现场总线报告

现场总线及其应用
综述报告
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前言部分： (2)
一、现场总线概述 (2)
1、现场总线的现状与发展 (2)
2、现场总线简介 (5)
二、现场总线体系结构及协议 (8)
1、网络体系结构的基本概念 (8)
2、OSI参考模型 (8)
3、物理层与物理层协议 (9)
三、现场总线的工程应用 (10)
1、CAN (10)
2、Profibus现场总线 (13)
3、LonWorks智能控制网络 (16)
参考文献 (19)
前言部分
现场总线技术是自动化领域发展的热点，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、多站的串行通信系统，被誉为自动化领域的局域网，它是计算机技术、通信技术、控制技术的集成。

现场总线控制系统打破了传统控制技术的结构形式。

传统模拟控制系统采用一对一的物理连接，而现场总线控制系统FCS是继基地式仪表控制系统、电动气动单元组合仪表模拟控制系统、直接数字控制系统DDC、集散控制系统DCS之后的新一代智能控制系统，它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，将每个网络节点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。

现场总线中的传感器、变送器、执行机构均置入了微处理器，使它们具备了数字计算和数字通信的能力，信息的传输不再依赖于控制室内的计算机或控制仪表，直接在现场的各网络节点完成，实现了彻底的分散，有力的推动了测控系统向数字化、网络化、智能化方向发展。

发展现场总线的初衷是建立开放的控制通信网络，其通信协议理应趋于统一，但由于历史原因，已有众多公司与技术部门在开发现场总线与产品方面投入了大量的人力和财力，至今在不同领域形成的现场总线已有几十种，并在特定的领域内得到了应用。

然而，进入IEC 标准的现场总线只有8种，本报告着重介绍国内外常用的几种现场总线及其应用技术。

一、现场总线概述
1.现场总线的现状与发展
（1）现状
国际电工技术委员会/国际标准协会自1984年起着手现场总线的标准工作，但统一的标准至今仍未完成。

同时，世界上许多公司也退出了自己的现场总线技术。

但太多存在差异的标准和协议，会给实践带来复杂性和不便，影响开放性和互操作性。

因而在最近几年里开始标准统一工作，减少现场总线协议的数量，以达到单一标准协议的目的。

各种协议标准合并的目的是为了达到国际上统一的总线标准，以实现各家产品的互操作性。

●多种总线共存
●每种总线各有其应用领域
●每种总线各有其国际组织
●每种总线均有其支持背景
●设备制造商参加多个总线组织
●多种总线均作为国家和地区标准
●协调共存
●工业以太网引入工业领域
（2）现场总线技术的发展趋势
自动化系统的网络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。

现在网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中，这些具有发展前景的现场总线技术有:
●智能仪表与网络设备开发的软硬件技术；
●组态技术，包括网络拓扑结构、网络设备、网络互连等；
●网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输；
●人机接口、软件技术；
●现场总线系统集成技术。

现场总线属于尚在发展的技术，我国在这一技术领域还刚刚起步。

了解国际上该项技术的现状与发展动向，对我国相关行业的发展，对自动化技术、设备的更新，无疑具有更重要的作用。

有理由认为：在从现在起的未来十年内，可能出现几大总线的标准共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。

（3）自动控制系统的发展及其体系结构
回顾自动控制系统的发展历史，可以看到它与工业生产过程本身的发展有着极为密切的联系。

工业生产本身的发展，诸如工艺流程的变革，设备的更新换代，生产规模的扩大，以及快速反应，临界稳定工业，能力综合平衡工艺的开发成功，均对自动化提出更高的要求，经济全球化，激烈的市场竞争又给自动化提出新的目标。

另一方面，微电子、自动控制、计算机、通信及网络等技术的发展，又为新型控制系统的出现提供了技术的保证。

可以说自动控制系统经历了一个从简单到复杂，从局部到全局，从非智能、低智能到高智能的发展过程。

●模拟仪表控制系统ACS
20世纪50年代以前，系统采用基地式气动仪表、单元组合式仪表，这些仪表采用统一的模拟信号
●直接数字控制DDC
20世纪60年代初，人们利用数字计算机和外围设备取代传统的模拟控制仪表，除以数字形式实现常规控制规律外，还采用更先进的控制技术，如复杂控制算法和协调控制等。

●集散控制系统DCS
20世纪70年代中期，出现了数字调节器、PLC以及多个计算机递阶构成的集中分散相结合的集散控制系统。

●现场总线控制系统
20世纪90年代后期，人们在DCS的基础上开始开发一种适用于工业环境的网络结构和网络协议的现场总线及现场总线仪表。

2.现场总线的简介
（1）现场总线的本质
由于标准并未统一，所以对现场总线也有不同的定义。

但现场总线的本质含义主要表现在一下6个方面。

●现场通信网络
用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。

●现场设备互联
依据实际需要使用不同的传输介质把不同的现场设备或者现场仪表相互关联。

●互操作性
用户可以根据自身的需求选择不同厂家或不同型号的产品构成所需的控制回路，从而可以自由地集成FCS。

●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，彻底地实现了分散控制。

●通信线供电
通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量, 这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表, 与其配套的还有安全栅。

●开放式互联网络
现场总线为开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。

（2）现场总线的特点和优点
●结构特点
现场总线控制系统由于采用了现场总线设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、输入输出模块置于现场总线设备，加上现场总线设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行器直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。

由于采用数字信号代替模拟信号，因而可实现一对一电线上传输多个信号（包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息），同时又为多个现场总想设备提供电源；现场总线设备以外不再需要A/D、D/A转换部件。

这样就简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。

●技术特点
a.系统的开放性
通信协议公开，各不同厂商的设备之间可实现信息交换。

b.互可操作性与互用性
互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同制造商性能类似的设备可以进行更换，实现相互替换。

c.现场设备的智能化与功能自治性
将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场总线设备中完成。

d.系统结构的高度分散性
现场总线已构成了一种新的全分散性控制系统的体系结构，提高了可靠性。

e.对现场环境的适应性
可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等多种传输介质、，具有较强的抗干扰能力，采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求。

●优点（优越性）
a.FCS实现全数字化通信
b.FCS彻底实现全分散式控制
c.FCS实现不同厂商产品互联、互操作
d.FCS增强系统的可靠性、可维护性
e.FCS降低系统工程成本
二、现场总线体系结构及协议
1.网络体系结构的基本概念
计算机网络系统是一个十分复杂的系统。

将一个复杂的系统分解为若干个容易处理的子系统，然后“分而治之”。

为了化简网络的设计，常将网络按功能划分成一系列的层次，让每一层完成一个特定的功能。

完成某一层功能的硬件和软件集合称为实体。

一个功能完备的计算机网络的复杂的协议是按层次结构来组织的；网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构；体系结构是个抽象的概念，其具体实现是通过特定的硬件和软件来完成的。

2.OSI参考模型
OSI参考模型是国际标准化组织为解决异种机互连而制定的开放式计算机网络层级结构模型。

在PSI中的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、遵循同一标准的其他任何系统进行通信。

OSI参考模型只是描述了一些概念，用来协调进程之间通信标准的制定。

在OSI范围内，只有各种的协议是可以被实现的，而各种产品只有和OSI的协议相一致时才能互联。

OSI参考模型知识一个概念性的框架。

OSI划分为七层：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。

3.物理层与物理层协议
（1）网络协议的概念
●网络协议是指为网络同层实体之间数据交换而制定的规则、约定与标准，亦称同层协议
或通信协议；
●网络协议的三要素：语义、语法与时序；
●语义：用于解释比特流的每一部分的意义，“讲什么”；
●语法：语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序的意义，“如何
讲”；
●时序：时间实现顺序的详细说明。

（2）物理层基本服务功能
●物理层主要考虑如何在传输介质上传输数据的比特流；
●设计物理层的主要目的是屏蔽通信技术的差异性。

（3）物理层向数据链路层提供的服务
●建立物理连接：建立、维护与释放；
●物理连接：点-点连接于多点连接；
●数据传输：单工、半双工与全双工方式。

（4）基本的数据编码方式
●模拟数据编码：振幅键控ASK、移频键控FSK、移相键控PSK
●数字数据编码：非归零码NRZ、曼彻斯特编码、查分曼彻斯特编码
这里主要介绍一下数字数据编码
a.非归零码
NRZ码的缺点是无法判断一位的开始与结束，收发双方不能保持同步；为保证收发双方同步，必须在发送NRZ码的同时，用另一个信道同时传送同步信号；信号中存在直流分量。

b.曼彻斯特编码
曼彻斯特编码的规则：前T/2传送该比特的反码，后T/2比特传送该比特的源码。

曼彻斯特编码的有点：利用电平跳变可以产生手法双方的同步信号；曼彻斯特编码信号不含直流分量。

c.查分曼彻斯特编码
与曼彻斯特编码的不同点：每比特的中间跳变仅作同步只用；每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定；一个比特开始出出现电平跳变表示传输二进制0，不发生跳变表示传输二进制1。

三、现场总线的工程应用
1.CAN
（1）CAN总线的定义
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，在欧洲已是汽车网络的标准协议。

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。

（2）CAN 总线协议简介
●位仲裁
要对数据进行实时处理，就必须将数据快速传送，这就要求数据的物理传输通路有较高的速度。

在几个站同时需要发送数据时，要求快速地进行总线分配。

实时处理通过网络交换的紧急数据有较大的不同。

一个快速变化的物理量，如汽车引擎负载，将比类似汽车引擎温度这样相对变化较慢的物理量更频繁地传送数据并要求更短的延时。

CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。

这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。

总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。

如图2所示，当几个站同时发送报文时，站1的报文标识符为011111；站2的报文标识符为0100110；站3的报文标识符为0100111。

所有标识符都有相同的两位01，直到第3位进行比较时，站1的报文被丢掉，因为它的第3位为高，而其它两个站的报文第3位为低。

站2和站3报文的4、5、6位相同，直到第7位时，站3的报文才被丢失。

注意，总线中的信号持续跟踪最后获得总线读取权的站的报文。

在此例中，站2的报文被跟踪。

这种非破坏性位仲裁方法的优点在于，在网络最终确定哪一个站的报文被传送以前，报文的起始部分已经在网络上传送了。

所有未获得总线读取权的站都成为具有最高优先权报文的接收站，并且不会在总线再次空闲前发送报文。

CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用，这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。

这种方法在网络负载较重时有很多优点，因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了，这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。

对于主站的可靠性，由于CAN协议执行非集中化总线控制,所有主要通信，包括总线读取（许可）控制，在系统中分几次完成。

这是实现有较高可靠性的通信系统的唯一方法。

●报文格式
在总线中传送的报文，每帧由7部分组成。

CAN协议支持两种报文格式，其唯一的不同是标识符（ID）长度不同，标准格式为11位，扩展格式为29位。

在标准格式中，报文的起始位称为帧起始（SOF），然后是由11位标识符和远程发送请求位 (RTR）组成的仲裁场。

RTR位标明是数据帧还是请求帧，在请求帧中没有数据字节。

控制场包括标识符扩展位（IDE），指出是标准格式还是扩展格式。

它还包括一个保留位(ro），为将来扩展使用。

它的最后四个位用来指明数据场中数据的长度（DLC）。

数据场范围为0～8个字节,其后有一个检测数据错误的循环冗余检查(CRC）。

应答场（ACK）包括应答位和应答分隔符。

发送站发送的这两位均为隐性电平（逻辑1），这时正确接收报文的接收站发送主控电平（逻辑0）覆盖它。

用这种方法，发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。

报文的尾部由帧结束标出。

在相邻的两条报文间有一很短的间隔位，如果这时没有站进行总线存取，总线将处于空闲状态。

（3）CAN总线的应用举例
CAN总线在工控领域主要使用低速-容错CAN即ISO11898-3标准，在汽车领域常使用500Kbps的高速CAN。

某进口车型拥有，车身、舒适、多媒体等多个控制网络，其中车身控制使用CAN网络，舒适使用LIN网络，多媒体使用MOST网络，以CAN网为主网，控制发动机、变速箱、ABS 等车身安全模块，并将转速、车速、油温等共享至全车，实现汽车智能化控制，如高速时自动锁闭车门，安全气囊弹出时，自动开启车门等功能。

CAN系统又分为高速和低速，高速CAN系统采用硬线是动力型，速度：500kbps，控制ECU、ABS等；低速CAN是舒适型，速度：125Kbps，主要控制仪表、防盗等。

某医院现有5台16T/H德国菲斯曼燃气锅炉，向洗衣房、制剂室、供应室、生活用水、暖气等设施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然气1200万m3，耗用20万吨自来水。

医院采用接力式方式供热，对热网进行地域性管理，分四大供热区。

其中冬季暖气的用气量很大，据此设计了基于CAN现场总线的分布式锅炉蒸汽热网智能监控系统。

现场应用表明：该楼宇自
动化系统具有抗干扰能力强，现场组态容易，网络化程度高，人机界面友好等特点。

2.Profibus现场总线
（1）Profibus通讯简介
PROFIBUS是Process Fieldbus的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标准，即EN50170欧洲标准。

该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。

目前世界上许多自动化技术生产厂家都为它们生产的设备提供PROFIBUS接口。

PROFIBUS已经广泛应用于加工制造、过程控制和楼宇自动化，是成熟技术。

作为众多现场总线家族的成员之一，ProfiBus是在欧洲工业界得到最广泛应用的一个现场总线标准，它既符合德国标准DIN19345及欧洲标准EN50170，同时也于2000年成为国际标准IEC61158的组成部份，是目前国际上通用的现场总线标准之一。

ProfiBus是属于单元级、现场级的网络，适用于传输中、小量的数据。

其开放性可以允许众多的厂商开发各自的符合ProfiBus协议的产品，这些产品可以连接在同一个ProfiBus网络上。

Profibus是在1987年由Simens等13家企业和5家科研机构在德国联邦研技部的资助下，联合研究开发的开放式现场总线标准。

ProfiBus是一种电气网络，物理传输介质可以是屏蔽双绞线光纤、无线传输。

ProfiBus主要有三部分组成，包括：ProfiBus-DP、ProfiBus-PA、 ProfiBus-FMS ，简称DP、PA和FMS。

ProfiBus-DP（H2）是一种经优化的高速低成本通信，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计ProfiBus-PA(H1)是专为过程自动化设计，提供本安传输技术，可使传感器和执行机构联在一根总线上，主要用于现场设备层的总线ProfiBus-FMS 主要用于车间级监控网络，解决车间级通用性通信任务，是一个令牌结构的实时多主网络一般将DP和FMS混合使用。

Profibus 的三个兼容产品，使得Profibus 既适合于自动化系统与现场I/o单元的通讯，也可用于直接连接带接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表对现场信号进行采集和监控。

（2）Profibus总线协议简介
协议结构
Profibus现场总线是目前应用最广泛的现场总线技术之一。

DP和PA的完美结合使得
Profibus现场总线在结构和性能上优越于其它现场总线。

Profibus 既适合于自动化系统与现场I/o单元的通讯，也可用于直接连接带接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表对现场信号进行采集和监控。

并且用一对双绞线替代了传统的大量的传输电缆，大量节省了电缆的费用，也相应节省了施工调试以及系统投运后的维护时间和费用。

Profibus协议以OSI为参考模型，其协议结构如下图所示：
a.FMS的协议结构：
FMS定义了物理层、数据链路层和应用层和用户接口，三到六层未加描述；物理层提供了光纤和RS485二种传输技术；数据链路层完成总线的存取控制并保证数据的可靠性；应用层定义了低层接口LLI和现场总线信息规范FMS；LLI的作用是协调不同的通信关系并提供不信赖设备的第二层访问接口，FMS提供了范围广泛的功能来保证它的普遍应用；在不同的应用领域中，具体需要的功能范围必须与具体应用要求要适应，这些适应性定义称之为行规，行规提供了设备的可互换性，保证不同厂商生产的设备具有相同的通信功能；FMS在用户接口中规定了相应的用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，定义了现场设备行为的行规。

b.PA的协议结构：
PA主要应用于过程控制领域，可以把测量变送器、阀门、执行机构用一根总线连接起来；PA数据传输采用扩展的DP协议，只是在上层增加了描述现场设备行为的PA行规简单的说，PA就相当于DP通信协议加上最适合现场仪表的传输协议IEC1158-2，根据IEC1158-2
标准，PA可通过总线给现场设备供电，并可确保数据传输的本质安全性当使用分段耦合器，PA装置能很方便的连接到DP网络。

c.DP的协议结构：
DP定义了物理层、数据链路层和用户接口，三至七层未加描述；这种结构是为了确保数据传输的快速有效地进行；DP中的物理层和数据链路层与FMS中的定义完全相同，二者采用了相同的传输技术（光纤或RS485传输）和统一的总线控制协议（报文格式），直接数据链路映像DDLM为用户接口与数据链路层之间的信息交换提供了方便。

用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同DP行规。

（3）Profibus总线的应用
典型的工厂自动化系统应该是三级网络结构，基于现场总线Profibus-DP/PA控制系统位于工厂自动化系统中的低层，即现场级和车间级。

现场总线Profibus是面向现场级和车间级的数字化通信网络。

●现场设备层
主要功能是连接现场设备，如分散式I/O、传感器、驱动器、执行机构、开关、[2] 灯设备，完成现场设备控制及设备间连锁控制。

主站负责总线通信管理及所有从站的通信。

总线上所有设备生产工艺控制程序均储存在主站中，并由主站执行。

●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。

●工厂管理层
车间操作员工作站可通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。

车间管理网作为主网的一个子网，通过交换机、网桥或路由器等连接到厂区骨干网上，。