现场总线技术

1、现场总线技术现场总线技术 第一章第一章 现场总线概述现场总线概述 1.1 现场总线简介现场总线简介 自动化领域的计算机局域网。自动化领域的计算机局域网。 是企业的底层数字通信网络，是连接微是企业的底层数字通信网络，是连接微机化仪表的开放系统。机化仪表的开放系统。 现场总线不仅仅是总线技术，更是一个现场总线不仅仅是总线技术，更是一个系统技术系统技术 1.1 概述概述 计算机技术实现过程控制，智能传感计算机技术实现过程控制，智能传感器的发展，数字信号对模拟信号的取代，器的发展，数字信号对模拟信号的取代，形成了一种先进的工业测控技术现场形成了一种先进的工业测控技术现场总线总线(fieldbus)。

2、现场总线是连接工业过程现场仪表现场总线是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向和多和控制系统之间的全数字化、双向和多站点的串行通信网络，从各类变送器、站点的串行通信网络，从各类变送器、传感器、人机接口装置中获取信息，传感器、人机接口装置中获取信息，通过控制器向执行器传送信息，构成现通过控制器向执行器传送信息，构成现场总线系统场总线系统fcs (fieldbus control system)1.1.1 什么是现场总线什么是现场总线 定义：定义： 应用在生产现场，在计算机控制设备之应用在生产现场，在计算机控制设备之间实现双向串行多点数字通信的系统。间实现双向串行多点数字通信的系统。

3、特点：特点： 1、传统测量仪器仪表微机化，具有数字、传统测量仪器仪表微机化，具有数字计算、通信能力计算、通信能力 2、可用双绞线作为总线，连接现场仪器、可用双绞线作为总线，连接现场仪器仪表成网络系统；仪表成网络系统；特点：特点： 3、执行公开、规范的通信协议、执行公开、规范的通信协议 4、现场仪表、控制设备与远程监控计算、现场仪表、控制设备与远程监控计算机之间，实现数据传输、信息交换，形机之间，实现数据传输、信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统成各种适应实际需要的自动控制系统 现场总线控制系统的其它特点：现场总线控制系统的其它特点： 1、全数字化通信、全数字化通信 2、1对对n结构结构

4、 3、可靠性高、可靠性高 4、可控状态、可控状态 5、互换性、互换性 6、互操作性、互操作性 7、综合功能、综合功能 8、分散控制、分散控制 9、统一组态、统一组态 10、开发式系统、开发式系统1.1.2 现场总线的体系结构现场总线的体系结构 1、现场通信网络、现场通信网络 一直延伸到生产现场一直延伸到生产现场或生产设备，用于过或生产设备，用于过程自动化和制造自动程自动化和制造自动化的现场设备或现场化的现场设备或现场仪表互联的现场通信仪表互联的现场通信网络。网络。 2、现场设备互联、现场设备互联 现场设备指变送器、执行现场设备指变送器、执行器、服务器、网桥和辅助器、服务器、网桥和辅助设备及监控

5、设备设备及监控设备 3、互操作性、互操作性 不同厂家的现场设备的交不同厂家的现场设备的交互操作与互换，实现即接互操作与互换，实现即接即用，用户能自由集成即用，用户能自由集成fcs 4、分散功能块、分散功能块 fcs废弃废弃dcs的输入的输入/输出输出单元和控制站，把单元和控制站，把dcs控控制站的功能块分散地分配制站的功能块分散地分配给现场仪表，构成虚拟控给现场仪表，构成虚拟控制站，统一组态，对所需制站，统一组态，对所需控制系统实现彻底的分散控制系统实现彻底的分散控制。控制。 5、通信线供电（如：、通信线供电（如：i2c总线）总线） 6、开放式互联网络、开放式互联网络 既可以与同层网络互联，又

6、可与不同层网络互既可以与同层网络互联，又可与不同层网络互联。统一组态，使不同厂家网络及设备融为一联。统一组态，使不同厂家网络及设备融为一体，构成统一的体，构成统一的fcs。1.1.3 几种有影响的现场总线几种有影响的现场总线 1、基金会现场总线（、基金会现场总线（foundation fieldbus,ff) 应用领域以过程自动化为主应用领域以过程自动化为主 2、profibus 总线总线 应用领域：制造业自动化、过程自动化、电力、应用领域：制造业自动化、过程自动化、电力、楼宇、铁路交通楼宇、铁路交通 3、lonworks总线总线 应用领域：楼宇应用领域：楼宇 4、can总线总线 应用领域：汽

7、车、机器人、液压系统等应用领域：汽车、机器人、液压系统等几种有影响的现场总线几种有影响的现场总线 5、worldfip总线总线 应用领域：过程自动化、制造业自动化、电力、应用领域：过程自动化、制造业自动化、电力、楼宇等楼宇等 6、p-net 总线总线 应用领域：石化、能源、交通、轻工、建筑、应用领域：石化、能源、交通、轻工、建筑、环保和制造业等。环保和制造业等。 7、hart (highway addressable remote transducer) 可寻址远程传感器高速通道开放协议可寻址远程传感器高速通道开放协议 特点：在特点：在 模拟信号传输线上实现数字通信模拟信号传输线上实现数字通信

8、1.1.4 现场总线控制系统现场总线控制系统fcs 一、一、fcs的组成的组成 组成特点：组成特点： 采用智能现场设备，能够把原先采用智能现场设备，能够把原先dcs系统中系统中处处于控制室的于控制室的控制模块和控制模块和i/o模块置于现场设备，模块置于现场设备，直接在现场完成直接在现场完成 应用现场设备的通信能力，现场的测量变送仪应用现场设备的通信能力，现场的测量变送仪表与执行机构直接传送信号表与执行机构直接传送信号 实现了彻底的分散控制实现了彻底的分散控制组成：组成：fcs组成组成 数字信号代替模拟信号，数字信号代替模拟信号，1对对n通信，通通信，通信电缆又对设备提供电源，现场设备以信电缆又

9、对设备提供电源，现场设备以外不再需要外不再需要a/d-d/a转换部件。转换部件。 fcs由控制系统软件、测量系统、网络由控制系统软件、测量系统、网络系统和管理系统组成系统和管理系统组成1、控制系统软件、控制系统软件 包括监控组态软件、维护软件、仿真软包括监控组态软件、维护软件、仿真软件和设备管理软件等件和设备管理软件等 步骤：步骤： 1、选择开发组态软件、控制操作人机接口软、选择开发组态软件、控制操作人机接口软件；件； 2、组态软件、完成功能块间的连接；、组态软件、完成功能块间的连接； 3、选定功能参数，进行网络组态；、选定功能参数，进行网络组态； 4、在网络运行过程中对系统实时采集、处理、在

10、网络运行过程中对系统实时采集、处理数据、优化控制、逻辑控制、监控、显示、输数据、优化控制、逻辑控制、监控、显示、输出报表等出报表等2、测量系统、测量系统 多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多功能多功能 3、设备管理系统、设备管理系统 提供自身及过程的诊断、管理、设备运行状态和厂家提供自身及过程的诊断、管理、设备运行状态和厂家提供的设备制造等信息提供的设备制造等信息 4、计算机服务模式、计算机服务模式 客户服务器模式客户服务器模式 5、数据库、数据库 有组织的、动态的存储大量有关数据与应用程序有组织的、动态的存储大量有关数据与应用程序 6

11、、网络系统的硬件与软件、网络系统的硬件与软件 硬件含：系统管理主机、服务器、网关、协议转换器、硬件含：系统管理主机、服务器、网关、协议转换器、计算机及底层智能仪表计算机及底层智能仪表 软件含：网络操作软件、服务器操作软件、应用软件软件含：网络操作软件、服务器操作软件、应用软件数据库、通信协议、网络管理协议等数据库、通信协议、网络管理协议等二、二、fcs的体系结构的体系结构 1、现场总线与局域网连接，实现了新的、现场总线与局域网连接，实现了新的结构体系，具有：结构体系，具有： 决策自上而下，对下层充分授权，下层决策自上而下，对下层充分授权，下层有灵活性，主动决策有灵活性，主动决策 各部门间有相容

12、性、相互支持的群体目各部门间有相容性、相互支持的群体目标，可考虑不同部门间有交叉的功能性标，可考虑不同部门间有交叉的功能性组织组织 各层间相互通信联系各层间相互通信联系2、新体系结构、新体系结构2 包含：包含： 三层结构：底层：设备层三层结构：底层：设备层 中间层：生产管理层中间层：生产管理层 上层：工厂管理层上层：工厂管理层 两层网络：底层：现场总线网络层两层网络：底层：现场总线网络层 中间层：局域网络层中间层：局域网络层 最底层是现场测量设备和执行机构（包最底层是现场测量设备和执行机构（包括括dcs、plc和和i/o设备），它们汇集的设备），它们汇集的总线是现场总线。总线是现场总线。典型的

13、典型的fcs组成结构组成结构三、现场总线设备三、现场总线设备 现场总线设备的类型可以是现场总线基金会制现场总线设备的类型可以是现场总线基金会制定的几种类型中的任意一种，每种类型的物理定的几种类型中的任意一种，每种类型的物理设备都具有通信能力。设备都具有通信能力。 5种设备类型：种设备类型： 1、临时设备、临时设备 工作在现场总线网络上，用于对网络组态和排工作在现场总线网络上，用于对网络组态和排除设备故障除设备故障 2、静态块现场设备、静态块现场设备 是一种包含功能块应用进程的现场设备，所有是一种包含功能块应用进程的现场设备，所有的功能块在静态下被确定的功能块在静态下被确定 5种设备类型：种设备

14、类型： 3、动态块现场设备、动态块现场设备 有静态块现场设备同样的特性，但具有对功能有静态块现场设备同样的特性，但具有对功能块动态安装和删除的能力块动态安装和删除的能力 4、接口设备、接口设备 执行现场设备之间的接口功能执行现场设备之间的接口功能 5、显示设备、显示设备现场总线设备管理现场总线设备管理 现场总线设备管理的现场总线设备管理的3个因素：个因素： 1、包含智能多参数变送器和具有预维护、诊、包含智能多参数变送器和具有预维护、诊断的智能现场设备断的智能现场设备 2、开放的通信协议、开放的通信协议 3、现场总线设备管理软件具有：完成设备整、现场总线设备管理软件具有：完成设备整定、组态、诊断

15、、预测维护、检测，向维护人定、组态、诊断、预测维护、检测，向维护人员提供有效精确的维护报告员提供有效精确的维护报告现场总线设备管理图示现场总线设备管理图示四、现场总线控制网络的体系结构四、现场总线控制网络的体系结构 现场总线的本质：现场总线的本质： 是一种控制网络，直接面向生产过程，与是一种控制网络，直接面向生产过程，与internet等信等信息网络不同。息网络不同。 要求：要求： 很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性。很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性。 特点：特点： 1、对标准网络协议进行简化，只包括、对标准网络协议进行简化，只包括iso/osi 层模型层模型中的三层：物理层、数

16、据链路层和应用层中的三层：物理层、数据链路层和应用层 2、完成与上层工厂信息系统的数据交换、传递，综合、完成与上层工厂信息系统的数据交换、传递，综合自动化。自动化。统一的现场总线控制模型统一的现场总线控制模型1、过程控制层、过程控制层pcs将自动化最底层的现场控制器将自动化最底层的现场控制器和智能仪器、设备互联的实时和智能仪器、设备互联的实时控制通信网，遵循控制通信网，遵循osi通信协通信协议。议。2、制造执行层、制造执行层mes从现场设备中获取数据，完成从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数监控、报各种控制、运行参数监控、报警和趋势分析警和趋势分析3、企业资源规划层、企业资源规划层er

17、p在分布式网络环境下构建安全在分布式网络环境下构建安全的远程监控系统。远程用户可的远程监控系统。远程用户可实时查询、监控现场生产过程。实时查询、监控现场生产过程。1.5.5 通信模型与协议通信模型与协议 现场总线为满足实时性的要求将现场总线为满足实时性的要求将iso/sio参考模型七层结构简化为三层体系结构：参考模型七层结构简化为三层体系结构：应用层、数据链路层和物理层。应用层、数据链路层和物理层。五、通信模型与协议五、通信模型与协议1、物理层、物理层 定义了网络信道与连接方式、传输媒体、传输定义了网络信道与连接方式、传输媒体、传输速率、每条线路连接仪表的数量、最大传输距速率、每条线路连接仪表

18、的数量、最大传输距离、电源等。离、电源等。 2、数据链路层（、数据链路层（ddl) ddl定义了一系列服务于应用层的功能和向下定义了一系列服务于应用层的功能和向下与物理层的服务，提供了媒体存取控制功能、与物理层的服务，提供了媒体存取控制功能、信息传输的差错检验。信息传输的差错检验。 ddl是现场总线的核心。是现场总线的核心。 所有连接到同一物理通道上的应用进程，都是所有连接到同一物理通道上的应用进程，都是通过通过ddl的实时管理来协调的。的实时管理来协调的。3、应用层、应用层 专门为工业自动化领域现场装置的控制和具体专门为工业自动化领域现场装置的控制和具体应用而设计。应用而设计。 为用户提供一

19、系列的服务，简化或实现分布式为用户提供一系列的服务，简化或实现分布式控制系统中应用进程之间的通信，同时为分布控制系统中应用进程之间的通信，同时为分布式现场总线控制系统提供了应用接口的操作标式现场总线控制系统提供了应用接口的操作标准，实现了系统的开发性。准，实现了系统的开发性。1.5以现场总线为基础的企业信息系统以现场总线为基础的企业信息系统 1.5.1 企业信息系统的组成企业信息系统的组成1.5.2 企业信息系统的功能模型企业信息系统的功能模型1.5.3 企业信息系统的集成环境企业信息系统的集成环境1.6 map、top与现场总线与现场总线 1.6.1 定义定义 map：制造自动化协议。：制造

20、自动化协议。manufacturing automation protocol. 用于工业生产的开放式标准通信系统，用于工业生产的开放式标准通信系统，用于制造自动化的局域网协议用于制造自动化的局域网协议 top（technical and protocal) 适合办公自动化协议。与适合办公自动化协议。与map相互补充相互补充与集成。与集成。1.6.2 top/map/fieldbus的网络结构的网络结构(80年代）年代）1.6.3 lan/fieldbus（tcp/ip协议为基础）协议为基础）小结小结第第2章章 网络与数据通信基础网络与数据通信基础 2.1 总线的基本概念总线的基本概念 2.1

21、.1 总线的基本术语总线的基本术语 总线：遵循同一技术规范的连接与操作方式，总线：遵循同一技术规范的连接与操作方式，传输信息或信号的公共路径。传输信息或信号的公共路径。 总线段：一组设备通过总线连接在一起总线段：一组设备通过总线连接在一起 总线主设备：可以在总线上发起信息传输的设总线主设备：可以在总线上发起信息传输的设备备 总线从设备：只能挂接在总线上，对总线信息总线从设备：只能挂接在总线上，对总线信息接收、查询的设备接收、查询的设备 2.1.1 总线的基本术语总线的基本术语 1、控制连接在总线上的设备、控制连接在总线上的设备 控制信号：控制信号： 2、改变总线操作方式、改变总线操作方式 3、

22、表明地址和数据的含义、表明地址和数据的含义 总线协议：管理主从设备使用总线的一总线协议：管理主从设备使用总线的一套规则套规则 报文（报文分组）：发送的数据与目的报文（报文分组）：发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按一定格式组地址、源地址、控制信息按一定格式组成的数据单元。成的数据单元。 2.1.2 总线操作的基本内容总线操作的基本内容 总线操作：总线上命令者与响应者间的总线操作：总线上命令者与响应者间的连接连接 数据传送数据传送 脱开脱开 的操作序列的操作序列 数据传送：数据传送：“读、写读、写”数据操作数据操作 读：来自响应者的数据读：来自响应者的数据 写：向响应者写数据写：向响应者写数据 通信请求通信请求 物理寻址：特定位置的从设备物理寻址：特定位置的从设备 寻址寻址 逻辑寻址：指定存储器单元的通用区逻辑寻址：指定存储器单元的通用区 广播寻址：用于选择多个响应者广播寻址：用于选择多个响应者2.1.2 总线操作的基本内容总线操作的基本内容 总线仲裁总线仲裁 总线定时：用定时信号进行同步，指明总线定时：用定时信号进行同步，指明数据、地址信号什么时候有效数据、地址信号什么时候有效 出错检测出错检测 容错：重新分配地址、隔离故障容错：重新分配地址、隔离故障 多段总