HART协议和现场总线技术四大不同详细介绍

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第1讲现场总线技术概述

1.3.1 基金会现场总线
前身为以Fisher-Rousemount公司为首，联合 Foxboro、横河、ABB、西门子等公司的ISP协议，以及以Honeywell为首的P协议，合并后成立现场总线基金会；以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层，并增加用户层；分低速H1(31.25Kbps,距离1900m)和高速 H2(1Mbps,750m和2.5Mbps,500m)两种通信速率；介质支持双绞线、光缆和无线发射，传输信号采用曼彻斯特编码
现场总线有两种编码方式：Manchester和NRZ，前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。前者采用基带传输，后者采用频带传输。传输介质主要有：有线电缆、光纤和无线介质。
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现场总线概述
1.1.8 现场总线网络的实现数据链路层
分为两个子层：介质访问控制层(MAC)和逻辑链路控制层(LLC)。 MAC对传输介质传送的信号进行发送和接收控制；LLC对数据链进行控制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线上的设备可以是主站，也可以是从站。 MAC层的三种协议：集中式轮询协议、令牌总线协议和总线仲裁协议。
介质、拓扑结构、节点数等
网络性能
传输速率、时间同步准确度、访问控制方式等
测控系统应用考虑市场及其他因素
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现场总线概述
1.3 现场总线简介 1.3.1 基金会现场总线(FF) 1.3.2 PROFIBUS 1.3.3 LonWorks 1.3.4 CAN
1.3.5 HART
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现场总线概述
FCS: 一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号
DCS: 一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号

现场总线介绍及HART总线的应用

目录1 概论 (2)1.1 现场总线的概述 (2)1.2 现场总线的产生和发展 (2)1.3 现场总线的特点 (4)1.3.1 现场总线系统的技术特点 (4)1.3.2 现场总线系统的优势 (5)1.4 几种常见现场总线 (6)1.4.1 Lon Works (6)1.4.2 CAN (6)1.4.3 HART (7)1.4.4 PROFIBUS (8)2 HART (8)2.1 HART总线概述 (8)2.2 HART的协议结构 (9)2.3 HART现场总线协议的技术特点 (11)3 HART智能电动执行机构整体设计 (11)3.1 设计人物分析及技术目标 (12)3.2 电动执行机构整体设计方案 (12)3.3 执行机构整体硬件设计方案 (13)3.4 执行机构整体软件设计方案 (13)4 HART智能电动执行机构硬件设计 (16)4.1 硬件优化措施 (16)4.2 硬件优化设计方案 (17)5 HART智能电动执行机构软件设计 (17)5.1 仪表控制软件模块 (18)5.2 HART通信协议模块 (19)6 总结 (21)参考文献 (21)1 概论1.1 现场总线的概述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。

它在制造业、流程工业、楼宇等方面的自动化系统中有着广泛的应用前景。

[1]现场总线作为一种先进的工业控制技术，将当今网络通信与管理的观念带入工业控制领域。

把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，将它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统和控制系统，它是工厂的底层控制网络。

国际IEC1158标准定义：现场总线是一种互连现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协议。

也就是说，现场总线是控制系统中底层的通信网络，具有双向数字传输功能，在控制系统中允许智能现场装置全数字化、多变量、双向、多节点，并通过一条物理媒体相互交换信息。

当今主流现场总线技术

当今主流现场总线技术分类比较1．基金会现场总线FF基金会现场总线FF是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的一种技术。

以ISP协议和以WorldFIP协议为主的两大集团于1994年9月成立的现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。

基金会现场总线分为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1．9km，可支持总线供电和本质安全防暴环境。

H2的传输速率可为1Mbps和2．5Mbps两种，通信距离为750m和500m。

FF总线包括FF通信协议、ISO模型中的2？7层通信协议的通栈、用于描述设备特性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换的应用功能块，实现系统组态管理功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。

2．CAN总线CAN总线最早用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。

其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，并且广泛应用于离散控制领域。

它也是基于OSI模型，但进行了优化，抗干扰能力强，可靠性高。

3．LonWorks总线LonWorks技术是美国ECHELON公司开发，并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场总线技术。

技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron芯片。

Neuron芯片实现完整的LonWorks的LonTalk通信协议。

应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。

4．PROFIBUS总线PROFIBUS是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50179的现场总线，包括Profibus－DP、Profibus－FMS、Profibus－PA三部分。

Profibus－DP用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域。

FMS型适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。

而PA型则是用于过程自动化的总线类型。

HART协议介绍

基于HART协议的压力差压变送器的设计
非线性补偿
压力变送器传感器有很大的非线性传感器特性曲线相似，一致性较好，可以通过数学模型的方式进行补偿；按照国外同类产品的要求，必须通过0%、60%、 100%、-60%、-100%五点进行非线性补偿
Y(V) 2.5 2.25 2.0 1.75 1.5 1.25 1.0 0.75 0.5 0.25 0.0 -150 -120 -90 -60 150 -30 0 X ( inH2O) 30 60 90 120 负区特性曲线正区特性曲线
HART协议简介
现场总线的发展与展望
现场总线产生的必然性
当前控制系统（如DCS）存在的问题
决策层只能在最高层，对于下层设备很少授权。在高层设备出故障时，下层设备只能维持现状。下层设备间的信息交流困难
模拟仪表的缺点
一对一结构可靠性差操作员对仪表无法控制互换性差
现场总线的发展与展望
现场总线的优点
什么是HART协议
HART协议（Highway Addressible Remote Transducer）：是 Rosemount公司于1986年提出的一项标准。实现4~20mA模拟信号与数字通讯兼容的标准，是现场总线的过渡性标准。 HART协议是一个开放性协议，已成为智能仪表事实上的工业标准： 1996年，HART协议产品产量为60万台，Fisher-Rosemount公司的25 万台变送器中HART协议产品约占76%。
VCC
VCC PFI RESET WDI RESET
VCC
WDT
GND
I/O1 I/O2
CPU
GND
WDO
基于HART协议系列变送器的硬件设计

485总线、hart总线、现场总线网络的区别及特性

பைடு நூலகம்
485总线、hart总线、现场总线网络的区别及特性
智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。随后出现的RS485解决了这个问题。 RS485接口 RS485采用差分信号负逻辑，＋2V～＋6V表示“0”，- 6V～- 2V表示“1”。RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有二个原因：(1)共模干扰问题： RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。(2)EMI问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。由于PC机默认的只带有RS232接口，有两种方法可以得到PC上位机的RS485电路：（1）通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号，对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离珊的产品。（2）通过PCI多串口卡，可以直接选用输出信号为RS485类型的扩展卡。 RS485电缆在一般场合采用普通的双绞线就可以，在要求比较高的环境下可以采用带屏蔽层的同轴电缆。在使用RS485接口时，对于特定的传输线路，从RS485接口到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所影响。理论上RS485的最长传输距离能达到1200米，但在实际应用中传输的距离要比1200米短，具体能传输多远视周围环境而定。在传输过程中可以采用增加中继的方法对信号进行放大，最多可以加八个中继，也就是说理论上RS485的最大传输距离可以达到9.6公理。如果真需要长距离传输，可以采用光纤为传播介质，收发两端各加一个光电转换器，多模光纤的传输距离是5~10公里，而采用单模光纤可达50公里的传播距离。 RS485布网网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。在构建网络时，应注意如下几点：（1）采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。有些网络连接尽管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。（2）应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。下列几种情况易产生这种不连续性：总线的不同区段采用了不同电缆，或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装，再者是过长的分支线引出到总线。总之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。在RS485组网过程中另一个需要主意的问题是终端负载电阻问题，在设备少距离短的情况下不加终端负载电阻整个网络能很好的工作但随着距离的增加性能将降低。理论上，在每个接收数据信号的中点进行采样时，只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。但这在实际上难以掌握，美国MAXIM公司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配：当信号的转换时间（上升或下降时间）超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。一般终端匹配采用终端电阻方法， RS-485应在总线电缆的开始和末端都并接终端电阻。终接电阻在RS-485网络中取120Ω。相当于电缆特性阻抗的电阻，因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100～120Ω。这种匹配方法简单有效，但有一个缺点，匹配电阻要消耗较大功率，对于功耗限制比较严格的系统不太适合。另外一种比较省电的匹配方式是RC匹配。利用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率。但电容C的取值是个难点，需要在功耗和匹配质量间进行折衷。还有一种采用二极管的匹配方法，这种方案虽未实现真正的“匹配”，但它利用二极管的钳位作用能迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的，节能效果显著。最近两年一些公司基于部分企业信息化的实施已完成，工厂中已经铺设了延伸到车间每个办公室、控制室的局域网的现状，推出了串口服务器来取代多串口卡，这主要是利用企业已有的局域网资源减少线路投资，节约成本，相当于通过tcp/ip把多串口卡放在了现场。 RS485和其它总线网络的区别：我们把工业网络归结为三类：RS485网络、HART网络和现场总线网络。 HART网络：HART是由现在的艾默生提出一个过度性总线标准，他主要是在4~20毫安电流信号上面叠加数字信号，物理层采用BELL202频移键控技术，以实现部分智能仪表的功能，但此协议不是一个真正意义上开放的标准，要加入他的基金会才能拿到协议，加入基金会要一部分的费用。技术主要被国外几家大公司垄断，近两年国内也有公司再做，但还没有达到国外公司的水平。现在有很大一部分的智能仪表都带有HART圆卡，都具备HART通讯功能。但从国内来看还没有真正利用其这部分功能，最多只是利用手操器对其进行参数设定，没有发挥出HART智能仪表应有的功能，没有联网进行设备监控。从长远来看由于HART通信速率低组网困难等原因，HART仪表的采购量会程下滑趋势，但由于HART仪表已经有十多年的历史现在在装数量非常的大，对于一些系统集成商来说还有很大的可利用空间。现场总线网络：现场总线技术是当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，它的出现标志着自动化控制技术又一个新时代的开始。现场总线是连接设置在控制现场的仪表与设置在控制室内的控制设备的数字化、串行、多站通信的网络。其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。现场总线技术近年来成为国际上自动化和仪器仪表发展的热点，它的出现是传统的控制系统结构产生了革命性的变化，是自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进，形成新型的网络集成式全分布式控制系统---现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。但是现在的现场总线的各种标准并行存在并且都有自己的生存领域，还没有形成真正统一的标准，关键是看不到什么时候能形成统一的标准，技术也不够成熟。另外现场总线的仪表种类还比较少可供选择的余地小，价格也偏高，从最终用户的角度看大多还处于观望状态，都想等到技术成熟之后在考虑，现在实施的少。 RS485网络：RS485/MODBUS是现在流行的一种布网方式，其特点是实施简单方便，而且现在支持RS485的仪表又特多，特别是在油品行业RS485/MODBUS简直是一统天下，现在的仪表商也纷纷转而支持RS485/MODBUS，原因很简单，象原来的 HART仪表想买一个转换口非常困难而且价格昂贵，RS485的转换接口就便宜的多而且种类繁多。

现场总线简介

现场总线简介现场总线的产生【1】随着信息与科学技术的迅猛发展，信息交换方式日新月异，并朝着全球化与数字化的方向发展，自动控制系统作为信息与科学技术发展的融合产物，自19世纪以来的近两百年里也发生了巨大变革。

总的来说，一般可将其划分为5代：（1）气动信号控制系统（PCS ）气动信号控制系统是于19世纪中期出现的基于5-13psi的第一代控制系统（2）电动模拟仪表过程控制系统（ACS）电动模拟过程控制系统出现于20世纪50年代，一出现便很快占据控制领域的主导地位它利用0-10mA或4-20mA的电流模拟信号进行现场级设备信号的采集与控制，是第二代控制系统但由于模拟信号精度较低并易受干扰，所以很快便被新的控制系统取代（3）集中式数字控制系统（CCS）随着数字计算机技术的发展和应用，20世纪70年代左右集中式数字控制系统（CCS）出现并占据主导地位，称为第三代控制系统。

集中式数字控制系统能够根据现场情况进行及时控制和计算判断，并且在控制方式和时机的选择上能进行统一调度和统筹安排。

另外，由于采用单片机等作控制器，数字信号的传输在控制器内部进行，这样不仅克服了ACS系统中模拟信号精度低的缺点，而且也提高了系统的抗干扰能力。

但由于该系统对控制器本身有很高的要求，而当任务增加时，控制器的效率将明显下降，很难保证满足对控制器足够的处理能力和极高的可靠性的要求（4）分散式控制系统（DCS）20世纪80年代初，微处理机的出现和应用促使了第四代控制系统——分散式控制系统（DCS）的产生。

DCS系统采用集中管理、分散控制，即将管理与控制相分离：上位机执行集中监视管理，下位机在现场进行分散控制，它们之间用控制网络相连实现信息传递。

与之前几代控制系统不同，分散式的控制系统降低了系统中对控制器处理能力和可靠性的要求。

（5）现场总线控制系统（FCS）20世纪80年代中后期，随着微电子技术和大规模以及超大规模集成电路的快速发展，顺应以上需求，国际上发展起来一种以微处理器为核心，使用集成电路实现现场设备信息的采集传输处理以及控制等功能的智能信号传输技术——现场总线，并利用这一开放的、具有可互操作性的网络技术将各控制器和现场仪表设备实现互连，构成了现场总线控制系统。

HART协议和现场总线技术四大不同详细介绍

什么是HART通信？什么是现场总线技术？它们都有什么样的作用？起什么样的作用？它们之间有什么样的区别？HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbps。

由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。

在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4-20mA传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。

什么是HART通信？它采用的是半双工的通信方式，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。

HART 规定了一系列命令，按命令方式工作。

它有三类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、都执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备（尽管不是全部）中实现，这类命令包括最常用的的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便于工作在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。

在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。

什么是现场总线技术？作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。

它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。

这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。

国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。

现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点：具有一定的时间确定性和较高的实时性要求，还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。

现场总线技术

通过CAN总线连接的设备可以是限位开关、光电传感器、管道阀门、电机启动器、过程传感器、变频器、导示板、 PLC 和 PCI工作站等。
2、CAN总线数据链路控制特点

CAN Bus 数据链路层协议采用平等式 (Peer to Peer)通信方式,即使主机出现故障 , 系统其余部分仍可运行 ( 当然性能受一定影响)。当一个站点状态改变时,它可广播发送信息到所有站点。

例如,一种具体的实现是信号使用差分电压传输,两条信号线被称为“CAN-H”和 “CAN-L”。静态时均是2.5V左右,此时状态表示为逻辑“1”,代表“隐性”。 CAN-H比CAN-L高,表示逻辑“0”,代表 “显性”。此时电压值通常为

CAN-H=3.5V CAN-L=1.5V

CAN 总线的通信距离与波持率有关 , 最大通信距离可达1Okm,最大通信波持率可达 lMbps。一个由 CAN 总线构成的单一网络中 , 理论上可以挂接无数个节点,实际应用中节点数目受网络硬件的电气特性所限制

CAN能够使用多种物理介质,例如双绞线、同轴电缆和光纤等。最常用的是双绞线。 CAN 总线可以具有两种互补的逻辑值之一 , 即 “显性(Dominant)”或“隐性(Recessive)”。
显性位和隐性位同时传输时 , 总线的结果值为显性。例如 , 在执行总线的 " 线与 " 时 , 逻辑 0 代表"显性"等级,逻辑1代表"隐性"等级。可以根据不同的物理实现来规定这些逻辑电平的物理状态。
2、互操作性和互换性

现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络 , 强调遵循公开统一的技术标准 , 采用开放式互连结构,因而,有条件实现设备的互操作性和互换性。

浅谈化工行业现场总线技术、通讯协议及其应用

浅谈化工行业现场总线技术、通讯协议及其应用作者：耿杰来源：《中国化工贸易·上旬刊》2020年第01期摘要：随着化工行业的发展，化工生产的自动化水平越来越高，传统的点对点式电压、电流信号传输已经不能满足现代化工业生产要求，各类现场总线技术的应用越来越广泛。

那么，各类现场总线技术有怎样的区别和联系，各自应用范围是什么？接下来，本文将对各类现场总线、技术协议及其应用做简要阐述。

关键词：化工行业;现场总线;通讯协议;应用现场总线是安装在制造和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成为现场总线。

现场检测仪表、执行元件与控制系统之间、控制系统与控制系统之间都可采用现场总线方式进行数据传输。

现场总线技术数字化、开放性、互操作性和互换性使数据传输更方便、快捷、成本更低。

目前，在化工行业，应用比较广泛的现场总线有基金会现场总线（FF）的H1、PROFIBUS、PROFINET、CAN总线等。

通讯协议又称通信规程，是指通信双方对数据传送控制的一种约定。

约定中包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守，它也叫做链路控制规程。

通讯协议主要有RS485/MODBUS、HART、FieldBus、等。

每种总线都有其应用的领域，支持一种或多种通讯协议。

1 现场总线技术及通讯协议1.1 基金会现场总线（FF）基金会现场总线是世界上两大现场总线集团ISP和WorldFIP选派代表组成。

基金会现场总线采用的是令牌总线通信方式，可分为周期通信和非周期通信。

FF有两个标准，低速现场总线FF H1及高速现场总线FF HSE。

FF H1传输距离可达1900m，应用非常广泛。

基金会现场总线的通讯模型包括物理层、数据链路层与应用层。

应用层（FAL），包括现场总线访问子层（FAS）和现场总线报文规范子层（FMS），前者管理数据的传输，后者负责对用户层命令进行编码和解码。

[信息与通信]现场总线技术简介

11-1-2 现场总线的发展与趋势（3）
智能仪表为现场总线的出现奠定了基础
– 智能化设备的提出 – 模拟通信式的智能设备 – 模拟-数字混合的智能设备 – 现场总线的出现
现场总线标准化的现状
12.12.2020
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11
浙江大学控制科学与工程学系
——计计算算机机控控制制技系术统——
11-1-3 现场总线系统的技术特点
现场总线
– 是用于自动化等领域最底层的、具有开放、统一的通信协议的通信网络
– 实现微机化的现场测量控制仪表或设备间的双向串行多节点数字通信
现场总线技术
– 现场总线技术把单个分散的仪表或设备变成了网络的节点
12.12.2020
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6
浙江大学控制科学与工程学系
11-1-1 现场总线简介（2）
——计计算算机机控控制制技系术统——
—计算机控制技术—
第十一章现场总线技术简介
Introduction of Field Bus
12.12.2020
Information Engineering School, Shenyang Institute of Chemical Technology
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1
浙江大学控制科学与工程学系
本章主要内容
11-1-6 现场总线标准化组织及标准(1)
国际电工委员会（ IEC ）和美国仪表协会（ISA） – IEC/ISA标准现场总线基金会（简称FF） – 采用IEC/ISA标准，未定义的采用自
己的FF协议欧洲智能化作用和测量用户集团
（EIAMUG）
12.12.2020
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浙江大学控制科学与工程学系

五种总线介绍1

五种总线介绍总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束，按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。

总线是一种内部结构，它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。

在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。

以下为大家介绍五种总线。

Dupline总线：Dupline是一种现场及安装总线，为建筑自动化、配水、能源管理、铁路系统及其它领域提供独一无二的解决方案。

该系统能通过普通双芯线缆传输数字和模拟信号达数公里距离。

系统采用模块化设计，操作原理简单，即使是新手也能很快在现有或新的应用领域熟练使用该系统。

解决方案设计将各种Dupline模块产品结合起来，包括数模I/O模块、可编程逻辑控制器(PLC)和个人计算机接口、人机界面和调制解调器。

安装的所有模块连接到同一条双芯线缆，以在模块间以及中央控制器和模块间实现数据交换。

Dupline总线的应用：Dupline通常用作远程I/O系统，在现场装置（如传感器、接触器、阀门和按钮等）和中央监测控制器（PLC、个人计算机或Dupline控制器）之间建立连接。

但是当信号通过点对点的方式传输，不需要控制器或其它智能装置时，Dupline还可用作简单的接线替代系统。

（Dupline信号不仅可以通过铜线传输，也可通过光缆、无线电调制调解器、租赁电话线或GSM调制调解器传输。

自1986年以来，Dupline已在全球安装了超过10万个系统，为其出色的性能提供了强有力的佐证。

）Dupline总线的优点和特性：传输距离达10公里，不需要中继器，操作简便，高度抗噪，自由拓扑，灵活，无特殊线缆要求，可利用原有线缆，有总线供电设备，与PLC和个人计算机接口灵活连接，通过GSM调制调节器、无线电调制调解器或光缆传输性能经10万个已安装系统证明，低本高效。

HART协议分析

通信方式
主从式通信由主设备来控制数据帧的传送最多允许15个从设备连接到一条(yī tiáo)多点通讯线上
突发模式
从设备定时重复发送数据帧
半双工通讯方式
寻址范围：0 ~ 15
当地址为0时，处于4~20mADC与数字通信兼容状态。当地址为1~15时，则处于全数字通信状态。
精品文档
它包括现场设备的DDL描述和主设备的DDL解释器两部分。
任何实现了DDL解释功能的主设备就可和任何已经提供了DDL描述
的现场设备通讯。新的现场设备可以无需顾及不同的主设备而独立发布(fābù)。
新的主设备只要在其上开发好DDL解释器就可发行。
精品文档
基于HART协议(xiéyì)的圆卡硬件设计
I/V 4～20mA 4～20mA
V理
器
放
A/D
大调
理
传感器
调节器
变送器
a) 4～20mA标准(biāozhǔn)
人
微
通
机
处
讯
接
理
接
口
器
口
控制室仪表
数字双向传输
通
讯接口
微处理器
A/D
放
大调理
传感器
变送器
b) 现场(xiànchǎng)总线标准
精品文档
HART协议(xiéyì)应用层
通用命令(Universal Commend)：
对所有符合HART协议(xiéyì)的现场设备都适用的命令。
包括以下内容：
读变送器的量程、单位以及阻尼时间常数；读出传感器串联数目及其限制；写入轮询地址；读出制造厂及产品型号；读出主变量及单位；读出电流的输出及百分比输出；读写8个字符的标牌号，16个字符的描述内容以及日期等；

现场总线第四章HART通信协议-图

现场 hart通信协议的组成 • hart通信协议的工作原理 • hart通信协议的应用实例 • hart通信协议的发展趋势和未来
展望
01
hart通信协议概述
hart通信协议的定义
总结词
hart通信协议是一种用于工业自动化的通信协议，它使用无线信号传输数据，支持多种数据传输速率和通信距离。
hart通信协议的技术发展趋势
无线通信技术融合
随着无线通信技术的发展，Hart通信协议正逐步实现与其他无线通信技术的融合，以提高现场总线的无线化程度和通信效率。
安全性增强
随着工业网络安全问题的日益突出，Hart通信协议正在加强安全机制的研究和应用，以提高系统的安全性。
智能化发展
随着物联网、云计算等技术的发展，Hart通信协议正朝着智能化方向发展，以实现更高级别的自动化和智能化。
hart通信协议的未来展望
更广泛的应用领域
01
随着工业自动化程度的不断提高，Hart通信协议有望在更多领
域得到应用，如智能家居、智能交通等。
更高级别的自动化和智能化
02
随着物联网、云计算等技术的发展，Hart通信协议有望实现更
高级别的自动化和智能化功能。
更完善的安全机制
03
随着网络安全问题的日益突出，Hart通信协议有望在未来推出
详细描述
hart通信协议是一种专为工业现场设备之间的通信而设计的协议。它使用无线信号传输数据，使得设备之间的连接更加灵活，无需布线。hart通信协议支持多种数据传输速率和通信距离，以满足不同工业应用的需求。
hart通信协议的特点
总结词
hart通信协议具有可靠性高、实时性强、互操作性好的特点。
详细描述
要点一

HART协议

HART协议
功能及协议简介
钟瑾瑞
HART协议－介绍
• HART现场通讯协议是工业界广泛认可的标准，在
4-20mA智能设备的基础上增加了数字通讯能力。该技术的普及使用非常迅速，目前，事实上所有主要设备供应商都HART 提供协议产品。 HART 协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案，在一条电缆上可以同时传递4-20mA 模拟信号和数字信号。HART 在提供现场总线的好处时，保留对现有4-20mA系统的兼容性。
HART协议－信息编码信息结构与转换程序
• 长短帧格式早期的HART设备使用短帧格式在这种格式中
从设备的地址为0~15HART第五版引入长帧格式在这种格式中从站地址范围很宽为一具有38bit的数新的现场设备使用长帧格式老的现场设备使用短帧格式主站应提供两种方式以便处理现存现场设备与新设备准备字符准备字段包括三个以上16进制FF字符作用是使接收调制解调器的频率检测电路同步接收后续传送的信号地址地址字段包括主站地址和从站地址在短帧格式中他们包含在一个字节内在长帧格式中包含在5个字节中在任何格式中主站地址占据1bit1号主站如控制系统用地址12号主站如手操器用地址0阵发模式信息例外有效比特位交替设置成0和1 以使每个主站可中断阵发模式在短帧格式中从站可登记地址范围为0~15这个数字占据一个地址字节在长帧格式中5个字节地址的剩余38位作为从设备唯一登记地址
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HART协议－应用模式－点对多点
HART协议－高级创新应用
• 图8 中示意的控制系统足以证明 HART 协议的强大功能。
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该应用中采用了HART 的本质特征，即在同一线对上同时传输4~20mA 和数字信号进行通讯，极具创新。在此应用中，HART兼容的变送器内置PID 控制功能。经组态，设备输出的4~20mA 回路电流正比于设备中PID 算法的输出(而非绝大多数变送器那样正比于测量值）。既然4~20mA回路电流由PID 控制输出，就可用来直接驱动阀门定位。控制回路完全在现场中，在变送器（带PID）和控制阀间执行。如同传统的4~20mA 模拟信号驱动阀门一样，控制动作连续进行。HART 数字通讯将操作员与控制回路联系起来，可以改变设定点、阀门位置输出或读取主要变量。采用这种革命性的控制框架可在应用中节省大量的成本。

其他几种现场总线详细介绍

备 (尽管不是全部)中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库; 特殊设备命令：在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。
2. HART的通信方式 HART支持点对点主从应答方式和多点广播方式。 HART支持两个通信主设备 HART采用统一的设备描述语言DDL HART能利用总线供电，可满足本安防爆要求。
10.3 INTERBUS总线
INTERBUS是德国跨国集团Phoenix公司推出的较早的现场总线，广泛地应用于汽车工业、烟草工业、仓储及传送技术、造纸工业、包装工业和食品工业等。 1996年成为欧洲标准EN50254 2000年2月成为国际标准IEC61158
1.INTERBUS特点
（1）协议模型
该模式允许网络上的所有节点同时存取同一源数据，网络通信效率更高;采用多信道广播信息发送方式，各个客户可在同一时间接收到生产者所发送的数据，网络利用率更高。
“生产者/客户”模式与传统的“源/目的” 通信模式比较
3)设备可互换性。 4)DeviceNet网络上的设备可以随时连接或断开 5)DeviceNel网络上的设备安装比传统的 I/O布线更加节省费用 6)利用RS Network for DeviceNet软件对网络上的设备进行配置、测试和管理。
3. DeviceNet进入中国
DeviceNet价格低、效率高，特别适用于制造业、工业控制、电力系统等行业的自动化，适合于制造系统的信息化。 2000年2月上海电器科学研究所与ODVA签署合作协议，共同筹建ODVA China。 2002年10月8日，DeviceNet现场总线被批准为国家标准。
（2）CC-Link的传输速度 CC-Link具有高速的数据传输速度，最高可以达到l0Mbit/s，其数据传输速度随距离的增长而逐渐减慢。（3）CC-Link实现高速大容量的数据传输 CC-Link提供循环传输和瞬时传输两种方式的通信。

HART协议

二、HART 协议应用
很多年以来,4～20ｍＡ信号一直成为现场仪表信号传输标准,在过程
自动化设备之间信息通信受到了极大的限制,仅能得到与过程变量成
正比的电流信号。1989 年Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ首先制订了ＨＡＲＴ
高速可寻址远程传感器协议,引起了现场仪表通பைடு நூலகம்标准的技术革命,在
工业过程中作为现场智能仪表数字通讯标准广为应用。为满足工业过程对ＨＡＲＴ协议的日益需求,在 1993 年成立ＨＡＲＴ通讯基金会。ＨＡＲＴ基金会是一个独立的、非盈利机构,它的主要职责是制订、维护及升级ＨＡＲＴ协议标准,登记注册会员、提供对应用ＨＡＲＴ技术在全球范围内的技术支持和培训。目前,世界上已有 60%的智能仪表采用了ＨＡＲＴ协议,主要的仪表供应厂商都提供支持ＨＡＲＴ协议的智能仪表,如ＨＯＮＥＹＷＥＬＬ、ＦＯＸＢＯＲＯ、ＡＢＢ、Ｅ＆Ｈ、ＳＭＡＲ等仪表制造商。专家预测到 2000 年约有 75%的智能仪表支持ＨＡＲＴ协议,开发符合ＨＡＲＴ协议的新类型仪表和制造厂商正持续快速增长。 1.ＨＡＲＴ协议ＨＡＲＴ协议采用在 4～20ｍＡ模拟信号上叠加音频数字信号进行双向数字通讯,而不影响传送给控制系统模拟信号的大小,保证了与现有模拟系统的兼容性。ＨＡＲＴ协议遵循ＩＳＯ制订的ＯＳＩ开放式系统互连参考模型,采用了ＯＳＩ模型的第一层、第二层和第七层,即物理层、数据链路层和应用层。 1.1 物理层物理层规定了信号的传输方法、传输介质,ＨＡＲＴ信号传输是基于ＢＥＬＬ202 通讯标准,采用ＦＳＫ(频移键控)方法,数字信号的传送波特率设定为 1200ｂ/ｓ,数字信号“0”和“1”分别用 1200Ｈｚ和 2200 Ｈｚ的正弦波表示,这些频率的正弦波叠加在模拟信号上一起传送。由于ＦＳＫ信号平均值为零,对模拟信号不会产生任何影响。通常采

HART协议介绍

1 HART协议介绍

HART协议不是真正的现场总线。它是4～20mA 模拟信号向全数字信号过渡的协议。在4～20mA 标准模拟信号上叠加了一个数字信号，原模拟信号仍有效，且数字信号与模拟信号互不影响。 HART协议首先由Rosemount公司于1986年提出。
1.1 HART协议的主要特点 1、数字能力 • 访问所有设备参数和诊断 • 支持多变量设备 • 在线设备状态 2、兼容模拟信号 • 数字和模拟通讯同时进行 • 兼容现有4~20mA设备及电缆 3、互可操作性 • 事实上完全开放的标准 • 通用命令和数据结构 • 增加设备描述语言
1.2 HART协议与OSI参考模型的关系
层号层名 OSI层次 HART层次
7
6 5 4 3 2 1
应用层
表示层会话层传输层网络层数据链路层差错处理物理层
格式化数据
转换数据控制会话确保信息完整路由传输协议规则连接设备
HART命令
未使用
BELL2Байду номын сангаас2
1.2.1 物理层

规定了信号的传输方法、信号电平、设备阻抗和介质。使用双绞线最为传输介质。模拟信号和数字信号共存是通过BELL202的通信标准实现的。采用频移键控技术（FSK），数字信号 “1”以频率1200Hz表示；“0” 以频率2200Hz表示。信号幅值为0.5mA。由于数字信号“正”、“负”幅值相等，故平均值为“0”。所以对模拟信号无影响。 HART协议中，每个字符有11位，1个起始位、8个数据位以及1个奇偶校验位和1个停止位。

1.2.2 数据链路层

主要概括了由协议编址的设备之间的通信要求。