communication between controls and drives. IEC TC 22/SC 22G. 2002 [2020-04-28]. IEC 61491 (withdrawn 2014-12-31). （原始內容存檔於2023-04-25）. 
  33. ^ Autonomous Decentralized System network (ADS-net), System concept. Hitachi. [2020-05-11]. 
  34. ^ Introduction to FL-net. The Japan Electrical Manufacturers Association (JEMA). [2020-05-11]. （原始內容存檔於2024-10-04）. 
  35. ^ Industrialcommunicationnetworks–Profiles–Functionalsafetyfieldbuses. IEC TC 65/SC 65C. 2016 [2020-05-11]. IEC 61784-3. （原始內容存檔於2023-02-10）. 
  36. ^ FOUNDATIONFieldbusSafetyInstrumentedFunctionsForgetheFutureofProcessSafety (PDF). fieldbus.org. ARC Advisory Group. 2008. （原始內容 (PDF)存檔於2020-07-31）. 
  37. ^ CIPSafetyonSERCOSSpecification. Design World. 2008 [2010-02-05]. （原始內容存檔於2009-05-26）. 
  38. ^ Low-voltageswitchgearandcontrolgear–Controller-deviceinterfaces(CDIs). IEC TC 121/SC 121A. 2019 [2020-05-11]. IEC 62026. （原始內容存檔於2023-04-25）. 
  39. ^ Bury (1999)
  40. ^ Farsi, M.; Barbosa, M. B. CANopen Implementation: Application to Industrial Networks. Computers and Communications. Research Studies Press Ltd. 2000. ISBN 9780863802478. 
  41. ^ Fieldbus Foundation advertisement (PDF). Fieldbus Repory (Fieldbus Foundation). Spring 2008: 36 [2013-07-24]. （原始內容 (PDF)存檔於2016-06-26）. 
取自「https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=現場總線&oldid=86993250」