现场总线

第四章 现场总线概述
一、现场总线的定义
按照国际电工委员会IEC61158标准的解释, 现场总线是应用在
制造或过程区域现场装置与控制室内自动控制装置之间的数字式、
串行、多点通信的数据总线.它也被称为开放式、数字化、多点
通信的底层控制网络.
二、现场总线控制系统的定义
以现场总线为技术核心的工业控制系统,称为现场总线控制系统.
简称FCS(Fieldbus Control System). 他把单个分散的过程控制设备变成智能控制节点(将微处理机嵌入到传统的过程控制仪表中,使之具备了数字处理和数字通信能力).采用简单连法的双绞线作为传输介质,把多个过程控制仪表连结成网络结构,使多个现场控制设备、现场智能仪表与过程监控计算机之间,实现数据传输与数据交换,形成各种适合实际需要的分布式自动控制系统.
三、现场总线控制系统的由来
20世纪50年代以前的气动控制仪表成为第一代控制仪表，到60年代的4-20mA 电动单元组合仪表为第二代仪表，到60年代-70年代中期，出现了DDC 系统，称为第三代控制系统，到70年代中期，出现了DCS,称为第四代控制系统，由于DCS 各生产厂商自成系统，许多软硬件产品不能互换，而且通信协议也各不相同，难以实现互换与互操作，组成大范围信息共享的网络系统，存在很多困难。

到了1982
年欧洲首先提出现场总线的概念，随后于1984年美国仪表协会开始着手制订现场总线标准。

到1995年成立了国际性的组织，现场总线基金会，简称FF(Fieldbus Foundation)，并于2000年正式通过了7种现场总线国际标准，既IEC61158.
四、现场总线标准
现场总线标准是要求各个制造商和系统集成商共同遵守的一种通信协议技术标准。

2002年IEC61158共公布8种标准。

1、基金会现场总线 FF
FF 的主要技术内容，主要包括FF 通信、用于完成OSI （开放式系统互连参考模型）的通信栈，用于描述设备特性的描述语言，设备描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换的应用功能块，实现系统组合管理功能的系统软件以及构筑集成自动化系统，网络系统的系统集成技术。

FF 共分成2种标准：21H H 和。

1H 为低速总线，速率为31.25kbPS,2H 为高速，分成1Mbps 和2.5Mbps
2、Profibus PROFIBUS
Profibus 是由德国西门子公司为主的十几家公司创建的，其内容主要包括Profibus-DP （分散化的外围设备），Decentralized periphery, profibus-FMS(通信网络及规范)及PROFIBUS-PA(过程自动化)。

最大传输速率为12Mbps.最多能挂接127个站点。

3、control net 控制局域网又称为CAN,（control area network ）
control net 最早由德国BOSCH 公司推出，采用了开放系统互连参考模型OSI 的1、2等层，传输速率最高为1Mbps,最多可挂接110个设备。

4、P-NET
P-NET现场总线是1987年成为丹麦国家标准，P-NET的设计目的是用普通二线制电缆实现过程自动化中分散过程组件的连接。

5、HART
HART协议最早由Rosemount公司开发的，但它并没有列入IEC61158标准，原因是传输速率为1200bps太低,可挂接的设备数太少（15个）。

只能作为DCS向FCS过渡产品，不可能有太大的作为。

五、现场总线结构与特点
1、FCS的结构
2、FCS的特点
（1）系统的开放性
可以与世界上任何遵从相同标准的设备进行互连，相互交换数据。

（2）可互换性和互操作性
意味来自不同厂家生产的设备可以相互替换
（3）现场设备的智能化与功能的自治性
现场总线技术把传感测量，补偿计算，工程量处理与控制等功能分散到现场设备中去完成，使控制室主机和监控设备主要用来诊断运行的状态。

（4）系统结构的高度分散型
FCS是一种全分散式控制系统的体系结构，它于DCS有着本质的区别。

系统的可靠性更高，危害性更小。

（5）对现场环境的适应性
现场总线底层控制网络，具有较强的抗干扰能力。

小结、
作业:1、什么是现场总线和现场总线控制系统?
2、画出FCS的结构并写出其特点.
第二节现场总线基础知识
1、总线基本术语
(1)、总线与总线段
总线是传输信号或者信息的公共路径
总线段是指一组设备通过总线连在一起。

(2)、总线主设备与从设备
可在总线上发生的信息传输的设备叫主设备，只能对总线信息进行接收查询，不能发起信息的设备叫从设备。

(3)、总线协议：
管理主、从设备使用总线的一套事先规定的，必须共同遵守的规约。

(4)、总线操作
总线上主设备与设备之间的一次“连接---数据传送---脱开”这一操作序列叫一次总线操作。

(5)、数据传送
一旦某一命令者与一个或者多个响应者连接上以后，就可以开始数据的读写操作，读数据是读来自响应者的数据，写数据是向响应者写数据。

2、通信系统简介
(1)通信系统的组成
如图所示
由信息源，接受者，发送，接收设备，传输媒介组成。

(2)、数据编码
a.不归零制: 用无电压表示O，恒定正电压为1
b.曼彻斯特编码
把时间分割成相同的周期，如果在某一周期前半周期为高电平，后半周期变为低电平，则判为“1”，反之则为“0”(其它任一种情况都判为0).
（3）差分曼彻斯特编码
其取值由每位开始的边界是否有跳变决定，在开始边界有跳变取“0”，无跳变取“1”。

3、通信系统的传输速度
（1）波特（信号传输速度）
在数据传输系统中，每秒钟传输编码元素（脉冲数）
(2)比特/秒（bps）
又称比特率，即每秒能传输的二进制代码位数
4、信号的传输方式
（1）基带传输
把一个网络划为一个信道，所有的信息在一个信道上传输
（2）频带传输
频带传输又称为宽带传输，把一根电缆划分为多个信道，不同频率的信号在不同的信道上传输。

5、通信方式
（1）单工通信，单向通信
（2）半双工通信，发送和接收可以两个方向传输，如广播电视，但必须错开不能同时双向传输，如无线发报
（3）全双工通信，发送和接收可同时传输信息，如电话
12、数据的传输方式
（1）异步传输
异步传输是指数据一位一位的传输，只是在传输的数据前后各增加一位起始符和终止符，又称起止式传输。

(2)同步传输
同步传输是指一组数据一次性传输,只要在每一组数据前加一个或者几个特殊的同步字符加以区别.
(3)串行传输
数据一位一位传输,如输入
(4)并行传输
数据多位同时传输,如输出显示和打印.
小结
作业:1、画出现场总线的通信组成框图.
2、什么是曼彻斯特编码?
3、什么是数据的传输方式?
三、网络的拓扑结构
1、什么是网络的拓扑结构？
把网络中各个设备的连接几何图形称为拓扑。

2、星形拓扑
网络中有一个中央节点，其他节点分别于中央节点相连。

任何两节点间的通信，都必须通过中央节点来完成。

所以星形拓扑的特点是传输速率低。

3、总线拓扑
使用一条传输介质作为总线，所有的工作站都是通过使用接口挂接在总线上，其特点是一个让发送数据，其他站都能接收。

5、树形拓形
树形拓形是总线型和星形的结合型。

其特点是适用于大型系统使用。

四、网络传输介质
常用的网络传输介质：双绞线，同轴电缆，光缆等
在现场总线系统中，常用双绞线或者同轴电缆
1、双绞线
将两根绝缘的金属导线按一定密度相互绞绕在一起的。

其目的，可降低信号的相互干扰。

双绞线可以为无屏蔽双绞线utp，和屏蔽双绞线STP。

UTP和STP各有优缺点
2、同轴电缆
同轴电缆分为50Ω和75Ω两种，75Ω电缆主要用于广播电视和宽带网。

它既可以传输模拟信号又可以传输数字信号。

50Ω电缆仅用于传输数字信号。

五、介质访问控制方式
将传输介质的频带有效的分配给网络上各设备的方法叫做介质访问控制协议。

1、载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）
该技术只适用于总线型网络拓扑结构。

如果某设备要发送数据，首先监听信道，若空闲，则发送数据。

在发送数据时，同时进行冲突检测，一旦发现冲突，立即停止发送，等待一定时间后，再进行冲突检测，直至无冲突，才能把数据发送出去。

2、令牌总线（Token Bus）
该技术采用总线型结构，把总线上所挂接的设备赋予一个顺序的逻辑号，组成
一个逻辑环。

令牌在逻辑环上依次传递，只有取得令牌的设备才能发送数据。

六、数据交换技术
数据在网络上传输通常需要经过交换设备来交接，并被送达目的地。

常用的数据交换技术有三种：分别是线路交换，报文交换和分组交换。

1、线路交换( Circuit Switching)
该技术实际上是通过交换设备在两个需要通信的两个设备间建立一条物理线路。

其通信过程包含三个阶段：线路交换，数据传输，线路释放.
电话系统就是采用了该技术，通过一个又一个交换机在呼叫电话与接收电话间建立了一条物理线路，通话双方可以一直占用这条线路，直至通话结束，物理线路被切断。

2、报文交换
该技术是一种存储转发技术，它没有在通信两端设备间建立一个物理线路，而是由发送设备将要发送的信息作为一个整体（又称为报文）。

禀赋加上目的地，交给交换设备。

交换设备接收该报文，暂时存储该报文，等到有合适的输出线路时再把该报文转发给下一个交换设备。

经过若干个交换设备的存储，转交后，该报文到达目的地。

如公共电报发送系统。

小结
作业:1、什么是网络的拓扑结构,共有几种形式?
2、通信介质有几种,各有什么优点?
七、差错控制技术
1什么是差错？
在数据通信中，接收端收到的数据与发送端实际发出的数据出现不一致的现象。

2差错的产生
数据在介质中传输的差错主要有传输衰耗，延迟畸变和噪声的影响。

造成传输中数据信号失真，产生差错
3差错控制技术
在数据通信过程中，发现，检测差错并对差错进行纠正，并把茶座限制在数据传输所允许的范围内的技术和方法。

常用的差错方法有三种：
1前向纠错方式FEC(Forward—Error Control)
2自动请求重发
3反馈检测法
八、开放系统互连参考模型OSI
为了更好的实现计算机网络体系的通信，1983年国际标准化组织(IOS)正式推出了OSI(Open System Interconnection Reference Model)参考模型
1OSI参考模型的结构
OSI将开放系统的通信功能划分为T个层次。

他们分别是无力层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层和应用层。

如图所示
2OSI参考模型各层功能的划分
（1）物理层
物理层是OSI中利用物理媒体实现物理连接的功能描述和执行连接的规程。

（2）数据链路层
数据链路层用于建立，连接，维持和拆除链路，实现无差错传输的功能。

（3）网络层
网络层又称通信子网层，为了进入通信子网的报文分组提供逻辑信道。

控制子网有效的运行。

（4）传输层
传输层是完成OSI之间的数据传输控制
（5）会话层
会话层依靠传输层以下的通信功能，使数据传送功能在开放系统间有效地进行（6）表示层
表示层用于处理在两个通信系统中交换信息的表达方式，包括数据格式变换，数据加密和解密，数据压缩与恢复等功能
（7）应用层
应用层是OSI参考模型的最高层。

其功能是实现应用进程之间的信息交换。

3OSI参考模型与现场总线通信模型
作为工业控制现场底层网络的现场总线，采用的通信模型大都是OSI模型的基础上进行了不同程度的简化，一般是物理层，数据链路层，和应用层，省去了3-6层
九、网络互链
1网络互连的基本概念
将分布在不同地理位置的网络，网络设备连接在一起，构成更大规模的网络系统，
以实现互联网络的资源共享。

通过网路互联技术使原来因所用协议不同而不能相互通信的网路哦间实现相互通信。

2、网络互连设备相应层次
1中继器
单纯的信号放大作用，对所通过的数据不作处理，主要用于延长电缆和光缆的传输距离
2网桥
网桥主要用于连接两个采用不同数据链路层协议，不同传输速率，不同传输介质的网络。

（通信转换）
3路由器
为两个或者两个以上网络之间的数据传输提供最佳路径选择。

4网关
网关又称为网间协议变换器，是比网桥和路由器更复杂的网络互连设备，用于实现不同通信协议的网络之间，包括使用不同网路操作系统的网络之间的互连。

现场总线一般选用中继器或网桥。

小结
作业:1、什么是OSI,试画出其结构框图?
2、什么是网络互连,主要设备有哪些?
第七节基金会现场总线
1概述
基金会现场总线简称为FF,是IEC公认的最适用于过程控制的两种总线之一。

FF是一种全数字，多节点双向串行传输的通信网络，同时又是一种全分布式自动化系统，它位于工业生产现场，是基层网络，网络通信是围绕完成各种自动化任务进行的。

主要用于完成对工业生产过程各个参数进行测量，信号变换，控制，显示，计算等。

FF把具有通信能力，同时具有控制，测量等功能的现场自控设备作为网络的节点。

由现场总线把它们互连成网络。

其传输速率的典型值为31.25kbps,1Mbps和2.5Mbps.它可以由单一总线段或者多总线段构成，也可以由网桥把不同传输速率、不同传输介质的总线段互连而构成。

还可以通过网关或者计算机接口与工厂网相连。

2通信模型
FF的通信模型共分为4层，其中3层选用了OSI的物理层，数据链路层和应用层，另外在OSI最上层又增加了一层用户层。

物理层规定信号如何发送。

数据链路规定如何在设备间共享网络和调度通信
应用层规定了在设备间交换数据、命令，事件信息以及请求应答中的信息格式
用户层则用于组成用户所需要的应用程序，（如规定标准的功能块）设备描述，实现网络管理，系统管理等。

3FF物理层
4物理层的功能
物理层是一种电器接口，主要用于现场物理设备和总线之间的连接。

一方面接
收来自数据链路层的信息，把它转换为物理信号，并传送到现场总线的传输介质上，
起到发送驱动器的作用，另一方面又从总线上接收来自其他设备（如变送器、执行
器、计算机）的物理信号，把数据信号送往数据链路层，起到接收器的作用。

2传输介质
FF支持多种传输介质：双绞线，电缆，光缆等，目前应用较为广泛的有双绞线和电缆。

在不同的传输速率下，信号的幅度，波形，物理设备的工作电源与传输介质的
H总标准（传输速率为31.25kbps）在使屏蔽双绞线的情种类，传输距离有关。

如1
况下，其最大传输距离为1900米，这个距离指一个网段内所有干线和支线的总长度。

m m，最长1900m.
电缆种类：A型（屏蔽双绞线）：线径0.82
m m,最长1200m
B型（屏蔽多对双绞线）：线径为0.322
m m，最长400m
C型（无屏蔽对双绞线）：线径为0.132
m m，最长200m
D型（外层屏蔽多芯非双绞线）：0.1252
A型适用新安装系统中，B,C,D型用于改造工程中，但是任意两设备间最多不能超过4个中继器，此时传输距离可达9500m.
3网络的拓扑结构
FF-1H支持点对点连接，总线型，树型拓扑结构以及由总线和树型的混合结构。

H支持总线型拓扑结构。

FF-2
1总线型拓扑结构
T: 终端器FF---H1终端器为100Ω,
FF---H2终端器为150Ω
每个网段都需要中继器,而一个网段可以有若干根支线.
2在干线终点的终端器上安装树型拓扑结构
3
混合型拓扑结构
由于绝大多数的现场设备都是总线供电的，由于线路电阻，电流损耗等原因，所以每个网段实际上只能挂16台设备，那么一个工厂应该有许多个FF.(因为一个FF 最多又能有5个网段，一条FF也就挂80台设备)。

然后利用网桥把全厂许多网络连在一起。

4总线供电与网络配置
为了保证每个现场设备至少9V的电压，在培植网络与供电电压时，就要考虑网段的长度，线径和现场设备数。

并计算出供电电源。

例：某现场总线设备最低需要9V电压才能工作，设备消耗的电流为12mA,使用A型电缆作为总线，其电阻值22Ώ/Km,如果某网络挂接16台设备，总线长度为1.4Km, 网络结构如图所示,问供电电压至少为多少？
解：)/(γ∙=I U L γ：两根电缆两端点电压差（X-9）
22216104.1)(93⨯⨯⨯⨯=∙=-∴-γI L X =121022216124.13=⨯⨯⨯⨯⨯-
X=12+9=21V
五、FF 的数据链路层（DLL ）
数据链路层位于物理层与总线访问子层之间，为完成总线上的各类链路传输活动进行控制而设置，总线通信活动中的链路活动调度，数据的接收与发送都是由链路活动调度器(LAS)完成的。

1 链路活动调度器（LAS ）
LAS 是总线通信活动的核心，它拥有该段总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作，总线段上的设备只有得到LAS 的许可，才能像总线上传输数据。

FF 的通信活动共有两类：1受调度通信2非调度通信
(1)受调度通信
由LAS 按照预定调度时间表周期性依次发起的通信活动，一半用于在设备间周期性地传送控制数据，如现场变送器与执行期间传送测量或者控制器输出信号。

(2)非调度通信
在预定调度时间表之外的时间内，通过得到令牌的机会发送信号的通信方式，所有总线上的设备都有机会通过这一方式发送调度之外的信息。

LAS 具有5种基本功能。

P52
2、通信设备类型
总线上的所有设备按通信能力可以划分为3种类型的通信设备。

即链路主设备，基本设备和网桥。

3链路主设备：有能力成为LAS的设备
4基本设备：总线上一切设备但是不可能成为脸露着设备的设备，它只能接收令牌并做出响应。

5网桥：用于连接几个总线段做成大系统。

它属于链路主设备。

三者之间的关系如图所示：
六、FF应用层
FF应用层主要总线访问子层FAS和报文规范层两个子层组成。

1FAS
FAS主要用表对保文规范层和应用进程提供虚拟通信关系的服务。

2FMS
FMS提供了一组标准的报文格式，用户可以采用这种标准格式在总线上相互传递信息。

七、用户层
用户层是用来完成FF总线自动化控制任务，主要由功能块应用进程组成，而对象又是功能块的基本元素。

1功能块应用进程的对象
2链接对象
用来描述二个功能块与另一功能块之间输入/输出关系
3设备资源
把需要访问的对象作为资源
4报警对象
将功能块中监测到的报警和时间报告给主机
5趋势对象
对功能块的趋势性参数进行采样
2用户功能块
FF定义了10个基本功能快，19个先进功能块，以及资源块和转换块。

功能块用来完
成控制策略，资源块和转换块用于设备组态。

其10个标准功能块如下：
AI 模拟量输入DI 数字量输入
AO 模拟量输出DO 数字量输出
B 偏置ML 手动输出
CS 控制选择PD 比例微分
PID 比例积分微分
RA 比例系数
八、系统组态
为了使FF能够很好地完成自动化控制功能，在系统启动之前，必须对系统进行组态。

1组态信息
FF规定组态的4个层次，制造商定义层组态，网络定义层组态，分布式应用定义层组态和设备定义层组态
1制造商定义层组态
主要定义制造商厂名，设备名，信号量程，工程单位等
2网络定义层组态
规定网络的拓扑结构，指定通信策略，选定协议版本号，分配设备信号和地址。

3分布式应用层组态
规定功能块的相互链接关系
5设备层组态
对设备内每个应用进行赋值
小结
作业:1、分别画出数据链路层各类通信设备的关系.
2、写出FF系统组态的内容.
第八节PROFIBUS 现场总线
1概述
PROFIBUS是英文PROCESS FIELDBUS的缩写。

是由德国西门子公司为主推出的一种现场总线，既是德国国家标准也是欧洲标准，并已被IEC认可，成为8种国际标准之一。

PROFIBUS主要由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP(外国设备)，PROFIBUS-PA(过程自动化)，PROFIBUS-FMS(报文规范)，他们都是PROFIBUS的标准之一。

-DP是一种高速低成本通信协议，-PA是现场过程自动化通信协议，-FMS 是一种用于车间监控管理网络或者称为DP或者PA的上级网络。

因这三者的关系时DP/PA是二者取其一的（因为他们的传输技术不同）。

FMS是监控网络，（可有可无，大系统一定要用，小系统可以不用）
2基本特征
PROFIBUS是一种用于工厂车间级监控和现场自动化的现场总线.
1协议结构
PROFIBUS 的结构是以OSI 为参考模型，共有七层。

2 PROFIBUS 的传输技术
-DP 和-FMS 都使用RS458传输技术，这是一种计算机通信技术，传输速率较高，1Mbps/s-12Mbps/s,又称为2H 。

-PA 使用IEC1158-2传输技术（这与FF-1H 相同）。

（1）用于DP/FMS 的Rs458传输技术
网络拓扑，线性技术，两端有存源的终端电阻
传输介质：屏蔽双绞线
站点数：每网段32个站（不带中继），最多127个站（3个中继）
连接方式：9针D 型扦头
传输距离：与速度有关，1Mbps 为1200m
(2)用于-PA 的IEC1158-2传输技术
这是利用总线对现场仪表供电，达到本征安全型的同步协议。

其特点与FF-1H 3 网络拓扑结构
4 由FMS 和DP 组成的线性总线型
2 由PROFIBUS-PA 和-FMS 组成的混合型
这两者的区别是传输速率不同，-DP高速：1Mbps-12Mbps, 通常选1Mbps,最大传输距离1200m,网络拓扑结构只能是总线型。

-PA是一种低速：31.25Kbps,最大传输距离可达1900m.网络拓扑结构可多样化。

小结
作业:1、什么是PROFIBUS?
2、分别PROFIBUS两种不同的总线结构形式.。