工业数据通信和控制网络(现场总线)讲解

现场总线通常采用以下二种技术来保证其实时性：
一是简化技术。 简化网络结构，现场总线一般将网络形式简化成线 形； 简化通信模型，一般只利用了OSI/RM中的2～3层； 简化节点信息，通常简化到只有几字节。 经过以上简化，可以极大地提高通信传递速度。 二是采用网络管理技术来实现实时性，并保证其可预知性。 例如:采用主-从访问方式，只要限制网络的规模， 就可以将响应时间控制在指定的时间内。 总而言之，实时性要求是现场总线区别于一般计算机通信的主 要因素。改善现场总线的实时性，减少响应时间的 不确定性是现场总线的重要发展趋势。
虚拟通信关系：
FF设备按照预先组态好的通信通道进行，这种现场总线网络系统 各应用之间的通信通道称为虚拟通信关系。
FAS为上层提供了三种虚拟通信关系
（1）发布者/订阅者模型虚拟通信关系 （2）报告分发模型虚拟通信关系 （3）客户/服务器模型虚拟通信关系
（1）发布者/订阅者模型虚拟通信关系
—— 面向连接方式
IP 104A IP 104B Cooler
SC 112 25
SC 110 23
20 FT 102 AT 103
21
TT 104
Heater CV-101 A/O
AT 106
AT 107A
AT 107B
LT 108 SC 108 22
H1 现场总线 # 1网段
TT 105
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。
周期性通信过程（最高优先级！）：
① LAS根据内部周期性调度表按时发出强制数据（CD）PDU至发 布者端点（DLCEP）； ② 发布者收到CD向总线广播缓冲区数据，第一个数据作为LAS的 返回令牌和订阅者的接受令牌； ③ 订阅者将下一个数据作为实际数据，所有数据将存入缓冲区。
周期性通信过程
非周期性通信过程
现场总线设备的分类 —— 共分为3类
1. 链路主设备：有能力成为LAS的设备； 2. 网 桥：两个总线（网）段之间的连接设备，网桥属于链路主设备； 3. 基本设备： 不具备LAS能力，只能接受令牌做出响应（所有网络设备都具备这 种能力）。
测控回路中受调度通信的实质
连接不同现场设备内的功能块。一个功能块输出为“参数发 布者”，其他功能块作为“订阅者”。LAS利用网络调度表周 期性地传送控制数据。
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 PC
Green Liquor Storage
LT 111 LT 112
H1 现场总线 # 2网段
LT 101
Re-Burned Purchased Lime Lime
DT 109 FT 110
19
SC 111 24 IP 102
现场总线网段内对链路活动进行集中总调度的现场总设备。
LAS说明
掌管总线操作，每一时刻只有一个处于工作状态，LAS许可设备后才能传 送数据。现场总线上设备按通信形式分为调度设备和非设备调度。
LAS 链路活动调度器任务
Fieldbus H1 Card w/LAS
1. 2. 3. 4. 5.
允许调度通信 允许非调度通信 数据联接与应用时间同步 识别新的总线设备 维护活动清单
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-6 1158开始生效，除H1、HSE和PA外，还有WorldFIP、Inter bus、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（Foundation Fieldbus）主要适用于过程控制
Type3：Profibus ★
Type4：P－Net
Type5：FF HSE ★
Type6：SwiftNET Type7：WorldFIP Type8：Interbus
以上8种总线采用完全不同的通信协议！
控制网络要求
控制网络要求确定性和可重复性。确定性是指有限 制的延迟和有保证的传送，也就是说一个报文能在 可预测的时间周期内成功的发送出去。可重复性是 指网络的传输能力不受网络上节点的动态改变（增 加节点或者删除节点）和网络负载的改变而影响。 这正是普通局域网不适合作为控制网的原因。
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/Highway Filedbus
IPC、PLC……
Controller/Getway
I/O子系统
Filedbus
……
……
DCS实际上是“半分散”、“半数字”的系统
FCS采用的是一个完全分散的控制方式
现场总线的技术特征
• 将分支连接至主干线 • 1个接线盒支持2/4/8/10和12 台设备 • 短路保护带故障指示 • 可选，内置/可拨码终端器 • 可插拔的分支接线接口 • 全球危险区域认证 • 密封式结构可以抵御环境影响 • 内置T型连接结构
其它现场接线器
预制接线盒及预制电缆 可插拔式现场设备接口
基金会现场总线的链路层
网络结构
计算机通信系统的结构是网络状的，节点间的通信路径是不固定的； 大部分现场总线的结构是线 状的，节点间的通信路径是比较固定的。
Leabharlann Baidu
FB采用线状结构的原因在于： ① 容易实现对现场仪表的总线供电。 ② 容易实现本安防爆规范。
如果线状结构的现场总线上某支路断开了以后， 这条支路就可能完全瘫痪，而一般的网络系统则 没有这种问题，信息还可以通过选择其它路由进 行传递。
发布者/订阅者模式通信
Data Transfer (DT) Compel Data (CD) Fieldbus Host Device
PID AO
Link Active Scheduler (LAS)
AI
发布者/订阅者
在控制器中执行PID 3 CD VCR’s 3
PID 在控制器中
2 1
变送器 到 控制器
(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。 通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设 备间具有互可操作性。 功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有 互换性。 控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度 的分散性。
控制器 到 阀门
阀门 到 控制器
发布者/订阅者
在变送器中执行PID 2 CD VCR’s
2
1
需要非周期性通信的原因 ① 过程报警或异常故障需占用总线，属非周期性操作 ② 非周期性操作用多主结构和“令牌循环机制” ③ 非周期性操作按非周期性度量传送的间隙或剩余时间
非周期性通信过程（下图说明） 非周期性通信的优先级:（分为3级）
1. 最高级——发送强制报文CD走遍所有端点后降级 2. 一般级 3. 最低级
IEC61158现场总线标准
IEC 61158
Type1：IEC 61158技术报告★ Type2：ControlNet
※IEC 61158国际标准只是一种模 式，8种类型都是平等的 ※各组织按照IEC技术报告Type1的 框架组织各自的行规，但不改变 各组织专有的行规（Profile） 。 ※IEC标准的其中Type2～Type8需 要对Type1提供接口，而标准本 身不要求Type2～Type8提供接口， 用户在应用各类型时仍可使用各 自的行规，其目的就是为了保护 各自的利益。
现场总线网络模型(普遍性)
ISO/OSI模型 现场总线模型 用户层（程序） 用户层
应用层
7
现场总线信息规范子层FMS 现场总线访问子层FAS
表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
6 5 4 3 2 1 数据链路层 物理层 物理层 通信栈
基金会现场总线 FF
• －FF由FIP（WorldFip North American ）和ISP（InterOperable Syst em Project ），在1994年合并而成。 • －FF总线由低速FF_H1和高速FF_HSE组成。高速H2总线发展计划已 取消。 • （1）FF_H1：以OSI参考模型为基础的四层结构模型，采用令牌总 线介质访问技术，用于工业产生现场设备连接。 • （2）FF_HSE：则采用基于Ethernet(IEEE 802.3)+TCP/IP的六层 结构，主要用于制造业(离散控制)自动化以及逻辑控制、批处理 和高级控制等场合。
二、基金会现场总线的通信模型
1. 采用简化的ISO/OSI三层结构，即：物理层（PHL）、数据链路层 （DLL）、应用层（APL）; 2. 与参考模型的不同点：制定了通行标准、对用户应用进行了独有 规范——加用户应用层（用户层），用于实现各厂商设备的独有 特性，提高各设备间的相互操作性； 3. 应用层设有两个子层——总线访问子层（FAS）、总线报文规范 子层（FMS）
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 LAN H2 服务器 现场设备 124 H1 H1 H1 网桥 32 现场设备 H1 32 现场设备 现场总线 现场总线 现场总线
H1 H1
FCS控制层 原理图
链路层功能
位于物理层与应用层的访问子层之间，为系统管理内核和总线访问子层 访问总线媒体提供服务
主要任务
生成协议控制信息，包括：链路活动调度LAS、数据接收发送、活动状态 探测及响应、设备间的链路同步、对传输信息实行祯校验。
链路活动控制
由总线上有一个媒体访问控制中心，控制称为：LAS链路活动调动器。
LAS定义
非周期性通信过程
FF应用层
基金会现场总线的应用层
功能：
为用户程序访问现场总线通信环境提供必要手段或与相关应用程序之间 的”窗口”。
分层： 1. 现场总线报文规范子层(FMS用户命令的编解码)； 2. 现场总线访问子层(FAS管理数据传输)
1、现场总线访问子层FAS
FAS功能：
为报文规范层提供逻辑通信通道(称为应用关系AR)，是虚拟通信 关系管理的最重要部分。
功 能： 用于链接VCR关系的功能块 方 式： 发布者功能块运行后，数据存入缓冲区，接收到CD后，向总线 上订阅者广播，例AI输出OUT到PID 特 点： 仅用于调度通信（最高优先级）; 不确定地循环重复或定期重复; 网络调度由链路活动调度器进行; 1毫秒的精确性; 功能块之间的输出/输入通信始终使用发布者/订阅者模式。
物理层的功能
1. 实现现场设备与物理总线的连接； 2. 为现场设备与传输媒体的连接提供机械电气接口； 3. 为现场设备对总线的收、法提供和平规范的物理信号（曼彻斯特 波形）； 4. 应考虑电气隔离、信号滤波、设备供电等； 5. 一般使用双绞线、标明+、-表明接触上的极性；
H1网络设备－典型的接线盒
受调度设备
LAS按预定调度设备时间周期性一次发起通信活动，用于在设备 之间周期性地传送控制数据。例：现场变送器与执行器之间传送 测量或控制信号。
非调度设备
在预定调度时间表之外，由LAS发出传送令牌，得到令牌者可以 发送信息。
LAS功能归纳——5种基本功能
1. 设备发送强制数据CD(Compel data),只是受调度设备传送信息； 2. 向设备发送传递令牌PT(Pass token),为设备提供发送非周期数据 的机会； 3. 为新入网的设备探测未被采用过的地址，用于加入活动表； 4. 定期性总线段发布数据链路时间和调度时间同步； 5. 监视设备对传递令牌设备的响应，不随令牌顺寻进入和不返还令 牌的设备被删除。