现场总线技术3
现场总线技术简介
演讲人
目录
0现场总线技术的概念
现场总线技术的定义
1
2
3
4
现场总线技术是一种 用于工业自动化领域
的网络通信技术
现场总线技术可以 实现设备之间的实 时数据交换和监控
现场总线技术可以 应用于各种工业控
制系统和设备中
现场总线技术可以 提高生产效率和降
Modbus等。
建筑自动化现场总线：用于建筑自动化 和控制系统的现场总线技术，如 LonWorks、BACnet等。
汽车电子现场总线：用于汽车电子控制 系统的现场总线技术，如CAN、LIN等。
智能家庭现场总线：用于智能家庭控制 系统的现场总线技术，如KNX、 ZigBee等。
现场总线技术的优缺点
01
现场总线技术的应用领域
工业自动化：用于控制和监测工业 生产过程
交通自动化：用于控制和监测交通 设施，如交通信号灯、交通监控等
楼宇自动化：用于控制和监测楼宇 设备，如照明、空调、安防等
医疗自动化：用于控制和监测医疗 设备，如医疗仪器、医疗监控等
现场总线技术的分类
现场总线技术的种类
工业现场总线：用于工业自动化和控制 系统的现场总线技术，如Profibus、
优点：实时性好，传输速度快，可靠性高，易于维护和扩展
02
缺点：成本较高，需要专门的硬件和软件支持，兼容性较差
03
适用场景：工业自动化、智能建筑、智能交通等领域
04
发展趋势：随着技术的不断发展，现场总线技术将更加智能化、集成化和网络化。
谢谢
低生产成本
现场总线技术的特点
01 实时性：现场总线技
术可以实现实时数据 传输，满足工业控制 对实时性的要求。
现场总线技术
○ DIN19245;EN50170 。
应用领域:工厂自动化和楼宇自动化。 使用情况:应用很广，已有250家生产厂商2000多种产品，已安装25万节点。
Profibus-DP 主要性能特点
传输速率范围很 广，可高速数据 通信 9.6Kbit/s~12 Mbit/s
:
料纺养厂应 管织系、用 理工统农领 系业、业域 统、沥环奶 。太青境制
阳和控品 能水制厂 电泥、、 站生动啤 、产物酒 燃、饲
:
:IEC61158;IEC61784;E
N50179
准标 。
Data
支
持
公 司
单 位
。丹
麦
Proces-
:
P-NET
P-NET主要性能特点
使用屏蔽双绞线电缆(RS485)，总线分段结构，每段长1200m; 通信速率:76.8kbit/s;·结构简单灵活，易于扩展，不采用专用芯片。
理 任
点网
。
:
要
工应 业用 控领 制域 。流
程 工 业 及 其 它
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册公
注等
过生
通默
品艾
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用 情 况
:
(4
)
已 有 产
主要性能特点
IEC支持，开放性好，可互操作性好; 使用工业级的以太网、集线器、交换机等设备; 网络层使用IP行规，传输层使用TCP、VDP(用户数据报协议，即为
IEIF标准下768项协议)行规; 作为FCS的主干网络，可局域网冗余，设备冗余。
INTERB US主要性 能特点
环型拓扑网络，通过总线控制板引出主干 线外，并具有165分支层;
现场总线技术
9.4.2 现场总线技术现场总线技术是20世纪80年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术。
现场总线技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。
更重要的是从原来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络选择设备。
尤其是20世纪90年代现场总线技术逐渐进入中国以来，结合Internet和Intranet的迅猛发展，现场总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。
1．什么是现场总线技术从名词定义来讲，现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。
而现场总线标准规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。
数据的传输介质可以是电线电缆、光缆、电话线、无线电等等。
现场总线技术就是将微处理器芯片嵌入到位于控制现场的检测仪表和执行机构中，使这些设备都具有了智能化的运算和通信能力，能成为独立承担各种检测、控制和通信任务的网络节点。
采用可进行简单连线的双绞线等传输途径作为总线，把多个测量控制设备连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，使得位于现场的多个测量控制设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，从而形成了各种适应实际需要的新型的自动控制系统。
传统控制系统的接线方式是并联接线方式，从可编程控制器（PLC）控制各个电器元件，每一个元件对应有一个I/O口，两者之间需用两根线进行连接，作为控制或电源。
当PLC 所控制的电器元件数量达到数十个甚至数百个时，整个系统的接线就显得十分复杂，容易搞错，施工和维护也十分不便。
为此，人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起，用一根导线来连接所有设备，所有的数据和信号都在这根线上流通，同时设备之间的控制和通信可任意设置。
因而这根线自然而然地成了总线，就如计算机内部的总线概念一样。
由于控制对象都在工矿现场，不同于计算机通常用于室内，所以这种总线被称为现场总线。
《现场总线技术》课程主要内容
答：面向连接的服务：按照电话系统建模的； 无连接服务：按照邮政系统建模的，存储-转发交换，直通式交换。
（7）OSI 参考模型分为哪 7 层？TCP／IP 参考模型分为哪 4 层？现实实际运行 的网络采用了哪 5 层？
答：IEC61158：工业控制系统用现场总线包括：FF H1，FF HSE，ControlNet， Profibus，P-Net，SwiftNet，WorldFIP，Interbus 八种。
IEC62026：低压开关设备和控制设备用现场总线（设备层现场总线）包括： DeviceNet ，Seriplex（串行多路控制总线），AS-i（执行器传感器接口），SDS （智能分布系统）。
《现场总线技术》课程主要内容
第 1 章 概论
（1）名词解释： CCS（Computer Control System）中央控制计算机系统， DCS（Distributed Control System）集散控制系统/分散控制系统/分布式控制
系统、 FCS（Fieldbus Control System）现场总线控制系统。
（4）如何理解服务、接口和协议？ 答：服务是指某一层向它上一层提供的一组原语（操作）。服务定义了该层
准备代表其用户执行哪些操作，但它并不涉及如何实现这些操作；在每一对相邻 层之间的是接口（interface）。接口定义了下层向上层提供哪些原语操作和服务； 协议就是定义通信双方同层对等实体之间传输/交换的数据单元的格式和意义的 一组规则。 （5）SAP、IDU、PDU、SDU、ICI。
答：OSI 参考模型：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示 层，应用层；
现场总线技术
发展趋势
现场总线技术的发展应体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的继续发展和完善；另一个是高速现场总 线技术的发展。
现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对络的性能要求不是很高。从应用状况看， 无论是FF和Profibus，还是其他一些现场总线，都能较好地实现速率要求较慢的过程控制。因此，在速率要求较 低的控制领域，谁都很难统一整个世界市场。而现场总线的关键技术之一是互操作性，实现现场总线技术的统一 是所有用户的愿望。今后现场总线技术如何发展、如何统一，是所有生产厂商和用户十分关心的问题。
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 31.25Kbps，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的传输速率为 1Mbps和 2 5Mbps两种，其通信距 离为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IEC 1158-2标准。其物理媒介的传 输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变，或是负跳变。正跳变代表0，负跳变代表1，从 而使串行数据位流中具有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。
优点
节省硬件数量与投资
发展趋势由于现场总线系统中分散在设备前端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，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技 术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，由于控制设备的减少， 还可减少控制室的占地面积。
一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS——现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动 信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟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控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系 统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统 所造成的缺陷；另一方面把DCS的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。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。
现场总线技术概述
现场总线技术概述现场总线技术（Fieldbus）是指在工业自动化系统中，用于连接现场设备和控制系统的一种通信协议和架构。
它通过将数据和控制命令从控制系统传输到现场设备，并将现场设备反馈的数据传输回控制系统，实现实时监控和控制。
现场总线技术的发展起源于20世纪80年代，旨在解决传统控制系统中布线复杂、成本高昂、可靠性低等问题。
与传统控制系统相比，现场总线技术具有可编程、分布式、开放性强等优点，是实现工业自动化和智能化的重要手段之一现场总线技术的核心是通信协议，常见的现场总线协议包括Profibus、Modbus、FOUNDATION Fieldbus、DeviceNet等。
这些协议定义了数据格式、通信速度、错误检测和纠正等通信规范，保证了不同设备之间的互通性和稳定性。
现场总线技术的架构通常由控制层、总线层和现场设备层组成。
控制层包括控制器和上位机，负责发送控制命令和接收反馈数据；总线层是控制器与现场设备之间的通信介质，包括总线线缆、连接器和信号转换设备；现场设备层包括传感器、执行器等各种设备，负责感知和执行现场操作。
现场总线技术在工业自动化中的应用广泛，涵盖了各个行业和领域。
它可以实现对现场设备的远程监控和控制，提高了系统的可靠性和灵活性。
同时，现场总线技术还可以对现场设备进行参数配置和诊断，减少了故障排除时间和维护成本。
然而，现场总线技术也存在一些挑战和限制。
首先，不同的现场总线协议之间，通常不能直接互联互通，需要通过网关或转换器进行数据的转换和交换。
其次，现场总线技术对硬件设备的要求较高，需要选择与总线兼容的设备进行接入。
此外，现场总线技术的通信速度相对较慢，对于一些对实时性要求较高的应用场景可能不够满足。
总的来说，现场总线技术是工业自动化领域的重要技术和工具，具有广泛的应用和发展前景。
随着工业互联网的兴起，现场总线技术将继续推动工业自动化向智能化、高效化的方向发展。
现场总线总结
总线基本概念部分1、现场总线的概念P1：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。
2、现场总线的5个发展阶段P2：》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》现场总线控制系统FCS3、现场总线分类P3：(目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。
高速现场总线主要应用于控制网内的互连,连接控制计算机、PLC 等智能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接,它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。
) 传感器总线和设备总线统称为现场总线；按通信帧的长短，把数据传输总线分为：传感器总线,设备总线和现场总线；ASI总线，传感器总线，位级数据总线；CAN总线，设备总线，字节级数据总线；ControlNet，PROFIBUS，Foundation Fieldbus总线，现场总线，数据块级数据总线；4、现场总线的技术特点P8:•1.系统的开放性•2.可操作性与互用性•3.现场设备的智能化与功能自治性•5。
对现场环境的适应性5、现场总线的优势与劣势P9：优势：1.节省硬件数量与投资；2。
节省安装费用;3.节约维护开销；3.用户具有高度的系统集成主动权；4.提高了系统的准确性与可靠性劣势：网络通信中数据包的传输延迟，通信系统的瞬时错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等，都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，是的控制系统的分析和综合变得更复杂，使控制系统的性能受到负面影响。
6、总线操作、总线仲裁概念P15总线操作：总线上数据发送者与接受者之间的连接-〉数据传送—〉脱开这一操作序列成为一次总线操作。
这里的连接指在相同或不同设备内，通信对象之间的逻辑绑定。
连接完成之后通信报文的发送与接收过程，或者数据的读写操作过程，称为数据传送.而脱开则指完成一次或多次总线操作后，断开发送者与接受者之间的连接关系，放弃对总线的占有权。
《现场总线及其应用技术》第3版试卷B及答案
一、基本概念（每小题3分，共48分）1、数据编码分几种？什么是差分码？答：数据编码有单极性码、双极性码、归零码、非归零码、差分码、曼彻斯特码和模拟数据码。
差分码：用电平的变化与否代表逻辑电平变化代表"1"，不变化代表“0”按照此规定的码称为信号差分码。
2、什么是网络传输介质？答：传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体网络中常用的传输介质有电话线、同轴电缆、双绞线、光导纤维、无线与通信卫星通信。
3、什么是现场总线？答：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。
IEC对现场总线（Fie1dbus）一词的定义为：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、多节点数字通信技术。
4、什么是载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）?答：这种控制方式对任何工作站都没有预约发送时间。
工作站的发送是随机的，必须在网络上争用传输介质，故称之争用技术。
若同一时刻有多个工作站向传输线路发送信息，则这些信息会在传输线上互相混淆遭破坏，称为“冲突”，为尽量避免由于竞争引起的冲突，每个工作站在发送信息之前，都要监听传输线上是否有信息发送，这就是“载波监听”。
载波监听CSMA的控制方式是先听再讲。
一个站要发送，首先需监听总线，以决定介质上是否存在其他站的发送信号。
如果介质是空闲的，则发送。
如果介质是忙的，则等待一定间隔后重试。
当监听总线状态后，可采用以下三种CSMA坚持退避算法：第一种为不坚持CSMA。
第二种为I-坚持CSMA o第三种为P-坚持CSMAo由于传输线上不可避免的有传输延迟，有可能多个站同时监听到线上空闲并开始发送从而导致冲突。
故每个工作站发送信息之后，还要继续监听线路，判断是否有其他站正与本站同时向传输线发送。
一旦发现，便终止当前发送，这就是“冲突检测”。
现场总线技术及其应用
1987年，美国暖通空调工程师协会组织（ASHARE） 的标准项目委员会调集了全球20多位业内著名专家， 经过8年半时间，在1995年6月，ASHARE正式通过全 球首个楼宇自控行业通讯标准——BACnet 。 BACnet标准的目的是——为计算机控制暖通空调 和制冷系统及其他系统规定通信服务和协议，从而 使不同厂家的产品可以在同一个系统内协调工作。
28
BACnet是一个开放的建筑电器气总线，选用一 种成熟的局域网技术，其标准是遵从和参照国际 标准化组织的开放系统互联模型，采用了4层结 构：应用层、网络层、数据链路层和物理层。 BACnet标准体系结构与OSI/ISO的参照图，如 图3-5所示。
24
⑷ CAN采用点对点，一点对多点及全局广播几种发 送和接收数据方式，可实现全分布式多机系统， 且无主从之分。 ⑸ CAN总线可以工作在多主方式，网络上任一节点 均可以在任意时刻向其他节点发送信息，从不分 主从，通信方式灵活。 ⑹ CAN采用非破坏性的总线仲裁技术。 ⑺ CAN不能支持防爆区。
25
18
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。 LonWorks技术自1991年推出后，发展很快，到 1996年已有2600家生产商，使用并且安装了200多 万个节点，远远超过了任何其他测控现场总线， 其应用范围包括工业控制，楼宇自动化，航空/航 天等，几乎囊括了测控应用的所有范畴，在其销 售额中，40%是工业控制，30%是楼宇自动化 。
15
现场总线的通信模型具有结构简单、 执行协议直观、价格低廉等优点，也满足 工业现场应用的性能要求。
16
3.2 建筑电气总线技术
现场总线技术第一章 现场总线技术概述(第3版)
信息传送与沟 通； 互用性则意味着不同制造商性能类似的设备
可进行更换， 实现相互替换。
（3）现场设备的智能化与功能自治性
将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等 功能分散到 现场总线设备中完成。
（4）系统结构的高度分散性
机构 的模拟量接口 双向通信方式使传输信息量大大丰富
FCS的体系结构
FCS的新特征
FCS用现场总线替代DCS中的I/O总线，并且 直接用 于生产现场；
FCS用现场总线数字仪表替代DCS中的现场 模拟仪表， 实现更复杂的功能。
1.2 DCS的结构及其分类
一、DCS的结构
在系统的组成结构方面，DCS都由三部分组成： 分散过程控制装置部分 (集中)操作管理装置部分 通信系统部分
1.分散过程控制装置部分
由多回路控制器、多功能控制器、可编程序逻 辑 控制器及数据采集装置等组成。
主要功能：
分散的过程控制，是系统与过程之间的接口。
结构特征：
适应恶劣的工业生产过程环境 分散控制 实时性 独立性
2.集中操作和管理系统部分
主要功能
汇集各分散过程控制装置送来的信息，通过监视 和操作，把 操作和命令下送各分散控制装置。( 信息用于分析、研究、 打印、存储并作为确定生 产计划、调度的依据。)
模拟仪表控制系统 Analog Control System
常规模拟单回路调节（控制）系统
调节仪表 测量仪表 执行器 统一的模拟信号，如4~20mADC
(2)直接数字控制系统 Direct Digital Control System
出现于20世纪60年代初 随着计算机的发展和普及而得到应用 多回路控制：控制功能增强，算法先进 执行机构、测量变送仪表仍采用模拟量 （4~20mA） 需要模/数（A/D）、数/模（D/A）转换 计算机控制生产过程
现场总线技术
1-1 什么是现场总线?现场总线出现的历史背景是怎样的？定义：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。
它广泛应用于制造业、流程工业、楼宇、交通等领域的自动化系统中。
背景:从20世纪50年代至今一直都在使用着一种信号标准，那就是4一2OmA的模拟信号标准。
20世纪70年代，数字式计算机引人到测控系统中，而此时的计算机提供的是集中式控制处理。
20世纪80年代,微处理器在控制领域得到应用，微处理器被嵌人到各种仪器设备中，形成了分布式控制系统。
随着微处理器的发展和广泛应用，产生了以IC代替常规电子线路，以微处理器为核心，实施信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能的智能设备。
一些具有专家辅助推断分析与决策能力的数字式智能化仪表产品，其本身具备了诸如自动量程转换、自动调零、自校正、自诊断等功能，还能提供故障诊断、历史信息报告、状态报告、趋势图等功能通信技术的发展，促使传送数字化信息的网络技术开始得到广泛应用.与此同时，基于质量分析的维护管理、与安全相关系统的测试记录、环境监视需求的增加，都要求仪表能在当地处理信息，并在必要时允许被管理和访问，这些也使现场仪表与上级控制系统的通信量大增. 另外，从实际应用的角度出发，控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新需求。
由此，导致了现场总线的产生。
1-2 与DCS相比，FCS在结构上有哪些特点?试画出其结构图。
特点:形成了新型的网络集成式全分布控制系统，现场总线控制系统由于采用了现场总线设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、输入输出模块置入现场总线设备，加上现场总线设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行器直接传送信号，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。
由于采用数字信号代替模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号（包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息），同时又为多个现场总线设备提供电源；现场总线设备以外不再需要A/D、D/A转换部件。
《现场总线技术及其应用(第3版)》样卷及答案
学年第学期《现场总线技术及其应用》期末试卷一、填空题（每空格1分，共20分）1．寻址是主设备与从设备建立联系的一种总线操作，通常有物理寻址、逻辑寻址、及广播寻址三种寻址方式。
2．通常使用的数据交换技术有三种：线路交换、报文交换和分组交换。
3． CCLink总线具有组态简单、接线简单、设置简单和维护简单、运行可靠等优点。
4． Modbus只定义了通信消息的结构，对通信端口没有具体规定。
5．OSI参考模型将计算机网络的通信过程分为物理层、网络层、会话层等七层。
6．串行通信按照信息在设备间的传送方向可分为单工、半双工和全双工三种方式。
7．Profibus提供了 RS485 、光纤及IEC1158-2三种类型的传输技术。
8．在CClink网络中，远程I/O站仅处理位信息，而远程设备站可以处理位信息，也可以处理字信息。
二、简答题（每小题7分，共42分）1．数据传输的通信接口标准有哪些？答：RS485/RS422/RS2322．什么是集散控制系统？其基本设计思想是什么？答：集散控制系统是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机控制系统，其核心思想是集中管理、分散控制。
3．通信系统一般由哪几部分组成？答：一般由信息源、发送设备、传输介质、接收设备及信息接收者等几部分组成。
4．在Profibus网络中2类主站起什么作用？试举出能做2类主站的设备。
答：2类主站（DPM2）完成非周期性数据访问， DPM2主要是在工程设计、系统组态或操作设备时使用，比较典型的DPM2有：编程设备、触摸屏、操作面板等设备。
5．写出Modbus主从设备查询/响应的过程。
答：主设备初始化系统通信设置，并向从设备发送信息；从设备正确接收消息后响应主设备的查询或根据主设备的消息作出响应的动作。
6. 在CCLink系统中，缓冲存储器起什么作用？它与E2PROM的关系是什么？答：1）缓冲存储器是一个临时的存储空间，暂时存放将要写到EEPROM或者是内部存储器的一些参数信息。
现场总线技术
现场总线技术现场总线（Fieldbus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。
由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。
微处理器的出现，特别是微控制器的发展为现场总线的产生和发展创造了条件。
现有的多数现场设备，为提高其性能价格比，在实现其内部操作时都采用了微处理器和数字化元件，于是就提出了必须在这些领域的数字设备之间实现数字通信的要求。
采用现场总线的目的就是为了满足这种要求，为工业领域中的测量和调节控制设备提供实现串行数字通信的手段。
图中为倍加福公司开发的传感器和执行器总线。
该总线处于总线的最下一层。
对于现场总线，一方面把传统的模拟仪表变成数字仪表，变单一功能为多项功能，实现现场仪表的互操作和互换信息；另一方面是把DCS（分散型控制系统）变成FCS（现场控制系统），在现场建立开放式的现场通信网络，实现全系统的数字通信网络化。
现场总线有以下优点：1.一对N的结构，一对传输线，可以对应多台现场数字仪表，也可采用多种网络拓扑结构，简化了工程设计，降低了工程费用。
2.现场总线采用数字信号传输。
3.实现远程监控4.综合多种功能，以微处理器为基础的数字仪表具有多种功能；另外数字调节阀直接从现场总线接收数字调节信号，在现场总线上就可以构成回路，把原来的DCS站的功能下放到现场仪表，实现彻底的分散，提高系统的可靠性。
目前，较为流行的现场总线有FF、LonWorks、Profibus、WorldFIP、CAN、HART（过渡协议）等。
我国市场也有一些系统集成公司推出自己基于不同现场总线的系统，如艾讯推出BITlink，康拓工控推广的Bitbus 和Atcent两个现场总线产品等。
其中HART和LonWorks在我国开发和应用较多。
现场总线技术第三章 PROFIBUS 总线(第3版)
3.1 PROFIBUS的通信模型和协议类型
PROFIBUS通信模型
PROFIBUS通信模型
PROFIBUS通信模型参照了ISO/OSI参考模型的第1层 （物理层）和第2层（数据链路层），其中FMS还采用 了第7层（应用层）,另外增加了用户层。 PROFIBUS－DP和PROFIBUS－FMS的第1层和第2层相 同， PROFIBUS-FMS有第7层，PROFIBUS－DP无第7层 。PROFIBUS－PA有第1层和第2层，但与DP/FMS有区别 ，无第7层。
3.PROFIBUS-FMS:解决车间一级通用性通信任务， FMS提供大量的通信服务，用以完成以中等传输速率 进行的循环和非循环的通信任务。由于它是完成控制 器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息 交换，因此它考虑的主要是系统的功能而不是系统响 应时间，应用过程通常要求的是随机的信息交换 (如 改变设定参数等)。可用于大范围和复杂的通信系统。
RS-485总线段的结构
VP(6) 390Ω 220Ω 390Ω
DGND(5)
RS485段
B
RS485总线段的结构 A
....
最多32个站
VP(6) 390Ω 220Ω 390Ω DGND(5)
（1）传输程序
半双工、异步、无间隙同步 NRZ（不归零）编码 “1”——RXD/TXD-P（Receive/Transmit-Data-P）线
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PROFIBUS如何达到MAC的要求？
湖北水利水电职业技术学院 ——电力电子工程系
PROFIBUS现场总线控制技术概述 PROFIBUS总线存取协议，在主站之间采用 令牌传送方式，在主站与从站之间采用主 从方式。
湖北水利水电职业技术学院 ——电力电子工程系
PROFIBUS现场总线控制技术概述
湖北水利水电职业技术学院 ——电力电子工程系
湖北水利水电职业技术学院 ——电力电子工程系
PROFIBUS的通信模型和协议结构
协议结构 2. PROFIBUS-PA采用了扩展的DP协议。根据 IEC61158-2标准，这种传输技术可确保其本质 的安全性并通过总线给现场设备供电。使用分
段式耦合器，PROFIBUS-PA设备能很方便的集 成到PROFIBUS-DP网络上。
行仪 业器 规规 约约
-即插即用 - 总线供电（可选） - 效益好，价格适中 - 本质安全 （可选）
湖北水利水电职业技术学院 ——电力电子工程系
PROFIBUS总线的组成
PROFIBUS DP： 这是一种经过优化的高速和便宜的通信总
线，它的设计是专门为自动控制系统与分 散的I/O设备级之间进行通信使用的。一般 构成单主站系统，主站、从站间采用循环 数据传输方式工作。
中继器：可扩展至4台。 站数：最多127个站，每段10-32个设备 防爆型：本安、防爆、安全栅隔离 拓扑：线形或树形，或结合。
湖北水利水电职业技术学院 ——电力电子工程系
PROFIBUS的传输技术
IEC61158-2传输技术 问题：PA技术能不能通过外接电源供电呢？ 回答：可以。如果外接电源设备，允许根据EN50170 标准，带有适当的隔离装臵，将总线供电设备与外 接电源供电设备连接在本质安全总线上。 见书P15，图2-4
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PROFIBUS的通信模型和协议结构
通信模型
用户层 DP设备行规 基本功能 扩展功能 DP用户接口 直接数据链路映像程 序（DDLM） 第7层 （应用层） 应用层接口 ALI 应用层 现场总线报文规范 （FMS） 低层接口（LL1） 第3-6层 未使用 IEC接口 第2层 数据链路层 数据链路层 （数据链路 现场总线数据链路层 现场总线数据链路 （FDL） 层（FDL） 层） 第1层 物理层 （物理层） （RS-485/光纤） 物理层 （RS-485/光纤） FMS设备行规 PA设备行规 基本功能 扩展功能 DP用户接口 直接数据链路映像程 序（DDLM）
物理层
接收数据
没有错误
MAC协议
有错
LLC层
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PROFIBUS的总线存取控制机制
PROFIBUS介质存取控制MAC的基本要求： ① 在主站间通信，必须保证在确切限定的时间间 隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通 信任务； ② 在主站和从站间通信，应尽可能快速又简单地 完成数据的实时传输。
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PROFIBUS总线的组成
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PROFIBUS的通信模型和协议结构
通信模型 PROFIBUS是根据ISO7498国际标准以OSI作为参考 模型的。但省略了3-6层，同时又增加了用户层。
1. 物理层 2. 现场总线数据链路层 3. 用户层
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PROFIBUS的传输技术
三种有效的传输技术
提供三种不同的物理层选择: • RS 485: • IEC 61158-2: • 光纤: 用于 DP 和 FMS 用于 PA 用于 DP 和 FMS
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PROFI院 ——电力电子工程系
PROFIBUS总线的组成
• PROFIBUS由三个部分组成
EN 50170 第二卷与DIN19245第1至第4部分
加工自动化
PROFIBUS-FMS RS 485 / FO 通用
加工自动化 PROFIBUS-DP RS 485 / FO 快捷
过程自动化 PROFIBUS-PA IEC 61158-2 面向行业
⑩ 超过500kbps的数据传输速率时，应避免使用短截线段， 应使用市场上现有的插头。
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PROFIBUS的传输技术
PROFIBUS DP 电缆
双绞线
屏蔽层
外套
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PROFIBUS的传输技术
用于PA的IEC61158-2传输技术
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PROFIBUS的传输技术
IEC61158-2传输技术
数据传输：数字式 同步Manchester编码
传输速率：31.25kBit/s
数据可靠性：前同步信号，采用起始和终止限定符避免误差 本质安全（可选）和通过总线对站供电（可选）
电缆：屏蔽或非屏蔽的双绞电缆
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PROFIBUS的传输技术
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PROFIBUS的传输技术
用于DP、FMS的RS-485传输技术
5. 9针，D型插头
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PROFIBUS的传输技术
RS-485传输设备安装要求 ① 全部设备均与总线连接。 ② 每个分段上最多可接32个站（主站或从站） ③ 每段的头和尾总有一个总站终端电阻，确保操 作运行不发生误差。 ④ 每分段站超过32个时，必须使用中继器用以连 接各总线段
IEC61158-2
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PROFIBUS的通信模型和协议结构
通信模型
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PROFIBUS的通信模型和协议结构
协议结构 1. PROFIBUS-DP使用了第一层（物理层）、第二 层（数据链路层）和用户接口。第三层到第七 层未加以描述。这种结构确保了数据传输的快 速和有效进行，直接数据链路映像（DDLM）为 用户接口，易于进入第二层。
PROFIBUS PA：它是专门为过程自动化设计的，它可使传感
器和执行器安在一根共同的总线上，甚至在 本质安全领域也可接上。PROFIBUS-PA用双 绞线进行总线供电和数据通信。 它主要是用来解决车间级通用性通信任务， PROFIBUS FMS： 可用于大范围和复杂的通信。总线周期一 般小于100ms。
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PROFIBUS的传输技术
RS-485传输设备安装要求
⑤ 电缆最大长度取决于传输速率 ⑥ 电缆参数 ⑦ RS-485传输技术的PROFIBUS网络最好使用9针D形插头 ⑧ 当连接各站时，应确保数据线不要拧绞；在高电磁发射 环境中，应使用屏蔽的电缆。
⑨ 如用屏蔽，应在两端与保护接地连接，以保持良好的传 导性。另外数据线必须与高压线隔离。
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PROFIBUS的传输技术
光纤传输技术
① PROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下应用。
② 两种光纤导体：一为塑料纤维导体，二为玻璃 纤维导体 ③ 专用总线插头，可以实现RS-485信号和导体信 号的互相转换。
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PROFIBUS的总线存取控制机制
LLC（逻辑链路控制）
MAC（介质存取控制） 总线数据链路层
MAC主要负责控制与连 接物理层的物理介质
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PROFIBUS的总线存取控制机制
发送数据
可以发送
MAC协议
否
数 据 控 制 信 息 数 据 控 制 信 息
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PROFIBUS的通信模型和协议结构
协议结构
分段式耦合器
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PROFIBUS的通信模型和协议结构
协议结构 3. PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS系统使用了同样 的传输技术和统一的总线访问协议，因而这两 套系统可在同一根电缆上同时操作。
用于DP、FMS的RS-485传输技术 RS-485传输是profibus最常用的一种传输技 术，这种技术通常称为H2。 RS-485传输技术基本特征
1. 网络拓扑：线性总线，两端有总线终端电阻。 2. 传输速率：从9.6kBit/s~12MBit/s。 3. 传输介质：可选双绞屏蔽电缆。
4. 站点数：每段32个站，最多允许127个站（带中继） 网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。
PROFlBUS (Process Fieldbus的缩写)是一 种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现
场总线标准。它广泛应用于制造业自动化、流程
工业自动化和楼宇、交通、电力等其他自动化领
域。
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PROFIBUS现场总线控制技术概述
PROFIBUS技术的发展经历
• 1987年由德国SIEMENS公司等13家企业和5家研究机构联 合开发； • 1989年成为德国工业标准DIN19245； • 1996年成为欧洲标准EN50170V.2(PROFIBUS-FMS-DP); • 1998年PROFIBUS-PA被纳入EN50170V.2； • 1999年PROFIBUS成为国际标准IEC61158的组成部分 (TYPEIII)； • 2001年成为中国的机械行业标准JB/T10308-3-2001。
是一种同步协议，可进行无电流的连 续传输，通常称为H1。 IEC61158-2传输技术基本特征