现场总线与数据通信基础

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现场总线复习课北化

现场总线
第四章HART通信协议
一、HART协议最为突出的特点是什么？最突出的特点是：数字通讯与模拟信号4～20mA兼容，传输的信号用调制后的正弦信号叠加在4～20mA的模拟信号上。二、简要概述HART 协议的两种通信模式，HART协议的点对点模式和多点模式各自的地址范围是多少。点对点模式时从设备的地址为0；多点模式时从设备地址范围为115 三、HART协议总线可挂接的仪表数量最多为多少？在非本安情况下，从设备最多可有15台。在本安情况下，由于线路电流能量限制，从设备最多只能有4台。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4、用户具有系统集成主动权
用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。不会为系
统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展；系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。
第一章现场总线技术概述
现场总线
四、现场总线有哪些优点？
5、提高了系统的准确性与可靠性
现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差；系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性；设备标准化，功能模块化，使系统具有设计简单，易于重构等优点。
一、简述控制网络的主要特点？二、总线访问控制技术可分为哪两大类？各自的代表性技术是哪些？三、CSMA/CD的发送数据工作过程？四、令牌环发送和接收数据的过程是什么？五、令牌总线中令牌丢失和令牌重复的处理方法？六、OSI标准模型一共有哪几层？对比OSI模型，简述FF总线、 HART总线和EPA总线的通信模型？七、解释现场总线协议的一致性测试目的和可互操作性的测试目的。
现场总线
第四章HART通信协议

工业数据通信和控制网络(现场总线)

工业数据通信和控制网络（现场总线）现场总线技术现场总线控制系统（简称FCS）其结构模式为“工作站――现场总线智能仪表”二层结构，成本低、可靠性高，可实现真正的开放式互连系统结构。

操作站LANH2H1服务器H1现场总线现场设备124H1网桥H1H132现场设备H1现场总线现场总线FCS控制层32现场设备原理图控制系统应用图示例使用控制系统分布确定现场总线的接线H1现场总线#3网段控制室PCGreenLiquorStorageLT111LT112H1现场总线#2网段LT101Re-BurnedPurchasedLimeLimeDT109FT11019SC11124IP102IP104AIP104BCoolerSC11225SC1102320FT102AT10321TT104HeaterCV-101A/OAT106AT107AAT107BLT108SC10822H1现场总线#1网段TT105现场总线定义现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、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。

网络节点网络体系包括IPC、PLC以及各种智能化的现场控制设备基于统一、规范的通信协议通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享位于生产控制的底层网络结构通信总线在现场设备中的延伸现场总线的发展1996年到1998年，国际性组织FF（现场总线基金会）和PNO（Profibus国际组织）先后发布了适于过程自动化的现场总线标准H1、H2（HSE）和Profibus-PA,H1和PA都在实际工程中开始应用。

1999年底，包含8种现场总线标准在内的国际标准IEC-61158开始生效，除H1、HSE和PA外，还有WorldFIP、Interbus、ControlNet、P-NET、SwiftNet等五种。

Profibus较适合于工厂自动化，CAN适用于汽车工业，FF总线(FoundationFieldbus)主要适用于过程控制现场总线的网络结构现场总线的星形网络结构现场总线的网络结构特点Ethernet/HighwayFiledbusIPC、PLC。

现场总线及通讯协议

现场总线及通讯协议现场总线的现状和未来发展一、引言计算机控制系统的发展在经历了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以及集散控制系统（DCS）后，今后将朝着现场总线控制系统的方向发展。

现场总线(field bus)是指现场仪表和数字控制系统输入输出之间的全数字化、双向、多站的通讯系统。

二、现场总线的产生纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大外因的推动下占领市场的主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生也不例外。

1、模拟仪表控制系统模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。

其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。

2、集中式数字控制系统集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。

采用单片机、PLC、SLC 或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。

集中式数字控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制机时的选择上可以统一调度和安排；不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。

3、集散控制系统（DCS）集散控制系统（DCS）于八、九十年代占主导地位。

其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。

因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。

在集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用，遗憾的是，不同的DCS厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层Intranet、Internet信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系统且DCS造价昂贵。

1-现场总线基础知识

现场总线技术
一.现场总线基础知识
现场总线简介现场总线的发展现场总线的特点与优点几种有影响的现场总线
1.现场总线简介（FieldBus）
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。它的出现标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始。为什么要引入现场总线？
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微处理器和数字化元件，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。现场总线满足这种要求。
• 全分布
各现场设备有足够的自主性，它们彼此之间相互通信，完全可以把各种控制功能分散到各种设备中，而不再需要一个中央控制计算机，实现真正的分布式控制。
现场总线的优点2
• 全开放 – 1999年底现场总线协议已被IEC 批准正式成为国际标准，从而使现场总线成为一种开放的技术。
• 双向传输 – 传统的4~20mA电流信号，一条线只能传递一路信号。现场总线设备则在一条线上既可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制信息。
现场总线与DCS的网络结构比较
3.现场总线的结构特点
按照国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互连（OSI）参考模型建立。将七层简化成三层，分别由OSI参考模型的第一层物理层，第二层数据链路层，第七层应用层组成，流量与差错控制由数据链路层完成。考虑现场总线的通信特点，有些现场总线还设置了一个现场总线访问
4-20mA信号是DCS系统及现场设备相互连接的最本质特点.网关通讯程序开发工作量大.
控制计算机
CRT操作站
通道指挥器
基本调节器1 基本调节器2 基本调节器3
输入/输出
DCS结构示意图
信号要送到控制站,需要很多连线

现场总线课后答案

现场总线课后答案第一章现场总线技术概述1.自动控制系统的发展经历了哪几个阶段？大致经历了四个发展阶段，具体如下：20世纪50年代以前是模拟仪表控制系统；直接数字控制系统；70年代中期出现集散控制系统；90年代后期现场总线控制系统。

2.DCS控制系统的结构包括哪几部分？包括三部分：分散过程控制装置部分，操作管理装置部分，通信系统部分3.现场总线的基本定义？现场总线(Fieldbus)：是用于过程自动化或制造自动化中的，实现智能化现场设备（例如，变送器、执行器、控制器)与高层设备(例如主机、网关、人机接口设备)之间互联的，全数字、串行、双向的通信系统。

5.现场总线控制系统的技术特点。

1.开放性；2.全数字化；3.双向通信；4.互可操作性与互用性；5.现场设备的智能化与功能自治性6.系统结构的高度分散性7.对现场环境的适应性6. FCS相对于DCS具有哪些优越性？1．FCS实现全数字化通信2．FCS实现彻底的全分散式控制3．FCS实现不同厂商产品互联、互操作4．FCS增强系统的可靠性、可维护性5．FCS降低系统工程成本7.分析现场总线的现状，展望其发展前景。

第二章数据通信基础与网络互联1.何谓现场总线的主设备、从设备？可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”，又称命令者。

不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备(bus slaver)，也称基本设备。

2.总线操作过程的内容是什么？总线上命令者与响应者之间的连结→数据传送→脱开，这一操作序列称为一次总线“交易”(transaction)，或者叫做一次总线操作。

3.寻址方式有几种？物理寻址逻辑寻址广播寻址4.通信系统由哪几部分组成?各自具有什么功能?通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。

它一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输媒介几部分组成。

信息源和接收者是信息的产生者和使用者发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。

数据通信与工业控制网络知识点总结

数据通信与工业控制网络知识点总结在当今高度自动化和智能化的工业生产环境中，数据通信与工业控制网络扮演着至关重要的角色。

它们是实现工业设备之间高效、准确信息传递和协同工作的关键基础设施。

接下来，让我们一起深入了解这一领域的重要知识点。

一、数据通信基础数据通信是指在不同设备之间传输数据的过程。

这包括了数据源的生成、数据的编码与调制、数据的传输介质选择以及数据的接收和解码。

（一）数据编码与调制在数据通信中，为了使数据能够在传输介质中有效传输，需要对原始数据进行编码和调制。

常见的编码方式有不归零编码（NRZ）、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码等。

而调制则是将数字信号转换为模拟信号的过程，常见的调制方式有幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）等。

（二）传输介质传输介质是数据传输的物理路径，常见的有双绞线、同轴电缆、光纤和无线介质等。

双绞线成本较低，适用于短距离传输；同轴电缆具有较好的抗干扰能力，常用于有线电视和早期的网络布线；光纤则具有极高的带宽和传输距离，适用于高速、长距离的数据传输；无线介质如 WiFi、蓝牙等则提供了便捷的移动性和灵活性。

（三）数据传输方式数据传输可以分为串行传输和并行传输。

串行传输是逐位依次传输数据，线路成本低，适用于远距离传输；并行传输则是同时传输多位数据，速度快但线路复杂，成本高，适用于短距离、高速传输。

二、工业控制网络的类型工业控制网络根据应用场景和需求的不同，可以分为多种类型。

（一）现场总线现场总线是一种用于工业现场设备之间通信的网络，如CAN 总线、Profibus 总线等。

它具有实时性强、可靠性高、成本低等优点，广泛应用于制造业、自动化生产线等领域。

（二）工业以太网工业以太网是将以太网技术应用于工业控制领域，它在以太网的基础上增加了实时性、可靠性和安全性等方面的特性，能够满足工业控制对网络性能的要求。

（三）无线网络随着无线技术的发展，工业无线网络也逐渐得到应用，如 Zigbee、WirelessHART 等。

现场总线工业通信基础(精)

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现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang yanfen
19
2.1 工业网络通信基础
●工业网络与通信
基础知识
4. 差错控制
循环冗余校验（CRC,Cyclic Redundancy Check）
一种通过多项式除法检测错误的方法。
检错思想校验和计算方法
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2.1 工业网络通信基础
●工业网络与通信
基础知识
4. 差错控制
如何提高通信质量？
采用差错控制方法
一种软的控制技术。它容忍差错的存在，但能够发现，并设法加以纠正。这是普遍采用的提高通信质量的方法。
原理检测码纠错码
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2.1 工业网络通信基础
●工业网络与通信
基础知识
3. 数据传输
数据传输方式
在数据通信系统中，各种处理工作都是在一定的时序脉冲控制下进行的，收发端工作的协调一致性是实现信息传输的关键，这就是数据通信系统中的传输同步问题。
并行通信串行通信
异步传输和同步传输是解决串行通信同步传输的方法。
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2.1 工业网络通信基础
3. 数据传输数据传输方式
异步传输
异步传输使用的是字符同步方式。
同步传输
●工业网络与通信
基础知识
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第19课现场总线技术基础 (1)

9
什么是现场总线
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，共同完成测控任务的网络
10
现场总线是通信网络
• 位于生产控制现场和网络结构的底层
• 现场总线是低带宽的控制网络 • 它与上层的Internet、企业内部网Intranet相连 • 构成企业综合自动化的通信网络平台
CAN的位仲裁技术
报文标识符
站1报文 01111110000
丢掉
站2报文
01001100000
01001100000
01001100000
跟踪
站3报文
010011100001
010011100001
丢掉
平板车
平板车
转向角度传感器悬挂角度传感器行走手柄/ 开关压力传感器方向盘油门N（Controller Area Network）即控制器局域网，可以归属于工业现场总线的范畴，是目前国际上应用最广泛的开放式现场总线之一。
• 与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，它在汽车领域上的应用最为广泛，世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ(奔驰)、 BMW(宝马)、volkswagen (大众)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。
• 网络上节点严重错误时，具有自动关闭总线的功能
• 用数据块编码方式代替传统的站地址编码方式
• 不支持本质安全、总线供电
35
CAN总线的同步设计
•
硬同步
– 硬同步只在总线空闲时通过一个下降沿（帧起始）来完成，此时不管有没有相位误差，所有节点的位时间重新开始。强迫引起硬同步的跳变沿位于重新开始的位时间的同步段之内。

现场总线技术基础典型现场总线及其应用

太航科技
二、现场总线标准现状
1. IEC 61158国际标准 8种 2. 以太网技术对IEC 61158标准的扩充 12种 3. 特殊行业的现场总线国际标准 4种
三、现场总线在我国的应用概况
现场总线应用近年来有长足、全方位发展。但开发技术还相对不足。现场总线技术的开发、应用过程中，有效做法有如下几点： 1.选择在国际上影响较大、有市场应用前景的总线作为我国现场总线开发的技术标准。 2.标准的文本可借鉴欧洲现场总线标准的文本构成方式，各个总线标准分开，便于使用。 3.尽快建立总线应用技术支持服务机构。
二、现场总线协议模型
全新的IEC 61158现场总线协议模型，省去了OSI模型中间的3~6层，增加了面向用户的第八层用户层。现场总线结构模型统一为四层，即：物理层、数据链路层、应用层和用户层。
用户层应用层表示层 7 6 5 4 3 2 数据链路层 2 应用层（3-6）层不用 8 7
OSI与现场总线结构模型比较
用户层用户层88应用层应用层77应用层应用层表示层表示层663366层不用不用会话层会话层55传输层传输层44网络层网络层33数据链路层数据链路层22数据链路层数据链路层22物理层物理层11物理层物理层11osiosi协议协议模型模型现场总线协现场总线协议模型议模型osi与现场总线结构模型比较太航科技taihangcom三现场总线仪表三现场总线仪表智能仪表在通信上配置相应的总线标准接口前提下为了在智能仪表在通信上配置相应的总线标准接口前提下为了在fcsfcs系统集成中灵活配置还必须符合下列要求
太航科技
多功能智能化现场仪表开发的一些常用功能：
1.通信功能：支持一种或多种通信模式或总线协议。 2.多变量监测：支持多个物理量的监测功能，一个变送器可以同时测量温度、压力与流量等参数。 3.复合控制功能：可以完成诸如信号线性化、工程单位转换、阀门特性补偿、流量补偿、过程装置监视与诊断以及PID控制等多个功能。国内某款智能型电容式压力变送器：

CAN-bus现场总线基础教程【第1章】现场总线CAN-bus-CAN-bus物理层(2)

基于该目的，CAN-bus 对信号电平、通信时使用的电缆及连接器等做了详细规定。

CAN-bus 由ISO 标准化后发布了两个标准，分别是ISO11898（125kbps~1Mbps 的高速通信标准）和ISO11519（小于125kbps 的低速通信标准）。

这两个标准仅在物理层不同，在数据链路层是相同的。

1.1.1 CAN 收发器与信号电平位于CAN-bus 物理层的器件要完成逻辑信号与电缆上物理信号的转换，该器件被称为收发器，其外形如图1.1所示。

图1.1 CAN 收发器的引脚与实物图CAN-bus 使用两根线缆进行信号传输，如图1.2所示，这两根线缆的名称分别为CAN_High 和CAN_Low （简称CAN_H 和CAN_L ）。

CAN 收发器根据两根线缆之间的电压差来判断总线电平，这种传输方式被称为差分传输。

线缆上传输的电平信号只有两种可能，分别为显性电平和隐性电平，其中显性电平代表逻辑0，隐性电平代表逻辑1。

ISO11898和ISO11519-2电信号数据对比如表1.1所示。

共模干扰是指信号线上的干扰信号的幅度和相位都相同，如图1.3所示。

例如通信电缆被一个电磁脉冲辐射了，根据中学的物理知识我们知道交变的磁场能感应出产生交变的电场，反映在信号电位上就是出现了瞬间的电压跌落或尖峰。

现场总线控制网络

天津工业大学自动化、电气工程及其自动化本科生限修课程工业控制网络与自动化管理技术主讲：郭利进2016.09-12讲解内容:1.现场总线技术概述2.数据通信基础3.控制网络基础4.CAN总线与基于CAN的控制网络5.分布式的网络控制系统6.网络控制系统的实施和管理第1 章现场总线技术概述—工业控制网络与自动化管理技术—天津工业大学郭利进本章内容1.1现场总线简介1.2现场总线系统的特点1.3以现场总线为基础的企业网络系统1.4现场总线技术的标准化返回1.1 现场总线简介1.1.1 什么是现场总线1.1.2 基于现场总线的数据通信系统1.1.3 现场总线控制网络与网络化控制系统1.1.4 现场总线系统适应了综合自动化发展需要1.1.5 早期的现场总线返回1.1.1 什么是现场总线现场总线原本指现场设备之间公用的信号传输线。

后又被定义为应用在生产现场，在测量控制设备之间实现双向串行多结点数字通信的技术。

现在已成为控制网络的代名词。

现场总线IEC定义：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进行双向、串行、多节点、数字通信技术。

随着现场总线技术的发展，它不再只是通信标准或通信技术，而成为网络系统与控制系统。

现场总线系统：以测量控制设备作为网络节点，以双绞线等传输介质为纽带，把位于生产现场、具备数字计算和数字通信能力的测量控制设备连接成网络系统，按公开、规范的通信协议，在多个测量控制设备之间、现场设备与远程监控计算机之间，实现数字传输与信息交换，形成适应各种应用需要的自动控制系统。

现场总线系统既是一个开放的数据通信系统、网络系统，又是一个可以由现场设备实现完整控制功能的全分布控制系统。

1.1.2 基于现场总线的数据通信系统基于现场总线的数据通信系统有数据的发送设备、接收设备、作为传输介质的现场总线、传输报文、通信协议几部分组成。

1.1.3 现场总线控制网络与网络化控制系统控制网络的定义：控制网络也称网络化的控制，它将多个分散在生产现场、具有数字通信功能的测量控制仪表作为网络节点，采用公开、规范的通信协议，以现场总线作为通信连接的纽带，把现场控制设备连接成可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。

《现场总线控制技术》教学大纲

《现场总线控制技术》教学大纲《现场总线控制技术》课程教学大纲课程名称：现场总线控制技术（Technology of Field Bus Control System ）课程代号：02332150学时数：38（实验6学时）学分数：2适用专业：自动化、电气工程及其自动化执笔人：徐晓光一、本课程的性质、任务和作用本课程综合了电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术的最新发展成果，旨在介绍现场总线这一自控领域的新技术，使学生了解工业自动化领域当今世界自控技术的研究热点和发展方向。

本课程的主要任务是使学生在了解工业自动化的发展历程以及在现场总线技术中使用的基础知识的基础上，掌握目前在工业现场使用最多的PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA的基本原理和具体应用，对工业以太网技术、AS-i 技术及与现场总线密切相关的OPC技术和IEC61131-3编程语言等新技术也要有所认识。

通过本课程的学习能独立承担和开展现场总线控制系统相关的研究工作。

二、本课程的相关课程可编程序控制器、可视化数据处理技术、计算机控制技术，机电传动与控制，单片机原理与应用，自动控制原理等课程三、本课程的基本内容及要求（二）基本内容第1章概述1．1 现场总线的基本概念1．2 现场总线的特点1．3 现场总线的现状1．4 现场总线的未来第2章数据通信基础2．1 通信模型2．2 数据传输2．3 传输媒体2．4 传输数据编码2．5 数据通信接口2．6 差错检测与校正2．7 多路复用技术第3章现场总线体系结构3．1 网络体系结构概述3．2 开放系统互连参考模型中的若干重要概念3．3 现场总线体系结构的建立及特点3．4 现场总线网络的拓扑结构第4章媒体访问控制技术4．1 媒体访问控制技术概述4．2 集中控制型受控访问方法4．3 ALOHA随机访问方法4．4 CSMA 随机访问方法线控制系统的特点。

第2章数据通信基础掌握通信模型、数据传输、传输媒体、传输数据编码、数据通信接口和差错检测与校正的概念及方法，了解多路复用技术的构成及使用方法。

2第二章数据通信基础

数据通信基础
现场总线
2.1 基本术语 1. 总线基本术语总线操作：总线上数据发送者与接收者之间的连接－数据传送－脱开这一操作序列，称为一次总线操作。
连接（connection)：指的是通信对象之间的逻辑绑定（ binding）。数据传送：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。脱开(disconnect)：完成一次或多次总线操作后，断开发送者与接收者之间的连接关系，放弃对总线的占有权。
例：信道带宽W=3KHz，信噪比为10dB（S/N=10)，则 C=3000*log2(1+10) ≈10380bps 如果信噪比提高为20dB（S/N=100)，则 C=3000*log2(1+100) ≈19980bps
1. 增加带宽也可以提高信道容量。但噪声功率N=Wn0(n0为噪声的单边功率谱密度）。随着W增大，N增大，会导致信噪比降低。 2. 在信道容量一定时，带宽与信噪比之间可以相互弥补。即提高信道带宽可使具有更低信噪比的信号得以通过，而传输信噪比比较高的信号时，可适当放宽对信道带宽的要求。
数据通信基础
现场总线
2.1 基本术语 1. 总线基本术语总线仲裁（bus arbitration）：总线通信过程中出现冲突。为解决冲突需要进行总线占有权的仲裁。
某一时刻只允许一个主设备占有总线，它完成操作后释放总线占有权，其他主设备才能使用总线；访问等待时间(access latency):主设备获得总线占有权等待仲裁的时间；总线占有期(bus latency):设备占有总线的时间。
位（bit）/秒
可度量通信系统每秒传送的信息量。二进制信号的信息速率用每秒比特（bit/s,bps,b/s）作单位。如比特率为9600bps意味着每秒可传输9600个二进制脉冲。当信道一定时，信息速率越高，有效性越好。

CAN-bus现场总线基础教程【第1章】现场总线CAN-bus-CAN-bu数据链路层(3)

1.1.1 CAN 帧类型CAN-bus 通信是通过五种类型的帧进行的，它们分别是数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔，其种类及用途如表1.1所示。

表1.1 帧的种类及用途1.1.2 数据帧CAN-bus 的用途就是在各个节点之间建立起交换数据的桥梁，数据帧就像卡车一样，承担了运送数据的功能。

目前使用最广泛的CAN-bus 标准是V2.0版本，该标准在发布之初就制定了A 和B 两部分，称为CAN2.0A 和CAN2.0B 。

这两个部分的主要区别是仲裁区域的ID 码长度不同，CAN2.0A 为11位ID ，称为标准帧。

CAN2.0B 为29位ID ，称为扩展帧。

这两种标准的设备一般不会在同一个物理网络中混合使用。

数据帧由7个段组成，帧结构如图1.1所示，各段的结构如图1.2所示，作用如表1.2所示。

所有节点必须同步于首先开始发送帧的起始位。

2．仲裁段我们知道一个CAN-bus 线缆上会挂接很多CAN 节点，它们都可以主动发送报文。

我们可以想象如果在同一时刻有多个节点同时发送数据帧，则可能出现数据互相干扰的问题，就像一条铁轨不能在同一时刻跑多列火车一样。

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封闭
控制系统体系结构演变
5、现场总线控制系统（FCS）
现场总线控制系统突破了DCS通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以将来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备通过现场总线控制系统把DCS集中与分散结合的集散系统结构变成了新型全分布式系统结构控制系统体系结构演变
1、初级控制系统
20世纪50年代以前，由于工业生产规模较小，各类检测、控制仪表处于发展的初级阶段，生产设备以机械设备为主，所用的设备主要是安装在生产现场、具有简单测控功能的基地式仪表，信号基本上都是在本仪表内起作用（主要是显示功能），一般不能传送给别的仪表或系统，各测控点为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过对生产现场的巡检来了解生产过程的运行状况。
控制系统体系结构演变
3、集中式数字控制系统（CCS）
模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度的开销、难度都较大，信号传输的抗干扰能力也较差，因此，80年代初人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，研制出直接数字控制（Direct Digit Control，DDC）系统，用数字计算机代替控制室内的仪表来完成控制系统功能。由于数字计算机价格昂贵，人们总是用一台计算机取代控制室的所有仪表，于是出现了集中式数字控制系统。这样，解决了信号传输及抗干扰问题。
全性好低带宽
信息化与自动化层次
信息层控制层设备层
各类局域网802（IEEE），TCP/IP
实现控制系统网络化，容许符合标准的设备方便接入。
传感器、I/O部件、变送器、阀门、驱动器等，各设备厂商遵循公认的标准，设备可互操作。
三层网络的特点
信息层（管理层）
高速报文传送高容量数据共享
现场总线具有较高的测控性能，一是得益于仪表的智能化，二是得益于设备的通信化。
控制网络 vs. 信息网络
数据传输
传输的及时性、响应的实时性
完整性可靠性通信方式
互操作性
控制网络 0.01~0.5s
恶劣环境也能保证可广播或组播必须解决
信息网络 2.0~6.0s （大部分甚至可忽略）
非恶劣环境
控制层
支持I/O信息，报文的传输和诊断功能开放性技术能够设置信息的优先级支持多主、广播和点对点 (Peer-to-Peer) 的通信方式高速I/O信息和报文的传送有效地数据共享确定性和可重复性 (Determinism & Repeatability)
设备层
有类似于控制层的要求，但更强调降低安装费用、系统调试时间。
控制系统体系结构演变
2、模拟仪表控制系统（PCS、ACS）
60年代至70年代后期，先后出现了以电子管、晶体管、集成电路为核心的气动和电动单元组合式仪表两大系列。它们分别以压缩空气和直流电源作为动力，用于对防爆要求较高的化工生产和其他行业，防爆等级为本质安全型，并以气压信号0.02MPa～ 0.1MPa，直流电流信号0mA～10mA、4mA～ 20mA，直流电压信号0V～5V，1V～5V等作为仪表的标准信号，在仪表内部实行电压并联传输，外部实行电流串联传输，以减小传输过程的干扰。
现场总线拓扑结构
星型
传输介质类型
传输介质
有线传输介质
无线传输介质
双绞线同轴电缆光纤
微波卫星通信红外线等
非屏细粗单多屏蔽蔽缆缆模模
传输介质比较
现场总线的特点
全数字通信多分支结构系统的开放性交互性现场设备的智能化和功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的高度适应性多为短帧传送，实时性强，可靠性高，安
风险高度集中
控制系统体系结构演变
4、集散控制系统（DCS）
随着计算机可靠性的提高和价格的下降，自控领域又出现了新型控制方案——集散控制系统，它由数字调节器、可编程控制器（PLC）以及多台计算机构成，当一台计算机出故障时，其他计算机立即接替该计算机的工作，使系统继续正常运行。在集散系统中系统的风险被分散到多台计算机承担，避免了集中控制系统的高风险，提高了系统的可靠性。因此，它被工业生产过程广泛接受，这就是今天正在被许多企业采用的DCS系统。在DCS系统中，测量仪表、变送器一般为模拟仪表，控制器多为数字式，因而它又是一种模拟数字混合系统。
典型现场总线简介
基金会现场总线（Foundation Fieldbus，FF）
1994年，由ISP和WorldFIP两大集团合并成立现场总线基金会，拥有120多个成员如AB、ABB、Honeywell 等。
采用 ISO/OSI物理层，数据链路层和应用层，增加了用户层。
有低速（H1，31.25kb/s,200m，400m，1200m， 1900m）与高速（H2，1Mbps, 2.5Mpbs,750m,500m）之分，H2逐渐被HSE（100Mb/s，甚至更高）取代。
与信息网络的集成； DCS、FCS均属控制网络的范畴。
控制系统体系结构演变
控制器
远程传感器和执行机构
集中控制
工控机
控制器 . . . 控制器
远程传感器和执行机构
集散控制
现场总线智能自治节点
现场总线控制
控制系统测控能力
现场智能仪表内部结构模型
4～20mA标准
现场总线标准
现场总线拓扑结构
现场总线系统设计
现场总线概念
定义：现场总线（Fieldbus）是指将现场设备（如数字传感器、变送器、仪表与执行机构等）与工业过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网络，具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。
自控领域的局域网，控制现场的底层网络。
大部分是一对一一般要求
控制网络的技术特点
要求有高实时性与良好的时间确定性；传送信息多为短帧信息，且信息变换频繁；容错能力强，可靠性、安全性好；网络协议简单实用，工作效率高；网络结构具有高度分散性；控制设备的智能化与控制功能的自治性高；与信息网络之间有高效率的通信，易于实现