第1讲现场总线技术概述

现场总线与数据局域网的区别
用途不同 现场总线主要用于对生产、生活设备的控制； 数据网络主要用于通信、办公，提供文字、声音和图 像等数据信息。 技术要求不同 现场总线要求具备高度的实时性、安全性和可靠性， 网络接口尽可能简单，成本尽量降低，数据量一般较 小； 数据网络则需要大批量数据传输和处理。
由于采用智能现场设备，能够把DCS系统中处于 控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设 备中，在现场直接完成采集和控制。 由于不需要其他的模数转换器件，且一对电线能 传输多个信号，因而简化了系统结构，节约了设 备及安装维护费用。
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现场总线概述
1.1.5 现场总线的特点和优点—技术特点
系统的开放性
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现场总线概述
1.1.4 现场总线的本质
5. 通信线供电 允许现场仪表直接从通信线上获取能量， 对于要求本征安全的低功耗现场仪表， 可采用这种供电方式 6. 开放式互连网络 既可与同层网络互连，也可以与不同层 网络互连，还可以实现网络数据库的共 享
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现场总线概述
1.1.5 现场总线的特点和优点—FCS与DCS的对比 1. 结构
企业资源规划层
在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。

首先将中间监控层的数据库中的信息转入上层关系数据库中， 使远程用户能通过浏览器查询网络运行状态，对生产过程进行实 时的远程监控；
对数据进行进一步的分析和整理，为相关的各种管理、经营决 策提供支持，实现管控一体化。

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1.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构
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1.3.4 CAN 是控制器局域网的简称，由德国BOSCH公司提出， 得到Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC 等公司支持； 采用ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层； 通信速率最高1Mbps/40m，传输介质为双绞线； 采用短帧结构传输，传输时间短，受干扰的概率低；
传输速率为9.6Kbps-12Mbps，最大传输距离为 9.6Kbps时1200m，1.5Mbps时200m，可用中继 器延长至10km，传输介质为双绞线、光缆。
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1.3.3 LonWorks
由美国Echelon公司和Motorola、Toshiba公司倡 导； 采用ISO/OSI模型的全部七层协议； 通信速率300bps-1.5Mbps，支持双绞线、同轴电 缆、光纤、射频等多种介质； 采用Neuron芯片，包含3片8位CPU，分别完成12层、3-6层协议和应用处理； 鼓励OEM开发商运用LonWorks和神经元芯片开 发自己的应用产品。
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1.1.1 现场总线定义
现场总线 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。 国际电工委员会（IEC）对现场总线的定义 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。 涉及智能仪表、控制、计算机、数据通信技术
通信协议公开，各不同厂家的设备之间可 进行互连并实现信息交换 互可操作性与互用性
现场设备的智能化与功能自治性
系统结构的高度分散性
对现场环境的适应性
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1.1.5 现场总线的特点和优点—优点
节省硬件数量与投资
节省安装费用
节约维护开销
用户具有高度的系统集成主动权 提高了系统的准确性与可靠性
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1.3.5 HART
是Highway Addressable Remote Transducer的缩写， 即可寻址远程传感高速通道。由Rosemount公司提出，并 于1993年成立HART通信基金会； 特点是在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟 系统向数字系统转变过程中的工业过程控制的过渡性产品； 由物理层、数据链路层和应用层组成。物理层采用FSK(频 移键控)技术在4-20mA信号上叠加一个频率信号，代表0和 1； 支持点对点主从应答方式和多点广播方式，数据更新速率 为2-3次/秒，传输距离最大3000m
应用层
分为两子层：应用服务层(FMS)，用于为用户提供服务；现场总线 存取层(FAS)，用于实现数据链路的连接
用户层
定义了从现场装置中读写信息和向网络中其他装置分派信息的方法， 即规定了供用户组态的标准“功能模块”
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现场总线概述
1.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构
现场总线网络直接面向生产过程，因此要求很高 的实时性、可靠性、数据完整性和可用性；
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WorldFIP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
5. 仪表
FCS: 智能仪表，除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外， 还具有数字通信能力，并且具有控制和运算的能力； DCS: 模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能
6. 控制
FCS: 控制功能分散在各个智能仪表中； DCS: 所有控制功能集中在控制站中
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1.1.5 现网络效率高；
总线网：成本低，时延不确定，重载时效率低； 树形网：可扩张性好，频带较宽，但节点间通信不便；
令牌总线网：物理上是总线网，逻辑上是令牌网。
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1.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构
制造执行层
从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋 势分析等功能，还包括控制组态的设计和下装。 通过总线接口转换器实现现场总线网段和以太网段的连接。
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1.3.2 Profibus现场总线 德国国家标准和欧洲标准； 参考模型也是ISO/OSI模型； 由PROFIBUS-DP、-FMS和-PA组成；
PROFIBUS-DP型用于分散外设间的高速传输，适用 于加工自动化领域的应用； PROFIBUS-PA用于过程自动化。 PROFIBUS-FMS为现场信息规范，适用于纺织、楼宇 自动化、PLC等一般自动化；
因此一般只包括物理层、数据链路层和应用层； 要完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递； 统一的企业网络信息集成系统应具有三层结构， 从底向上依次是：过程控制层(PCS)、制造执行 层(MES)、企业资源规划层(ERP)
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1.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构
企业网 Internet
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以太网通信特性
以太网通信特性 负荷越小，碰撞越 少 负荷在10%左右时， 基本无碰撞 负荷在25%以下时， 以太网的通信响应时 间明显短于令牌网 （如 ARCnet）
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1.1.4 现场总线的本质
1. 现场通信网络 用于过程及制造自动化的现场设备或现场仪表互 连的通信网络 2. 现场设备互连 现场设备或仪表、传感器、变送器和执行器等。 这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用 双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等 3. 互操作性 对不同厂商不同品牌的现场设备统一组态，构成 所需要的控制回路，并且具备相互操作的功能
DCS:操作员在控制室既不能了解模拟仪表的工作状态，也不能对其 进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对仪表处于“失控”状 态
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1.1.5 现场总线的特点和优点—FCS与DCS的对比
4. 互换性
FCS: 用户可以自由选择不同制造商提供的性能价格比最优的现场设 备和仪表，并将不同品牌的仪表互连； DCS:尽管模拟仪表统一了信号标准(4-20mA DC)，可大部分参数仍 由制造厂自定，致使不同品牌的仪表互换难度较大
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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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
现场总线概述
1.2.2 现场总线与上层网络的互联
第一种方式：采用专用网关完成不同通信 协议的转换，把现场总线网段或DCS网段 连接到以太网上。
第二种方式：将现场总线网卡和以太网卡 都置入工业PC机插槽上，在PC机内实现数 据交换。 第三种方式：将Web服务器直接置入PLC 或现场总线设备内，借助Web服务器和通 用浏览工具实现数据信息的动态交互。
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1.1.4 现场总线的本质
4. 分散功能块 FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把 DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表， 从而构成虚拟控制站
例：流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输 入模块，而且有PID控制和运算功能块。 调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输出特性 补偿模块，或PID控制和运算模块，甚至阀门特性自检 验和自诊断功能。
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现场总线与管理信息网络的特性比较
特性 监视与控制能力 可靠性与故障容限 实时响应 信息报文长度 OSI相容性 体系结构与协议复杂性 通信功能级别 通信速率 抗干扰能力 现场总线 强 高 快 短 低 低 中级 低、中 强 管理信息网络 弱 高 中 长 中、高 中、高 大范围 高 中
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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
2. 可靠性
FCS: 可靠性好：数字信号传输抗干扰能力强，精度高； DCS: 可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰
3. “失控”状态
FCS: 操作员在控制室既可以了解现场设备或现场仪表的工作状况， 也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处于 操作员的远程监视与可控状态之中；
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采用专用网关
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将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC机插槽上
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1.2.3 现场总线网络集成应考虑的因素 控制网络的特点
适应工业控制应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好； 网络传输的是测控数据及其相关信息，短帧，传输速率低
标准支持(国际、国家、地区、企业标准) 网络结构
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1.1.8 现场总线网络的实现
制定标准时参照OSI七层协议标准
大多采用第1层(物理层)、第2层(数据链路 层)和第7层(应用层)，并增加第8层用户层。
应用层 表示层
会话层
传输层 网络层 数据链 路层 物理层
物理层：定义了信号的编码与传送方式、 传送介质、接口的电气及机械特性、信号 传输速率等
企业资源规划层ERP 制造执行层MES 过程控制层PCS
工业局域网
现场总线
现场总线控制网络
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1.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构
过程控制层
依照现场总线的协议标准，智能设备采用功能块的结构， 通过组态设计，完成数据采集、A/D转换、数字滤波、温度 压力补偿、PID控制等功能。智能转换模块对传统检测仪表 的电流电压进行数字转换和补偿。 过程控制层的拓扑结构
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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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。