第1讲 现场总线概述
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总线上的数据输入设备包括按钮、传感器、接触器、变送器、阀门等， 总线上的数据输入设备包括按钮、传感器、接触器、变送器、阀门等， 传输其位置状态、参数值等数据 传输其位置状态、 总线上的输出数据用于驱动信号灯、接触器、开关、 总线上的输出数据用于驱动信号灯、接触器、开关、阀门等
简单理解，它就是通信总线一直延伸到现场设备。 简单理解，它就是通信总线一直延伸到现场设备。 工业数据通信系统： 工业数据通信系统：在生产设备之间传递数字信息 自控领域的局域网： 自控领域的局域网：企业的底层网络
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现场总线可采用多种介质（多种有线和无线方式）传送数字信 现场总线可采用多种介质（多种有线和无线方式） 可采用多种介质 号。在两根导线上可挂接多至几十个自控设备，能节省大量线 在两根导线上可挂接多至几十个自控设备， 缆、槽架、连接件。减少系统设计、安装、维护的工作量。 槽架、连接件。减少系统设计、安装、维护的工作量。 现场总线形成真正分散在现场的完整控制系统， 现场总线形成真正分散在现场的完整控制系统，提高了控制系 形成真正分散在现场的完整控制系统 统运行的可靠性。丰富了控制设备的信息内容， 统运行的可靠性。丰富了控制设备的信息内容，提供了如阀门 动作次数、故障诊断等信息。 动作次数、故障诊断等信息。 为控制信息进入公用数据网络创造了条件， 为控制信息进入公用数据网络创造了条件，沟通了现场控制设 备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系， 备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，便于实现管控 一体化。 一体化。 控制网络与数据网络的结合，便于实现信号的远程传送与异地 控制网络与数据网络的结合，便于实现信号的远程传送与异地 远程自动控制。 远程自动控制。
·控制层
1）处于控制的中间层次； 2）连接不同的可编程设备、控制器、人机终端等，通过网关设备与信息层相连， 很多应用实时性要求较高，包括I/O的实时刷新，互锁信息和控制器等之间报 文的报文传递等； 3）通信特点是要求有较高的网络速度，实时性要求较高的情况下要求通信是确 定的，可重复的。
·设备层
1）控制网络的最低层； 2）面向大量的现场设备，包括离散型的I/O（光电传感器、接近开关等），温度 变送器、流量计等较为复杂的设备，通过扫描器或网关设备将数据传送到控 制层； 3）通信特点是速度要求不一定很高，有一定的智能和容错能力，要求网络节点 设备的经济性、智能化，设备添加/删除简单方便，故障诊断和纠错容易，适 应现场的不同恶劣条件。 由上述分析可知： 由上述分析可知： • FCS的信号传输实现了全数字化； • FCS的系统结构是全分散化，它废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，由现 场设备和现场仪表取而代之； • FCS的现场设备具有互操作性； • FCS的通信网络为开放式互联网，既可同层网络互连，也可与不同层网络互 连，用户可极方便地共享网络数据库； • FCS地技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用。
OSI模型
现场总线协议模型
◆
现场总线的协议
— 现场总线一般采用国际标准组织ISO的开放系统互联
（OSI）协议，OSI协议是为计算机联网而制定的7层参考模型， 只要网络中所有要处理的要素都是通过共同的路径进行通信的， 那么不管它是不是计算机网络都可以使用该协议
— 各厂家在实际制定自己的通信协议 实际制定自己的通信协议时，往往依据侧重点 实际制定自己的通信协议
现场总线技术以其先进性、实用性、可靠性、开放性的优点，必 然成为未来自动化技术发展的主流。 现场总线技术的出现，使得工业生产自动化水平有了实质性的提 高，符合工业控制网络化、信息化的时代需求，所以具有良好的 发展前景。它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的 它的出现， 它的出现 开始。 开始。 — 现场总线是综合自动化的发展需要； 现场总线是综合自动化的发展需要； — 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础； 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础；
现场总线系统是企业的底层网络 现场总线系统是企业的底层网络
NT 服务器
企业管理层 （数据网络） 局域网 Internet
过程监控层 （数据网络） 监控工作站 现场总线接口 现场控制层 （控制网络）
调节阀 差压变送器 差压变送器 差压变送器 温度变送器
其它工作站
现场总线网段
总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点， 连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的控制网络。
现场总线的特点与优点？ 现场总线的特点与优点？
技术特点： 技术特点 — 系统的开放性。 — 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。 优点： 优点 现场总线是计算机、通信、控制技术的融合。 现场总线是计算机、通信、控制技术的融合。现场总线的以 上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、 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。 节省安装费用。 节省维护开销。 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。
典型控制网络体系结构
工业控制网络的基本层次： 工业控制网络的基本层次：
·信息层
1）控制系统的最上层； 2）通信的主要特点：通信数据量大，通信的发生较为集中，要求有高速链路支 持，对实时性要求不高； 3）通信范围从车间级到全场厂级甚至因特网范围，与数据库技术、互联网技术、 数据分析和处理技术紧密相关； 4）可连接的设备包括控制器、pc、操作员站、高速I/O、其它局域网设备，通过 网关设备可以连接入因特网。
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现场总线的结构
从物理结构来看，现场总线系统有两个主要组成部分：现场设备 和传输介质，其中现场设备由现场微处理芯片及外围电路构成， 传输介质可以使用双绞线、同轴电缆、光纤等 现场总线的拓扑结构有很多种，如总线型、环型、树型、星型等 现场总线网络结构是按照OSI参考模型建立的，OSI参考模型共 现场总线网络结构 分7层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表达 层和应用层。现场总线将上述7层简化为3层，分别由OSI参考模 式的第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层组成，并 增加了用户层。
的不同，仅实现该7层协议的子集。
几种典型的现场总线
基金会现场总线（ Foundation） 1. 基金会现场总线（FF,Fieldbus Foundation） ◆ FF总线是国际公认的唯一不附属于某企业的公正非 商业化的国际标准化组织，其宗旨是制定统一的现场 总线国际标准，无专利许可要求，可供任何人使用。 ◆ FF总线分低速H1和高速H2两种通信速率，其协议规 范建立在OSI参考模型之上。其中H1的传输速率为 31.25kbps,通信距离可达1900m(可加中继器延长)， H2的传输速率为1Mkbps和2.5Mkbps，其通信距离分别 为750m和500m。
现场总线技术及其应用
安徽建筑工业学院机电系 电气教研室
主要讲述内容
第1讲：现场总线技术概述 讲 第2讲：数据通信与网络知识 讲 第3讲：通信参考模型 讲 第4讲：CAN总线 讲 总线 第5讲：以现场总线为基础的控制系统与网络系统 讲 第6讲：现场总线的应用动态与思考 讲
第1讲 现场总线技术概述 讲
现场总线是自动化领域的通信、网络技术, 也被称之为 工厂的底层网络（Infranet） 总线是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信 息。 它是有别于计算机网络，电视、电话网络的另一类网络
现场总线技术是近10多年来自动化控制领域研 现场总线技术是近10多年来自动化控制领域研 10 究的热点技术之一。 究的热点技术之一。
现场总线的发展背景 现场总线的基本概念 现场总线的结构 几种典型的现场总线 典型控制网络体系结构
现场总线的发展背景
随着计算机、通信、网络等技术的发展，20世纪末世界最重要的变化是全球 市场化的形成，从而导致竞争激烈，产品技术含量高、更新换代快。 全球市场化要求工业生产必须采用系统集成、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，并且要采用计算机、自动化、通信等技术来实现整个过程的综合 自动化。生产过程可以看作是信息采集、传送及加工处理的一个过程。 要实现整个生产过程的信息集成，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，以实现底层现场 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。 一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作(Fieldbus Control System,FCS)——现场总线系统，人们一般把50年代的气动信号控制系统称 为第一代，把4～20mA等电动信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中 式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布系统DCS称作第 四代。 返 回
LonWorks现场总线 现场总线（ Networks） 2. LonWorks现场总线（Local Operation Networks） ◆ LonWorks是1991年美国Echelon公司推出的通用总线，它提供 了完整的端到端的控制系统解决方案，可同时应用在装置级、设 备级、工厂级等任何一层总线中，并提供实现开放性互操作控制 系统所需要的所有组件，使控制网络可以方便地与现有的数据网 络实现无缝集成。 ◆ LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称为Neuron的神 经元芯片中而得以实现。LonTalk协议是LonWorks技术的核心， 它提供了OSI参考模型的全部7层服务，并固化于Neuron芯片。 Profibus现场总线 现场总线（ 3. Profibus现场总线（Process Fieldbus） ） ◆ Profibus是德国20世纪90年代制定的国家工业现场总线协议标 准，其应用领域包括加工制造、过程和建筑自动化，如今已成为 国际化的开放式现场总线标准，即EN50170欧洲标准。 ◆ Profibus是一种不依赖于厂家的开放式现场总线标准，采用 Profibus标准后，不同厂商所生产的设备不需要对其接口进行特 别调整就可通信。Profibus为多主从结构，可方便地构成集中式、 集散式和分布式控制系统。
CAN总线 总线（ Network） 4. CAN总线（Controller Area Network） ◆ CAN是德国Bosch公司从20世纪初为解决现代汽车中众多的控 为解决现代汽车中众多的控 制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议， 制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议 1993年11月国际标准化组织ISO正式颁布了关于CAN总线的 ISO11898标准，目前CAN总线得了Motorola、Intel、Philip、 Siemence、NEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。 ◆ CAN总线也是建立在OSI参考模型基础上的，不过只采用了其 中的物理层、数据链路层和应用层。其通信速率最高可达 1Mbps/40m。
现场总线的基本概念
什么是现场总线 现场总线在自动化系统中的位置和影响 现场总线技术给用户带来的好处
早期把现场总线又称为工业电话线: 早期把现场总线又称为工业电话线 通过连线在测控设备 现场总线又称为工业电话线
之间传递数据信息，把传感器、按钮、 之间传递数据信息，把传感器、按钮、执行机构等连接到控制 或工业计算机上。 器、或PLC或工业计算机上。通过相互通信共同执行测量控制 或工业计算机上 任务。 任务。
简单理解，它就是通信总线一直延伸到现场设备。 简单理解，它就是通信总线一直延伸到现场设备。 工业数据通信系统： 工业数据通信系统：在生产设备之间传递数字信息 自控领域的局域网： 自控领域的局域网：企业的底层网络
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现场总线可采用多种介质（多种有线和无线方式）传送数字信 现场总线可采用多种介质（多种有线和无线方式） 可采用多种介质 号。在两根导线上可挂接多至几十个自控设备，能节省大量线 在两根导线上可挂接多至几十个自控设备， 缆、槽架、连接件。减少系统设计、安装、维护的工作量。 槽架、连接件。减少系统设计、安装、维护的工作量。 现场总线形成真正分散在现场的完整控制系统， 现场总线形成真正分散在现场的完整控制系统，提高了控制系 形成真正分散在现场的完整控制系统 统运行的可靠性。丰富了控制设备的信息内容， 统运行的可靠性。丰富了控制设备的信息内容，提供了如阀门 动作次数、故障诊断等信息。 动作次数、故障诊断等信息。 为控制信息进入公用数据网络创造了条件， 为控制信息进入公用数据网络创造了条件，沟通了现场控制设 备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系， 备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，便于实现管控 一体化。 一体化。 控制网络与数据网络的结合，便于实现信号的远程传送与异地 控制网络与数据网络的结合，便于实现信号的远程传送与异地 远程自动控制。 远程自动控制。
·控制层
1）处于控制的中间层次； 2）连接不同的可编程设备、控制器、人机终端等，通过网关设备与信息层相连， 很多应用实时性要求较高，包括I/O的实时刷新，互锁信息和控制器等之间报 文的报文传递等； 3）通信特点是要求有较高的网络速度，实时性要求较高的情况下要求通信是确 定的，可重复的。
·设备层
1）控制网络的最低层； 2）面向大量的现场设备，包括离散型的I/O（光电传感器、接近开关等），温度 变送器、流量计等较为复杂的设备，通过扫描器或网关设备将数据传送到控 制层； 3）通信特点是速度要求不一定很高，有一定的智能和容错能力，要求网络节点 设备的经济性、智能化，设备添加/删除简单方便，故障诊断和纠错容易，适 应现场的不同恶劣条件。 由上述分析可知： 由上述分析可知： • FCS的信号传输实现了全数字化； • FCS的系统结构是全分散化，它废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，由现 场设备和现场仪表取而代之； • FCS的现场设备具有互操作性； • FCS的通信网络为开放式互联网，既可同层网络互连，也可与不同层网络互 连，用户可极方便地共享网络数据库； • FCS地技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用。
OSI模型
现场总线协议模型
◆
现场总线的协议
— 现场总线一般采用国际标准组织ISO的开放系统互联
（OSI）协议，OSI协议是为计算机联网而制定的7层参考模型， 只要网络中所有要处理的要素都是通过共同的路径进行通信的， 那么不管它是不是计算机网络都可以使用该协议
— 各厂家在实际制定自己的通信协议 实际制定自己的通信协议时，往往依据侧重点 实际制定自己的通信协议
现场总线技术以其先进性、实用性、可靠性、开放性的优点，必 然成为未来自动化技术发展的主流。 现场总线技术的出现，使得工业生产自动化水平有了实质性的提 高，符合工业控制网络化、信息化的时代需求，所以具有良好的 发展前景。它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的 它的出现， 它的出现 开始。 开始。 — 现场总线是综合自动化的发展需要； 现场总线是综合自动化的发展需要； — 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础； 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础；
现场总线系统是企业的底层网络 现场总线系统是企业的底层网络
NT 服务器
企业管理层 （数据网络） 局域网 Internet
过程监控层 （数据网络） 监控工作站 现场总线接口 现场控制层 （控制网络）
调节阀 差压变送器 差压变送器 差压变送器 温度变送器
其它工作站
现场总线网段
总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点， 连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的控制网络。
现场总线的特点与优点？ 现场总线的特点与优点？
技术特点： 技术特点 — 系统的开放性。 — 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。 优点： 优点 现场总线是计算机、通信、控制技术的融合。 现场总线是计算机、通信、控制技术的融合。现场总线的以 上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、 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。 节省安装费用。 节省维护开销。 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。
典型控制网络体系结构
工业控制网络的基本层次： 工业控制网络的基本层次：
·信息层
1）控制系统的最上层； 2）通信的主要特点：通信数据量大，通信的发生较为集中，要求有高速链路支 持，对实时性要求不高； 3）通信范围从车间级到全场厂级甚至因特网范围，与数据库技术、互联网技术、 数据分析和处理技术紧密相关； 4）可连接的设备包括控制器、pc、操作员站、高速I/O、其它局域网设备，通过 网关设备可以连接入因特网。
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现场总线的结构
从物理结构来看，现场总线系统有两个主要组成部分：现场设备 和传输介质，其中现场设备由现场微处理芯片及外围电路构成， 传输介质可以使用双绞线、同轴电缆、光纤等 现场总线的拓扑结构有很多种，如总线型、环型、树型、星型等 现场总线网络结构是按照OSI参考模型建立的，OSI参考模型共 现场总线网络结构 分7层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表达 层和应用层。现场总线将上述7层简化为3层，分别由OSI参考模 式的第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层组成，并 增加了用户层。
的不同，仅实现该7层协议的子集。
几种典型的现场总线
基金会现场总线（ Foundation） 1. 基金会现场总线（FF,Fieldbus Foundation） ◆ FF总线是国际公认的唯一不附属于某企业的公正非 商业化的国际标准化组织，其宗旨是制定统一的现场 总线国际标准，无专利许可要求，可供任何人使用。 ◆ FF总线分低速H1和高速H2两种通信速率，其协议规 范建立在OSI参考模型之上。其中H1的传输速率为 31.25kbps,通信距离可达1900m(可加中继器延长)， H2的传输速率为1Mkbps和2.5Mkbps，其通信距离分别 为750m和500m。
现场总线技术及其应用
安徽建筑工业学院机电系 电气教研室
主要讲述内容
第1讲：现场总线技术概述 讲 第2讲：数据通信与网络知识 讲 第3讲：通信参考模型 讲 第4讲：CAN总线 讲 总线 第5讲：以现场总线为基础的控制系统与网络系统 讲 第6讲：现场总线的应用动态与思考 讲
第1讲 现场总线技术概述 讲
现场总线是自动化领域的通信、网络技术, 也被称之为 工厂的底层网络（Infranet） 总线是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信 息。 它是有别于计算机网络，电视、电话网络的另一类网络
现场总线技术是近10多年来自动化控制领域研 现场总线技术是近10多年来自动化控制领域研 10 究的热点技术之一。 究的热点技术之一。
现场总线的发展背景 现场总线的基本概念 现场总线的结构 几种典型的现场总线 典型控制网络体系结构
现场总线的发展背景
随着计算机、通信、网络等技术的发展，20世纪末世界最重要的变化是全球 市场化的形成，从而导致竞争激烈，产品技术含量高、更新换代快。 全球市场化要求工业生产必须采用系统集成、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，并且要采用计算机、自动化、通信等技术来实现整个过程的综合 自动化。生产过程可以看作是信息采集、传送及加工处理的一个过程。 要实现整个生产过程的信息集成，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，以实现底层现场 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。 一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作(Fieldbus Control System,FCS)——现场总线系统，人们一般把50年代的气动信号控制系统称 为第一代，把4～20mA等电动信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中 式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布系统DCS称作第 四代。 返 回
LonWorks现场总线 现场总线（ Networks） 2. LonWorks现场总线（Local Operation Networks） ◆ LonWorks是1991年美国Echelon公司推出的通用总线，它提供 了完整的端到端的控制系统解决方案，可同时应用在装置级、设 备级、工厂级等任何一层总线中，并提供实现开放性互操作控制 系统所需要的所有组件，使控制网络可以方便地与现有的数据网 络实现无缝集成。 ◆ LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称为Neuron的神 经元芯片中而得以实现。LonTalk协议是LonWorks技术的核心， 它提供了OSI参考模型的全部7层服务，并固化于Neuron芯片。 Profibus现场总线 现场总线（ 3. Profibus现场总线（Process Fieldbus） ） ◆ Profibus是德国20世纪90年代制定的国家工业现场总线协议标 准，其应用领域包括加工制造、过程和建筑自动化，如今已成为 国际化的开放式现场总线标准，即EN50170欧洲标准。 ◆ Profibus是一种不依赖于厂家的开放式现场总线标准，采用 Profibus标准后，不同厂商所生产的设备不需要对其接口进行特 别调整就可通信。Profibus为多主从结构，可方便地构成集中式、 集散式和分布式控制系统。
CAN总线 总线（ Network） 4. CAN总线（Controller Area Network） ◆ CAN是德国Bosch公司从20世纪初为解决现代汽车中众多的控 为解决现代汽车中众多的控 制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议， 制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议 1993年11月国际标准化组织ISO正式颁布了关于CAN总线的 ISO11898标准，目前CAN总线得了Motorola、Intel、Philip、 Siemence、NEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。 ◆ CAN总线也是建立在OSI参考模型基础上的，不过只采用了其 中的物理层、数据链路层和应用层。其通信速率最高可达 1Mbps/40m。
现场总线的基本概念
什么是现场总线 现场总线在自动化系统中的位置和影响 现场总线技术给用户带来的好处
早期把现场总线又称为工业电话线: 早期把现场总线又称为工业电话线 通过连线在测控设备 现场总线又称为工业电话线
之间传递数据信息，把传感器、按钮、 之间传递数据信息，把传感器、按钮、执行机构等连接到控制 或工业计算机上。 器、或PLC或工业计算机上。通过相互通信共同执行测量控制 或工业计算机上 任务。 任务。