現場總線技術及其應用主講：彭煥榮2005－9第一章現場總線概述1.1現場總線簡介自動化領域的計算機局域網。是企業的底層數字通信網絡，是連接微機化儀表的開放系統。現場總線不僅僅是總線技術，更是一個系統技術1.1概述計算機技術實現過程控制，智能傳感器的發展，數字信號對模擬信號的取代，形成了一種先進的工業測控技術－現場總線(Fieldbus)。

現場總線是連接工業過程現場儀表和控制系統之間的全數字化、雙向和多站點的串行通信網絡，從各類變送器、傳感器、人－機接口裝置中獲取信息，通過控制器向執行器傳送信息，構成現場總線系統FCS(FieldbusControlSystem)1.1.1什么是現場總線定義：應用在生產現場，在計算機控制設備之間實現雙向串行多點數字通信的系統。特點：1、傳統測量儀器儀表微機化，具有數字計算、通信能力2、可用雙絞線作為總線，連接現場儀器儀表成網絡系統；特點：3、執行公開、規范的通信協議4、現場儀表、控制設備與遠程監控計算機之間，實現數據傳輸、信息交換，形成各種適應實際需要的自動控制系統現場總線控制系統的其它特點：1、全數字化通信2、1對N結構3、可靠性高4、可控狀態5、互換性6、互操作性7、綜合功能8、分散控制9、統一組態10、開發式系統1.1.2現場總線的體系結構1、現場通信網絡一直延伸到生產現場或生產設備，用于過程自動化和制造自動化的現場設備或現場儀表互聯的現場通信網絡。2、現場設備互聯現場設備指變送器、執行器、服務器、網橋和輔助設備及監控設備3、互操作性不同廠家的現場設備的交互操作與互換，實現即接即用，用戶能自由集成FCS4、分散功能塊FCS廢棄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，構成虛擬控制站，統一組態，對所需控制系統實現徹底的分散控制。5、通信線供電（如：I2C總線）6、開放式互聯網絡既可以與同層網絡互聯，又可與不同層網絡互聯。統一組態，使不同廠家網絡及設備融為一體，構成統一的FCS。1.1.4現場總線控制系統FCS一、FCS的組成組成特點：采用智能現場設備，能夠把原先DCS系統中處于控制室的控制模塊和I/O模塊置于現場設備，直接在現場完成應用現場設備的通信能力，現場的測量變送儀表與執行機構直接傳送信號實現了徹底的分散控制組成：FCS組成數字信號代替模擬信號，1對N通信，通信電纜又對設備提供電源，現場設備以外不再需要A/D-D/A轉換部件。FCS由控制系統軟件、測量系統、網絡系統和管理系統組成1、控制系統軟件包括監控組態軟件、維護軟件、仿真軟件和設備管理軟件等步驟：1、選擇開發組態軟件、控制操作人機接口軟件；2、組態軟件、完成功能塊間的連接；3、選定功能參數，進行網絡組態；4、在網絡運行過程中對系統實時采集、處理數據、優化控制、邏輯控制、監控、顯示、輸出報表等2、測量系統多變量高性能的測量，使測量儀表具有計算能力等更多功能3、設備管理系統提供自身及過程的診斷、管理、設備運行狀態和廠家提供的設備制造等信息4、計算機服務模式客戶－服務器模式5、數據庫有組織的、動態的存儲大量有關數據與應用程序6、網絡系統的硬件與軟件硬件含：系統管理主機、服務器、網關、協議轉換器、計算機及底層智能儀表軟件含：網絡操作軟件、服務器操作軟件、應用軟件數據庫、通信協議、網絡管理協議等二、FCS的體系結構1、現場總線與局域網連接，實現了新的結構體系，具有：決策自上而下，對下層充分授權，下層有靈活性，主動決策各部門間有相容性、相互支持的群體目標，可考慮不同部門間有交叉的功能性組織各層間相互通信聯系2、新體系結構2包含：三層結構：底層：設備層中間層：生產管理層上層：工廠管理層兩層網絡：底層：現場總線網絡層中間層：局域網絡層最底層是現場測量設備和執行機構（包括DCS、PLC和I/O設備），它們匯集的總線是現場總線。典型的FCS組成結構三、現場總線設備現場總線設備的類型可以是現場總線基金會制定的幾種類型中的任意一種，每種類型的物理設備都具有通信能力。5種設備類型：1、臨時設備工作在現場總線網絡上，用于對網絡組態和排除設備故障2、靜態塊現場設備是一種包含功能塊應用進程的現場設備，所有的功能塊在靜態下被確定5種設備類型：3、動態塊現場設備有靜態塊現場設備同樣的特性，但具有對功能塊動態安裝和刪除的能力4、接口設備執行現場設備之間的接口功能5、顯示設備現場總線設備管理現場總線設備管理的3個因素：1、包含智能多參數變送器和具有預維護、診斷的智能現場設備2、開放的通信協議3、現場總線設備管理軟件具有：完成設備整定、組態、診斷、預測維護、檢測，向維護人員提供有效精確的維護報告現場總線設備管理圖示四、現場總線控制網絡的體系結構現場總線的本質：是一種控制網絡，直接面向生產過程，與Internet等信息網絡不同。要求：很高的實時性、可靠性、數據完整性和可用性。特點：1、對標準網絡協議進行簡化，只包括ISO/OSI層模型中的三層：物理層、數據鏈路層和應用層2、完成與上層工廠信息系統的數據交換、傳遞，綜合自動化。統一的現場總線控制模型1、過程控制層PCS將自動化最底層的現場控制器和智能儀器、設備互聯的實時控制通信網，遵循OSI通信協議。2、制造執行層MES從現場設備中獲取數據，完成各種控制、運行參數監控、報警和趨勢分析3、企業資源規劃層ERP在分布式網絡環境下構建安全的遠程監控系統。遠程用戶可實時查詢、監控現場生產過程。五、通信模型與協議從應用和信息角度看FSC結構FCS結構以應用和信息視角為坐標，構成二維體系層次結構。1.5.5通信模型與協議現場總線為滿足實時性的要求將ISO/SIO參考模型七層結構簡化為三層體系結構：應用層、數據鏈路層和物理層。1、物理層定義了網絡信道與連接方式、傳輸媒體、傳輸速率、每條線路連接儀表的數量、最大傳輸距離、電源等。2、數據鏈路層（DDL)DDL定義了一系列服務于應用層的功能和向下與物理層的服務，提供了媒體存取控制功能、信息傳輸的差錯檢驗。DDL是現場總線的核心。所有連接到同一物理通道上的應用進程，都是通過DDL的實時管理來協調的。3、應用層專門為工業自動化領域現場裝置的控制和具體應用而設計。為用戶提供一系列的服務，簡化或實現分布式控制系統中應用進程之間的通信，同時為分布式現場總線控制系統提供了應用接口的操作標準，實現了系統的開發性。1.1.2

現場總線構造了網絡集成式全分布控制系統1.1.3幾種有影響的現場總線1、基金會現場總線（FoundationFieldbus,ff)應用領域以過程自動化為主2、Profibus總線應用領域：制造業自動化、過程自動化、電力、樓宇、鐵路交通3、LonWorks總線應用領域：樓宇4、CAN總線應用領域：汽車、機器人、液壓系統等幾種有影響的現場總線5、WorldFIP總線應用領域：過程自動化、制造業自動化、電力、樓宇等6、P-NET總線應用領域：石化、能源、交通、輕工、建筑、環保和制造業等。7、HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)可尋址遠程傳感器高速通道開放協議特點：在模擬信號傳輸線上實現數字通信1.5以現場總線為基礎的企業信息系統1.5.1企業信息系統的組成1.5.2企業信息系統的功能模型1.5.3企業信息系統的集成環境1.6MAP、TOP與現場總線1.6.1定義MAP：制造自動化協議。ManufacturingAutomationProtocol.用于工業生產的開放式標準通信系統，用于制造自動化的局域網協議TOP（TechnicalandProtocal)適合辦公自動化協議。與MAP相互補充與集成。1.6.2TOP/MAP/Fieldbus的網絡結構

(80年代）1.6.3LAN/Fieldbus（TCP/IP協議為基礎）小結第2章網絡與通信基礎2.1總線的基本概念2.1.1總線的基本術語總線：遵循同一技術規范的連接與操作方式，傳輸信息或信號的公共路徑。總線段：一組設備通過總線連接在一起總線主設備：可以在總線上發起信息傳輸的設備總線從設備：只能掛接在總線上，對總線信息接收、查詢的設備2.1.1總線的基本術語

1、控制連接在總線上的設備控制信號：

2、改變總線操作方式

3、表明地址和數據的含義總線協議：管理主從設備使用總線的一套規則報文（報文分組）：發送的數據與目的地址、源地址、控制信息按一定格式組成的數據單元。2.1.2總線操作的基本內容總線操作：總線上命令者與響應者間的連接數據傳送脫開的操作序列數據傳送：“讀、寫”數據操作讀：來自響應者的數據寫：向響應者寫數據通信請求

物理尋址：特定位置的從設備尋址邏輯尋址：指定存儲器單元的通用區廣播尋址：用于選擇多個響應者2.1.2總線操作的基本內容總線仲裁總線定時：用定時信號進行同步，指明數據、地址信號什么時候有效出錯檢測容錯：重新分配地址、隔離故障多段總線操作：多段互連2.2通信系統簡介2.2.1通信系統的組成2.2節－－2.4節自學2.5介質訪問控制方式目的：解決同一時刻多個設備爭用傳輸設備。方法：1、隨機訪問方式：常用CSNA/CD爭用總線技術2、控制訪問方式：常用令牌總線、令牌環2.5.1CSMA/CD

（載波監聽多路訪問/沖突檢測）特點：監聽總線狀態－先聽后講。介質空閑發送，介質忙，等待一段時間后再試。三種CSMA堅持退避算法1、不堅持CSMA。介質空閑，則發送，否則等待隨機時間，重試。2、1－堅持CSMA。介質空閑，則發送，介質忙，繼續監聽，直到介質空閑，立即發送。3、P－堅持CSMA。介質空閑，以P的概率（隨機算法）發送，介質忙，繼續監聽，直到介質空閑，立即發送。2.5.2令牌訪問控制方式基本方式：按一定順序在各站點傳遞令牌，誰得到令牌，誰才有發報權。兩種令牌方式：1、令牌環方式2、令牌傳遞總線方式網上各工作站按一定順序形成邏輯環，首尾相連。第三章開放系統互連參考模型3.1OSI((OpenSystemInterconnection)參考模型定義：實現開放系統互連所建立的分層模型目的：為其它計算機互連提供共同的基礎和標準框架，并為保持相關標準的一致性和兼容性提供共同的參考。3.1.1OSI參考模型的結構（共七層）3.1.2OSI參考模型的功能劃分(1)1－3層：LLF底層功能：通信傳送4－7層：HLF高層功能：通信處理

3.1.2OSI參考模型的功能劃分(2)第一層：物理層

提供同步、比特流在物理媒體上的傳輸手段。典型協議：EIA-232D等第二層：數據鏈路層

用于建立、維持或拆除鏈路連接，實現無差錯傳輸典型協議：OSI標準協議中的數據鏈路控制HDLC第三層：網絡層利用數據鏈路層功能，通過路由器和中繼器，實現兩個系統之間的連接3.1.2OSI參考模型的功能劃分(3)第四層：傳輸層

完成開放系統之間的數據傳輸控制、收發確認、對第五－第七層大的數據傳輸進一步提高可靠性第五層：會話層

依靠第四層以下的通信功能，使數據傳送功能在開放系統間有效進行。第六層：表示層

把應用層提供的信息變換為能夠共同理解的形式：字符代碼、數據格式、控制信息格式、加密的統一表示。第七層：應用層實現應用進程之間的信息交換，OSI的最高層3.6OSI參考模型與現場總線通信模型現場考慮到的工業生產現場特點：1、大量傳感器、控制器、執行器零散分布在一個大范圍2、單個