现场总线技术

1、现场总线技术 参考书： 现场总线技术及其应用 主编，1课程主要内容： 通过课程的学习掌握工业自动化领域中广泛应用的现场总线技术，典型现场总线的特点、应用及产品介绍。一、 现场总线概述 1现场总线的发展与趋势 2现场总线的特点与优势 3几种有影响的现场总线技术 4以现场总线为基础的企业信息系统 2二、 PROFIBUS总线 1PROFIBUS总线概述 2PROFIBUS通信协议 3PROFIBUS控制器 4PROFIBUS总线应用三、LonWorks技术和LON总线 1LonWorks技术概述及系统结构 2LON总线通信控制处理器神经元芯片 3LonWorks通信协议LonTalk 4LonWo

2、rks的互操作性 5Lonworks开发工具与应用系统3四、控制器局域网总线CAN 1CAN的性能特点与技术规范 2CAN总线有关器件介绍 3CAN总线的应用 五、以现场总线为基础的控制系统与网络系统 1现场总线控制系统 2现场总线新型测量与设备管理系统 3工厂计算机网络系统的一般设计 4一、现场总线概述 1 现场总线简介 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线(Fi

3、eldbus)就是顺应这一形势发展起来的新技术。 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。 5（1） 什么是现场总线 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的

4、网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。 6 简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。 它给自动化领域带来的变化，正如众多分散的计算机被网络连接在一起，使计算机的功能、作用发生的变化。现场总线则使自控系统与设备具有了通信能力，把它们连接成网络系统，加入到信息网络的行列。因此把现场总线技术说成是一个控制技术新时代的开端并不过分。 7 现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展

5、起来的。随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。 要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。 8 它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通

6、等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带。把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。 9 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普

7、遍关注。 现场总线的出现，导致目前生产的自动化仪表、集散控制系统(DCS)、可编程控制器(PLC)在产品的体系结构、功能结构方面的较大变革，自动化设备的制造厂家被迫面临产品更新换代的又一次挑战。 传统的模拟仪表将逐步让位于智能化数字仪表，并具备数字通信功能。出现了一批集检测、运算、控制功能于一体的变送控制器；出现了可集检测温度、压力、流量于一身的多变量变送器；出现了带控制模块和具有故障信息的执行器，并由此大大改变了现有的设备维护管理方法。 10（2）现场总线构造了网络集成式全分布控制系统 现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制系统现场总线控制系统FCS(fiel

8、dbus control system)。这是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS后的新一代控制系统。 50年代以前，由于当时的生产规模较小，检测控制仪表尚处于发展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在生产设备现场、只具备简单测控功能的基地式气动仪表，其信号仅在本仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系统，即各测控点只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过生产现场的巡视，了解生产过程的状况。 11 随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合

9、式仪表，出现了集中控制室。 生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如00201MPa的气压信号，010mA、420mA的直流电流信号，l5V直流电压信号等，送往集中控制室。操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况，可以把各单元仪表的信号按需要组合成复杂控制系统。 由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度的开销、难度都较大，信号传输的抗干扰能力也较差，人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，出现了直接数字控制。 12 由于当时的数字计算机技术尚不发达，价格昂贵，人们企图用一台计算机取代控制室的几乎所有的仪表盘，出现了集中式数字控制系统。 但由于当时数字计算机的可靠

10、性还较差，一旦计算机出现某种故障，就会造成所有控制回路瘫痪、生产停产的严重局面，这种危险的集中系统结构很难为生产过程所接受。 随着计算机可靠性的提高，价格的下降，出现了数字调节器、可编程控制器以及由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的集散控制系统。即如今被许多企业采用的DCS系统。 DCS系统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，因而它是一种模拟数字混合系统。这种系统在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大进步，可在此基础上实现装置级、车间级的优化控制。 13 但是，在DCS系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连

11、在一起，难以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难。 新型的现场总线控制系统则突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能；同时把DCS集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。 14 伴随着控制系统结构与测控仪表的更新换代，系统的功能、性能也在不断完善与发展。图为各阶段测控仪表能力指数示意图。15 现场总线之

12、所以具有较高的测控能力指数，一是得益于仪表的微机化，二是得益于设备的通信功能。 把微处理器置入现场自控设备、使设备具有数字计算和数字通信能力，一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制信息的内容，实现其远程传送创造了条件。 在现场总线的环境下，借助设备的计算、通信能力，在现场就可进行许多复杂计算，形成真正分散在现场的完整的控制系统，提高控制系统运行的可靠性。还可借助现场总线网段以及与之有通信连接的其他网段，实现异地远程自动控制，如操作远在数百公里之外的电气开关等。还可提供传统仪表所不能提供的如阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运

13、行状态。 16（3）现场总线是底层控制网络 现场总线是新型自动化系统，又是低带宽的底层控制网络。它可与因特网(Internet)、企业内部网(Intranet)相连，且位于生产控制和网络结构的底层，因而有人称之为底层网Infranet。它作为网络系统最显著的特征是具有开放统一的通信协议，肩负着生产运行一线测量控制的特殊任务。 它们与工厂现场设备直接连接，一方面将现场测量控制设备互连为通信网络，实现不同网段、不同现场通信设备间的信息共享；同时又将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，并进一步实现与操作终端、上层控制管理网络的连接和信息共享。 17 在把一个现场设备的运行参数、状态以及故障信息

14、等送往控制室的同时，又将各种控制、维护、组态命令，乃至现场设备的工作电源等送往各相关的现场设备，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。 现场总线与其他网段间实现信息交换，必须有严格的保安措施与权限限制，以保证设备与系统的安全运行。 由于现场总线所肩负的是测量控制的特殊任务，因而它具有自己的特点。它要求信息传输的实时性强，可靠性高，且多为短帧传送，传输速率一般在几kbps至10Mbps之间。 现场总线网络集成自动化系统应该是开放的。可以由不同设备制造商提供的遵从相同通信协议的各种测量控制设备共同组成。 182 现场总线的发展背景与趋势（1） 现场总线是综合自动化的发展

15、需要 为了适应市场竞争，逐渐形成了计算机集成制造系统。它采用系统集成、信息集成的观点来组织工业生产。把市场、生产计划、制造过程、企业管理、售后服务看作要统一考虑的生产过程，并采用计算机、自动化、通信等技术来实现整个过程的综合自动化，以改善生产加工、管理决策，提高企业的应变能力和竞争能力等。 但处于企业生产过程底层的测控自动化系统，要与外界交换信息，实现整个生产过程的信息集成，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，以实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种背景下产生的。 19 （2）智能仪表为现

16、场总线的出现奠定了基础 传输信号数字化是实现数字通信的基础。1983年，Honeywell推出了智能化仪表Smar变送器，这些带有微处理器芯片的仪表除了在原有模拟仪表的基础上增加了复杂的计算功能之外，还在输出的420mA直流信号上迭加了数字信号，使现场与控制室之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号。 自此之后的几十年间，世界上各大公司都相继推出了各有特色的智能仪表。这些模拟数字混合仪表克服了单一模拟仪表的多种缺陷，给自动化仪表的发展带来了新的生机，为现场总线的诞生奠定了基础。 20 （3）现场总线将朝着开放系统、统一标准的方向发展 这些以微处理器芯片为基础的各种智能仪表，为现场信号的数字化以及实

17、现复杂的应用功能提供了条件。但不同厂商所提供的设备之间的通信标准不统一，严重束缚了工厂底层网络的发展。从用户到设备制造商都强烈要求形成统一的标准，组成开放互连网络。 1984年，美国仪表协会(ISA)下属的标准与实施工作组中的ISASP50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会决定由Proway working Group负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；1986年，德国开始制定过程现场总线(Process Fieldbus)标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。 21 1992年，由Siemens，Rocemount，ABB，Foxbo

18、ro，Yokogawa等80家公司联合，成立了ISP(Interoperable System Protocol)组织，着手在PROFIBUS的基础上制定现场总线标准。 1993年，以Honeywell，Bailey等公司为首，成立了World FIP(Factory Instrumentation Protocol)组织，有120多个公司加盟该组织，并以法国标准FIP为基础制定现场总线标准。此时各大公司均已清醒地认识到现场总线应该有一个统一的国际标准，现场总线技术势在必行。 但总线标准的制定工作并非一帆风顺，由于行业与地域发展历史等原因，加之各公司和企业集团受自身商业利益的驱使，致使总线的标

19、准化工作进展缓慢。 22 1994年，ISP和World FIP北美部分合并，成立了现场总线基金会(Fieldbus Foundation，简标FF)，推动了现场总线标准的制定和产品开发，于1996年第一季度颁布了低速总线H1的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合FF规范的仪表互连为控制系统相通信网络，使H1低速总线开始步入实用阶段。 与此同时，在不同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准。它们大都在公司标准的基础上逐渐形成，并得到其他公司、厂商、用户以至于国际组织的支持。如德国Bosch公司推出CAN(control area network)，美国Echelon公司推出的Lon Works

20、等。 众多行业，需求各异，加上要考虑已有各种总线产品的投资效益和各公司的商业利益，预计在今后一段时期内，会出现几种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。233 现场总线的特点与优点 （1）现场总线系统的结构特点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接。 现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表

21、可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。 24252627 （2） 现场总线系统的技术特点 现场总线系统在技术上具有以下特点： 系统的开放性 开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。 互可操作性与互

22、用性 互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 28 现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 对现场环境的适应性 工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力

23、线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。29 （3）现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。 节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。 30 节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，一对双绞

24、线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用60以上。 节省维护开销 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 31 用户具有高度的系统集成主动权 用户可以自由选择不同厂商

25、所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展。使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。 提高了系统的准确性与可靠性 由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 此外，由于它的设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。 324 几种有影响的现场总线技术 自80年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的应用领

26、域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的生命力。对现场总线技术的发展已经发挥并将会继续发挥较大作用。 （1）基金会现场总线 基金会现场总线(FF，Foundation Fieldbus)是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国FisherRosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的World FIP协议。屈于用户的压力，这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。 33 它以ISOOSI开

27、放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。 基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为3125kbps，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。 H2的传输速率可为lMbps和2.5Mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC11582标准。34 基金会现场总线的主要技术内容，包括FF通信协议、用于完成开放互连模

28、型中第27层通信协议的通信栈(Communication Stack)、用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典、用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。 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，并将这些分布在不同楼层展览大厅不同展台上的FF展品，用醒目的橙红色电缆，互连为七段现场总线的演示系统，各展台现场设备之间可实地进行现场互操作，展现了基金会现场总线的基本概貌。35

29、 （2）LonWorks LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术。它是由美国埃施朗Echelon公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。 它采用了ISOOSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300bps至1.5Mbps不等，直接通信距离可达2700m（78kbps，双绞线）。 支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。36 LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片

30、中而得以实现。 集成芯片中有3个8位CPU，一个用于完成开放互连模型中第1和第2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理； 第二个用于完成第36层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等。 第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。 37 Echelon公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonWorks技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks

31、技术，1000多家公司已经推出了LonWorks产品，并进一步组织起LonMARK互操作协会，开发推广Lonworks技术与产品。 它已被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，LonWorks神经元芯片也具有独特的优势。 38（3）PROFIBUS PROFIBUS是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由PROFIBUSDP，PROFIBUSFMS，PROFIBUSPA组成了PROFIBUS系列。 DP型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。 FMS意为现

32、场信息规范，PROFIBUSFMS适用于纺织、楼字自动化、可编程控制器、低压开关等。 PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC11582标准。39 该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。 它采用了OSI模型的物理层、数据链路层。FMS还采用了应用层。传输速率为9.6kbps12Mbps，最大传输距离在12Mbps时为100m，1.5Mbps时为400m，可用中继器延长至10km。 其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。最多可挂接127个站点。可实现总线供电与本质安全防爆。40（4）CAN CAN是控制局域网络(Control Area Network)的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准。由于得到了Motorola，Intel，Philip，Siemence，NEC等公司的支持，它广泛应用在离散控制领域。CAN协议只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。