现场总线与数据通信基础

现场总线系统设计现场总线概念定义：现场总线（Fieldbus）是指将现场设备（如数字传感器、变送器、仪表与执行机构等）与工业过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网络，具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。自控领域的局域网，控制现场的底层网络。控制系统体系结构演变控制系统体系结构演变1、初级控制系统20世纪50年代以前，由于工业生产规模较小，各类检测、控制仪表处于发展的初级阶段，生产设备以机械设备为主，所用的设备主要是安装在生产现场、具有简单测控功能的基地式仪表，信号基本上都是在本仪表内起作用（主要是显示功能），一般不能传送给别的仪表或系统，各测控点为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过对生产现场的巡检来了解生产过程的运行状况。控制系统体系结构演变2、模拟仪表控制系统（PCS、ACS）60年代至70年代后期，先后出现了以电子管、晶体管、集成电路为核心的气动和电动单元组合式仪表两大系列。它们分别以压缩空气和直流电源作为动力，用于对防爆要求较高的化工生产和其他行业，防爆等级为本质安全型，并以气压信号0.02MPa～0.1MPa，直流电流信号0mA～10mA、4mA～20mA，直流电压信号0V～5V，1V～5V等作为仪表的标准信号，在仪表内部实行电压并联传输，外部实行电流串联传输，以减小传输过程的干扰。控制系统体系结构演变3、集中式数字控制系统（CCS）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，因此，80年代初人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，研制出直接数字控制（DirectDigitControl，DDC）系统，用数字计算机代替控制室内的仪表来完成控制系统功能。由于数字计算机价格昂贵，人们总是用一台计算机取代控制室的所有仪表，于是出现了集中式数字控制系统。这样，解决了信号传输及抗干扰问题。风险高度集中控制系统体系结构演变4、集散控制系统（DCS）随着计算机可靠性的提高和价格的下降，自控领域又出现了新型控制方案——集散控制系统，它由数字调节器、可编程控制器（PLC）以及多台计算机构成，当一台计算机出故障时，其他计算机立即接替该计算机的工作，使系统继续正常运行。在集散系统中系统的风险被分散到多台计算机承担，避免了集中控制系统的高风险，提高了系统的可靠性。因此，它被工业生产过程广泛接受，这就是今天正在被许多企业采用的DCS系统。在DCS系统中，测量仪表、变送器一般为模拟仪表，控制器多为数字式，因而它又是一种模拟数字混合系统。封闭控制系统体系结构演变5、现场总线控制系统（FCS）现场总线控制系统突破了DCS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，即可以将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控制系统把DCS集中与分散结合的集散系统结构变成了新型全分布式系统结构，把控制功能彻底下放到现场。现场总线具有较高的测控性能，一是得益于仪表的智能化，二是得益于设备的通信化。控制网络vs.信息网络数据传输控制网络信息网络传输的及时性、响应的实时性0.01~0.5s2.0~6.0s（大部分甚至可忽略）完整性可靠性恶劣环境也能保证非恶劣环境通信方式可广播或组播大部分是一对一互操作性必须解决一般要求控制网络的技术特点要求有高实时性与良好的时间确定性；传送信息多为短帧信息，且信息变换频繁；容错能力强，可靠性、安全性好；网络协议简单实用，工作效率高；网络结构具有高度分散性；控制设备的智能化与控制功能的自治性高；与信息网络之间有高效率的通信，易于实现与信息网络的集成；DCS、FCS均属控制网络的范畴。控制系统体系结构演变控制器远程传感器和执行机构...控制器现场总线智能自治节点控制器工控机...远程传感器和执行机构现场总线控制集散控制集中控制控制系统测控能力现场智能仪表内部结构模型4～20mA标准现场总线标准现场总线拓扑结构现场总线拓扑结构星型传输介质类型传输介质比较全数字通信多分支结构系统的开放性交互性现场设备的智能化和功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的高度适应性多为短帧传送，实时性强，可靠性高，安全性好低带宽现场总线的特点信息化与自动化层次信息层控制层设备层各类局域网802（IEEE），TCP/IP实现控制系统网络化，容许符合标准的设备方便接入。传感器、I/O部件、变送器、阀门、驱动器等，各设备厂商遵循公认的标准，设备可互操作。三层网络的特点信息层（管理层）高速报文传送高容量数据共享控制层支持I/O信息，报文的传输和诊断功能开放性技术能够设置信息的优先级支持多主、广播和点对点

(Peer-to-Peer)的通信方式高速I/O信息和报文的传送有效地数据共享确定性和可重复性

(Determinism&Repeatability)设备层有类似于控制层的要求，但更强调降低安装费用、系统调试时间。典型现场总线简介基金会现场总线（FoundationFieldbus，FF）1994年，由ISP和WorldFIP两大集团合并成立现场总线基金会，拥有120多个成员如AB、ABB、Honeywell等。采用ISO/OSI物理层，数据链路层和应用层，增加了用户层。有低速（H1，31.25kb/s,200m，400m，1200m，1900m）与高速（H2，1Mbps,2.5Mpbs,750m,500m）之分，H2逐渐被HSE（100Mb/s，甚至更高）取代。支持双绞线、同轴电缆、光缆和无线发射等传输介质。应用领域以过程自动化为主，比如化工，石油，污水处理。典型现场总线简介过程现场总线（Processfieldbus，Profibus）西门子为首的13家公司共有3种版本Profibus-FMS（FieldbusMessageSpecification），适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。Profibus-PA（ProcessAutomation），用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC61158-2标准。Profibus-DP（DecentralisedPeripherals），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。采用ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。传输速率为9.6kbps-12Mbps，传输距离为100m-1.2km。采用总线型、树型、星型。支持双绞线和光纤。制造自动化和过程控制自动化,电力，铁路交通。典型现场总线简介控制器局域网络（ControllerAreaNetwork，CAN）由德国Bosch开发,起初专为汽车工业设计。遵循ISO/OSI模型，采用了物理层和数据链路层，应用层协议允许用户自行开发。采用短帧结构，最可靠。可采用双绞线、同轴电缆、光缆等传输介质。通讯速率最高1Mb/s，最远通讯距离可达10km。成为ISO国际标准。芯片由摩托罗拉、Intel、Philips等公司生产，价格低廉，用量最大。典型现场总线简介局部操作网络（LocalOperatingNetwork，LON）由美国Echelon公司推出，摩托罗拉、东芝支持倡导，组成LonMARK互操作协会。采用ISO/OSI模型全部7层通讯协议。通讯速率从300b/s到1.5Mb/s，通讯距离可达2700m。采用总线型、树型。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线、电力线、无线发射等传输介质。LonTalk协议固化在Neuron芯片中，每片芯片带3个8位微处理器。最大的应用领域在楼宇自动化，在工业控制领域如石油、铁路也有应用。典型现场总线简介设备网（DeviceNet）由Rockwell推出，交由ODVA管理后得到全球众多制造商的支持，如Omron，Hitachi，ABB采用物理层、数据链路层和应用层。可选数据传输速率125Kbps、250Kbps、500Kbps。对等、多主和主从通信方式。可带电更换网络节点，在线修改网络配置。基于CAN的技术，低成本，高可靠性。典型现场总线简介控制网（ControlNet）由美国RockwellAutomation推出，交由CI管理后在全世界范围内拥有包括RockwellAutomation、ABB、Honeywell等70家著名厂商组成的成员单位。通讯速率5Mb/s，通讯距离30km。采用物理层、数据链路层和应用层。支持总线型、树型和星型。应用于交通运输、汽车制造、冶金、矿山、电力、食品等领域。基于CAN的技术。典型现场总线简介WorldFIP（WorldFactoryInstrumentationProtocol）WorldFIP基于FIP协议，其最初由法国于80年代开发，并成为法国国家标准和欧洲标准，有WorldFIP协会组织。采用ISO/OSI模型的物理层、数据链路层、应用层。具有单一的总线结构，可适应不同应用领域的需求。不同应用领域采用不同的总线速率，过程控制采用31.25kpbs，制造业为1Mbps，驱动控制为1-5Mbps。主要应用在过程自动化、制造自动化、电力、铁路运输。典型现场总线简介AS-i（ActuatorSensorInterface）AS-i由德国11家传感器/执行器制造商针对机床控制中的二进制开/关设备联合开发，成立ASI国际协会。AS-i系纯粹的主从系统，支持最多31个从节点，每个节点带4位数据，整个网络共有124个可寻址输入/输出。采用黄色的非屏蔽、非绞的双线传输数据和电源。AS-i可通过具网关功能的主设备（PLC或PC）连接至高一级总线系统，特别适用于作为小型PLC的通讯总线。典型现场总线简介HART（HighwayAddressableRemoteTransducer）HART协议为可寻址远程传感器数据通路通信协议。最早由Rosemount公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持和加盟，于1993年成立了HART通信基金会。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，是模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在现场总线发展的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快的发展。主要现场总线技术比较总线类型

技术特点

主要应用场合

价格

支持公司

FF

功能强大，本安，实时性好，总线供电；但协议复杂，实际应用少

流程控制

较贵

Honeywell，Rosemount，ABB,Foxboro,横河,山武等

WorldFIP

有较强的抗干扰能力，实时性好，稳定性好

工业过程控制

一般

Alstone

ProfibusPA

本安，总线供电，实际应用较多；但支持的传输介质较少，传输方式单一

过程自动化

较贵

Siemens

Profibus

DP/FMS

速度较快，组态配置灵活

车间级通讯、工业、楼宇自动化

一般

Siemens

InterBus

开放性好，与PLC的兼容性好，协议芯片内核由国外厂商垄断

过程控制

较便宜

独立的网络供应商支持

P-NET

系统简单，便宜，再开发简易，扩展性好；但响应较慢，支持厂商较少

农业、养殖业、食品加工业

便宜

PROCES-DATAA/S

SwiftNET

安全性好，速度快

航空

较贵

Boeing

CAN

采用短帧，抗干扰能力强，速度较慢，协议芯片内核由国外厂商垄断

汽车检测、控制

较便宜

Philips,siemens,

Honeywell等

LonWorks

支持OSI七层协议，实际应用较多，开发平台完善，协议芯片内核由国外厂商垄断

楼宇自动化、工业、能源

较便宜

Echelon

现场总线应用领域现场总线技术的应用领域十分广泛，凡属设备间需要数据通信的场合都需要它。连续、离散制造业，如电力、石化、冶金、纺织、造纸，过程自动化仪表；火车、汽车、轮船、机器人、数控机床；智能传感器楼宇自控、仓储智能交通、环境监测（大气、水污染监测网络）农、林、水利、养殖等其技术与产品在工业控制计算机、测控板卡、仪器仪表、系统集成、应用系统等领域都有良好的发展前景。全球现场总线新增节点数数据来自IMSResearch现场总线标准化（IEC61158）Type1，IEC

61158技术规范。由IEC/ISA负责制订的，曾试图使之成为统一的国际标准的一个技术规范，基金会现场总线FF的H1（低速现场总线）是其子集。

Type2，ControlNet现场总线。美国AB公司、Rockwell开发，ControlNet

International（CI）组织支持。

Type3，Profibus现场总线。德国西门子公司开发，Profibus用户组织（PNO）支持。欧洲现场总线标准三大总线之一。

Type4，PNet现场总线。丹麦Process

Data公司开发，PNet用户组织支持。欧洲现场总线标准三大总线之一。Type5，FF

HSE（High

Speed

Ethernet，高速以太网）。现场总线基金会FF开发的H2（高速现场总线）。

Type6，SwiftNet现场总线。美国SHIP

STAR协会主持制定，波音公司支持。

Type7，WorldFIP现场总线。法国WorldFIP协会制订并支持。欧洲现场总线标准三大总线之一。

Type8，Interbus现场总线。德国Phoenix

Contact公司开发，Interbus

Club支持。

现场总线标准化（IEC61158）数据来自IEC61158第4版现场总线标准化IEC62026AS-I，德国西门子公司支持DeviceNet，美国罗克韦尔公司、日本OMRON公司支持SDS，美国Honeywell公司支持Seriplex，美国Honeywell公司支持ISOCAN，ISO11898(1Mb/s)CAN，ISO11519(125kb/s)BACnet，ISO16484-5CC-Link，ISO15745-5数据通信基础数据、信息和信号数据的类型模拟数据（AnalogData）是由传感器采集得到在某个区间连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。数字数据（DigitalData）则是在某个区间产生的离散的值，例如文本信息、整数和脉冲数等，或者模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。数据、信息和信号信号与数据、信息有所不同，信号是数据的具体物理表现，具有确定的物理描述形式，如电压、磁场强度等。数据通常需要用某种信号进行传递和处理（即编码）。模拟信号是指取值随时间连续变化的信号。数字信号是指时间和数值上都不连续的信号。模拟信号和数字信号之间有着明显的差异，但两者在一定的条件下可以相互转换。模拟信号可以通过采样、量化、编码等步骤变成数字信号，这个过程通常称为模数（A/D）转换。数字信号也可通过解码、平滑等步骤恢复为模拟信号，这个过程通常称为数模（D/A）转换。通信线路的工作方式单工单工是指信号在任何时间内只能沿信道的一个方向传输，不允许改变方向。采用这种通信方式时，信源只允许发送信息，而信宿只能接收数据。半双工方式半双工是指信号在信道中可以双向传输，但两个方向只能交替进行，而不能同时进行。全双工方式全双工方式允许通信的双方在任何一个时刻，均可同时在两个方向传输数据信号。也就是说，通信双方在发送数据信息的同时仍可以接收对方发送来的信息。数据的传输模式并行传输数据以成组的方式在多条并行信道上同时进行传输，每位单独使用一条线路。串行传输数据按照顺序一位一位地在通信设备之间的一条通信信道上传输。数据的传输模式在串行传输过程中，数据是一位一位依次传输的，发送端通过发送时钟确定数据位的起始和结束。信号通过传输线路的到达接收端，为了保证能够被准确无误地接收，接收端必须与发送端同步。所谓同步就是要求通信的发送端和接收端在时间基准上保持一致。也就是说接收端不但要知道一组二进制位的开始与结束，还要知道每位二进制持续的时间，这样才能做到用适当的采样频率采样所收到的数据。由于发送端与接收端的时钟信号不能绝对一致，因此必须采取一定的同步手段。异步传输同步传输。异步传输数据传输以字符为单位，即每个字符作为一个独立的整体进行发送，字符与字符之间的间隔可以是任意的。实现方法是：当没有数据发送时，传输线路处于空闲状态，线路信号电平与二进制“1”对应的电平相同。当发送端发送字符时，为了通知接收端准备接收数据，在要发送的字符前加上一个起始位，起始位的长度为1bit，其信号电平与二进制“0”对应的电平相同。接收端通过检测信号电平发生的跳变来判断新数据的到达，从而与发送端取得同步。为了通知接收端一个字符已经传输结束，在字符代码的最后加上1位、1.5位或2位终止位（逻辑“1”）。异步传输方式简单、易实现，但传输效率较低，开销较大，这是因为每个字符都要附加起始位和终止位。因此，异步传输常用于低速设备。异步传输8位字符8位字符1b1.5b1.5b1b起始位终止位起始位终止位……同步传输同步传输是将若干个字符组合起来（称作数据帧或简称为帧）一起进行传输。在数据帧的第一部分包含一组同步字符，类似于异步传输的起始位，用于通知接收方一个数据帧已经到达，它同时还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致，使收发双方进入同步。数据帧的最后一部分是一个帧结束标记，类似于异步传输方式中的终止位，用于表示在下一帧开始之前没有别的即将到达的数据。SYNSYN控制字符数据字符控制字符帧起始标记帧结束标记同步传输同步传输以数据帧为单位来传送数据，帧中的字符是连续的，字符间无需加入附加位，因此同步传输比异步传输效率高，开销也很小。缺点是发送端和接收端的控制复杂，且对线路要求也较高。信号的编码技术在通信系统中，数据可分为模拟数据和数字数据，而根据传递的信号的性质不同，数据传输的通道也可分为模拟通信信道与数字通信信道。这样不同类型的信号在不同类型的信道上传输时形成了4种组合：模拟数据在模拟信道上传输、数字数据在模拟信道上传输、模拟数据在数字信道上传输、以及数字数据在数字信道上传输。无论哪种组合，在传输数据之前，都应解决数据的编码问题，使数据表示为适合于该信道传输的编码。模拟信号传输模拟数据幅度调制（AM）简称调幅，使载波信号幅度随原始的模拟数据（即调制信号）的幅度变化而得到的信号（已调信号），载波的频率是不变的。频率调制（FM）简称调频，使载波信号频率随原始的模拟数据的频率变化而得到的信号，而载波的幅度是不变的。相位调制（PM）简称调相，使载波信号的相位随原始的模拟数据的相位变化而得到的信号，而载波的幅度、频率是不变的。模拟信号传输数字数据数字信号传输模拟数据抽样在每隔固定长度的时间点上抽取模拟数据的瞬时值，作为从这一次抽样到下一次抽样之间该模拟数据的代表值。根据采样定理，当抽样的频率大于或等于模拟数据的最大主频率的两倍时，所得的离散信号可以无失真地代表被抽样的模拟数据。量化把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转换为对应的整数。这样，就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。编码编码是指把量化的结果转换为对应的二进制码。数字信号传输数字数据数字通信vs.模拟通信数字通信与模拟通信相比具有明显的优点：安全性好，便于加密。抗干扰能力强。模拟信号在传输过程中和叠加的噪声很难分离，噪声会随着信号被传输、放大、严重影响通信质量。数字通信中的信息是包含在脉冲的有无之中的，只要噪声绝对值不超过某一门限值，接收端便可判别脉冲的有无，以保证通信的可靠性。远距离传输仍能保证质量。因为数字通信是采用再生中继方式，能够消除噪音，再生的数字信号和原来的数字信号一样，可继续传输下去，这样通信质量便不受距离的影响，可高质量地进行远距离通信。适应各种通信业务要求（如电话、电报、图像、数据等），便于实现统一的综合业务数字网，便于采用大规模集成电路，便于实现加密处理，便于实现通信网的计算机管理。数字通信正向着小型化、智能化、高速大容量的方向迅速发展，最终必将取代模拟通信。应用传输物理数据链路表示会话网络应用传输物理数据链路表示会话网络1234567通信子网边界应用协议表示协议会话协议传输协议OSI参考模型主机A主机B比特帧分组TPDUSPDUPPDUAPDU应用传输物理数据链路表示会话网络应用传输主机至网络互连网络1234567OSI与TCP/IP在模型中不存在OSITCP/IP应用传输物理数据链路表示会话网络应用1234567OSI与现场总线在模型中不存在OSI现场总线物理数据链路物理层 物理层采用EIA-RS232、EIA-RS422/RS485等协议。由于在某些情况下，现场传感器、变送器要从现场总线“窃取”电能作为它们的工作电源，因此对总线上数字信号的强度（驱动能力）、传输速率、信噪比以及电缆尺寸、线路长度等都提出一定要求。数据链路层

数据链路层考虑到现场设备故障较多，更换频繁，所以数据链路层媒体访问控制多采用受控访问（包括轮询和令牌）协议，通常，各PC、PLC作为主站；传感器、变送器等作为从站。另外，须支持点对点、点对多点和广播通信方式。应用层

应用层解决应用什么样的高级语言（VC、VB或过程控制语言）来作为面向用户的编程（或组态）语言，其中包括设备名称、网络变量与配置（捆绑）关系，参数与功能调用及相关说明等，一般应具有符合IEC1131-3标准的图形用户界面（GUI）现场总线通信模型对OSI参考模型进行简化。通常只采用OSI模型的第1层和第2层及最高层应用层。目的简化通信模型结构，缩短通信开销，降低成本及提高实时性能。各种类型现场总线并存，并在各自的应用领域获得良好应用效果。采用相应的补充方法实现被删除的OSI各层功能。通信数据的信息量较小，因此，相对其他通信网络来说，通信模型相对简单，结构更紧凑，实时性更好，通信速率更快，成本更低。EIA-RS-485总线

DPEPICSMAP/MMS工业以太网冲压车间FMS500kBaud车身车间DP装配车间PLCPLCPLCPLCPLCPLCRS-485RS-485RS-485RS-485RS-485应用框图机械特性

采用RS-232/RS-485连接器（如CNET适配器）将PC串口RS-232信号转换成RS-485信号，或接入TTL/RS-485转换器（如MAX485）将I/O接口芯片TTL电平信号转换成RS-485信号，进行远距离高速双向串行通信。电气特性 信号逻辑，＋2V～＋6V表示“0”，-6V～-2V表示“1”，二线双端半双工差分电平发送与接收，无公共地线，能有效克服共模干扰、抑制线路噪声，传输距离1.2km，最高数据传输速率可达10Mbit/s（<40m）。线A线B差分电压A-B121=数据传输开始2=空闲段、无数据传输、总线终端终止的电平信号电平网络媒体

采用双绞线、同轴电缆或光纤，安装简易，电缆数量、连接器、中继器、滤波器使用数量较少（每个中继器可延长线路1.2km），网络成本低廉。

RS-485总线的数据链路协议 除有的采用符合ISO高级数据链路控制协议（HighDataLinkControl—HDLC）的数据链路处理器件或专有接口器件执行外，大多数产品是参照HDLC或其他一些标准自行定义而成，由此可组建经济实用型工业局域网。

由于国内许多电子产品都含有通用异步串行传输接口（UniversalAsynchronousReceiveandTransfer—UART）如单片机，另外RS-232接口也是PC的标准配置，因此，开发RS—485总线数据链路协议较好的方案是以字节式异步通信为基础，相应的帧格式所示。至于媒体访问控制部分则可采用受控访问或随机访问等不同方式。PROFIBus

PROFIBus原理Profibus简介

PROFIBus（ProcessFieldBus），欧洲开放式现场总线标准（EN50170），由Profibus—FMS（FieldbusMessageSpecification）、Profibus-PA（ProcessAutomation）和Profibus-DP（DistributivePeripheral）等三部分组成。其中Profibus-DP是一种高速（数据传输速率9.6Kbit/s～12Mbit/s）、经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O之间的通信，可满足交直流调速系统快速响应的时间要求；Profibus-PA用IECII58一2标准，传输速率为31.25Kbii／s，提供本质安全特性，适用于安全性要求较高以及由总线供电的场合；Profibus一FMS主要解决车间级通信问题，完成中等传输速度的循环或非循环数据交换任务。使用PROFIBus技术的核心公司有Siemens、NAIS、E+H、Sanson和