精密测控与系统第9章现场总线技术

精密测控与系统曹佃国曲师大电气信息与自动化学院tel:3981133-mail:caodg0318@126.comPrecisionMeasurementandControlSystems曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线技术简介什么是现场总线现场总线的定义为什么要用现场总线什么时候用现场总线总线与网络通信开放系统互连参考模型几种主要的现场总线及其应用

曹佃国2010年秋曲师大自动化学院曹佃国2010年秋曲师大自动化学院曹佃国2010年秋曲师大自动化学院曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场设备与现场总线现场：生产过程中测量与控制活动具体发生的地点现场设备：数据是需要传输的IndustrialCommunicationsBasicI/O

Analogue/Digital曹佃国2010年秋曲师大自动化学院传统的现场设备接口（I/Ointerface)简单、有效、产品种类多几乎任何应用系统都可找到可选产品模拟、数字接口都有PLC在工业现场很常见点对点连接，系统规模不能太大无法传输大量数据BasicI/O

Analogue/Digital曹佃国2010年秋曲师大自动化学院什么是现场总线定义：应用在生产现场、在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的开放型控制网络技术FieldbusDigital,2waycommunicationI/O-system现场（field)现场总线曹佃国2010年秋曲师大自动化学院从应用角度定义的现场总线现场总线为安装在过程控制现场的传感器、执行器提供了一种可以传输数字信号的电联接智能化的现场设备需要双向数据传输线现场总线可同时联接多个数据点可对现场设备进行远程控制、校准、调节避免经常到现场进行调整方便预测及诊断故障的发生数字信号传输，抗干扰能力强现场设备数字化现场设备有相互通讯能力，降低上位机的控制负担现场设备有数据处理能力，降低数据传输负担曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线与传统测控系统曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线控制系统硬件结构SafeareaRedundant,isolatedFieldbuspowerconditionerFieldwiringhubwithspurshort-circuitprotectionFOUNDATION

FieldbusDevicesFIELDCONTROLROOMFieldbuscontrolsystem(DCS)曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线控制系统体系结构

曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线的优点1.减少传输电缆

传输电缆的减少不仅意味着系统的布线结构设计及安装费用的降低，而且可有效避免多电缆带来的混乱，使现场电缆系统更易于维护。在某些如卫星、车船等特殊场合，电缆重量的降低也是其重要优点

2.节约硬件设备现场设备比传统设备成本高，但系统的总成本却可能相对低一些

维护容易，可靠曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线的优点信号传输数字化

减少了信号的传送误差，抗干扰能力强

现场设备模块化、智能化

系统组成结构更具弹性。某个现场设备的维修与更换、系统中现场设备的添加/减少乃至系统的局部重构，均可能在系统运行过程中完成

系统控制结构的分散化

可实现现场设备之间的互操作和互换信息，在现场建立起开放式的现场通信网络

彻底的分散控制，控制系统功能不依赖控制室的计算机或控制仪表而直接在现场完成

曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线的优点减少传输电缆4-20mA传输模式中，电源、现场设备、采集卡以及其他电路之间是串联的现场总线系统中，电源、现场设备、采集卡以及其他电路之间是并联的4-20mAPowerSupplyfieldbusPowerSupplyInputcard曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线的优点对于用户来说，经济风险更低ReplaceOperations&MaintenanceEngineering,Construction,&Commissioning/Start-upCashFlowAnalogfieldbusTime曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线是工厂的底层网络（Infranet）现场设备的电源供应可与数据传输公用一条传输线曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线与信息网络技术网络技术是现场总线的重要基础，但现场总线直接面向生产过程适应工业应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好。多为短帧传送，通信的传输速率相对较低。曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线技术简介什么是现场总线现场总线的定义为什么要用现场总线什么时候用现场总线总线与网络通信开放系统互连参考模型几种主要的现场总线及其应用

曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线技术简介什么是现场总线总线与网络通信总线协议网络的拓扑结构开放系统互连参考模型几种主要的现场总线及其应用

曹佃国2010年秋曲师大自动化学院2.总线与网络通信总线(bus):传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式

总线段(bussegment):

一组设备通过总线连在一起

总线网络：通过总线段相互连接把多个总线段连接成的系统

总线主设备(busmaster)：在总线上发起信息传输的设备（又称命令者）总线从设备(busslaver):对总线信息进行接收查询的设备（连上后又称为“响应者”(responder)）总线协议(busprotocol):对设备使用总线进行管理的一套规则

曹佃国2010年秋曲师大自动化学院2.总线与网络通信总线的相关概念总线操作：总线上命令者与响应者之间的连接—数据传送—脱开这一操作序列通信请求：由总线上某一设备向另一设备发出的请求信号，要求后者给予注意并进行某种服务总线仲裁：用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。某一时刻只允许某一个主设备占有总线，等到它完成总线操作，释放总线占有权后才允许其它总线主设备使用总线访问等待时间(accesslatency)：主设备为获得总线占有权而等待仲裁的时间总线占有期(bustenancy)：命令者占有总线的时间

曹佃国2010年秋曲师大自动化学院什么是计算机网络计算机网络是指用通信线路将分散在不同地点的具有独立自主功能的计算机系统互相连接,并按照网络协议进行数据通信和共享资源的计算机的集合计算机网络和分布式系统的区别：更多取决于软件而不是硬件曹佃国2010年秋曲师大自动化学院网络的分类（1）通常由两个标准区分:按传输技术和网络规模按传输技术分类广播式网络(broadcastnetwork)点-点式网络(point-to-pointnetwork)曹佃国2010年秋曲师大自动化学院广播式网络与点对点式网络广播式网络共享信道短的信息（按某种语法组织的分组和包）可以被任何机器接收。通过地址字段接收点对点式网络由一对对机器之间的多条线路连接构成通过中间结点到达目的端有多条路径，路由算法曹佃国2010年秋曲师大自动化学院网络拓扑结构（1）

Tointernet以太网卡以太网卡以太网线以太网线外部网线星形拓扑结构任何两点之间通信都通过中央节点进行所有通讯均由中央节点控制，中央节点的结构复杂每个节点的通讯处理负担很小，结构简单曹佃国2010年秋曲师大自动化学院网络拓扑结构（1）星型拓扑的优点：利用中央节点，可以在不影响系统其他设备工作的情况下增加或减少设备，对网络进行调整或重新配置单个连接节点的故障只影响一个设备，不会影响全网，容易检测和隔离故障,便于维护任何一个连接只涉及到中央节点和一个连接节点，因此控制介质访问的方法很简单，访问协议也十分简单缺点：每个节点直接与中央节点相连，需要大量电缆如果中央节点产生故障，则全网不能工作曹佃国2010年秋曲师大自动化学院网络拓扑结构（2）环形拓扑

典型代表：令牌环局域网，传输速率为4Mbps或16Mbps拥有“令牌”的设备允许在网络中传输数据信息流只能是单方向的，每个收到信息包的站点都向它的下游站点转发该信息包。信息包在环网中“旅行”一圈，最后由发送站进行回收当信息包经过目标站时，目标站根据信息包中的目标地址判断出自己是接收站，并把该信息拷贝到自己的接收缓冲区中（广播式）

当一个站发送完信息后就把令牌向下传送，以便下游的站点可以得到发送信息的机会曹佃国2010年秋曲师大自动化学院网络拓扑结构（2）环形拓扑的优点：时延确定性好,能高速运行结构简单，避免冲突重载时网络效率高缺点：环形网的成本较高轻负载时，也要等待令牌产生不必要的时延，使传输效率下降曹佃国2010年秋曲师大自动化学院网络拓扑结构（3）总线拓扑采用单根传输线作为传输介质(总线)所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到总线上任何一个站点发送的信号都可以沿着总线传播，而且能被其他所有站点接收（广播式）传输时延是不确定的轻载时时延小,但网络节点多、通信任务重时，时延明显增大，网络效率下降曹佃国2010年秋曲师大自动化学院网络拓扑结构（3）总线拓扑的优点：结构简单，电缆长度短，易于布线和维护节点设备可以在不影响系统中其他设备工作的情况下进行插入或删除，易于网络的扩展响应速度快，共享资源能力强，便于广播式工作设备量少，价格低，安装使用方便缺点：网络对总线较敏感：因为总线拓扑的网不是集中控制的，所以故障检测需要在网上的各个站点上进行，故障诊断和隔离困难曹佃国2010年秋曲师大自动化学院网络拓扑结构（4）树形拓扑

总线拓扑的一种变型广播式通信：—个节点发送数据，其它节点都能接收适用于分主次、分等级的层次型管理系统数据率和数据类型没有太多限制，可达到很高的带宽特点：可扩展性好，频带较宽，但节点间通信不便

曹佃国2010年秋曲师大自动化学院网络拓扑结构（5）令牌总线拓扑物理上是一个总线网，在逻辑上是一个令牌网节点接入方便,可靠性好网络传输时延确定无冲突,非常适合具有一定实时性要求的环境本节点地址上节点地址下节点地址曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线技术简介什么是现场总线总线与网络通信总线协议网络的拓扑结构开放系统互连参考模型几种主要的现场总线及其应用

曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线技术简介什么是现场总线总线与网络通信开放系统互连参考模型

网络协议的分层机制网络协议的“透明”几种主要的现场总线及其应用

曹佃国2010年秋曲师大自动化学院网络协议分层网络协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定大多数网络都按层次（layer）或级（level）的方式来组织.每一层都建立在它的下层之上，不同的网络，层的数量、名称和功能都不一样在所有的网络中，每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务，而把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽曹佃国2010年秋曲师大自动化学院认识层语言层传输层传输介质二人对要通话的内容有共同的兴趣（关心内容，不关心语言）每人请来一个译者,对各自的语言翻译,翻译为第三国语言（能互相听懂语言，但不关心内容）两个译员分属两个不同的地方,则各自需要一个工程技术人员,将交谈的内容转成电信号在传输介质上传给对方（不管语言，只管语音）分层通信的概念曹佃国2010年秋曲师大自动化学院网络协议分层第n层协议一台机器上的第n层与另一台机器上的第n层进行对话的规则对等进程不同机器里包含对应层的实体，对等进程之间进行通信相邻层之间接口定义了下层向上层提供的源语操作和服务虚通信（透明）除了在物理介质上进行的实通信外，其余对等实体间进行的都是虚通信实际上，数据不是从一台机器的第n层直接传到另一台机器的第n层，而是向下传送信息直到传输介质，在物理介质中进行物理通信认识层语言层传输层传输介质曹佃国2010年秋曲师大自动化学院OSI参考模型的七层协议

曹佃国2010年秋曲师大自动化学院OSI参考模型的七层协议（低层）物理层（比特）将比特流送到物理媒体进行透明传送数据链路层（帧）在相邻节点之间无差错的传送帧。网络层（分组或包）在源和目的节点之间选择一条最佳路径，将分组正确、无误地传送到目的地传输层（报文）建立一条传输的连接（对方在何处），透明地传送报文曹佃国2010年秋曲师大自动化学院OSI参考模型的七层协议（高层）会话层（报文）会话的管理与数据传输的同步（会话双方轮到谁讲话、从何处讲）表示层（报文）解决用户信息的语法表示问题，即完成信息格式的转换（语言翻译）。应用层（报文）用户信息的语义表示，并在两个通信者之间进行语义匹配（语言内容）曹佃国2010年秋曲师大自动化学院OSI参考模型的七层协议

帧—比特数据包—帧数据打包与谁会话会话管理说话内容语言翻译曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线的分层协议OSI现场总线

用户层从数据产生数值应用层应用层适用格式化数据表示层不用

会话层不用

传输层不用

网络层现场总线访问子层映射到数据链路层数据链路层数据链路层探测错误物理层物理层发送数据曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线的分层协议物理层定义现场总线的通讯介质,即4～20mA标准的替代数据链路层用于监视发生于各设备间的通讯,同时检测通讯错误应用层规范通讯数据格式,以便形成所有联网设备都可以解释的信息,为过程控制提供服务,同时向用户层提供接口用户层一些数据或信息查询的应用软件，与一个独立的工厂区域相关联,为进一步应用提供环境曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线的体系结构曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线的体系结构实际的现场总线控制网络模型应具有三层结构,从底向上依次为现场设备层：现场设备以网络节点的形式挂接在网络上,现场设备采用功能块的结构,通过组态设计,完成数据采集、A/D转换、数字滤波、温度压力补偿、PID控制等各种功能

现场总线监控层：一般由上位计算机完成，从现场设备中获取数据,完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋势分析等功能

远程监控层：在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统，对生产过程进行实时的远程监控

曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线的体系结构曹佃国2010年秋曲师大自动化学院MethodsforIndustrialCommunicationsEthernet/SerialPlug-InInterfacesGatewaysoverEthernet,Serial

VersatilityPerformance/Determinism曹佃国2010年秋曲师大自动化学院现场总线技术简介什么是现场总线总线与网络通信开放系统互连参考模型几种主要的现场总线及其应用

曹佃国2010年秋曲师大自动化学院基金会现场总线

（FF，FoundationFieldbus）

美国Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议

以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WorldFIP协议

1994年9月合并，成立了现场总线基金会

基金会现场总线

1996年在芝加哥举行的ISA96展览会上，由现场总线基金会组织实施，首次向世界展示了来自40多家厂商的70多种符合FF协议的产品

曹佃国2010年秋曲师大自动化学院FF现场总线协议1.物理层数据发送状态时,接受由数据链路层(DLL)下发的数据,并将其以某种电气信号进行编码并发送数据接收状态时,将相应的电气信号编码为二进制数值,并送到链路层。物理层定义了三种网络传输速度:低速H1：传输速率为31.25kbps，通信距离可达1900m（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境

高速H2：传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，通信距离分别为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射曹佃国2010年秋曲师大自动化学院FF现场总线协议现场设备之间、现场设备与控制室设备之间的双向、全双工、多节点通讯曹佃国2010年秋曲师大自动化学院FF现场总线协议传统系统由中心计算机完成测控功能现场总线也可沿用传统模式，但也可采用分散测控模式曹佃国2010年秋曲师大自动化学院FF现场总线协议分布式测控系统模型曹佃国2010年秋曲师大自动化学院FF现场总线协议每台设备至少包括：传感器/执行器模块I/O信号的换能模块至少一个FF功能块FF功能块（现场设备或主机中）：基本测控功能连接及控制功能曹佃国2010年秋曲师大自动化学院FF现场总线协议功能运行周期性通讯（发布）非周期性通讯曹佃国2010年秋曲师大自动化学院FF现场总线协议FF中的基本模块模拟量输入(AI),模拟量输出(AO)开关量输入(DI),开关量输出(DO)控制选择(CS),手动控制(ML),P、PD控制(P),PID控制(PID)偏置/增益(BG),比率控制(RA)FF中的高级模块分离器,死区,脉冲输入,复杂模出,复杂开关量出超前滞后补偿,算术运算步进输出PID,装置控制设定值程序发生,积分运算定时,模拟量报警输入选择,信号特征,开关量报警模拟量,开关量接口曹佃国2010年秋曲师大自动化学院FF中的柔性可配置模块用户根据具体应用配置的I/O数目及类型用户根据具体应用配置的算法曹佃国2010年秋曲师大自动化学院FF中的柔性可配置模块具体算法曹佃国2010年秋曲师大自动化学院FF现场总线与以太网HSE——HighSpeedEthernetHSE采用与H1同样的用户层技术用户可配置模块现场设备的测控采用H1的物理层与数据链路层协议HSE采用以太网/因特网实现远距离通信添加支持异构网络的功能模块支持多个局域网间的连接可实现远程监测及控制曹佃国2010年秋曲师大自动化学院FF现场总线与以太网曹佃国2010年秋曲师大自动化学院FF现场总线与以太网H1——设备集成HSE——子网集成HSE——服务器集成曹佃国2010年秋曲师大自动化学院LonWorks

现场总线技术LonTalk协议被封装在

神经元芯片（Neuronchip）中曹佃国2010年秋曲师大自动化学院神经元芯片

Neuronchip介质访问的控制与处理

网络变量的寻址与处理、路径选择、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等

执行操作系统服务与用户代码

曹佃国2010年秋曲师大自动化学院PROFIBUS现场总线德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准是一种不依赖