现场总线技术及其应用1

现场总线技术及其应用主讲：彭焕荣2005－9第一章现场总线概述1.1现场总线简介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，更是一个系统技术1.1概述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，形成了一种先进的工业测控技术－现场总线(Fieldbus)。

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，通过控制器向执行器传送信息，构成现场总线系统FCS(FieldbusControlSystem)1.1.1什么是现场总线定义：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。特点：1、传统测量仪器仪表微机化，具有数字计算、通信能力2、可用双绞线作为总线，连接现场仪器仪表成网络系统；特点：3、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现场总线控制系统的其它特点：1、全数字化通信2、1对N结构3、可靠性高4、可控状态5、互换性6、互操作性7、综合功能8、分散控制9、统一组态10、开发式系统1.1.2现场总线的体系结构1、现场通信网络一直延伸到生产现场或生产设备，用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互联的现场通信网络。2、现场设备互联现场设备指变送器、执行器、服务器、网桥和辅助设备及监控设备3、互操作性不同厂家的现场设备的交互操作与互换，实现即接即用，用户能自由集成FCS4、分散功能块FCS废弃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，构成虚拟控制站，统一组态，对所需控制系统实现彻底的分散控制。5、通信线供电（如：I2C总线）6、开放式互联网络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体，构成统一的FCS。1.1.4现场总线控制系统FCS一、FCS的组成组成特点：采用智能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块和I/O模块置于现场设备，直接在现场完成应用现场设备的通信能力，现场的测量变送仪表与执行机构直接传送信号实现了彻底的分散控制组成：FCS组成数字信号代替模拟信号，1对N通信，通信电缆又对设备提供电源，现场设备以外不再需要A/D-D/A转换部件。FCS由控制系统软件、测量系统、网络系统和管理系统组成1、控制系统软件包括监控组态软件、维护软件、仿真软件和设备管理软件等步骤：1、选择开发组态软件、控制操作人机接口软件；2、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；4、在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、输出报表等2、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功能3、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的设备制造等信息4、计算机服务模式客户－服务器模式5、数据库有组织的、动态的存储大量有关数据与应用程序6、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、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、应用软件数据库、通信协议、网络管理协议等二、FCS的体系结构1、现场总线与局域网连接，实现了新的结构体系，具有：决策自上而下，对下层充分授权，下层有灵活性，主动决策各部门间有相容性、相互支持的群体目标，可考虑不同部门间有交叉的功能性组织各层间相互通信联系2、新体系结构2包含：三层结构：底层：设备层中间层：生产管理层上层：工厂管理层两层网络：底层：现场总线网络层中间层：局域网络层最底层是现场测量设备和执行机构（包括DCS、PLC和I/O设备），它们汇集的总线是现场总线。典型的FCS组成结构三、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。5种设备类型：1、临时设备工作在现场总线网络上，用于对网络组态和排除设备故障2、静态块现场设备是一种包含功能块应用进程的现场设备，所有的功能块在静态下被确定5种设备类型：3、动态块现场设备有静态块现场设备同样的特性，但具有对功能块动态安装和删除的能力4、接口设备执行现场设备之间的接口功能5、显示设备现场总线设备管理现场总线设备管理的3个因素：1、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2、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现场总线设备管理图示四、现场总线控制网络的体系结构现场总线的本质：是一种控制网络，直接面向生产过程，与Internet等信息网络不同。要求：很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性。特点：1、对标准网络协议进行简化，只包括ISO/OSI层模型中的三层：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，综合自动化。统一的现场总线控制模型1、过程控制层PCS将自动化最底层的现场控制器和智能仪器、设备互联的实时控制通信网，遵循OSI通信协议。2、制造执行层MES从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数监控、报警和趋势分析3、企业资源规划层ERP在分布式网络环境下构建安全的远程监控系统。远程用户可实时查询、监控现场生产过程。五、通信模型与协议从应用和信息角度看FSC结构FCS结构以应用和信息视角为坐标，构成二维体系层次结构。1.5.5通信模型与协议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：应用层、数据链路层和物理层。1、物理层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、最大传输距离、电源等。2、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。DDL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，都是通过DDL的实时管理来协调的。3、应用层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。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。1.1.2

现场总线构造了网络集成式全分布控制系统1.1.3几种有影响的现场总线1、基金会现场总线（FoundationFieldbus,ff)应用领域以过程自动化为主2、Profibus总线应用领域：制造业自动化、过程自动化、电力、楼宇、铁路交通3、LonWorks总线应用领域：楼宇4、CAN总线应用领域：汽车、机器人、液压系统等几种有影响的现场总线5、WorldFIP总线应用领域：过程自动化、制造业自动化、电力、楼宇等6、P-NET总线应用领域：石化、能源、交通、轻工、建筑、环保和制造业等。7、HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)可寻址远程传感器高速通道开放协议特点：在模拟信号传输线上实现数字通信1.5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1.5.2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1.6MAP、TOP与现场总线1.6.1定义MAP：制造自动化协议。ManufacturingAutomationProtocol.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TOP（TechnicalandProtocal)适合办公自动化协议。与MAP相互补充与集成。1.6.2TOP/MAP/Fieldbus的网络结构

(80年代）1.6.3LAN/Fieldbus（TCP/IP协议为基础）小结第2章网络与通信基础2.1总线的基本概念2.1.1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，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主设备：可以在总线上发起信息传输的设备总线从设备：只能挂接在总线上，对总线信息接收、查询的设备2.1.1总线的基本术语

1、控制连接在总线上的设备控制信号：

2、改变总线操作方式

3、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套规则报文（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成的数据单元。2.1.2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连接数据传送脱开的操作序列数据传送：“读、写”数据操作读：来自响应者的数据写：向响应者写数据通信请求

物理寻址：特定位置的从设备寻址逻辑寻址：指定存储器单元的通用区广播寻址：用于选择多个响应者2.1.2总线操作的基本内容总线仲裁总线定时：用定时信号进行同步，指明数据、地址信号什么时候有效出错检测容错：重新分配地址、隔离故障多段总线操作：多段互连2.2通信系统简介2.2.1通信系统的组成2.2节－－2.4节自学2.5介质访问控制方式目的：解决同一时刻多个设备争用传输设备。方法：1、随机访问方式：常用CSNA/CD争用总线技术2、控制访问方式：常用令牌总线、令牌环2.5.1CSMA/CD

（载波监听多路访问/冲突检测）特点：监听总线状态－先听后讲。介质空闲发送，介质忙，等待一段时间后再试。三种CSMA坚持退避算法1、不坚持CSMA。介质空闲，则发送，否则等待随机时间，重试。2、1－坚持CSMA。介质空闲，则发送，介质忙，继续监听，直到介质空闲，立即发送。3、P－坚持CSMA。介质空闲，以P的概率（随机算法）发送，介质忙，继续监听，直到介质空闲，立即发送。2.5.2令牌访问控制方式基本方式：按一定顺序在各站点传递令牌，谁得到令牌，谁才有发报权。两种令牌方式：1、令牌环方式2、令牌传递总线方式网上各工作站按一定顺序形成逻辑环，首尾相连。第三章开放系统互连参考模型3.1OSI((OpenSystemInterconnection)参考模型定义：实现开放系统互连所建立的分层模型目的：为其它计算机互连提供共同的基础和标准框架，并为保持相关标准的一致性和兼容性提供共同的参考。3.1.1OSI参考模型的结构（共七层）3.1.2OSI参考模型的功能划分(1)1－3层：LLF底层功能：通信传送4－7层：HLF高层功能：通信处理

3.1.2OSI参考模型的功能划分(2)第一层：物理层

提供同步、比特流在物理媒体上的传输手段。典型协议：EIA-232D等第二层：数据链路层

用于建立、维持或拆除链路连接，实现无差错传输典型协议：OSI标准协议中的数据链路控制HDLC第三层：网络层利用数据链路层功能，通过路由器和中继器，实现两个系统之间的连接3.1.2OSI参考模型的功能划分(3)第四层：传输层

完成开放系统之间的数据传输控制、收发确认、对第五－第七层大的数据传输进一步提高可靠性第五层：会话层

依靠第四层以下的通信功能，使数据传送功能在开放系统间有效进行。第六层：表示层

把应用层提供的信息变换为能够共同理解的形式：字符代码、数据格式、控制信息格式、加密的统一表示。第七层：应用层实现应用进程之间的信息交换，OSI的最高层3.6OSI参考模型与现场总线通信模型现场考虑到的工业生产现场特点：1、大量传感器、控制器、执行器零散分布在一个大范围2、单个