现场总线技术及其应用
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2. 树形方式
几个现场仪表，一般按地理区域进行集中，接 到一根“局部运行” 的现场总线上，然后再引到 控制室中去。
3. 带桥方式
接到低速总线H1上的现场设备，通过“桥”和 多路转换器合并接到高速总线H2上，然后再接到控 制室中去。
10
3.1.5 现场总线的通信模型
➢
现场总线网络互连模型既参照ISO／OSI模
15
➢
现场总线的通信模型具有结构简单、
执行协议直观、价格低廉等优点，也满足
工业现场应用的性能要求。
16
3.2 建筑电气总线技术
➢ 自80年代以来，有几种类型的现场总线技术 已经发展成熟并且在一些特定的应用领域显示了 其自身的优势。这些现场总线具有各自的特点， 有的已经逐渐形成自己的产品系列，占有相当大 的市场分额，显示了较强的生命力。对现场总线 技术的发展已经发挥并将会继续发挥较大的作 用。
型（如图3-2所示），又具有自己的特点。协议是
分层的，但层次之间的调用关系不一定象OSI那样
严格，层次也可简化，以提高协议的工作效率；
既要遵循OSI模型体系结构原则，又要考虑FCS的
特点，满足FCS的特殊要求；在现场总线参数模型
中，既遵循开放系统集成的原则，又充分体现FCS
的特点和特殊要求。
11
1
13
1. 物理层
该层规定了现场总线的传输介质、传输速率、 每条线路可接仪表数量、最大传输距离、电源、 连接方式及信号类型等。
2. 数据链路层
该层规定了物理层和应用层间的接口，其中包 括：数据结构、传输差错控制、多主站使用的规 范化等。该层将通过帧数据检验保证信息传输的 正确性及完整性。
14
3. 总线访问子层
1. 现场总线是开放互连网络 2. 现场总线是现场通信网络 3. 现场总线是数字通信网络 4. 现场总线是现场设备互连网络 5. 现场设备的互操作性与互用性 6. 现场总线是结构和功能高度分散的系统 7. 对现场环境的适应性
5
3.1.3 现场总线技术的优点
➢ 现场总线具有的数字化、开放性、分散性、 互操作性和互换性及对现场设备环境的适应 性等特点决定和派生了其一系列优点：
第三章 现场总线 技术及其应用
1
3.1 概述
➢ 现场总线技术(fieldbus)是80年代末、90年 代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造 自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连 通信网络，它是一种开放式、新型全分布控制系 统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通信 为主要内容的综合技术，己受到世界范围的关注 而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。
➢ 通常将用于楼宇自动化领域的现场总线，如 LonWorks、EIB、CAN、BACnet、DeviceNet、 Modbus等总线，称之为建筑电气总线。
2
3.1.1 现场总线的演变过程
➢ 20世纪70年代以前，控制系统中多采用模拟量 对传输及控制信号进行转换、传递。由于其精度 差、受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控 制效果及系统稳定性都很差。
➢ 70年代末，随着大规模集成电路的出现，微处 理器技术得到很大发展。微处理器功能强、体积 小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系 统，控制效果得到提高，但是尽管如此，还是属 于集中式控制系统。
3
➢ 20世纪80年代初期，计算机和微处理器有了 突破性的发展，产生了直接数字技术（Direct Digital Control，DDC）技术。随后在计算机网 络技术的带动下，产生了各种以DDC技术为基础的 集散控制系统（Distributed Control System， DCS）。
1.节省硬件数量与投资 2.节省安装费用 3.节省维护开销
6
4．系统具有优异的远程监控功能和强大的 （远程）故障诊断功能
5．用户具有高度的系统集成主动权 6．现场设备更换和系统扩展更为方便 7．提高系统的准确性与可靠性 8．易于系统调整 9．为企业信息系统的构建创造了重要条件
7
3.1.4 现场总线技术的网络结构
现
场
设
备
树形拓扑
点对点
H2
桥
H2
H2
...
...
C
C
V 带桥
服务器
多路转换器
图3-1 现场总线的几种连接方式
9
1. 点对点方式
每个现场仪表，包括智能变送器、支持维护的 装置及手持通信器等，单独接到低速(31.25kbps) 现场总线H1上，用于现场仪表比较分散或传输信息 量大的场合，接法与4~20mA接线方式相似。
➢ 随着控制技术、计算机网络技术和通信技术的 成熟和发展，数字化作为一种趋势正在从工业生 产过程的决策层、管理层、监控层和控制层一直 渗透到现场设备。从而形成了新型的网络集成式 全分布控制系统——现场总线控制系统FCS （Fieldbus control system）。
4
3.1.2 现场总线技术的技术特点
应用层
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2
表达层
3
会话层
4
传输层
5
网络层
6 数据链路层
7
物理层
图3.2 ISO/OSI模型
7
应用层
6
5
4
3
总线访问子层
2
数据链路层
1
物理层
图3.3 典型的现场总线协议模型
12
➢ 典型的现场总线协议模型（见图3-3）采用 OSI模型中的三个典型层：物理层、数据链路层 和应用层，在省去3～6层后，考虑到现场总线的 通讯特点，设置一个现场总线访问子层。它具有 结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点，也 满足工业现场应用的性能要求。与OSI参考模型 的相应层次相比，现场总线标准的物理层、数据 链路层与其有相同的含义。从总线访问子层看， 现场总线有很大特色。
该层定义了过程控制的基本内容。其中，包括 现场总线内部信息的存取方法及信息在网内同一 节点或不同节点的其它设备间的传送方法。现场 总线结构的基础是功能块，由各功能块完成数据 采集、控制或输出。每个功能块都包含一个算法 功能和运算中所需的数据库以及由用户定义的该 功能块的唯一标识符。
4. 应用层
它向用户提供了一个简单的接口，其中定义了 读、写、解释或执行一个信息或一条命令的方法。 其中很大部分是定义信息的语法。此外，应用层 还定义了信息传输的方式，如：周期式、立即响 应式、一次性方式及使用者请求方式等。
➢ 现场总线是控制(Control)技术、计算机 (Computer)与通信(Communication)（即3C技术） 发展汇聚的结果。
➢ 现场总线的网络拓扑结构有点对点方式、树 型方式、带桥方式3种。
➢ 其结构如图3-1所示。
8
专用数字通讯
数 字 控 制 系 统
现 场 总 线
H1
H1
... ...
几个现场仪表，一般按地理区域进行集中，接 到一根“局部运行” 的现场总线上，然后再引到 控制室中去。
3. 带桥方式
接到低速总线H1上的现场设备，通过“桥”和 多路转换器合并接到高速总线H2上，然后再接到控 制室中去。
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3.1.5 现场总线的通信模型
➢
现场总线网络互连模型既参照ISO／OSI模
15
➢
现场总线的通信模型具有结构简单、
执行协议直观、价格低廉等优点，也满足
工业现场应用的性能要求。
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3.2 建筑电气总线技术
➢ 自80年代以来，有几种类型的现场总线技术 已经发展成熟并且在一些特定的应用领域显示了 其自身的优势。这些现场总线具有各自的特点， 有的已经逐渐形成自己的产品系列，占有相当大 的市场分额，显示了较强的生命力。对现场总线 技术的发展已经发挥并将会继续发挥较大的作 用。
型（如图3-2所示），又具有自己的特点。协议是
分层的，但层次之间的调用关系不一定象OSI那样
严格，层次也可简化，以提高协议的工作效率；
既要遵循OSI模型体系结构原则，又要考虑FCS的
特点，满足FCS的特殊要求；在现场总线参数模型
中，既遵循开放系统集成的原则，又充分体现FCS
的特点和特殊要求。
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1. 物理层
该层规定了现场总线的传输介质、传输速率、 每条线路可接仪表数量、最大传输距离、电源、 连接方式及信号类型等。
2. 数据链路层
该层规定了物理层和应用层间的接口，其中包 括：数据结构、传输差错控制、多主站使用的规 范化等。该层将通过帧数据检验保证信息传输的 正确性及完整性。
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3. 总线访问子层
1. 现场总线是开放互连网络 2. 现场总线是现场通信网络 3. 现场总线是数字通信网络 4. 现场总线是现场设备互连网络 5. 现场设备的互操作性与互用性 6. 现场总线是结构和功能高度分散的系统 7. 对现场环境的适应性
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3.1.3 现场总线技术的优点
➢ 现场总线具有的数字化、开放性、分散性、 互操作性和互换性及对现场设备环境的适应 性等特点决定和派生了其一系列优点：
第三章 现场总线 技术及其应用
1
3.1 概述
➢ 现场总线技术(fieldbus)是80年代末、90年 代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造 自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连 通信网络，它是一种开放式、新型全分布控制系 统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通信 为主要内容的综合技术，己受到世界范围的关注 而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。
➢ 通常将用于楼宇自动化领域的现场总线，如 LonWorks、EIB、CAN、BACnet、DeviceNet、 Modbus等总线，称之为建筑电气总线。
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3.1.1 现场总线的演变过程
➢ 20世纪70年代以前，控制系统中多采用模拟量 对传输及控制信号进行转换、传递。由于其精度 差、受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控 制效果及系统稳定性都很差。
➢ 70年代末，随着大规模集成电路的出现，微处 理器技术得到很大发展。微处理器功能强、体积 小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系 统，控制效果得到提高，但是尽管如此，还是属 于集中式控制系统。
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➢ 20世纪80年代初期，计算机和微处理器有了 突破性的发展，产生了直接数字技术（Direct Digital Control，DDC）技术。随后在计算机网 络技术的带动下，产生了各种以DDC技术为基础的 集散控制系统（Distributed Control System， DCS）。
1.节省硬件数量与投资 2.节省安装费用 3.节省维护开销
6
4．系统具有优异的远程监控功能和强大的 （远程）故障诊断功能
5．用户具有高度的系统集成主动权 6．现场设备更换和系统扩展更为方便 7．提高系统的准确性与可靠性 8．易于系统调整 9．为企业信息系统的构建创造了重要条件
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3.1.4 现场总线技术的网络结构
现
场
设
备
树形拓扑
点对点
H2
桥
H2
H2
...
...
C
C
V 带桥
服务器
多路转换器
图3-1 现场总线的几种连接方式
9
1. 点对点方式
每个现场仪表，包括智能变送器、支持维护的 装置及手持通信器等，单独接到低速(31.25kbps) 现场总线H1上，用于现场仪表比较分散或传输信息 量大的场合，接法与4~20mA接线方式相似。
➢ 随着控制技术、计算机网络技术和通信技术的 成熟和发展，数字化作为一种趋势正在从工业生 产过程的决策层、管理层、监控层和控制层一直 渗透到现场设备。从而形成了新型的网络集成式 全分布控制系统——现场总线控制系统FCS （Fieldbus control system）。
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3.1.2 现场总线技术的技术特点
应用层
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2
表达层
3
会话层
4
传输层
5
网络层
6 数据链路层
7
物理层
图3.2 ISO/OSI模型
7
应用层
6
5
4
3
总线访问子层
2
数据链路层
1
物理层
图3.3 典型的现场总线协议模型
12
➢ 典型的现场总线协议模型（见图3-3）采用 OSI模型中的三个典型层：物理层、数据链路层 和应用层，在省去3～6层后，考虑到现场总线的 通讯特点，设置一个现场总线访问子层。它具有 结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点，也 满足工业现场应用的性能要求。与OSI参考模型 的相应层次相比，现场总线标准的物理层、数据 链路层与其有相同的含义。从总线访问子层看， 现场总线有很大特色。
该层定义了过程控制的基本内容。其中，包括 现场总线内部信息的存取方法及信息在网内同一 节点或不同节点的其它设备间的传送方法。现场 总线结构的基础是功能块，由各功能块完成数据 采集、控制或输出。每个功能块都包含一个算法 功能和运算中所需的数据库以及由用户定义的该 功能块的唯一标识符。
4. 应用层
它向用户提供了一个简单的接口，其中定义了 读、写、解释或执行一个信息或一条命令的方法。 其中很大部分是定义信息的语法。此外，应用层 还定义了信息传输的方式，如：周期式、立即响 应式、一次性方式及使用者请求方式等。
➢ 现场总线是控制(Control)技术、计算机 (Computer)与通信(Communication)（即3C技术） 发展汇聚的结果。
➢ 现场总线的网络拓扑结构有点对点方式、树 型方式、带桥方式3种。
➢ 其结构如图3-1所示。
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专用数字通讯
数 字 控 制 系 统
现 场 总 线
H1
H1
... ...