6.4 现场总线技术
本节将介绍常见的现场总线技术
学习目标
- 了解现场总线的概念、发展和优势
- 掌握PROFIBUS、CANopen、DeviceNet等总线特点
- 理解不同总线的应用场景
- 能够根据需求选择合适的总线技术
一、现场总线概述
1.1 现场总线定义
现场总线（Fieldbus）是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。
传统控制系统 vs 现场总线系统：
传统4-20mA模拟系统：
┌─────┐ ────── ┌─────┐
│ PLC │────────────→│传感器│ 每个设备一根电缆
└─────┘ ────── └─────┘
│ ────── ┌─────┐
│────────────→│执行器│ 点对点连接
────── └─────┘
大量电缆，布线复杂
现场总线系统：
┌─────┐
│ PLC │
└──┬──┘
│ 总线电缆
╧═══╤═══╤═══╤═══╧
│ │ │
┌──┴─┐┌┴──┐┌┴──┐
│设备1││设备2││设备3│ 一根电缆连多设备
└────┘└───┘└───┘1.2 现场总线优势
| 优势 | 说明 |
|---|---|
| 节省布线 | 一根总线连接多台设备，减少电缆用量60-70% |
| 降低成本 | 减少I/O模块、接线端子、控制柜空间 |
| 数字通信 | 精度高，抗干扰强，支持双向通信 |
| 智能诊断 | 设备自诊断，远程参数设置 |
| 互操作性 | 不同厂家设备可互联 |
| 易于扩展 | 增加设备只需接入总线 |
1.3 主流现场总线
现场总线市场份额（工业自动化）：
┌─────────────────────────────────────────┐
│ PROFIBUS │███████████████│ 25% │
│ Modbus │██████████ │ 18% │
│ CC-Link │████████ │ 14% │
│ DeviceNet │██████ │ 10% │
│ CANopen │█████ │ 8% │
│ AS-Interface │████ │ 6% │
│ Foundation FF│███ │ 5% │
│ 其他 │██████████ │ 14% │
└─────────────────────────────────────────┘1.4 现场总线分类
按应用层次分类：
┌────────────────────────────────────────────┐
│ 设备级总线 │ AS-i、IO-Link、传感器总线 │
│ (传感器/执行器) │ 简单、低成本 │
├────────────────────────────────────────────┤
│ 控制级总线 │ PROFIBUS、DeviceNet │
│ (控制器/设备) │ CAN、CC-Link │
├────────────────────────────────────────────┤
│ 信息级总线 │ 工业以太网、OPC UA │
│ (系统/企业) │ 高速、大数据量 │
└────────────────────────────────────────────┘二、PROFIBUS总线
2.1 PROFIBUS概述
PROFIBUS（Process Field Bus）是由西门子主导开发的现场总线标准，在欧洲和中国应用最广泛。
PROFIBUS三种类型：
| 类型 | 应用领域 | 传输速率 | 特点 |
|---|---|---|---|
| PROFIBUS-DP | 分布式I/O | 9.6K-12Mbps | 最常用，高速 |
| PROFIBUS-PA | 过程自动化 | 31.25Kbps | 本安防爆 |
| PROFIBUS-FMS | 复杂通信 | 9.6K-12Mbps | 已淘汰 |
2.2 PROFIBUS-DP技术参数
PROFIBUS-DP技术规格：
┌──────────────────────────────────────────┐
│ 物理层 │ RS485，9针D-Sub或M12连接器 │
│ 拓扑结构 │ 总线型 │
│ 最大节点数 │ 126个（地址1-126） │
│ 最大距离 │ 100m@12M，[email protected] │
│ 传输速率 │ 9.6K/19.2K/93.75K/187.5K/ │
│ │ 500K/1.5M/3M/6M/12Mbps │
│ 电缆类型 │ 屏蔽双绞线 │
│ 终端电阻 │ 两端各220Ω+390Ω+390Ω │
└──────────────────────────────────────────┘2.3 PROFIBUS传输速率与距离
| 波特率 | 每段最大距离 | 最大段数 | 总距离 |
|---|---|---|---|
| 9.6Kbps | 1200m | 4 | 4800m |
| 19.2Kbps | 1200m | 4 | 4800m |
| 93.75Kbps | 1200m | 4 | 4800m |
| 187.5Kbps | 1000m | 4 | 4000m |
| 500Kbps | 400m | 4 | 1600m |
| 1.5Mbps | 200m | 4 | 800m |
| 12Mbps | 100m | 4 | 400m |
2.4 PROFIBUS网络结构
PROFIBUS-DP典型网络：
┌─────────────────────┐
│ DP主站(PLC) │
│ CPU315-2DP等 │
└──────────┬──────────┘
│
═════════╧═══════════════════════════════
RT│ │ │ │RT
│ ┌──┴──┐ ┌──┴──┐ ┌──┴──┐
┌──┴──┐ │ET200│ │变频器│ │阀岛 │
│ET200│ │ SP │ │G120 │ │ │
│ M │ │#3 │ │#10 │ │#15 │
│#2 │ └─────┘ └─────┘ └─────┘
└─────┘
RT = 终端电阻
# = 站地址2.5 GSD文件
GSD（General Station Description）文件描述PROFIBUS设备的特性参数。
GSD文件结构：
┌──────────────────────────────────────────┐
│ [General] │
│ Vendor_Name = "SIEMENS" │
│ Model_Name = "ET 200SP" │
│ Revision = "V1.0" │
│ │
│ [Slave_Family] │
│ Family_Name = "I/O" │
│ │
│ [Module] │
│ 模块定义... │
└──────────────────────────────────────────┘
TIA Portal中导入GSD：
选项 → 管理GSD文件 → 安装2.6 西门子PROFIBUS配置
TIA Portal配置步骤：
1. 添加主站
硬件目录 → CPU → 带DP接口的CPU
2. 创建DP网络
网络视图 → PROFIBUS → 设置参数
- 传输速率：1.5Mbps
- 协议：DP
3. 添加从站
硬件目录 → 其他现场设备 → PROFIBUS DP
安装GSD文件后选择设备
4. 分配地址
设备属性 → DP站地址：2-126
5. 配置I/O映射
设备视图 → 配置模块
设置I地址和Q地址2.7 PROFIBUS诊断
诊断指令（S7-300/400）：
OB82：诊断中断OB
OB86：机架故障/站故障OB
诊断数据块：
- DPRD_DAT：读取从站诊断数据
- DPWR_DAT：写入从站数据
诊断缓冲区查看：
在线 → 诊断 → 诊断缓冲区三、CAN总线与CANopen
3.1 CAN总线概述
CAN（Controller Area Network）由博世公司开发，最初用于汽车电子，现广泛应用于工业自动化。
CAN总线特点：
- 多主通信，无主从之分
- 基于优先级的仲裁
- 短帧数据（最大8字节）
- 高可靠性，广泛应用
- 传输距离：40m@1Mbps，10km@5Kbps
3.2 CAN帧格式
CAN数据帧结构（标准帧）：
┌───┬────────┬─┬─┬─┬─┬────────┬─────┬───┬─┬───┐
│SOF│标识符 │R│I│r│D│数据场 │CRC │ACK│ │EOF│
│1位│11位 │T│D│0│L│0-8字节 │15位 │2位│ │7位│
│ │ │R│E│ │C│ │ │ │ │ │
└───┴────────┴─┴─┴─┴─┴────────┴─────┴───┴─┴───┘
SOF：帧起始
标识符：消息ID（决定优先级）
RTR：远程发送请求
IDE：标识符扩展
DLC：数据长度码
EOF：帧结束3.3 CANopen协议
CANopen是基于CAN总线的高层应用层协议，定义了标准的通信和设备规范。
CANopen通信对象：
| 对象类型 | COB-ID范围 | 功能 |
|---|---|---|
| NMT | 0x000 | 网络管理 |
| SYNC | 0x080 | 同步对象 |
| EMCY | 0x081-0x0FF | 紧急报警 |
| PDO | 0x180-0x57F | 过程数据 |
| SDO | 0x580-0x67F | 服务数据 |
| Heartbeat | 0x700-0x77F | 心跳监测 |
3.4 对象字典
CANopen对象字典结构：
┌────────────────────────────────────────────┐
│ 索引范围 │ 内容 │
├──────────────┼────────────────────────────┤
│ 0x0000 │ 未使用 │
│ 0x0001-0x001F│ 静态数据类型 │
│ 0x0020-0x003F│ 复杂数据类型 │
│ 0x0040-0x005F│ 厂商数据类型 │
│ 0x1000-0x1FFF│ 通信参数区 │
│ 0x2000-0x5FFF│ 厂商特定参数 │
│ 0x6000-0x9FFF│ 标准设备参数 │
└────────────────────────────────────────────┘
常用对象：
0x1000：设备类型
0x1001：错误寄存器
0x1017：心跳生产者时间
0x6000：数字输入
0x6200：数字输出3.5 PDO与SDO
PDO（过程数据对象）：
- 用于实时数据传输
- 无需确认，效率高
- 支持同步和异步传输
- 最多8字节数据
┌────────────┐ ┌────────────┐
│ 主站 │ PDO传输 │ 从站 │
│ │─────────────→│ │
│ │←─────────────│ │
└────────────┘ 广播 └────────────┘
SDO（服务数据对象）：
- 用于配置和诊断
- 请求/响应模式
- 支持分段传输
- 可访问完整对象字典
┌────────────┐ ┌────────────┐
│ 客户端 │ SDO请求 │ 服务器 │
│ │─────────────→│ │
│ │←─────────────│ SDO响应 │
└────────────┘ └────────────┘3.6 NMT状态机
CANopen NMT状态转换：
┌───────────────┐
│ 上电/复位 │
└───────┬───────┘
│
┌───────▼───────┐
│ 初始化 │
│ Initializing │
└───────┬───────┘
自动进入 │
┌───────▼───────┐
┌───────│ 预操作 │───────┐
│ │ Pre-operational│ │
│ └───────┬───────┘ │
│ │ │
┌────▼────┐ ┌──────▼──────┐ ┌─────▼────┐
│ 停止 │ │ 操作 │ │ 复位 │
│ Stopped │ │ Operational │ │ Reset │
└─────────┘ └─────────────┘ └──────────┘四、DeviceNet总线
4.1 DeviceNet概述
DeviceNet是基于CAN的工业网络协议，由Allen-Bradley（罗克韦尔）开发，主要应用于北美市场。
DeviceNet特点：
- 基于CAN物理层
- 生产者/消费者模型
- 支持主/从和对等通信
- 传输速率：125K/250K/500Kbps
- 最大节点数：64个
- 最大距离：500m@125Kbps
4.2 DeviceNet连接类型
| 连接类型 | 说明 | 应用 |
|---|---|---|
| 轮询连接 | 主站轮询从站 | 周期性数据 |
| 位选通连接 | 单个命令触发多个从站 | 快速响应 |
| 状态改变连接 | 数据变化时传输 | 事件驱动 |
| 循环连接 | 固定周期传输 | 确定性要求 |
4.3 DeviceNet物理层
DeviceNet电缆规格：
粗缆（Trunk Line）：
- 线径：AWG 15
- 最大长度：500m@125K，250m@250K，100m@500K
- 功能：主干线
细缆（Drop Line）：
- 线径：AWG 22/24
- 最大长度：6m
- 功能：设备分支
连接器：
- 开放式：5针Mini接头
- 密封式：7/8" Quick-disconnect
电缆颜色：
┌──────────────────────────┐
│ 白色(CAN_H) │ 信号高 │
│ 蓝色(CAN_L) │ 信号低 │
│ 黑色(V-) │ 电源负 │
│ 红色(V+) │ 电源24V │
│ 裸线(屏蔽) │ 屏蔽/地 │
└──────────────────────────┘4.4 DeviceNet配置
RSNetWorx配置步骤：
1. 创建网络
File → New → DeviceNet
2. 上线扫描
Network → Online
3. 发现设备
Network → Browse
4. 配置设备
双击设备图标
设置参数
5. 映射I/O
配置扫描表
6. 下载配置
Network → Download五、CC-Link总线
5.1 CC-Link概述
CC-Link（Control & Communication Link）是三菱电机开发的开放式现场总线，在亚洲特别是日本应用广泛。
CC-Link家族：
| 类型 | 传输速率 | 最大站数 | 特点 |
|---|---|---|---|
| CC-Link | 10Mbps | 64站 | 传统版本 |
| CC-Link/LT | 2.5Mbps | 64站 | 低成本 |
| CC-Link IE | 1Gbps | 254站 | 工业以太网 |
| CC-Link IE Field | 1Gbps | 254站 | 运动控制 |
5.2 CC-Link技术规格
CC-Link通信规格：
┌──────────────────────────────────────────┐
│ 物理层 │ RS485 │
│ 拓扑结构 │ 总线型 │
│ 传输速率 │ 156K/625K/2.5M/5M/10Mbps │
│ 最大站数 │ 64站（占用1-4站） │
│ 最大距离 │ 1200m@156K，100m@10M │
│ 数据刷新 │ 链接扫描时间（可配置） │
│ 电缆类型 │ 专用CC-Link电缆 │
└──────────────────────────────────────────┘5.3 站类型
CC-Link站类型：
┌────────────────────────────────────────────┐
│ 站类型 │ 功能 │
├─────────────┼────────────────────────────┤
│ 主站 │ 控制网络通信，管理从站 │
│ (Master) │ 如：QJ61BT11N │
├─────────────┼────────────────────────────┤
│ 本地站 │ 可与主站进行瞬时传输 │
│ (Local) │ 智能设备 │
├─────────────┼────────────────────────────┤
│ 远程I/O站 │ 简单I/O设备 │
│ (Remote I/O)│ 只能响应主站 │
├─────────────┼────────────────────────────┤
│ 远程设备站 │ 带参数设置的智能设备 │
│ (Remote Dev)│ 如：变频器、伺服 │
└────────────────────────────────────────────┘5.4 数据映射
CC-Link数据区域：
远程输入(RX)：从站→主站
远程输出(RY)：主站→从站
远程寄存器(RWr)：从站→主站
远程寄存器(RWw)：主站→从站
站点数据分配（1站占用）：
┌─────────────────────────────────────┐
│ RX：32点 │ X(n*20)～X(n*20+1F) │
│ RY：32点 │ Y(n*20)～Y(n*20+1F) │
│ RWr：4字 │ Wr(n*4)～Wr(n*4+3) │
│ RWw：4字 │ Ww(n*4)～Ww(n*4+3) │
└─────────────────────────────────────┘
n = 站号-15.5 三菱CC-Link配置
GX Works2配置：
1. 添加CC-Link主站模块
导航 → 参数 → 网络参数 → CC-Link
2. 设置网络参数
- 站类型：主站
- 模式：远程网络
- 站数设置：按实际配置
3. 配置从站
- 站号：1-64
- 占用站数：1/2/3/4站
- 刷新参数
4. 自动刷新设置
设置数据与PLC设备的对应关系
5. 编写程序
使用RX/RY/RWr/RWw数据六、AS-Interface总线
6.1 AS-i概述
AS-Interface（Actuator Sensor Interface）是用于连接传感器和执行器的设备级总线，简单易用。
AS-i特点：
- 专为传感器/执行器设计
- 两线制（数据+电源）
- 扁平黄色电缆，穿刺连接
- 最大31/62个从站
- 最大距离100m（可扩展）
- 循环时间5ms
6.2 AS-i网络结构
AS-i系统组成：
┌─────────────┐
│ PLC/CPU │
└──────┬──────┘
│
┌──────┴──────┐
│ AS-i主站 │
│ 模块 │
└──────┬──────┘
│
┌──────┴──────┐
│ AS-i电源 │
│ 30V DC │
└──────┬──────┘
│
════╤══╧══╤══════╤═══════
│ │ │
┌─┴─┐ ┌─┴─┐ ┌─┴─┐
│从站│ │从站│ │从站│
│#1 │ │#2 │ │#3 │
└───┘ └───┘ └───┘
黄色扁平电缆（数据+电源）6.3 AS-i寻址
AS-i从站地址分配：
传统AS-i（AS-i 2.0）：
- 地址范围：1-31
- 每站4位输入+4位输出
扩展AS-i（AS-i 3.0）：
- 地址范围：1A-31A，1B-31B
- 支持62个从站
- A/B地址独立
地址分配方式：
1. 手持编程器
2. 主站软件
3. 设备自动寻址七、IO-Link
7.1 IO-Link概述
IO-Link是传感器/执行器的点对点通信标准，被称为"传感器的USB"。
IO-Link特点：
- 点对点连接（非总线）
- 使用标准3/4/5芯电缆
- 传输速率：4.8K/38.4K/230.4Kbps
- 双向通信
- 支持诊断和参数设置
7.2 IO-Link系统架构
IO-Link系统结构：
┌─────────────┐
│ PLC │
└──────┬──────┘
│
┌──────┴──────┐
│ IO-Link │
│ 主站 │
│ (4/8端口) │
└──┬──┬──┬──┬─┘
│ │ │ │
┌──┴┐┌┴─┐┌┴─┐┌┴──┐
│传感││传感││执行││执行│
│器1 ││器2 ││器1 ││器2 │
└───┘└──┘└──┘└───┘
每端口连接一个设备
标准传感器电缆（M12）7.3 IO-Link数据类型
| 数据类型 | 说明 | 应用 |
|---|---|---|
| 过程数据 | 周期性交换 | 测量值、开关状态 |
| 服务数据 | 按需访问 | 参数设置、诊断 |
| 事件数据 | 异步传输 | 报警、状态变化 |
八、现场总线选择
8.1 选型考虑因素
现场总线选型决策矩阵：
┌────────────────────────────────────────────────────┐
│ 因素 │ 考虑内容 │
├───────────────┼────────────────────────────────────┤
│ 应用场景 │ 离散制造/过程控制/运动控制 │
│ PLC品牌 │ 西门子/三菱/AB/欧姆龙 │
│ 通信速度 │ 数据量大小/刷新周期要求 │
│ 传输距离 │ 设备分布范围 │
│ 节点数量 │ 设备数量/扩展需求 │
│ 设备兼容性 │ 现有设备支持的总线 │
│ 成本预算 │ 模块/电缆/工程成本 │
│ 技术支持 │ 本地技术服务能力 │
│ 行业标准 │ 特定行业的习惯选择 │
└────────────────────────────────────────────────────┘8.2 品牌与总线对应
| PLC品牌 | 推荐总线 | 备选方案 |
|---|---|---|
| 西门子 | PROFIBUS/PROFINET | Modbus、AS-i |
| 三菱 | CC-Link/CC-Link IE | DeviceNet、Modbus |
| 罗克韦尔 | DeviceNet/EtherNet/IP | ControlNet |
| 欧姆龙 | CompoNet/EtherCAT | DeviceNet |
| 施耐德 | Modbus/CANopen | PROFIBUS |
| 倍福 | EtherCAT | CANopen |
8.3 应用场景对应
典型应用的总线选择：
汽车制造：
├── 装配线：PROFINET、EtherNet/IP
├── 焊接：DeviceNet、PROFIBUS
└── 涂装：PROFIBUS-PA、FF
食品饮料：
├── 包装：CC-Link、DeviceNet
├── 灌装：AS-i、IO-Link
└── 仓储：PROFIBUS、Modbus
半导体：
├── 设备控制：EtherCAT
├── 环境监控：Modbus
└── MES接口：OPC UA
石油化工：
├── 过程控制：PROFIBUS-PA、FF
├── 安全系统：PROFIsafe
└── 远程I/O：Modbus RTU8.4 成本对比
相对成本比较（以PROFIBUS为基准100）：
┌─────────────────────────────────────────┐
│ 总线类型 │ 相对成本 │ 说明 │
├──────────────┼──────────┼──────────────┤
│ AS-i │ 60 │ 设备级，便宜 │
│ Modbus RTU │ 70 │ 简单通用 │
│ DeviceNet │ 90 │ 中等成本 │
│ PROFIBUS-DP │ 100 │ 基准 │
│ CC-Link │ 95 │ 与PB相当 │
│ CANopen │ 85 │ 较经济 │
│ PROFINET │ 110 │ 以太网 │
│ EtherNet/IP │ 110 │ 以太网 │
│ EtherCAT │ 105 │ 高性能 │
└─────────────────────────────────────────┘九、实践练习
练习1：PROFIBUS网络设计
设计一个PROFIBUS-DP网络，包含：
- 1台S7-300 CPU（主站）
- 3台ET200分布式I/O
- 2台变频器
要求：
- 绘制网络拓扑图
- 分配站地址
- 选择传输速率
- 计算最大电缆长度
练习2：总线选型
某汽车零部件生产线需要连接：
- 10台伺服驱动器
- 5个机器人控制器
- 20个分布式I/O站
- 要求刷新周期<5ms
请选择合适的现场总线并说明理由。
练习3：CC-Link配置
使用GX Works配置CC-Link网络：
- 主站：Q系列PLC
- 从站1：远程I/O（16DI/16DO）
- 从站2：变频器
完成参数配置和数据映射。
本节小结
- 现场总线大幅简化了工业控制系统的布线
- PROFIBUS是欧洲最流行的现场总线
- CAN/CANopen在汽车和嵌入式领域广泛应用
- DeviceNet主要应用于北美市场
- CC-Link是亚洲特别是日本的主流选择
- AS-i和IO-Link适合传感器/执行器层连接
- 选择总线要综合考虑PLC品牌、性能需求、成本等因素
思考题
- 现场总线相比传统4-20mA系统有哪些优势？
- PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA有什么区别？
- CANopen中PDO和SDO各有什么特点？
- 如何根据应用需求选择合适的现场总线？
- IO-Link与传统现场总线有何不同？
下一节预告：6.5 PLC与HMI通信 - 学习人机界面的通信配置和画面设计