第1讲现场总线技术概述

1.1.1现场总线定义现场总线 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。国际电工委员会（IEC）对现场总线的定义

现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。涉及智能仪表、控制、计算机、数据通信技术现场总线概述现场通信网络

用于过程及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络现场设备互连

现场设备或仪表、传感器、变送器和执行器等。这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等互操作性 对不同厂商不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路，并且具备相互操作的功能1.1.4现场总线的本质现场总线概述分散功能块

FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站

例：流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输入模块，而且有PID控制和运算功能块。调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输出特性补偿模块，或PID控制和运算模块，甚至阀门特性自检验和自诊断功能。1.1.4现场总线的本质现场总线概述通信线供电 允许现场仪表直接从通信线上获取能量，对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式开放式互连网络 既可与同层网络互连，也可以与不同层网络互连，还可以实现网络数据库的共享1.1.4现场总线的本质现场总线概述1.1.5现场总线的特点和优点—FCS与DCS的对比现场总线概述结构

FCS:一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号

DCS:一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号可靠性

FCS:可靠性好：数字信号传输抗干扰能力强，精度高； DCS:可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰“失控”状态

FCS:操作员在控制室既可以了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处于操作员的远程监视与可控状态之中；

DCS:操作员在控制室既不能了解模拟仪表的工作状态，也不能对其进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对仪表处于“失控”状态1.1.5现场总线的特点和优点—FCS与DCS的对比现场总线概述互换性

FCS:用户可以自由选择不同制造商提供的性能价格比最优的现场设备和仪表，并将不同品牌的仪表互连；

DCS:尽管模拟仪表统一了信号标准(4-20mADC)，可大部分参数仍由制造厂自定，致使不同品牌的仪表互换难度较大仪表

FCS:智能仪表，除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外，还具有数字通信能力，并且具有控制和运算的能力； DCS:模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能控制

FCS:控制功能分散在各个智能仪表中； DCS:所有控制功能集中在控制站中1.1.5现场总线的特点和优点—结构特点由于采用智能现场设备，能够把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中，在现场直接完成采集和控制。由于不需要其他的模数转换器件，且一对电线能传输多个信号，因而简化了系统结构，节约了设备及安装维护费用。现场总线概述系统的开放性

通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换互可操作性与互用性现场设备的智能化与功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的适应性1.1.5现场总线的特点和优点—技术特点现场总线概述节省硬件数量与投资节省安装费用节约维护开销用户具有高度的系统集成主动权提高了系统的准确性与可靠性1.1.5现场总线的特点和优点—优点现场总线概述1.1.8现场总线网络的实现

制定标准时参照OSI七层协议标准大多采用第1层(物理层)、第2层(数据链路层)和第7层(应用层)，并增加第8层用户层。物理层：定义了信号的编码与传送方式、传送介质、接口的电气及机械特性、信号传输速率等现场总线有两种编码方式：Manchester和NRZ，前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。前者采用基带传输，后者采用频带传输。传输介质主要有：有线电缆、光纤和无线介质。应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层现场总线概述1.1.8现场总线网络的实现

数据链路层

分为两个子层：介质访问控制层(MAC)和逻辑链路控制层(LLC)。MAC对传输介质传送的信号进行发送和接收控制；LLC对数据链进行控制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线上的设备可以是主站，也可以是从站。

MAC层的三种协议：集中式轮询协议、令牌总线协议和总线仲裁协议。应用层

分为两子层：应用服务层(FMS)，用于为用户提供服务；现场总线存取层(FAS)，用于实现数据链路的连接用户层

定义了从现场装置中读写信息和向网络中其他装置分派信息的方法，即规定了供用户组态的标准“功能模块”现场总线概述1.2.1企业网络信息集成系统的层次结构现场总线网络直接面向生产过程，因此要求很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性；因此一般只包括物理层、数据链路层和应用层；要完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递；统一的企业网络信息集成系统应具有三层结构，从底向上依次是：过程控制层(PCS)、制造执行层(MES)、企业资源规划层(ERP)现场总线概述1.2.1企业网络信息集成系统的层次结构现场总线现场总线控制网络工业局域网企业网Internet过程控制层PCS制造执行层MES企业资源规划层ERP现场总线概述1.2.1企业网络信息集成系统的层次结构过程控制层依照现场总线的协议标准，智能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控制等功能。智能转换模块对传统检测仪表的电流电压进行数字转换和补偿。过程控制层的拓扑结构 环形网：时延确定性好，重载时网络效率高； 总线网：成本低，时延不确定，重载时效率低； 树形网：可扩张性好，频带较宽，但节点间通信不便； 令牌总线网：物理上是总线网，逻辑上是令牌网。现场总线概述1.2.1企业网络信息集成系统的层次结构制造执行层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，还包括控制组态的设计和下装。通过总线接口转换器实现现场总线网段和以太网段的连接。企业资源规划层 在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。 首先将中间监控层的数据库中的信息转入上层关系数据库中，使远程用户能通过浏览器查询网络运行状态，对生产过程进行实时的远程监控； 对数据进行进一步的分析和整理，为相关的各种管理、经营决策提供支持，实现管控一体化。现场总线概述1.2.1企业网络信息集成系统的层次结构现场总线与数据局域网的区别用途不同 现场总线主要用于对生产、生活设备的控制； 数据网络主要用于通信、办公，提供文字、声音和图像等数据信息。技术要求不同 现场总线要求具备高度的实时性、安全性和可靠性，网络接口尽可能简单，成本尽量降低，数据量一般较小； 数据网络则需要大批量数据传输和处理。现场总线概述现场总线与管理信息网络的特性比较特性现场总线管理信息网络监视与控制能力强弱可靠性与故障容限高高实时响应快中信息报文长度短长OSI相容性低中、高体系结构与协议复杂性低中、高通信功能级别中级大范围通信速率低、中高抗干扰能力强中现场总线概述1.2.2现场总线与上层网络的互联第一种方式：采用专用网关完成不同通信协议的转换，把现场总线网段或DCS网段连接到以太网上。第二种方式：将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC机插槽上，在PC机内实现数据交换。第三种方式：将Web服务器直接置入PLC或现场总线设备内，借助Web服务器和通用浏览工具实现数据信息的动态交互。现场总线概述采用专用网关现场总线概述将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC机插槽上现场总线概述控制网络的特点适应工业控制应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好；网络传输的是测控数据及其相关信息，短帧，传输速率低标准支持(国际、国家、地区、企业标准)网络结构

介质、拓扑结构、节点数等网络性能

传输速率、时间同步准确度、访问控制方式等测控系统应用考虑市场及其他因素1.2.3现场总线网络集成应考虑的因素现场总线概述1.3.1基金会现场总线(FF)1.3.2PROFIBUS1.3.3LonWorks1.3.4CAN1.3.5HART现场总线概述1.3现场总线简介前身为以Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等公司的ISP协议，以及以Honeywell为首的WorldFIP协议，合并后成立现场总线基金会；以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层，并增加用户层；分低速H1(31.25Kbps,距离1900m)和高速H2(1Mbps,750m和2.5Mbps,500m)两种通信速率；介质支持双绞线、光缆和无线发射，传输信号采用曼彻斯特编码1.3.1基金会现场总线现场总线概述德国国家标准和欧洲标准；参考模型也是ISO/OSI模型；由PROFIBUS-DP、-FMS和-PA组成；

PROFIBUS-DP型用于分散外设间的高速传输，适用于加工自动化领域的应用；

PROFIBUS-PA用于过程自动化。

PROFIBUS-FMS为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、PLC等一般自动化；传输速率为9.6Kbps-12Mbps，最大传输距离为9.6Kbps时1200m，1.5Mbps时200m，可用中继器延长至10km，传输介质为双绞线、光缆。1.3.2Profibus现场总线现场总线概述由美国Echelon公司和Motorola、Toshiba公司倡导；采用ISO/OSI模型的全部七层协议；通信速率300bps-1.5Mbps，支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频等多种介质；采用Neuron芯片，包含3片8位CPU，分别完成1-2层、3-6层协议和应用处理；鼓励OEM开发商运用LonWorks和神经元芯片开发自己的应用产品。1.3.3LonWorks现场总线概述是控制器局域网的简称，由德国BOSCH公司提出，得到Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司支持；采用ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层；通信速率最高1Mbps/40m，传输介质为双绞线；采用短帧结构传输，传输时间短，受干扰的概率低；1.3.4CAN现场总线概述是HighwayAddressableRemoteTransducer的缩写，即可寻址远程传感高速通道。由Rosemount公司提出，并于1993年成立HART通信基金会；特点是在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的工业过程控制的过渡性产品；由物理层、数据链路层和应用层组成。物理层采用FSK(频移键控)技术在4-20mA信号上叠加一个频率信号，代表0和1；支持点对点主从应答方式和多点广播方式，数据更新速率为2-3次/秒，传输距离最大3000m1.3.5HART现场总线概述以太网通信特性以太网通信特性负荷越小，碰撞越少负荷在10%左右时，基本无碰撞负荷在25%以下时，以太网的通信响应时间明显短于令牌网（如ARCnet）现场总线概述一般商用环境下的以太网负荷瞬时流量变化大，无法预测网络负荷波动大网络节点越多，碰撞越频繁

因此在商用环境下，无通信响应实时性可言现场总线概述工业控制网络通信特点传输的信息量少，信息长度都比较小周期性信息较多测量、控制信息非周期性信息较少用户操作指令、组态信息、诊断信息等等报警等突发性事件信息需要传输的信息少网络负荷较为平稳信息流向具有明显的方向性节点数少现场总线概述今天的以太网优势昨天的以太网今天的以太网网络拓扑总线型星型、总线型集线器共享式交换式通信速率几M10、100、1000M、……传输介质粗同轴电缆光纤、粗缆、细缆、双绞线通信方式半双工半双工、全双工芯片成本高于$1000十几人民币芯片应用环境商业级工业级芯片已有问世应用商业终端几乎所有领域软硬件资源有限丰富被认知程度不熟悉非常熟悉、几乎无需培训现场总线概述以太网完全能满足工业控制网络通信实时性要求以太网具有ARCnet等专用网络所无法比拟的优势：技术通用，与信息网络IT技术兼容价格低廉供应方便培训、维护简单与令牌网相比，以太网的优势现场总线概述什么是工业以太网工业以太网技术上，工业以太网与商用以太网（即ISO/IEC8802;IEC61784-1;IEEEStd1588:2002;IEEE802.1D&Q标准）标准兼容应用在工业自动化环境（主要指生产现场环境）必须满足工业控制网络通信的需求将以太网技术应用于控制器间、甚至是现场设备间的工业通信支持现场区域的Internet能力，但必须满足现场区域的工业通信自动化网络的以下特征实时性，即时间确定性通信；现场设备（如驱动器）时间同步的行为充分而频繁的交换非常小的数据记录现场总线概述工业以太网的技术要求（1）具有较好的响应实时性工业控制网络不仅要求传输速度快，而且在工业自动化控制中还要求响应快，即响应实时性要好，一般为为毫秒~0.1秒级（2）容错性要求在网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新建立新的网络链路（3）力求简洁以减小软硬件开销，从而减低设备成本，同时也可以提高系统的健壮性（4）开放性要好工业控制网络尽量不要采用专用网络现场总线概述需要解决的关键技术通信实时性技术总线供电技术互可操作技术远距离传输技术网络安全技术可靠性与抗干扰技术本质安全……现场总线概述国家“863”计划组织攻关情况一个重点课题“基于高速以太网技术的现场总线控制设备”（编号：2001AA413010）承担单位：浙江大学参加单位：浙大中控、中科院沈阳自动化所、大连理工大学、清华大学二个面上课题“现场级无线以太网协议研究及设备开发”（编号：2001AA413610）承