1.1.1現場總線定義現場總線 現場總線是用于現場儀表與控制系統和控制室之間的一種全分散、全數字化、智能、雙向、互聯、多變量、多點、多站的通信網絡。國際電工委員會（IEC）對現場總線的定義

現場總線是一種應用于生產現場，在現場設備之間、現場設備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節點數字通信的技術。涉及智能儀表、控制、計算機、數據通信技術現場總線概述現場通信網絡

用于過程及制造自動化的現場設備或現場儀表互連的通信網絡現場設備互連

現場設備或儀表、傳感器、變送器和執行器等。這些設備通過一對傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等互操作性 對不同廠商不同品牌的現場設備統一組態，構成所需要的控制回路，并且具備相互操作的功能1.1.4現場總線的本質現場總線概述分散功能塊

FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現場儀表，從而構成虛擬控制站

例：流量變送器不僅具有流量信號變換、補償和累加輸入模塊，而且有PID控制和運算功能塊。調節閥的基本功能是信號驅動和執行，還內含輸出特性補償模塊，或PID控制和運算模塊，甚至閥門特性自檢驗和自診斷功能。1.1.4現場總線的本質現場總線概述通信線供電 允許現場儀表直接從通信線上獲取能量，對于要求本征安全的低功耗現場儀表，可采用這種供電方式開放式互連網絡 既可與同層網絡互連，也可以與不同層網絡互連，還可以實現網絡數據庫的共享1.1.4現場總線的本質現場總線概述1.1.5現場總線的特點和優點—FCS與DCS的對比現場總線概述結構

FCS:一對多：一對傳輸線接多臺儀表，雙向傳輸多個信號

DCS:一對一：一對傳輸線接一臺儀表，單向傳輸一個信號可靠性

FCS:可靠性好：數字信號傳輸抗干擾能力強，精度高； DCS:可靠性差：模擬信號傳輸不僅精度低，而且容易受干擾“失控”狀態

FCS:操作員在控制室既可以了解現場設備或現場儀表的工作狀況，也能對設備進行參數調整，還可以預測或尋找故障，使設備始終處于操作員的遠程監視與可控狀態之中；

DCS:操作員在控制室既不能了解模擬儀表的工作狀態，也不能對其進行參數調整，更不能預測故障，導致操作員對儀表處于“失控”狀態1.1.5現場總線的特點和優點—FCS與DCS的對比現場總線概述互換性

FCS:用戶可以自由選擇不同制造商提供的性能價格比最優的現場設備和儀表，并將不同品牌的儀表互連；

DCS:盡管模擬儀表統一了信號標準(4-20mADC)，可大部分參數仍由制造廠自定，致使不同品牌的儀表互換難度較大儀表

FCS:智能儀表，除了具有模擬儀表的檢測、變換、補償等功能外，還具有數字通信能力，并且具有控制和運算的能力； DCS:模擬儀表只具有檢測、變換、補償等功能控制

FCS:控制功能分散在各個智能儀表中； DCS:所有控制功能集中在控制站中1.1.5現場總線的特點和優點—結構特點由于采用智能現場設備，能夠把DCS系統中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現場設備中，在現場直接完成采集和控制。由于不需要其他的模數轉換器件，且一對電線能傳輸多個信號，因而簡化了系統結構，節約了設備及安裝維護費用。現場總線概述系統的開放性

通信協議公開，各不同廠家的設備之間可進行互連并實現信息交換互可操作性與互用性現場設備的智能化與功能自治性系統結構的高度分散性對現場環境的適應性1.1.5現場總線的特點和優點—技術特點現場總線概述節省硬件數量與投資節省安裝費用節約維護開銷用戶具有高度的系統集成主動權提高了系統的準確性與可靠性1.1.5現場總線的特點和優點—優點現場總線概述1.1.8現場總線網絡的實現

制定標準時參照OSI七層協議標準大多采用第1層(物理層)、第2層(數據鏈路層)和第7層(應用層)，并增加第8層用戶層。物理層：定義了信號的編碼與傳送方式、傳送介質、接口的電氣及機械特性、信號傳輸速率等現場總線有兩種編碼方式：Manchester和NRZ，前者同步性好，但頻帶利用率低，后者剛好相反。前者采用基帶傳輸，后者采用頻帶傳輸。傳輸介質主要有：有線電纜、光纖和無線介質。應用層表示層會話層傳輸層網絡層數據鏈路層物理層現場總線概述1.1.8現場總線網絡的實現

數據鏈路層

分為兩個子層：介質訪問控制層(MAC)和邏輯鏈路控制層(LLC)。MAC對傳輸介質傳送的信號進行發送和接收控制；LLC對數據鏈進行控制，保證數據傳送到指定的設備上。現場總線上的設備可以是主站，也可以是從站。

MAC層的三種協議：集中式輪詢協議、令牌總線協議和總線仲裁協議。應用層

分為兩子層：應用服務層(FMS)，用于為用戶提供服務；現場總線存取層(FAS)，用于實現數據鏈路的連接用戶層

定義了從現場裝置中讀寫信息和向網絡中其他裝置分派信息的方法，即規定了供用戶組態的標準“功能模塊”現場總線概述1.2.1企業網絡信息集成系統的層次結構現場總線網絡直接面向生產過程，因此要求很高的實時性、可靠性、數據完整性和可用性；因此一般只包括物理層、數據鏈路層和應用層；要完成與上層工廠信息系統的數據交換和傳遞；統一的企業網絡信息集成系統應具有三層結構，從底向上依次是：過程控制層(PCS)、制造執行層(MES)、企業資源規劃層(ERP)現場總線概述1.2.1企業網絡信息集成系統的層次結構現場總線現場總線控制網絡工業局域網企業網Internet過程控制層PCS制造執行層MES企業資源規劃層ERP現場總線概述1.2.1企業網絡信息集成系統的層次結構過程控制層依照現場總線的協議標準，智能設備采用功能塊的結構，通過組態設計，完成數據采集、A/D轉換、數字濾波、溫度壓力補償、PID控制等功能。智能轉換模塊對傳統檢測儀表的電流電壓進行數字轉換和補償。過程控制層的拓撲結構 環形網：時延確定性好，重載時網絡效率高； 總線網：成本低，時延不確定，重載時效率低； 樹形網：可擴張性好，頻帶較寬，但節點間通信不便； 令牌總線網：物理上是總線網，邏輯上是令牌網。現場總線概述1.2.1企業網絡信息集成系統的層次結構制造執行層從現場設備中獲取數據，完成各種控制、運行參數的監測、報警和趨勢分析等功能，還包括控制組態的設計和下裝。通過總線接口轉換器實現現場總線網段和以太網段的連接。企業資源規劃層 在分布式網絡環境下構建一個安全的遠程監控系統。 首先將中間監控層的數據庫中的信息轉入上層關系數據庫中，使遠程用戶能通過瀏覽器查詢網絡運行狀態，對生產過程進行實時的遠程監控； 對數據進行進一步的分析和整理，為相關的各種管理、經營決策提供支持，實現管控一體化。現場總線概述1.2.1企業網絡信息集成系統的層次結構現場總線與數據局域網的區別用途不同 現場總線主要用于對生產、生活設備的控制； 數據網絡主要用于通信、辦公，提供文字、聲音和圖像等數據信息。技術要求不同 現場總線要求具備高度的實時性、安全性和可靠性，網絡接口盡可能簡單，成本盡量降低，數據量一般較小； 數據網絡則需要大批量數據傳輸和處理。現場總線概述現場總線與管理信息網絡的特性比較特性現場總線管理信息網絡監視與控制能力強弱可靠性與故障容限高高實時響應快中信息報文長度短長OSI相容性低中、高體系結構與協議復雜性低中、高通信功能級別中級大范圍通信速率低、中高抗干擾能力強中現場總線概述1.2.2現場總線與上層網絡的互聯第一種方式：采用專用網關完成不同通信協議的轉換，把現場總線網段或DCS網段連接到以太網上。第二種方式：將現場總線網卡和以太網卡都置入工業PC機插槽上，在PC機內實現數據交換。第三種方式：將Web服務器直接置入PLC或現場總線設備內，借助Web服務器和通用瀏覽工具實現數據信息的動態交互。現場總線概述采用專用網關現場總線概述將現場總線網卡和以太網卡都置入工業PC機插槽上現場總線概述控制網絡的特點適應工業控制應用環境，要求實時性強，可靠性高，安全性好；網絡傳輸的是測控數據及其相關信息，短幀，傳輸速率低標準支持(國際、國家、地區、企業標準)網絡結構

介質、拓撲結構、節點數等網絡性能

傳輸速率、時間同步準確度、訪問控制方式等測控系統應用考慮市場及其他因素1.2.3現場總線網絡集成應考慮的因素現場總線概述1.3.1基金會現場總線(FF)1.3.2PROFIBUS1.3.3LonWorks1.3.4CAN1.3.5HART現場總線概述1.3現場總線簡介前身為以Fisher-Rousemount公司為首，聯合Foxboro、橫河、ABB、西門子等公司的ISP協議，以及以Honeywell為首的WorldFIP協議，合并后成立現場總線基金會；以ISO/OSI開放系統互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層，并增加用戶層；分低速H1(31.25Kbps,距離1900m)和高速H2(1Mbps,750m和2.5Mbps,500m)兩種通信速率；介質支持雙絞線、光纜和無線發射，傳輸信號采用曼徹斯特編碼1.3.1基金會現場總線現場總線概述德國國家標準和歐洲標準；參考模型也是ISO/OSI模型；由PROFIBUS-DP、-FMS和-PA組成；

PROFIBUS-DP型用于分散外設間的高速傳輸，適用于加工自動化領域的應用；

PROFIBUS-PA用于過程自動化。

PROFIBUS-FMS為現場信息規范，適用于紡織、樓宇自動化、PLC等一般自動化；傳輸速率為9.6Kbps-12Mbps，最大傳輸距離為9.6Kbps時1200m，1.5Mbps時200m，可用中繼器延長至10km，傳輸介質為雙絞線、光纜。1.3.2Profibus現場總線現場總線概述由美國Echelon公司和Motorola、Toshiba公司倡導；采用ISO/OSI模型的全部七層協議；通信速率300bps-1.5Mbps，支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻等多種介質；采用Neuron芯片，包含3片8位CPU，分別完成1-2層、3-6層協議和應用處理；鼓勵OEM開發商運用LonWorks和神經元芯片開發自己的應用產品。1.3.3LonWorks現場總線概述是控制器局域網的簡稱，由德國BOSCH公司提出，得到Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司支持；采用ISO/OSI模型的物理層、數據鏈路層和應用層；通信速率最高1Mbps/40m，傳輸介質為雙絞線；采用短幀結構傳輸，傳輸時間短，受干擾的概率低；1.3.4CAN現場總線概述是HighwayAddressableRemoteTransducer的縮寫，即可尋址遠程傳感高速通道。由Rosemount公司提出，并于1993年成立HART通信基金會；特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字通信，屬于模擬系統向數字系統轉變過程中的工業過程控制的過渡性產品；由物理層、數據鏈路層和應用層組成。物理層采用FSK(頻移鍵控)技術在4-20mA信號上疊加一個頻率信號，代表0和1；支持點對點主從應答方式和多點廣播方式，數據更新速率為2-3次/秒，傳輸距離最大3000m1.3.5HART現場總線概述以太網通信特性以太網通信特性負荷越小，碰撞越少負荷在10%左右時，基本無碰撞負荷在25%以下時，以太網的通信響應時間明顯短于令牌網（如ARCnet）現場總線概述一般商用環境下的以太網負荷瞬時流量變化大，無法預測網絡負荷波動大網絡節點越多，碰撞越頻繁

因此在商用環境下，無通信響應實時性可言現場總線概述工業控制網絡通信特點傳輸的信息量少，信息長度都比較小周期性信息較多測量、控制信息非周期性信息較少用戶操作指令、組態信息、診斷信息等等報警等突發性事件信息需要傳輸的信息少網絡負荷較為平穩信息流向具有明顯的方向性節點數少現場總線概述今天的以太網優勢昨天的以太網今天的以太網網絡拓撲總線型星型、總線型集線器共享式交換式通信速率幾M10、100、1000M、……傳輸介質粗同軸電纜光纖、粗纜、細纜、雙絞線通信方式半雙工半雙工、全雙工芯片成本高于$1000十幾人民幣芯片應用環境商業級工業級芯片已有問世應用商業終端幾乎所有領域軟硬件資源有限豐富被認知程度不熟悉非常熟悉、幾乎無需培訓現場總線概述以太網完全能滿足工業控制網絡通信實時性要求以太網具有ARCnet等專用網絡所無法比擬的優勢：技術通用，與信息網絡IT技術兼容價格低廉供應方便培訓、維護簡單與令牌網相比，以太網的優勢現場總線概述什么是工業以太網工業以太網技術上，工業以太網與商用以太網（即ISO/IEC8802;IEC61784-1;IEEEStd1588:2002;IEEE802.1D&Q標準）標準兼容應用在工業自動化環境（主要指生產現場環境）必須滿足工業控制網絡通信的需求將以太網技術應用于控制器間、甚至是現場設備間的工業通信支持現場區域的Internet能力，但必須滿足現場區域的工業通信自動化網絡的以下特征實時性，即時間確定性通信；現場設備（如驅動器）時間同步的行為充分而頻繁的交換非常小的數據記錄現場總線概述工業以太網的技術要求（1）具有較好的響應實時性工業控制網絡不僅要求傳輸速度快，而且在工業自動化控制中還要求響應快，即響應實時性要好，一般為為毫秒~0.1秒級（2）容錯性要求在網絡局部鏈路出現故障的情況下，能在很短的時間內重新建立新的網絡鏈路（3）力求簡潔以減小軟硬件開銷，從而減低設備成本，同時也可以提高系統的健壯性（4）開放性要好工業控制網絡盡量不要采用專用網絡現場總線概述需要解決的關鍵技術通信實時性技術總線供電技術互可操作技術遠距離傳輸技術網絡安全技術可靠性與抗干擾技術本質安全……現場總線概述國家“863”計劃組織攻關情況一個重點課題“基于高速以太網技術的現場總線控制設備”（編號：2001AA413010）承擔單位：浙江大學參加單位：浙大中控、中科院沈陽自動化所、大連理工大學、清華大學二個面上課題“現場級無線以太網協議研究及設備開發”（編號：2001AA413610）承