现场总线
现场总线介绍
Lonworks技术采用的LonTalk 协议被封 装在被称为Neuron Chip 的神经元芯片内得 以实现，该项技术已广泛应用楼宇自动化、 家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设 备、工业过程控制等领域。
（2）现场总线的产生
现场总线是综合自动化的发展需要.. T(time to market); Q(quality) ; C(cost); S(service) ;
要实现整个生产过程的信息集成，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。 以实现现场自动化智能设备之间的多点数 字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现 场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。 于是，现场总线应运而生。
现场总线介绍
华东理工大学自动化系 王学武
主要内容
概念 产生 现场总线的含义 特点和优点 几种总线简介 现场总线的产生历程 现场总线市场分析 现场总线产业发展现状 现场总线技术的发展趋势 国内现场总线发展概况
（1）概念
什么是现场总线？ 应用在生产现场、在测量控制设备之间实现双 向串行多节点数字通信的开放型控制网络技术。
ARC高级过程自动化分析师Paula Hollywood（研究报告主要作者）说，“最初， 现场总线的主要优点被描述为降低布线、设备 安装和调试成本……，而最终用户在项目运行 成本（OpEx）上实际享受到的好处则更多，因 为双向数字通信使通信质量改进以及所链接智 能设备能够实现远程诊断使生产过程效率提高。 ARC开展的2006年现场总线最终用户问卷 调查也表明，设备维护技术人员和生产现场操 作人员效率的提高，是迄今为止现场总线能带 来的最大好处。”
市场研究最后得出结论，现场总线最重要 的优点在维护和运行中体现出来。该技术本身 并不能降低成本；但根据ARC的解释，它充当 了“一个能明显降低运行成本且有助于实现运 行卓越，使设备管理效率达到新的水平的使能 技术。”
三种工业总线及其中的现场总线
一，工业总线三种基本类型*传感器级总线，即485总线网络*设备级总线，即HART总线网络*现场总线，即FieldBus现场总线网络现场总线定义：现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网现场总线分为以下几种：下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。
1、基金会现场总线（FoundationFieldbus 简称FF）这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。
该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。
基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。
FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。
后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。
FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。
2、CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域网）最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。
CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。
CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。
CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M /1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。
已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。
现场总线技术
FF
• 支持单位:现场总线基金会(FisherRosemount等100多家公司)。
• 标准:IEC61158;IEC61784。 • 应用领域:流程工业及其它工业控制。 • 使用情况:已有试点工程投入运行。 • 多家生产各种有FFH1接口的产品，
现场总线标准
• FF • ControlNet • Profibus • P-NET • FFHSE • SwiftNet • WorldFIP • INTERBUS
FFHSE
• 支 持 单 位 : 现 场 总 线 基 金 会 (FisherRosemount等100多家公司)。
• 准 :IEC61158;IEC61784;IEC611313;IEEE80 和 RFC894 的 工 业 标 准 以 太 网;IETF(互联网管理任务要点)。
WorldFIP
• WorldFIP世界工厂仪表协议支持单位: 法国Alstom公司(原Honeywell公司为 北 美 参 加 单 位 ， 后 与 FF 合 并 ) 。 标 准 :IEC61158;IEC61784;EN50170(F IP为法国国家标准)。
• 应用领域:电力工业、铁路交通、工业控 制、楼宇自动化。
可以满足系统集成要求。
FF主要性能特点
·IEC支持，开放性好，可互操作性好it/s; ·支持本质安全防爆; ·有数据链路网桥连接与HSE相连。
Profibus
• Profibus-DP • Profibus-PA • Profibus-FMS
Profibus-DP
现场总线系统安全规范
功能块与设备描述规范
• 现场设备信息格式及功能描述规范 称为”行规”(Profile), 行规可有效 实现各种现场设备应用层互联。
什么是现场总线
什么是现场总线？随着计算机、控制、通信、网络等技术的发展，作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线（FieldBus）技术也得到了发展迅速、影响巨大，引起了工程技术界的普遍兴趣与重视，使计算机控制系统逐步从集散控制系统（DistributedControlSystem DCS）走向以现场总线位基础的分布式现场总线控制系统（FieldbusControlSystem,FC S），被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。
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工业控制技术。
通俗地讲，现场总线就是用在现场的总线技术，和计算机内部的总线概念一样，但是由于现场的特殊环境（如温度，安装条件，干扰等等），不同于计算机通常用于室内，为了区别，所以我们把这种总线称为现场总线。
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。
现场总线被誉为自动化领域的计算机局域网1．1、现场总线的特点根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会(ISA)对现场总线的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向多节点、总线式的全数字通讯，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、造价低廉、维护成本低等特点。
国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求：（1）同一数据链上过程控制单元（PCU）、PLC等与数字1/0设备互连；（2）现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取；（3）通信媒体安装费用较低。
SP50委员会提出的两种现场总线结构模型是：●星型总线用短距离、廉价、低速率电缆取代模拟信号传输线●总线型总线数据传输距离长、速率高，采用点对点、点对多点和广播式通信方式2．2、现场总线技术特征现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有以下几项技术特征。
（1）现场设备已成为以微处理器为核心的数字化设备，彼此通过传输媒体（双绘线、同轴电缆或光纤）以总线拓扑相连；（2）网络数据通信采用基带传输（即数字数据数字传输），数据传输速率高（为Mbit/s或10Mbit/s级），实时性好，抗干扰能力强；（3）废气了集散控制系统（DCS）中的I/O控制站，将这一级功能分配给通信网络完成；（4）分散的功能模块，便于系统维护、管理与扩展，提高可靠性；（5）开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互连设备与控制级网络或管理信息级网络相连；（6）互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需要的网络。
现场总线
1、什么是现场总线？安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。
现场总线一般是指一种用于连接现场设备，如传感器（sensors）、执行器以及像PLC、调节器（regulators）、驱动控制器等现场控制器的网络。
现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向、串行、多节点、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。
现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（现场设备）之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备（车间级设备）之间的联系。
现场总线是连接控制系统中现场装置的双向数字通信网络；现场总线是从控制室连结到现场设备的双向全数字通信总线。
现场总线是用于过程自动化和制造自动化（最底层）的现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。
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。
由此网络构成的系统称为现场总线控制系统。
2、现场总线的结构特点是什么？现场总线系统中，各现场设备分别作为总线上的网络节点，设备之间采用网络式连接是现场总线系统在结构上最显著的特征之一。
（1）系统的开放性开放系统是指通信协议公开，不同制造商提供的设备之间可实现网络互连与信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。
（2）互可操作性与互用性互可操作性，是指网络中互连设备间的信息传送与交换，可实行点对点，一点对多点的数字通信。
而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
（3）通信的实时性与确定性现场总线系统的基本任务是实现测量控制。
现场总线系统中的媒体访问机制、通信模式、网络管理与调度方式等都将保证通信的实时性、有效性与确定性。
（4）现场设备的智能化与功能自治性智能主要体现在现场设备的数字计算与数字通信能力上。
现场总线(重点)
一章1、现场总线：应用在生产现场，在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的技术。
2、现场总线技术特点：系统的开放性、互可操作性、通信的实时性和确定性、现场设备的智能与功能自治性、对现场环境的适应性。
3、现场总线的优越性：节省硬件数量与投资、节省安装费用、节省维护开销、用户具有系统集成主动权、提高系统的准确性与可靠性。
4、企业网络系统按功能结构划分为：企业资源规划层ERP、制造执行层MES、现场控制层FCS。
二章1、总线协议：总线上的设备如何使用总线的一套规划。
2、总线主设备：有能力在总线上发起通信的设备。
3、总线仲裁：对总线冲突的处理过程，根据某种裁决规则来确定下一个时刻具有总线占有权的设备。
有集中仲裁和分布式仲裁两种。
4、数据通信系统中，无线传输媒体：电磁波、红外线。
有线媒体：双绞线、电缆、电力线、光缆。
5、工业数据通信中常用数据传输速率9600b/s、31.25kb/s、500kb/s、1mb/s、2.5mb/s、10mb/s、100mb/s。
6、误码率pe：数字通信中二进制码元出现传输出错的概率。
用处：7、增加带宽w并不能无限制地是信道容量增大。
8、模拟数据编码：采用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0、1状态。
数字数据编码：用低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态。
9、模拟数据编码的三种编码方法：幅值键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK。
10、曼彻斯特编码定义：数据通信中最常用的一种基带信号编码。
好处：在一个位时间内，其中间点总有一次信号电平的变化，这一信号电平的变化可用来作为节点间的同步信息，无需另外传送同步信息。
11、串行传输：数据流以串行方式逐位地在一条信道上传输。
并行传输：将数据以成组的方式在两条以上的并行通道上传输。
12、同步传输和异步传输是指通信处理中使用时钟信号的不同方式。
13、同步原因：接收方为了能正确恢复位串序列，必须能正确区分出信号中的每一位，区分出每个字符的起始与结束位置，区分出报文帧的起始与结束位置。
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。
现场总线的概念
现场总线的概念
现场总线（Fieldbus）是一种用于工业自动化领域的通信协议，它用于在现场设备（如传感器、执行器、变送器等）和控制系统（如PLC、DCS、FCS等）之间进行数字通信。
现场总线是一种开放式、数字化、双向通信系统，它允许不同的设备之间进行实时通信和数据交换。
这些设备通常位于工厂的现场，用于监测和控制生产过程中的各种参数，如温度、压力、流量等。
现场总线的特点包括：
1.开放式：现场总线是一种开放式通信协议，允许不同的设备之
间进行通信，不受厂商和技术的限制。
2.数字化：现场总线采用数字信号进行通信，相比传统的模拟信
号具有更高的精度和稳定性。
3.双向通信：现场总线支持双向通信，即设备之间可以进行数据
交换和相互控制。
4.实时性：现场总线具有较高的实时性，能够满足工业自动化领
域的实时监测和控制要求。
5.可靠性：现场总线具有较强的抗干扰能力，能够在恶劣的工作
环境下稳定运行。
常见的现场总线协议包括Modbus、Profinet、CAN总线、HART等。
这些协议各有特点，适用于不同的应用场景。
在选择现场总线时，需要根据实际需求和应用场景进行综合考虑。
现场总线(Field Bus)
第五章现场总线(Field Bus)§5.1 概述一、现场总线的定义与发展与发展：：安装在生产过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置间的数字式装置间的数字式、、串行和多点通信的数据总线串行和多点通信的数据总线。
1. 初始想法初始想法：：现场设备智能化2. 关键问题关键问题：：统一标准3. DCS FCS传统DCS 结构:二、现场总线的特点和优点（1）实时性实时性：：具有较高的数据传输率具有较高的数据传输率，，合理分配总线资源合理分配总线资源，，每个节点都能及时收发信息（2）互操作性互操作性：：实现互连设备间实现互连设备间、、系统间的信息传送与沟通（3）互换性互换性：：要求不同制造商生产的性能类似的设备可进行互换（4）开放性开放性：：协议公开协议公开，，不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换（5）现场设备的智能化与功能自治性（6）经济性经济性：：节点价格低节点价格低，，传输介质较廉价传输介质较廉价，，减少线缆（7）安全性安全性：：解决防爆问题（8）可靠性可靠性：：解决环境适应性问题解决环境适应性问题，，具有较强的抗干扰能力使得控制系统的设计使得控制系统的设计、、安装安装、、投运投运、、正常生产运行及检修维护都得到了优化现场总线仪表是指连接在现场总线上的各种仪表或设备或设备，，按功能可分为六类按功能可分为六类：：–变送器类变送器类：：压力变送器压力变送器、、温度变送器等温度变送器等；；–执行器类执行器类：：气动执行器气动执行器、、电动执行器等电动执行器等；；–转换器类转换器类：：现场总线/电流转换器电流转换器、、现场总线/气压转换器等换器等；；–接口类接口类：：计算机和控制器与现场总线之间的接口仪表或设备或设备；；–电源类电源类：：现场总线仪表供电电源现场总线仪表供电电源；；–附件类附件类：：总线连接器(网桥)、终端器终端器、、中继器等中继器等。
现场总线仪表的特点:全数字性全数字性；；精度高精度高；；抗干扰能力强抗干扰能力强；；内嵌控制功能内嵌控制功能；；高速通信；多变量测量和传输多变量测量和传输；；系统综合成本低系统综合成本低；；真正的可互操作性；真正的分散控制本质安全型(Intrinsic safety)仪表又叫安全火花型仪表又叫安全火花型仪表。
5种现场总线
CAN 是Controller Area Network 的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。
在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。
由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。
为适应―减少线束的数量‖、―通过多个LAN，进行大量数据的高速通信‖的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。
此后，CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。
现在，CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。
它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。
CAN属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。
较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言, 基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：首先,CAN控制器工作于多主方式,网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,且CAN协议废除了站地址编码,而代之以对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强,并且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和系统的灵活性。
而利用RS-485只能构成主从式结构系统,通信方式也只能以主站轮询的方式进行,系统的实时性、可靠性较差;其次,CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CAN L与物理总线相连,而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANL端只能是低电平或悬浮状态。
现场总线实验报告
一、实验目的1. 理解现场总线的基本概念和原理。
2. 掌握现场总线的硬件连接和软件配置方法。
3. 学习使用现场总线进行数据传输和设备控制。
4. 分析现场总线在实际应用中的优缺点。
二、实验原理现场总线（Field Bus）是一种用于工业自动化领域的通信网络，主要用于连接现场设备和控制系统。
它具有以下特点：1. 串行通信：现场总线采用串行通信方式，可以实现多节点之间的数据传输。
2. 多点通信：现场总线支持多点通信，可以实现多个设备之间的数据交换。
3. 抗干扰能力强：现场总线具有较好的抗干扰能力，可以在恶劣的工业环境中稳定运行。
本实验采用CAN总线（Controller Area Network）作为现场总线的通信协议，其基本原理如下：1. CAN总线采用双绞线作为传输介质，具有较高的抗干扰能力。
2. CAN总线采用多主从通信方式，任何一个节点都可以主动发送数据。
3. CAN总线采用帧结构进行数据传输，包括标识符、数据、校验和等字段。
三、实验内容1. 硬件连接（1）连接CAN总线模块和单片机开发板。
（2）连接电源线和地线。
（3）连接杜邦线，将CAN模块的TXD、RXD、GND等引脚与单片机开发板的相应引脚连接。
2. 软件配置（1）编写单片机程序，初始化CAN控制器，配置波特率、消息ID、接收滤波器等参数。
（2）编写数据发送和接收程序，实现节点之间的数据传输。
3. 实验步骤（1）启动单片机程序，初始化CAN控制器。
（2）发送数据：在主节点上编写发送程序，发送一个数据帧。
（3）接收数据：在从节点上编写接收程序，接收主节点发送的数据帧。
（4）分析接收到的数据，验证数据传输的正确性。
四、实验结果与分析1. 数据传输成功通过实验，成功实现了主从节点之间的数据传输。
发送的数据帧被从节点正确接收，验证了现场总线通信的正确性。
2. 波特率设置实验中，根据实际需求设置了不同的波特率。
结果表明，在不同波特率下，数据传输仍然稳定可靠。
现场总线(Field bus)
PROFIBUS应用
• 2.车间监控层
• 车间级监控用来完成车间中生产设备之间的连接，如一个车间三条生产 线主控制器之间的连接，完成车间级设备监控。车间级监控包括生产设 备状态在线监控、设备故障报警及维护等。通常还具有诸如生产统计、 生产调度等车间级生产管理功能。车间级监控通常要设立车间监控室， 在操作员工作站及打印设备上。车间级监控网络可采用Profibus-FMS， 它是一个多主网络，在这一级，数据传输速度不是最重要的，而是要能 够传送大容量信息。
谢谢
部分应用实例
• PROFIBUS 在电力行业最典型的应用是德国尼德豪森电厂 2X950MW 机组的DCS 系统。德国尼德豪森电厂隶属于德国RWE 电力 公司，该电厂K 机组采用了热电联产方式，总出力达到1012MW，由于 采用了过程优化技术，整个机组的效率达到了45%。K 机组为超超临界 机组，主汽温度为580℃，主汽压力达到27MPA。整个机组的DCS 系统 中由于采用了PROFIBUS 现场总线技术，实现了现场设备智能化，设备 状态和状态信息都能通过总线传输到DCS 系统中，是目前全球范围智能 化程度最高，采用总线技术最全面，装机容量最大的机组。 • 除了尼德豪森电厂外，还有德国曼海姆电厂DCS 系统采用 PROFIBUS 总线， 柏林北部电厂DCS 系统采用PROFIBUS 总线，慕尼 黑电厂DCS 系统采用PROFIBUS总线，礼克林豪森电厂DCS 系统采用 PROFIBUS 总线等很多国外电厂的DCS 系统都采用了PROFIBUS 总线 结构。 • 在国内电力系统中也有很多应用，如江苏夏港电厂DCS系统采用 PROFIBUS 总线，韩峰电厂DCS 系统采用PROFIBUS 总线，山东莱程 电厂DCS 系统以及华能玉环电厂主厂房外补给水系统均采用了 PROFIBUS-DP 总线结构。
现场总线技术及其应用
案例三：城市交通信号控制系统应用
总结词
利用现场总线技术实现城市交通信号的智能控制，提高 交通流畅度和安全性。
详细描述
在城市交通管理中，采用现场总线技术构建交通信号控 制系统，实现各个路口信号灯的实时通信和控制。通过 实时数据采集和智能算法，优化信号灯的配时方案，提 高交通流畅度和安全性，缓解城市交通拥堵问题。
在工业自动化领域，常见的现场总线 技术包括PROFIBUS、Modbus、 EtherNet/IP等。
智能建筑
智能建筑是现场总线技术的另一个重 要应用领域。通过现场总线，可以实 现建筑物内各种设备（如照明、空调 、安防等）的集中控制和管理，提高 建筑物的能源利用效率和舒适度。
VS
在智能建筑领域，常见的现场总线技 术包括LonWorks、CAN等。
智能交通系统
智能交通系统是现场总线技术的重要应用方 向之一。通过现场总线，可以实现交通信号 灯、监控摄像头等交通设施的集中控制和数 据传输，提高交通效率和安全性。
在智能交通系统领域，常见的现场总线技术 包括FlexRay、TTCAN等。
医疗设备
医疗设备是现场总线技术的重要应用 领域之一。通过现场总线，可以实现 医疗设备的集中控制和数据传输，提 高医疗设备的可靠性和安全性。
02
现场总线技术种类
PROFIBUS
德国标准总线
PROFIBUS是一种用于工业自动化的现场总线标准，由德国标准委员会制定。它 支持多种通信协议，广泛应用于制造业、过程控制和楼宇自动化等领域。
CAN总线
控制器局域网
CAN总线是一种用于汽车和工业自动化领域的现场总线标准。它支持分布式实时控制，具有高可靠性和灵活性，广泛应用于 汽车电子、智能交通和工业自动化等领域。
国标 现场总线标准
国标现场总线标准引言国标现场总线标准是指一种用于工业自动化领域的通信协议，它提供了数据传输和设备控制的标准化通信方式。
本文将介绍国标现场总线标准的基本概念、通信过程以及其在工业自动化中的应用。
一、基本概念1.1 现场总线现场总线是指将控制系统和现场设备连接起来的通信网络。
通过现场总线，控制系统可以实时地收集传感器和执行器的数据，并控制现场设备的运行。
1.2 国标现场总线标准国标现场总线标准是指由国家标准化机构制定的用于工业自动化领域的通信协议。
这种标准化的通信协议使得不同厂商的设备可以进行互联互通，从而提高了自动化系统的灵活性和可扩展性。
二、通信过程2.1 总线物理层总线物理层是指现场总线中用于传输数据的硬件接口。
现场总线标准定义了总线的物理特性，如电气信号、传输介质等。
2.2 数据链路层数据链路层是指现场总线中用于传输数据帧的协议。
这一层负责将数据帧进行分组和校验，以确保数据的正确传输。
2.3 应用层应用层是指现场总线中用于传输应用数据的协议。
应用层协议定义了数据的格式和解析方式，使得不同厂商的设备可以理解和处理同一种数据。
三、应用领域3.1 工业自动化国标现场总线标准广泛应用于工业自动化领域，如制造业、能源管理等。
通过现场总线，不同设备可以进行数据交换和远程控制，提高了生产效率和质量。
3.2 建筑自动化国标现场总线标准还可以应用于建筑自动化领域。
通过现场总线，建筑内的各种系统，如照明、空调、安防等可以进行集中管理和控制，实现智能化的建筑管理。
3.3 交通系统国标现场总线标准在交通系统中的应用日益广泛。
通过现场总线，交通信号灯、隧道监控等设备可以进行联动控制，提高了交通系统的运行效率和安全性。
四、挑战与发展4.1 兼容性由于不同厂商对于国标现场总线标准的实现可能存在差异，设备之间的兼容性成为了一个重要的问题。
需要进一步完善国标现场总线标准，确保不同厂商的设备可以无缝连接和交互。
4.2 安全性在工业自动化领域，数据的安全性是一个重要的考虑因素。
现场总线中的名词解释
现场总线中的名词解释在现代工业自动化系统中，现场总线是一个重要的概念。
它是一种用于连接各种现场设备和控制系统的通信技术。
通过传输数据和信号，现场总线实现了实时监测和控制，提高了系统的可靠性和灵活性。
在这篇文章中，我将对现场总线中的一些关键名词进行解释，帮助读者更好地理解现场总线技术。
1. 现场总线（Fieldbus）现场总线是用于连接各种现场设备的数字通信系统。
它使用了一种开放的标准，通过一根或多根传输线路，将信号和数据传输给现场设备。
现场总线系统可以在一个物理网络上同时传输多种信号，如数据、控制命令、故障状态等。
相较于传统的集线器和点对点连接方式，现场总线提供了更高的效率和可扩展性。
2. 主站（Master）主站是现场总线架构中起控制和管理作用的设备。
它能够通过总线上的通信协议与各个从站进行数据交换和控制命令传输。
主站通常由上位机、PLC（可编程逻辑控制器）或其他控制设备实现。
主站负责对网络进行配置、数据采集、控制命令下发以及故障排除等工作。
3. 从站（Slave）从站是现场总线架构中执行实际工作的设备。
每个从站都与总线连接，并具有独立的地址。
从站能够接收主站发送的控制命令，并将实时数据传输回主站。
从站通常是各种现场设备，如传感器、执行器、伺服驱动器等。
通过从站与主站之间的通信，现场总线实现了对各个现场设备的集中监控和控制。
4. 总线结构（Bus Topology）现场总线采用总线拓扑结构。
在总线结构中，所有设备共享同一条传输线路。
传输线路两端连接主站和从站，而从站之间是串联连接的。
这种结构特点使得总线系统的布线更为简洁，减少了线缆的使用量和系统成本。
同时，总线结构使得现场设备之间的通信更加灵活和实时。
5. 周期通信与事件通信（Cyclic and Acyclic Communication）现场总线中的通信方式通常分为周期通信和事件通信。
周期通信是按照固定时间间隔进行数据交换的方式。
主站通过周期性地发送查询命令，获取从站的实时数据。
现场总线技术在轨道交通中的应用模式
现场总线技术在轨道交通中的应用模式现场总线技术作为现代工业自动化领域的关键技术之一，其在轨道交通领域的应用日益广泛。
现场总线技术通过将传统的点对点控制方式转变为网络化、数字化的控制方式，极大地提高了轨道交通系统的可靠性、灵活性和智能化水平。
本文将探讨现场总线技术在轨道交通中的应用模式，分析其在轨道交通系统中的作用和优势。
一、现场总线技术概述现场总线技术是一种基于网络的通信技术，它允许多个设备通过单一的通信介质连接并交换数据。
与传统的控制方式相比，现场总线技术具有以下特点：1.1 高度集成：现场总线技术通过将多个控制点集成到一个网络中，减少了布线复杂性，降低了系统的维护成本。
1.2 灵活性：现场总线技术允许设备之间的灵活连接，便于系统的扩展和升级。
1.3 实时性：现场总线技术能够实现数据的实时传输，保证了控制系统的响应速度。
1.4 可靠性：现场总线技术采用冗余设计和错误检测机制，提高了系统的可靠性和稳定性。
二、现场总线技术在轨道交通中的应用现场总线技术在轨道交通领域的应用主要体现在以下几个方面：2.1 列车控制系统：现场总线技术在列车控制系统中的应用，可以实现列车运行状态的实时监控和控制，提高列车运行的安全性和效率。
2.2 信号系统：在信号系统中，现场总线技术可以用于实现信号机、转辙机等设备的联网控制，提高信号系统的可靠性和灵活性。
2.3 车辆监控系统：现场总线技术在车辆监控系统中的应用，可以实现对车辆状态的实时监控，及时发现并处理车辆故障，保障车辆运行安全。
2.4 能源管理系统：现场总线技术在能源管理系统中的应用，可以实现对轨道交通系统中能源消耗的实时监控和优化，降低能源消耗，提高能源利用效率。
2.5 乘客信息系统：现场总线技术在乘客信息系统中的应用，可以实现对乘客信息的实时发布和更新，提高乘客的出行体验。
三、现场总线技术在轨道交通中的应用模式现场总线技术在轨道交通中的应用模式主要包括以下几种：3.1 分布式控制模式：在分布式控制模式中，现场总线技术将控制功能分散到各个设备上，每个设备都可以地处理自己的控制任务，提高了系统的灵活性和可靠性。
几种现场总线介绍
现场总线百科名片现场总线结构图现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。
也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。
原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。
现场总线简介 它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。
按照IEC的解释 现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。
简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输。
定义 是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。
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。
主要用于 制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面的自动化系统中。
典型的现场总线技术 2003年4月，IEC61158 Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准，规定10种类型的现场总线。
Type 1 TS61158现场总线 Type 2 ControlNet和Ethernet/IP现场总线 Type 3 Profibus现场总线 Type 4 P-NET现场总线 Type 5 FF HSE现场总线 Type 6 SwiftNet现场总线 Type 7 World FIP现场总线 Type 8 Interbus现场总线 Type 9 FF H1现场总线 Type 10 PROFInet现场总线现场总线的特点及优点 (1) 全数字化通信 (2) 开放型的互联网络 (3) 互可操作性与互用性 (4) 现场设备的智能化 (5) 系统结构的高度分散性 (6) 对现场环境的适应性现场总线的特点 现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。
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S7-200 VB0～VB1 VB2～VB3
• 借助工业以太网（Ethernet）、现场总线网（Profibus DP)实现了
现场设备层、过程监控层与信息管理层之间的通信。各
种智能设备可以方便地进行数据交换，对生产工艺流程的监控 可以完全在现场设备层次上实现。应用现场总线技术可以将各 种分布在控制现场的相关智能设备和I/O单元方便地连接在一起， 构成控制系统。
到LonWorks网
• i.LON 10 以太网适配器，把家庭控制器直接连接到以
太网
• i.LON 100 Internet服务器是一个网络接口，连接
LonWorks网络到企业IP网络或者Internet
4．计算机网络的种类 • 现在最常见的划分方法是:按计算机网络覆盖的地理范
围的大小，一般分为广域网(WAN)和局域网(LAN)。
图2-10 屏蔽双绞线
图2-11 非屏蔽双绞线
• 双绞线按电气性能划分的话，通常分为：三类、四类、五类、 超五类、六类、七类双绞线等类型，数字越大，版本越新、 技术越先进、带宽也越宽，当然价格也越贵了。三类、四类 线目前在市场上几乎没有了。目前在一般局域网中常见的是 五类、超五类或者六类非屏蔽双绞线。屏蔽的五类双绞线外 面包有一层屏蔽用的金属膜，它的抗干扰性能好些。
LonTalk协议
• LonWorks技术所使用的通信协议称为LonTalk协议。
LonTalk协议遵循由国际标准化组织（ISO）定义的开
放系统互连（OSI）模型。它提供了OSI参考模型所
定义的全部七层服务，支持灵活寻址。表2-1给出了对
应七层OSI参考模型的LonTalk协议为每层提供的服务。
认识智能节点
• 知识点：认识基于LonWorks现场总线智能小区控制网
络的结构、组成；认识LonTalk协议、Neuron芯片与智 能节点的结构、组态的概念与作用、计算机网络知识、 综合布线基础等
• 技能点：制作双绞线网线、会使用网线测试仪检测网线； 会设计智能小区网络系统及网络布线；设计监控网络的 人机界面；配置远程监控网络
的情况下要求通信是确定的、可重复的。
3．信息管理层
• 它处于控制系统的最高层，采用通用的TCP/IP协议，信息层可连 接的设备包括控制器、PC、操作员站、高速I/O、其他局域网设 备，还可以通过网关设备接入因特网。上级领导可直接通过访问 服务器来了解现场动态，也可根据需要将调度、计划等信息登记
成为信息管理系统。
模块一:现场总线与自动控制 知识点： 了解现场总线系统的组成；认识现场总 线与现场总线系统；了解现场总线系统的结 构特点及标准；了解现场总线的拓扑结构 技能点： 应用现场总线技术实现液位的自动控制
工程师站
工业以太网Ethernet
主控站PLC S7-300 S7-315-2DP Profibus总线 Profibus总线 现 场 显示面板 远程I/O S7-300 S7-315-2DP 工作现场PLC
前者结构简单，成本低，但功能有限；后者功能强大，但结构复杂，成本较高。
认识神经元芯片
• 神经元芯片是一个带有多个处理器、读写/只读存储器（RAM
和ROM）以及通信和I/O接口的单芯片系统。只读存储器包含
一个操作系统、LonTalk协议和I/O功能库。芯片有用于配置数 据和应用程序编程的存储器，并且两者都可以通过网络下载。 在制造过程中，每个神经元芯片都被赋予一个永久的、全世 界唯一的一个48位码，我们称之为神经元ID号（Neuron ID）。
Profibus总线
分散I/O
驱动器
传感器
执行机构
2．过程监控层
• 它处于控制系统的中间层，由操作台计算机、控制台计算机或
PLC加以太网卡等组成工业以太网，操作台计算机利用组态软件
实现对工作现场的监试控制，现场设备层将来自生产第一线的数 据（如速度、图像等）传送到控制室，置于实时数据库，进行控 制及计算、动态显示参数、报警及历史数据保存；操作台计算机 将实时数据库的数据送到服务器的数据库中，进行保存和数据处 理。 • 过程监控层的通信特点是要求有较高的网络速率，实时性要求高
• （5）采用本质（征）安全型总线，更加适合直接安装于石油、化工等危险防 爆场所，减少系统发生危险的可能性。（本质安全是指不附加任何安全装置， 只利用本身结构的设计，以限制电路自身的电压或电流来防止产生过热、起 弧或火花而引起火灾或引发危险性气体的燃爆事故。）
现场总线
a)过程控制系统采用的DCS的接线方式
在网络化的测控系统中，被称为智能节点的现场仪表或控制器不仅应具有执行
协议、实现数据采集和处理、完成控制等功能，而且还需要提供与通信介质的 接口，以公用的协议进行通信。
*****智能节点的作用：现场仪表或控制器作为测控网络的现场智 能设备叫智能节点，主要用于接收和处理来自传感器的输入数据，
执行通信和控制任务，控制执行器的操作等。智能节点中的核心
• 双绞线的最大传输距离为100m。如果要加大 传输距离，在两段双绞线之间可安装中继器， 最多可安装4个中继器。如安装4个中继器连接 5个网段，则最大传输距离可达500m。
RJ-45接线的标准及顺序
• RJ-45接线有两种标准：EIA／TIA 568A和EIA／TIA 568B。 • 在EIA／TIA 568B标准中，接头接线顺序为 • 白橙／橙／白绿／蓝／白蓝／绿／白棕／棕 • 在EIA／TIA 568A标准中，接头接线顺序为 • 白绿／绿／白橙／蓝／白蓝／橙／白棕／棕 • 使用比较多的标准是EIA／TIA 568B，本任务以EIA／TIA 568B为例介绍制作步骤。
• 在图1-3中，工程师站就可以担当信息管理层的一部分，如果工程 师站的功能不够，则在旁边再添加几个带网络接口的计算机，分 担一些功能，就形成了信息管理层。 • 信息层通信的主要特点是通信数据量大，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。
现场总线控制系统的优点
• （1）具有较高的性能价格比。系统综合成本及一次性安装费用减少近40%。 由于导线、连接附件的大幅度减少，使原来的几百根，甚至几千根控 制电缆减少到一根总线电缆，从而也使接线端子、电缆桥架等附件大幅 度地减少。示意图如图1-6所示。a)过程控制系统采用的DCS的接线方式b)现场 总线接线方式图1-6 两种控制系统的接线方式比较 • （2）系统性能大幅度提高，使控制系统的档次跨越了一个台阶，数据传输更 可靠，数据响应更快速，抗干扰能力更强。许多总线在通信介质、信息检验、 信息纠错、重复地址检测等方面都有严格的规定，从而确保总线能够通信快 速、完全可靠地进行。 • （3）系统具有强大的自动诊断、故障显示功能。诊断包括总线节点的通信故 障、电源故障，以及现场装置和连接件的断路、短路故障，从而迅速地发现 系统的各种故障位置和状态。 • （4）采用数字信号通信，有效提高了系统的测量和控制精度。各种开关量、 模拟量信号就近转变为数字信号，避免了信号的衰减和变形。
事务处理、权限证实、背景诊断、软件计时器、网络管理和路由等。同时，它还
控制网络通信端口，物理地发送和接收数据包。该处理器用共享存储区中的网络 缓存区与CPU-1通信，用应用缓存区与CPU-3通信。CPU-3是应用CPU，它完成 用户的编程，其中包括用户程序对操作系统的服务调用。
网络适配器 • PCLTA-21网络适配器是一个LonWorks接口，它连接PC
可达几百台。
一、认识双绞线
• 双绞线是由不同颜色的4对8芯线组成，每 两条按一定规则绞织在一起，成为一个芯 线对。它是计算机局域网最基本的连接、传输介
质，它在一定程度上决定了整个网络性能。它一 般有屏蔽（STP，如图2-10所示）与非屏蔽（UTP， 如图2-11所示）双绞线之分，屏蔽的当然在电磁 屏蔽性能方面比非屏蔽的要好些，但价格也要贵 些。
技术是LonTalk协议和神经元芯片。
智能节点的开发分为两类：
一类是利用神经元芯片完成所有的工作(包括通信和用户应用程序)，节点中不 再包含其它处理器，这类智能节点称为基于神经元芯片的节点； 另一类是只利神经元芯片完成通信工作，而用户的应用程序由其它的处理器( 如微处理器、微控制器或PC机)来完成，这种智能节点称为基于主机的节点。
•
神经元芯片内部有三个CPU：MAC CPU、网络CPU和应用CPU。如图
2-6所示。CPU-1是MAC
CPU，完成介质访问控制（Media Access Control），处
理LonTalk协议的第1和第2层，包括驱动通信子系统硬件和执行算法。CPU-1和 CPU-2用共享存储区中的网络缓存进行通信，正确的对网上报文进行编解码。 CPU-2是网络CPU，它实现LonTalk协议的第3到第6层，处理网络变量、寻址、
• 所谓广域网，就是地理上距离较远的网络连接形式，例如著名的
Internet网、Chinanet网就是典型的广域网。 • 所谓局域网，就是在局部地区范围内的网络，它所覆盖的地区范 围较小。一个局域网的范围通常不超过10km，并且经常限于一 个单一的建筑物或一组相距很近的建筑物。 几乎每个单位都有 自己的局域网，有的甚至家庭中都有自己的小型局域网。局域网 在计算机数量配置上没有太多的限制，少的可以只有两台，多的
• T568A线序 ： 12345678 绿白 绿 橙白 蓝 蓝白 橙 棕白 棕
T568B线序 ：
12345678 橙白 橙 绿白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕 直通线： 两头都按T568B线序标准连接。
交叉线：
一头按T568A线序连接，一头按T568B线序连接。
综合布线系统的组成
1．设备室子系统：主要是指语音系统的电话总机房和数据系统 的网络设备室。该子系统主要由配线架和连接配线架与设备的电 缆组成。 2．配线架子系统：指除设备室外，所有楼层的配线架。 3．垂直干线子系统：提供垂直方向的电缆，组成楼层之间及外 界通信的通道。 4．水平干线子系统：通常使用无屏蔽双绞线，将垂直干线延伸 到用户工作区，在需要高速应用时，水平干线也可采用光缆。 5．工作区子系统：由信息插座及连接到用户设备的连线组成。