详解美国“福特”号的舾装、海试和服役后的情况

【 舾装与海试 】

上篇写到“福特”号的下水。航母下水出坞是一个重要里程碑，但是和服役及具备作战能力还有很大的距离。首先得完成舾装，因为此时的“福特”号还是名副其实的“裸舰”，只有舰体和封装好的动力系统。

和航母作战能力相关的大部分设备、武器都是在舾装阶段在3号舾装码头上吊装上舰的，包括“福特”号的双波段雷达、作战指挥系统、通信系统、电磁弹射器、助降镜、照明系统、近防武器等，当然还有全舰内部的装修、消防、通风、水电、排污等等复杂的工作、生活设施。和舾装并行的是各个子系统的测试，直至全舰的系统集成测试。

截至2013年，“福特”号的造价已经达到128亿美元，比2008年的预算超支22%，另外还要再加上47亿美元的研发费用。高昂的代价让海军作战部长格林纳特上将发出警告，“福特”号原定于2016年服役的节点可能会被推迟2年，美国政府问责局的报告也指出因为即将触及预算封顶线，海军可能不得不接受未完工的新航母。

2015年6月5日，“福特”号首次在舰上试验了EMALS电磁弹射器，弹射载荷是重7.25吨红色滑车，模拟舰载机重量，2号弹射器进行的2次测试均获得成功。6月10日和6月12日，2号弹射器又分别进行了1次和11次测试，弹射了不同重量的滑车，期间弹射器发射过多次小故障。

6月16日，电磁弹射测试首次向新闻媒体开放，航母保荐人苏珊·福特也出席了活动，并亲自下达了弹射指令。这次测试的是1号弹射器，在进行了一次空载弹射后，红色滑车被挂上弹射滑块，“射手”按下弹射开关，但是滑车纹丝不动，弹射失败。

媒体下舰后弹射系统被修复，据说是部分电路故障，之后进行了2次成功的弹射，第1次弹射重量为6.8吨，速度140节，第2次弹射重量3.63吨，速度180节。

2015年9月23日，美国海军宣布“福特”号的舾装工程已经完成93%，但因为数星期的测试延误，交付日期将推迟到2016年5月。

> 2016年4月27日的状态

不过这个日期再次跳票，多个节点来临又逝去，“福特”号始终趴在3号舾装码头上。2016年7月CNN获得了一份五角大楼作战测试与评估总监的备忘录，指出“福特”号无法在当年11月达到战备状态，四大飞行系统的可靠性问题将进一步推迟它的服役日期，当时舾装已完成了98%，舰上97%的空间已经移交海军，测试完成了89%：电磁弹射系统在5月份完成测试，4部弹射器共弹射了242个载荷；6个双波段雷达阵面均已安装完毕并进行了全功率测试，跟踪过附近空域的空中目标。

航母的推进系统还在测试中，当年6月11日“福特”号进行了回转进程测试 - turn ship evolution ，自2013年11月出坞后第一次离开码头，由拖轮推顶在詹姆斯河上转了个圈，验证了水上作业的安全性。

第二天，2号主发电机在测试中发生了小型电气爆炸并严重受损，7月份1号主发电机又发生了相似但略轻微的故障，最终确认4台主发电机的变压器存在严重的设计和制造缺陷，使发电机无法全功率运转。在权衡了多种方案后决定就地维修1号主发电机，2号主发电机拆下转子，等服役后再进行彻底大修，维修工程预计耗资3700万美元。

在完成各系统测试之后、海试之前，“福特”号和它的全体舰员还必须取得一系列认证，包括导航、通信、操舰、居住性、动力、损管等各个系统。

> 2016年8月10日，“福特”号进行PALS精确进近与着舰测试，1架F-18E在152米距离内10次通场以验证相关子系统的功能和精度

2017年4月8日-14日，“福特”号第一次依靠自己的动力驶离汉普顿路，前往大西洋进行船厂海试 - builder's sea trial 。这是由造舰方主导的海试，进行了应急转舵、高速回转、PALS战机精确降落（F-18E从舷侧通场）、AFFF泡沫喷淋、起锚/抛锚等在码头上无法进行的基础性测试，以验证航母的建造质量和航海能力。全程只携带了2架“海鹰”直升机，没有进行舰载机起降试验，海试结束后返回诺福克海军基地。

> 十万吨漂移 - 高速回转试验

5月24日“福特”号再次出海进行为期3天的接收海试 - acceptance trial ，由海军检验与调查局团队考核航母是否达到合同设计指标、舰员是否具备海上运作能力，为正式服役奠定基础。

5月31日，纽波特纽斯造船厂将“福特”号交付给美国海军，其身份状态也从PCU服役前单位转为特殊现役 - special, in service ，舰名改为USS“福特”号。

值得一提的是美国海军部“福特”级项目经理是一名华裔女性，出生在台北的王叶玲（音译 - Ye-Ling Wang），她是马里兰大学的化学工程本科、弗吉尼亚理工大学工程管理硕士，早在1987年就进入海军部工作，在负责研发和采购的助理海军副部长办公室担任航母和两栖攻击舰项目主任，曾任“尼米兹”级设计经理和海军舰上环境保护项目总监。在“福特”级项目中她主导了整个设计、建造、测试和交付工作，总采购金额达到130亿美元。

截止2017年6月，“福特”号上的创新系统都显示出恐怖的低可靠性，电磁弹射器平均每455次弹射发生一次严重故障，故障率比海军的要求高出9倍，只有70%的可能性在不发生主要系统故障的情况下完成一天的持续作战任务。电磁阻拦系统情况更糟，每阻拦降落20架飞机就会产生问题，而海军的目标是连续降落16500架次无故障。正常情况下一个飞行日在24小时内平均要回收84架飞机，“福特”号的电磁阻拦系统只有1%的可能性完成这个任务。

当故障发生时，舰员仅仅等待主发电机和电机关闭就需要一个半小时，然后才能开始查找故障原因。因为全舰的电力系统无法单独隔离特定的故障部件，让舰员可以安全地进行检修。

7月22日，美国海军在匆忙中为“福特”号举行了服役仪式 - commission ceremony ，特朗普总统亲自出席，此时距离最初的龙骨铺设仪式已经过去了7年零8个月。

> 入役仪式当天停在“福特”号甲板上的“陆战队一号”，舰员正在登舰

说匆忙的倒不是盛大的服役仪式本身，而是指“福特”号的状态，因为此时它仍然几乎不具备作战能力。到2018年3月，因为核动力推进系统和电磁弹药升降机的严重问题，“福特”号的造价已经攀升到130.27亿美元，成为历史上最昂贵的一艘军舰，正式交付海军（也就是去掉现役前“特殊”二字）的日期被推迟到2019年10月。

之所以还没实际完工就赶着入役，是因为2007年国防授权法案规定美国海军必须维持不少于11艘现役航母（从2006财年的12艘降到11艘），而老“企业”号于2013退役后美国海军已经顶风作案4年了，“福特”号层出不穷的问题和节节攀升的造价给国会和海军都带来巨大压力。

2017年7月28日下午3:10，第23航空测试与评估中队（VX-23）的杰米·斯图克中校单独驾驶F/A-18F在“福特”号上首次进行了电磁阻拦着舰，准确挂上2号阻拦索。

4:37，该机又从1号弹射器进行了“福特”号的首次电磁弹射起飞。

之后“福特”号开始搭载第8舰载机联队进行大量测试和评估训练，2018年1月在一天内完成了135架次阻拦着舰。

2018年7月15日，“福特”号返厂展开PSA试航后维修计划 - post shakedown availability ，针对前期试航暴露出的众多问题进行工厂级的维修和升级，重点是修复AWE先进武器升降机、维修主减速器、改进速度控制系统、升级AAG先进阻拦系统。

> AAG先进阻拦系统

通常PSA为期6个月，不过“福特”号的PSA特别冗长，期间不断发现新的紧急问题，包括核动力推进系统，结果PSA被拉长到15个月，为正常时间的2.5倍，直到2019年10月才完成，而且11部AWE仍然不能全部投入使用（PSA前只有2部能正常工作）。

> AWE先进弹药升降机

在码头上进行了5天的主要系统测试 - fast cruise之后，“福特”号于10月25日出海试航。

> 当天“福特”号驶过诺福克军港，背后3艘航母由近至远分别是“斯坦尼斯”号、“艾森豪威尔”号和“杜鲁门”号

诺福克所在选区的众议员伊莲·卢里亚将“福特”号称为“价值130亿的核动力浮动驳船”，这是她对海军采购体系和海军海上系统司令部问责的一部分，并对“福特”号迟至2024年才能投入实战部署（比最初预计的2018年晚了整整6年）提出了猛烈批评。伊莲并不是普通纸上谈兵的政客，她是具有20年军龄的海军退役中校，毕业于安纳波利斯海校和海军核动力学校，是核反应堆操作专家，也是美国海军第一位整个服役期全部在作战舰艇上渡过的女军人，具有相当的发言权。

返回海上的“福特”号进行了一系列交付后的测试，包括燃油系统认证、飞行甲板认证、作战系统测试，这是为期18个月的交付后测试与训练阶段的一部分，重头戏则是ACT飞机适配性测试 - Aircraft Compatibility Testing ，涉及F/A-18E/F、E-2D、C-2A、EA-18G和T-45C，以检验电磁弹射/阻拦系统是否适应整个航空联队的运作。在PSA之前因为电磁阻拦系统的缺陷，“福特”号只能接收F/A-18E/F的着舰。

值得注意的是上面的机型中没有最新锐的F-35C，因为国会“封顶预算帽”的存在，“福特”号在满足预算限制的同时不得不放弃对F-35C的适配，因为“福特”号冻结设计时F-35C的设计工作还没完成。而下一艘“肯尼迪”号在服役时也无法配备F-35C，这2舰都计划在服役后的大修时才会实施针对性的升级。“企业”号和“多里斯·米勒”号则在建造时就将兼容F-35C。

> 2014年11月2日，F-35C原型机首次在“尼米兹”号上实现阻拦降落

实际上目前11艘航母中只有“林肯”号和“卡尔·文森”号具备运作F-35C的完整能力，海军第一个F-35C中队（VFA-147）将在今年部署到“卡尔·文森”号上。其它航母虽然也能起降F-35C，但是未经改造不足以支持在整个部署期间的高效运作，只能短暂驻留。改造项目包括专门用于停放、维护F-35C的保密空间、更坚固的挡焰板等基础设施。

2020年3月份，“福特”号达到了固定翼舰载机着舰1千次的里程碑。5月15日，VAW-117中队完成了E-2D上舰的认证。

5月22日，“福特”号在为第23海军航空训练司令部的舰载机学员提供母舰认证期间创下了单天着舰/起飞167架次的记录。

按照设计，“福特”级的电磁弹射/阻拦系统可以在30天以上的时间内维持单日出动160架次的高出动率，紧急情况下单日最高出动率可以达到270架次，“尼米兹”级的这两个指标分布是120架次和240架次。

在每次海上测试训练后回港的间隙，纽波特纽斯造船厂牵头的维修工作在紧锣密鼓地进行，以尽量赶回被拖延的时间。除了追上进度甚至已经开始超前，展开了部分原定在实战部署前的首次PIA入坞维修中实施的工作。在最近三次回港维修中，代号WOO 8的维修工程完成了136%的计划工作量，WOO 9完成了128%，5月9日结束的WOO 10完成了126%。

> 2020年4月1日，纽波特纽斯造船厂的工程师埃里克·奈特正在修理下层武器升降机，后部下层升降机已经在当月完成认证，前部升降机将在本财年结束前获得认证

6月4日，“福特”号和“杜鲁门”号在大西洋上进行了联合演练，这是两代航母第一次在海上同台亮相。“杜鲁门”号之前从中东狂奔回大西洋后在家门口转悠了2个多月，到6月中才返回诺福克，主要原因就是待在海上保护舰员免受新冠疫情影响，维持美国海军的航母作战能力，参见“杜鲁门”你怎么啦？- 兼谈航母的航渡（细说航母4）。

6月7日，“福特”号返回诺福克，带回来的消息喜忧参半。喜的是这次巡航中进行了十分复杂的多机种大机群出动和回收演练，显示出“福特”号已经具备舰载机联队级的运作能力。忧的是电磁弹射系统再次发生严重故障，6月2日在起飞作业之前进行弹射器配电系统手动复位时，舰员发现连接主发电机和弹射器的该系统失效，导致航母在整整5天内无法弹射 - 也就是说上面进行威风凛凛的双航母摆拍时，“福特”号其实完全没有作战能力。直到返航前的7日早上，随舰的电磁弹射器专家和舰员才恢复了整个弹射系统，让全联队的固定翼飞机顺利弹射升空返回岸上机场，不至于尴尬地满载飞机入港。

在种种磕磕碰碰中“福特”号继续前行，原定于2024年进行第一次实战部署，但海军现在有信心把这个节点提前。目前剩下的最后一大关口是定于今年6月进行的FSST全舰抗震试验 - Full Ship Shock Trial 和TSST全舰生存力试验 - Total Ship Survivability Test 。这是一级新航母必须进行的试验，在航母附近多次引爆不同当量的炸药，模拟实战中的近失弹攻击，检验新舰的水下防护能力和结构强度。

> 1987年9月19日，“罗斯福”号进行了抗震试验（“尼米兹”级其它舰的试验情况我暂时没查到）

2015美国海军曾提出让“福特”号跳过抗震试验直接进行部署，而把抗震试验留给2号舰“肯尼迪”号。在美国海军的实践中也不是都由首舰来进行抗震试验的，“伯克”级就是由3号舰“保罗·琼斯”号进行的，“圣安东尼奥”级也是3号舰“梅萨·维德”号。但这个方案被五角大楼否决，宁可推迟部署半年也要在首舰上进行试验。2018年海军在得到国会的支持后再次建议将“福特”号的抗震试验推迟到2024年，还是没得到批准。看来海军和国防部都对“福特”号众多新系统的抗震能力信心不足，不过双方的着眼点不同，一个怕考试，一个要考试。

如果顺利通过抗震试验，“福特”号将于今年9月返回纽波特纽斯造船厂进行第一次PIA入坞大修，通常耗时6个月。完成之后再经过海试就可以进行第一次作战部署，最早也得2022年中了。

“福特”号建造过程的启示

模块化造舰对美国海军来说并不是新事物，1981年开工的“尼米兹”级4号舰“罗斯福”号是第一艘采用模块化建造的超级航母，“福特”级和它的区别就在于模块的尺寸和复杂性。在吸收了“福特”号的建造经验后，2号舰“肯尼迪”号修改了设计和流程，只有445个吊装段，比“福特”号减少了51个，比“布什”号少了149个。在平地上焊接、舾装的效率比在船坞内的狭小空间中高得多，建造质量更好，更少的起吊次数也可以节省更多工时。

另一项改进是将相似的结构件归类为“家族 - families”，采用流水线式的工艺进行批量生产，提高效率。在“福特”级的1109个模块中有140组可以被归为“家族”，“肯尼迪”号上的17个底仓部件采用“家族”建造法比“福特”号节省了300多天。

> 建造中的“肯尼迪”号，摄于2016年11月1日，于“福特”号相似的场景，但其中的具体流程已经进行了很多优化

在分别拨款建造了头两艘“福特”级之后，2019年1月美国海军受出了一份双航母采购合同，一次性订购3号舰CVN-80和4号舰CVN-81，合同价值149亿美元，加上由政府直接采购提供的电磁弹射器和电磁阻拦装置等设备，2舰的造价总额为240亿美元，比单舰分别采购节省40亿美元。在80年代，美国海军曾分别两次同时采购了“林肯”号+“华盛顿”号以及“斯坦尼斯”号+“杜鲁门”号。

> 2017年5月22日，停泊在诺福克港内的“林肯”号、“华盛顿”号、“福特”号和“艾森豪威尔”号（从左至右）

“肯尼迪”号的造价比“福特”号节省了16%，而新的合同可以让后两舰的单价比“肯尼迪”号再节省18%，并让纽波特纽斯造船厂和遍布全美46个州的2000多家供应商在2032年前一直获得稳定的工作量。“企业”号预计于2028年交付海军，“米勒”号为2032年，2艘航母的交付间隔将从目前的5年缩短到4年。

如今谈到“福特”号，很多人都会嗤之以鼻，认为它和“朱姆沃尔特”级、濒海战斗舰一样是中看不中用的大号花瓶，这样的看法不可取。

“福特”号在建造、海试、服役过程中遇到相当多的问题，它们的根源都在中压交流综合电力系统的基础设计上。该系统立项于上世纪90年代，当时的电力工程技术还没有发展到现在的高度，冷战之后一家独大的美国海军缺乏紧迫感去采用风险过高的新技术，所以走了一条更稳妥的中压中频交流-中压高频交流-中压直流的发展路线，最终的目标仍然是中压直流。

我国的舰船综合电力系统有后发优势，起点高、前瞻性强，压力之下勇于啃技术硬骨头，一步到位直接开发了中压直流体制。这是工程实践上的领先一步，但并不是综合电力系统的理论突破，更不代表我们在船电领域就处处领先，可以十年无忧了。在PLC可编程控制器等基础硬件和软件环境方面我们的差距还是相当大的，美国海军在感受到压力后加快中压直流系统的研制和部署也只是时间上的问题，在理论和技术上并不存在什么大的障碍。

除了电力系统的这个缺陷之外，“福特”级的整体设计是非常出色的，以“尼米兹”级相同的吨位和舰体，把航母设计最核心的指标 - 舰载机单日出动率提高了33%，这个进步幅度远高于从“福莱斯特”级到“企业”号（常规动力到核动力）或者“企业”号到“尼米兹”级（核动力一代到二代）的改进。

> “杜鲁门”号（左）和“福特”号（右）

不光是作战能力本身，在采用电磁弹射器、电磁阻拦系统和电磁弹药升降机等众多新型设备后，“福特”级将比“尼米兹”级减少800名舰员和400名航空联队官兵，在50年的全寿命周期内为海军节省50亿美元的人事费用，接近造价的1/2，这种隐性的改进对美国海军的发展同样非常关键。

对于中国海军来说，我们的新航母有值得自豪的独创性设计，充满了歼-20、055大驱身上闪耀出的中国式智慧；我们有更先进的造舰工艺流程、规模更大的船坞、目前世界上独一份的双船厂建设航母的能力和实力，但这些并不能让我们得以轻视“福特”级。无论是它的设计、建造、海试还是正式部署后的实际运作，都有太多地方值得我们学习借鉴。航母这样的复杂系统要想玩得溜没有什么弯道可以超车，模块安装、设备调试、资质认证、海上试验、返厂维修，一环紧扣一环，必须找准它的节奏才能发挥出战斗力。

所以在对国产航母普遍过于乐观的网络氛围下我还是要不合时宜地泼泼冷水 - 航母运作，我们真的只是在幼儿园大班阶段，眼前的进展顺利只是因为很多问题我们根本尚未遇到，还有待我们的航母设计师、建设者和海军官兵去摸索、克服。借用一位业内人士之前给我的留言，我们是“刚吃饱饭没两天，还不到嘚瑟的时候”。

跟我学设备维修电工-11、PLC与总线（之六）

（本节内容大部分来自网络文库资料，并根据教材体裁整合、改写，作为教材的一个章节，不声明原创）

11.6 工业现场总线

本节只对总线的通用概念做铺垫，不涉及具体总线的实际使用与维护细节。

一、现场总线的基础知识

（一）现场总线

现场总线是应用于设备底层现场工作环境，各设备共享的，以串行方式双向传递全数字化信息的一组公共信息通道。

现场总线是为适应工业、生活等现场相对恶劣的安装环境，为快速传递信息，简化安装结构而设计的一种自动化产品。它得益于计算机技术、通讯技术的高速发展。

现场总线必须具备如下几个特征：

1）用一组（最少两根）导线作为公共通道，所有设备均通过这条通道传递信息。

2）数据流传递是串行的。

3）信号双向传输。

4）全数字化传送。

图11-24：传统点对点控制（左）与总线系统（右）比较

由于总线系统采用公共数据通道，因此线路比点对点控制要明显减少，可靠性也就获得大幅度提高。

（二）现场总线的结构、原理

1、传输线路结构

现场总线一般需要2-5根导线传递信息。大致分如下形式：

1）信息、电源共线：数字信号通过调制器调制到载波信号上，载波信号沿一对导线传递，接收时，数字信号要从载波信号中解调，同时载波信号经过整流可以获得信号工作电源。

这种传输方式传输距离比较远，抗干扰能力强，但电路相对复杂。

最典型的如PROFIBUS。

2）信息、电源分开：信息流、电源线在总线电缆中分开传输。

这种传输方式传输距离相对近，比较容易受到干扰，但电路相对简单。

最典型的如DEVICENET。

2、总线传输原理

由于总线传输是工作在比较高的频率下，与工频信号的50HZ完全不同，因此总线传输有其独特的特点：

1）串行传输：信号是串行传输的。

2）行波：由于线路远长于点对点传输方式，加上传输频率高，数据间隔近，所以总线上的信号是以行波形式传送的。即多组信号同时上线，就像高速公路上同时行驶众多的车辆一样。

例题：试计算50HZ的电波波长是多少？100米线路上只承载1个波的临界频率是多少？

波长λ×频率f=速度v

当f=50Hz时，λ=3×108/50=6000(km)

当λ=100m时，f=3×108/100=3（MHz）

这就看出，常规电路上跑的电信号，波长远远大于工厂电路的长度，可以按线性电路的常规分析来理解，线路上同一时间驻留的只是一个电波。而总线系统都是百K到几十MB的数据，长度又大部分是百米甚至几十公里，同时上线的将有多个电波或数据位。

3）终端电阻：如果两条信号线两端不封闭，波源信号（入射波）传递到末端后，将产生反射波，反射波将沿着信号线返回，并与后续信号产生干涉，从而造成信号出错。因此在两个末端必须加终端电阻，以吸收信号的剩余能量。

终端电阻是要根据电路实际物理情况计算的，如DEVICENET的终端电阻就是110-120欧姆。

3、拓扑结构

总线的拓扑结构与IT的拓扑结构类似，也有总线型、环型、树型等形式。具体允许的拓扑结构需要查阅说明书。

关于拓扑结构，要注意如下问题：

1）任何总线都有固定的最长传输距离，使用时应留出至少20%的余量。当要加大传输距离时，需要加中继器。

2）不是所有总线都允许有分支，且分支长度累计受到限制。

3）信号传输距离和频率有关，一般频率越高，传输距离越短。

（三）总线的分层

按照传统的IT系统分层结构，大部分总线系统实际上定义了其中的第一、二、七层。

第一层：物理层（现场设备层）

通过总线与I/O、传感器、阀组、变频器等现场设备的连接，实现系统与现场设备的最底层控制的交互。

第二层：数据链路层

通过总线系统与区域控制器、显示装置的连接，实现数据在控制器之间的交互，并提供人机工作的接口。

第七层：应用层

即系统的综合管理，程序开发等工作。

ASI、DEVICENET、PROFIBUS在应用层时，经常要借用以太网作为传输介质，而PROFINET一类新兴的一网到底总线，却可以实现几个层次的无缝对接。

这和前面章节讲到的网络C/S架构是类似的。

（四）现场总线的发展

现场总线技术产生于二十世纪八十年代，是电子、计算机、通讯、网络、自动化等技术发展的综合结果。它迎合了企业综合自动化对开放性、通用性、可靠性的日益增加的要求。

由于开始没有一个统一的国际标准，各企业相继开发自己的总线产品，制定现场总线标准，形成了百花齐放的现状。据不完全统计，目前市场上形形式式的现场总线有200多种，号称为开放标准的也有二、三十种。

　　1984年IEC提出现场总线国际标准的草案。1993年才通过了物理层的标准IEC1158-2。

　　1994年6月，ISP 和World FIP成立了FF(Fieldbus Foundation，现场总线基金会), 推出了FF现场总线，成为现场总线发展的主流方向。

　　由于世界各大企业的现行产品的市场利益与统一标准产品之间的激烈冲突，事实上要统一标准非常困难，经过长期的磨合和平衡，最终形成了统一标准与个性化标准共存的局面。即使经过长达15年后的1999年，61158标准还是综合了8大类产品，即在现场总线国际标准IEC61158中，采用了一带七的类型，即：

类型1 原IEC61158技术报告（即FF －H1）

类型2 Control Net（美国Rockwell）公司支持

类型3 Profibus（德国SIEMENS公司支持）

类型4 P-Net（丹麦Process Data公司支持）

类型5 FF HSE（即原FF H2， 美国Fisher Rosemount 公司支持）

类型6 Swift Net（美国波音公司支持）

类型7 WorldFip（法国Alstom公司支持）

类型8 Interbus（德国Phoenix contact公司支持）

目前61158的基本原则是：不改变原来61158的内容，作为类型1，并不改变各个子集的行规，作为其他类型，并对类型1提供接口。

　　在IEC61158之前，CAN是唯一被批准为国际标准的现场总线。CAN由ISO/TC22技术委员会批准为国际标准ISO11898（通信速率＜1Mbps）和ISO11519（通信速率≤125Kbps）。CAN总线得到了计算机芯片商的广泛支持，它们纷纷推出直接带有CAN接口的微处理器（MCU）芯片。因此在接口芯片技术方面CAN已经遥遥领先于其他所有现场总线。

二、现场总线的常见类型

（一）现场总线概况

现场总线是串行总线，类型很多，常见的包括DeviceNet、Profibus、CC-Link、CAN、AS-i、InterBus、FF、P-NetV、WorldFIP、Foundation Fieldbus、ControlNet、SwiftNet、HART、LonWorks、Modbus等。现场总线为车间级设备自动化提供了优秀的解决方案，同时也广泛应用在化工、楼宇宙控制中。我们工厂比使用比较多的有：DeviceNet、Profibus、CC-Link。

（二）常用现场总线

下面就部分主流的工业现场总线做简单的介绍。

1、Profibus总线

该总线1984年由德国西门子公司推出，是德国标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线，IEC61158类型3。Profibus用户组织为PNO，拥有600多个成员，近2000种产品。

它又分DP、FMS、PA三部分。

图11-25：PROFIBUS现场总线系统架构

1）Profibus-DP

• 定义了ISO标准的第一、二层。

• 专门设计为自动控制系统和设备级分散的I/O之间进行通信使用

• 使用Profibus-DP模块可取代24伏或4～20毫安的串联式信号传输。

• 直接数据链路映像（DDLM）提供的用户接口，使得对数据链路层的存取变得简单方便

• 传输可使用RS－485传输技术或光纤媒体

2）Profibus-FMS

• 定义了第一、二、七层。

• 用来解决车间级通用性通信任务。

• 与LLI（Lower Layer Interface）构成应用层

• Profibus-FMS可使用RS－485和光纤传输技术

3）Profibus-PA（Process Automation）

• 是专为过程自动化而设计的

• 它可使传感器和执行器接在一根共用的总线上，可应用于本质安全领域

• 可用双电缆总线供电技术进行数据通信

• 数据传输采用扩展的Profibus-DP协议，使用电缆耦合器，Profibus-PA装置能很方便的连接到Profibus-DP网络。

PROFIBUS的通信为主从式。主站决定了总线的数据通信，当主站获得总线控制权（令牌）时，可以主动发送和向从站请求信息。从站无总线控制权，仅能对接收的信息进行确认或在主站发出请求后向主站发送。

　　PROFIBUS提供了三种类型的传输：

· 用于DP和FMS的RS485传输

· 用于PA和IEC1158－2传输

· 光纤（FO）

A. RS485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术，又称为H2。采用屏蔽双绞铜线，共用一根导线对。

　　传输速率可选：9.6Kbps和12Mbps之间。

　　站点数：每分段32个站，不带中继器；带中继器可多达127个站

　　传输距离：

波特率 (Kbps)

9.6

19.2

93.75

187.5

500

1500

12000

距离/段 (m)

1200

1200

1200

1000

400

200

100

　　B. IEC1158－2传输技术是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称为H1。

　　传输速率：31.25Kbps，电压式。

　　站点数：每段最多为32个，总数最多为126个。

　　距离：采用双绞线电缆，传输距离可达1900m。

　　C. Profibus系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体以增加高速传输的最大距离。

2、DeviceNet总线

该总线开发商是美国Rockwell集团的AB公司。DeviceNet可以用来连接低级工业设备（如传感器、变送器、电机等）和高级工业设备（如PLC和工业计算机）。

DeviceNet 的低层使用的是CAN总线规范。

其技术特点：

• 遵从CAN协议，使用第一、二层

• 125kbps~500kbps通信速率。

• 响应时间较快

• 可灵活的增加和移去设备而不必停机

• 点对点，多主或主/从通信

• 故障显示（LEDs）

• 可以通过网关和以太网、ControlNet等相连

• 支持总线供电、从节点对从节点的直接传输

• 不支持本质安全、时间同步、介质冗余

3、CC-LINK总线

在1996年11月，以三菱电机为主导的多家公司公布和开放了现场总线CC-Link。

由于CC-Link研发和公布的时间相对较晚，在业内的硬件和软件的基础相对较为完善和先进，故在技术层面上有其得天独厚的优势。并迅速进入市场，快速扩充其市场份额。

　　2000年11月，CC-Link协会（CC-Link Partner Association简称CLPA）在日本成立，主要负责CC-Link在全球的普及和推进工作。

主要性能：

　　CC-Link的系统硬件搭建和系统组态都非常简单，硬件上只需要3芯屏蔽绞线将所有设备链接就可以，软件上CC-Link不需要专门的组态软件，网络参数只需在PLC主站中简单设定便可以完成系统组态和数据刷新设定工作。

三菱公司又推出了更经济、灵活的CC-Link/LT。主要性能如下：

　　后期还推出了CC-Link V2、安全总线等更高性能的产品。

4、HART总线

HART是由Rosemount公司提出的用于现场智能仪表和控制室设备间通讯的总线。

• HART协议兼有模拟（4~20mA）和数字两家之长，目前成为智能仪表“事实上”的标准。

• HART不是现场总线的国际标准，但却是从模拟系统向标准的现场总线过渡的一块踏脚石。

• 单台设备通信距离3000m，多台设备互联通信距离1500 m。

• 通信方式：主从模式、突发模式

• 应用编程：针对过程控制开发了适用的命令，如量程、变量、单位等的读操作，写主变量单位、微调DA的零点和增益，特征化、微调传感头校正等。

4、IEC现场总线（IEC61158）

• 通信参考模型

• 协议数据与信息编码

• 通信模式：客户/服务器、发布/预定接收、报告分发

• 拓扑结构：星型或总线型拓扑

• 铜质线缆，光纤

• 可寻址的最大节点数：232/段；216/网络

• 可挂接的最大节点数：32/段，216/网络

• 最大距离：31.25Kbps时1900米；1M时750米，2.5M时500米

5、FF H1

• 定义了一、二、七层。

• 通信参考模型

• 通讯模式：客户/服务器；发布/预定接收；报告分发

• 拓扑结构：星型或总线型拓扑

• 双绞线，光纤

• 可寻址的最大接点数：240/段；240段/网络

• 可挂接的最大节点数 32/段；16/段（总线供电）；6/段（本安）

• 最大距离：31.25Kbps时1900米；可接4个中继器

FF高速以太网HSE

• 充分利用低成本的商业以太网技术，如100M、1Gbit/s技术。

• 支持所有H1的功能，如功能块、设备描述等

• 支持H1设备与以太网设备通过链接设备进行连接

• 链接设备可与H1设备点对点通信，H1设备之间也可通过链接设备通信。

6、PROFInet总线

• DCOM机制（通过TCP）

– DCOM的传输是由事件驱动的，较低的那些层提供连接的安全性。

• 以太网上的实时通信

– 按照UDP/IP，生产数据应采用（在动态资源的开销方面）尽可能小的协议传输。可用标准的网络部件实现。

7、ControlNet

• 概况

– ControlNet最早由Rockwell公司于1995年10月提出。

– Rockwell公司等22家企业于1997年7月联合发起成立了ControlNet International组织。

• Rockwell自动化系统的三层控制层网络。

图11-26：Rockwell自动化系统的三层控制层网络

– 信息层（Ethernet以太网）

– 控制层（ControlNet控制网）

– 设备层（DeviceNet设备网

ControlNet的技术特点：

• 生产者/使用者型通信模式

– 通过标识符辨认是否要接受某个报文(无地址)

– 多个用户可同时使用某个节点产生的同一数据

– 节点可产生多个数据组(各自具有自己的标识符)

– 减少通信流量, 数据可同时到达各节点

• I/O触发机制

– 传统的轮询机制:重复数据，浪费网络带宽

– 状态改变触发:只当数据变化时节点才产生数据

– 可按用户指定的速度周期性地产生数据

8、CAN总线

• 定义了第一、二层，第七层要由制造者拓展。

• CAN总线是德国BOSCH公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议

• 是交通运载工具电气系统中应用较广的总线，现在也逐步应用到工业领域中

• 1993年11月，ISO正式颁布CAN为国际标准ISO11898。

• 支持CAN协议的公司有Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、Honeywell等公司

技术特点：

• 传输速率： 可达到1Mbps/40m

• 支持的介质：铜线，光纤

• 最大长度/段： 10千米/5kbps

• 媒体访问控制方式：CSMA/冲突按优先权解决

• 可寻址的最大节点数：211

• 可挂接的最大节点数：110

• 不支持本质安全、总线供电

9、P-NET

• 1983年由丹麦的PROCES-DATA A/S公司推出

• 1990年，国际P-NET用户组织（the International P-NET User Organization）成立

• 欧洲标准（EN50170 Vol.1）、IEC61158 的八种总线之一

该总线网络层次：

• 物理层

• P-NET规范采用三种标准：RS485、RS232、IS16

• 总线长度：最大1200m（EIA RS485）

• 现场设备数目：≤125个设备

• 波特率：76.8kbit/s

• 供电方式：总线供电

• 数据链路层

• 通信模式：基于时间的虚拟令牌传递

• 通讯方式：主从式、多主式

• 数据包大小：可变

10、WorldFIP

• 概况

– 1987年3月成立，前身为法国标准FIP。

– 1994年6月，WorldFIP北美部分与ISP协议合并成为FF，欧洲部分仍保持独立。

– 支持公司：Alstom、 Honeywell等

• 网络与协议

– 物理层、数据链路层、应用层三层结构

– 曼彻斯特编码、传输速率31.25bps传输速率31.25K到2.5M

– 屏蔽双绞线、光纤传输。

• 特点

– 适合工业过程控制

– 符合电磁兼容性的EMC标准，抗干扰能力强

– 通讯方式与FF及IEC标准完全一致，容易转化

11、INTERBUS

• 1984年德国的Phoenix Contact推出

– 组织：Interbus club 551家成员

– 标准：

• 德国 DIN19258

• 欧洲 EN50253

• 国际标准 IEC61158

– 特点

• 由一大批独立的供应商支持，提供中立和独立的解决方案，用户的选择面较大，较灵活

• 网络特点

• 最长1300英尺

• 远程网不供电

• 电平标准RS-485

• 全双工、波特率500K/s

12、SwiftNet

• 概况

– 1996年SHIPSTAR 公司应Boeing公司要求，研究适用于飞行测试和飞行器模拟控制的现场总线。对DeviceNet、 Foundation、PROFIBUS-DP、WorldFIP四种现场总线进行最终性能测试后发现它们的总体性能仍无法满足要求。1998年，产生SwiftNet。

• 是一个真正同步、高速数据总线

– 采用了TDMA（时分多路总线协议），其扫描频率可达85K/秒，将总线上所有节点的局域时间锁定，以实现报警同步，并可杜绝差拍所引起的伪信号，也将有效减少随机因素对总线的影响。

技术特点：

• 网络容量

– 可使增至30，000，000节点和100，000，000变量的多桥网络同步。各节点之间的时间差仅为50 微秒。

• 应用协议

– SwiftNet 支持应用数据包的范围可从64~896字节，且数据包的大小并不影响数据传输速度。

• 同步

– SwiftNet同步机制不受软件影响，有效消除了网络滞后对设备运转、数据传输和事件响应的影响，并有助于补偿非实时系统，如Windows NT。

13、LonWorks

• 1990年由美国Echelon公司推出，得到Motorola、Toshiba公司的支持

• 网络层次与协议特点

– 采用ISO/OSI模型的全部七层通信协议

– 通信速率：300bps~1.5Mbps，通信距离达2700m

– 传输媒体可以为双绞线、光纤、射频、红外线、电力线

• 技术开发特点

– 采用LonTalk协议，封装于Neuron（神经元）芯片中

– 鼓励OEM开发方式

– 面向对象的设计方法，把网络通信设计简化为通信参数设置

• 主要应用领域：楼宇自动化、家庭自动化、工业自动化

14、ASi

ASi（Actuator Sensor Interface执行器传感器接口）总线是自动化系统中最低层级的现场总线。

ASi总线的优点：

· 不需要参数化的软件

· 在电气和机械方面都是标准化的，与生产商无关

· 安装简单、快速，极性不可能接错

· 接口芯片可以集成在传感器和执行器上，以提高其监视和故障分析能力

· 防护等级高，可在现场直接应用

· 具有自检测功能，抗干扰能力强

　　ASi总线是一种简单的主从系统，控制数据传输的每个线路段只有一个主设备。主设备依次查询从设备并要求从设备应答。它采用固定的报文长度和数据格式，识别过程是不必要的。

　　ASi总线的主要技术数据如下：

· 网络结构：线形或树型结构

· 传输媒体：数据和电源共用的无屏蔽双线电缆（2×1.5mm2）

· 最大电缆长度：无中继器/扩展器时为100m，有中继器/扩展器时为300m

· 最大循环时间：当完全配置时为5ms

· 最大站点数：31个

· 二值传感器/执行器数：

　　124个（当用4输入，4输出，2输入/2输出或2×2数模块时，即4×31个）

　　248个（当用4输入/4输出模块时，即8×31个）

· 访问方法：循环查询主-从方法，从主设备（PLC、PC）循环采集数据

· 错误纠正：数据采集包含对错误报文的识别和重发

三、现场总线的维修要点

总线维修与传统的点对点通讯维修不同，由于它是一线到底的，出现问题时影响面积大，关联点多，因此修理时间比较长。

建议自制一些方便的修理工具，如用于跨接的电缆、终端电阻、T型转换测试头等，以解决快速检测故障的需要。

另外特别强调的是，总线系统的拓扑图必须完整、正确，否则将大大延长修理时间。

下面列举几种常见的总线故障及其处理方法。

（一）连接不良

现象是没有规律的断网，随着维修的进程，断网区域可能不断变化。

现场总线最多的故障是接头接触类故障，这类故障来自于总线电缆接头的虚接。而虚接的原因主要有：

1）产品质量问题，接头公母配合不良。

2）现场机械设备震动虚接。

3）安装质量：电缆没有有效固定，或安装位置不合适，电缆有扭曲应力没消除。

检测手段：

1）通过编程器查看组态连接的断开点。

2）通过通讯接口模块的提示判断。

3）现场巡检各站点模块指示灯。

4）用二分法，把总线干缆上的所有站点，每次取终点位置测量终端电阻，判断异常侧的方向，依次收缩范围，直至发现故障点。如DeviceNet的终端电阻为单端120欧姆。

（二）驱动能力不足

现象是局部区域网络连接故障，区域相对稳定。

原因是网络长期使用后，局部接点的阻抗变化导致负载特性变化，对于那些冗余不足的总线系统，可能会导致驱动能力不足。

解决方法是在合适的位置增加中继器。

（三）电源故障

这类故障发生频次不高，原因是：

1）负载出现对地短路，拉低电源电压或造成电源烧毁。

2）传输距离过长，电源驱动能力不足；或线路经过一段时间的劣化后，出现驱动能力不足。

对策方法：

1）测量网络电源模块，监视电压波动情况。

2）查找短路点或异常负载。

3）更换或维修直流电源。

（四）干扰

干扰成因复杂，偶尔会造成总线系统工作不稳定。

大致成因：

1）总线系统，或相邻系统接地不良。

2）系统中出现重干扰源。

3）线路敷设方式不合理，强弱电没有有效分离。

这类故障很难短时间内找到成因，一般需要大量的试验过程。

目前我们引入的总线监测仪，可以监测总线数据发送/接收波形、电平等，给我们提供了更直观的总线状态判断依据。

本节要点复习：

1、熟练维护你身边的PLC控制设备，读懂PLC程序。

2、会使用PLC编程软件。

3、了解触摸屏开发过程。

4、了解Profibus-DP、DeviceNet、CC-Link几种常见总线的物理结构和使用特点，会诊断常见的总线故障。

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