8 现场总线技术及其应用
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
现场总线将朝着开发系统、统一标准的方向发展
1984年美国仪表协会开始制定现场总线标准 1985年国际电工委员会决定由PWG负责现场总线标准研究 1986年德国开始制定过程现场总线标准 1992年80家公司开始联合，成立ISP组织 1993年120个公司组织成立FIP组织 1994年成立成立现场基金会组织FF,1996年颁布低速总线标准H1 各行业公司推出自己的标准：CAN,LonWorks。
典型控制网络结构：罗克韦尔公司
设备层：采用DeviceNet设备（开关量传感器/执行器，条形码扫描器， 变频器驱动接口） ，变送器、流量计等采用FF。通过扫描器或网关 将数据送到控制层。 控制层：采用ControlNet，典型的包括：控制器、可编程终端、操作 员图形工作站、高级I/O。通过网关设备与信息层连接。 信息层：采用工业以太网（10/100/1000M），可连接PC、控制器、 高速I/O、其它局域设备。通过网关可以接入互联网。
现场总线技术及其应用
现场总线概述 现场总线的原理及其发展概况 几种典型的现场总线 现场总线控制系统与工业企业网
现场总线概述
现场总线简介 现场总线的种类 现场总线的发展与未来 现场总线的应用
现场总线简介
现场总线：现场总线是应用在输出现场、在微型计算机测量控制设备之 现场总线 间实现双向串行多点数字通讯的系统（底层控制网络），具有开放式、 数字化和多点通讯的特点。 应用领域：制造业、流程工业、交通和楼宇方面的自动化系统。 应用领域 现场总线控制系统（ 现场总线控制系统（Fieldbus Control System）：采用现场总线，将 ） 智能设备连接在一起，实现基本控制、补充计算、参数修改、报警、显 示、监控、优化及管控一体化的综合自动化系统。涉及智能传感器、控 制、计算机、数字通讯和网络技术。是继基地式气动仪表控制系统、电 动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统 后新一代控制系统。 底层控制网络（Infranet）：1、负责将现场测量控制设备联成网络、实 现不同网段、不同现场设备间的信息共享。2、实现现场测量和控制：即 将现场设备的运行状况等信息送往控制室，同时将各种控制、维护和组 态指令送往现场设备。因此要求具有实时性、可靠性。
应用层
为用户提供简单的接口，定义了如何读、写、解释和执行一条信息或命令； 定义了传输信息的方式；规定了如何初始化网络等。
用户层
把数据规格化为特定的数据结构。由10个标准模块（AI/AO/PID）组成，19 个附加的算术功能块。使用这些模块，用户可以组成手动控制、反馈控制、 前馈控制、比例控制、串级控制等控制算法。
现场通讯网络：用于现场设备互联的通讯网络 现场设备互联：用不同介质连接现场设备 互操作性：不同品牌的现场设备的即插即用 分散功能模块：控制算法可置于现场设备中，形成虚拟控制站，实现彻 底的分散控制 通讯线供电：现场设备和仪表可直接从通讯线上取电 开发式互联网络：可以与不同层网络互联，实现不同厂商的软、硬件产 品的统一组态。
现场总线的特点和优点
特点
系统的开发性 互操作性与互用性 系统结构的高度分散 性 对现场环节的适应性 一对N的结构 可控状态 互换性 综合功能 统一组态
优点
节省硬件数量和投资 节省安装费用 节省维护开销 用户具有高度的系统 集成权，选择权。
几种典型的现场总线
－－控制层现场总线ControlNet
概述：ControlNet是一种面向控制层的实时性现场总线网络，在 同一物理介质上提供时间关键性I/O数据和报文数据：包括程序上、 下载，组态数据，和端到端报文传递。具有高度的确定性和可重 复性。适用于控制关系复杂关联、要求控制信息同步、协调实时 控制、输出数据速率高的应用场合。 7 应用层 对象和对象模型 ControlNet协议规范
应用层设计 周期性冗余 检查 I/O数据触发 方式 I/O数据点数 中继器类型 中继器数量 连接器 物理层介质 网络和系统
其他几种典型现场总线
设备层现场总线DeviceNet：
基于CAN技术的开放标准，三层协议结构。罗克韦 尔
ProfiBus协议：
非完全开放的标准。德国
FF总线
由FF组织提出。三层协议结构。国际
几种典型的现场总线
－－控制层现场总线ControlNet
优点
同一链路可满足各种不同信息传输要求； 是确定性和可重复性的控制网络，适用于离散控制、过程控 制 同一链路允许多个控制器同时共存； 支持输入数据和端到端的多路发送 可选的介质冗余合本征安全 安装和维护简单 网络节点居于对等地位，可以从任意节点实现数据存取 灵活的拓扑结构（总线、星形、树形）和介质选择。
数据链路 物理层
OSI 参考模型与现场总线协议的结构
现场总线的结构
物理层
规定传输介质、传输速率、每条线可接仪表数量、最大传输距离、电源及连接方式和信 号类型 本安型与非本安型：网络通讯段数量、长度不同 H1b标准与4-20mA标准：设备电路不同连接的设备类型不同
数据链路层
规定了物理层与数据层间的接口：包括数据结构、差错识别处理、噪声检查，通过帧数 据的校验保证信息的正确性和完整性。控制对传输介质的访问。
现场总线的种类
现场总线组织FF(Fieldbus Foundation现场总线基金会)：1994年 9月由ISP和WORLDFIP集团共同制定的现场总线准国际标准。 全功能数字网络：提供从物理层到用户层的所有功能。包括 IEC/ISA(美国国家标准)、Porfibus-PA和DP(德国国家标准)、 FIP(法国国家标准)、Lonworks(Echelon公司)等。 传感器网络：在CAN(Controller Area Network,德国Bosch公司)基 础上建立起来的总线标准。包括DeviceNet(Lockwell公司)、 SDS(Honeywell公司)等 数字信号串行线：不提供应用层和用户层。Seriplex,InterbusS,ASI等。
现场总线的实质
现场总线的协议 制定协议依据：ISO的开发系统互联协议(OSI)。 实际制定的协议：OSI中的某些层 OSI OSI协议：7层协议结构 7
现场总线系统的组成：
现场设备 形成系统的传输介质
7 6 5 4 3 2 1
应用层 表达层 会话层 传输层 网络层 数据链路 物理层
应用层
总线访问子层
几种典型的现场总线
－－控制层现场总线ControlNet
网络目标功 能 网络拓扑 最大通讯速 率 通讯方式 网络刷新时 间 数据分组大 小 网络最大拓 扑 电源 网络模型 网络速率 端到端设备和I/O网络 在同一链路上传递I/O，编程和系统组 态信息 总线、星形、树形 5Mb/s 主从、多主、端到端 可组态：2—100 ms 可变长：0-512B 6 Km(同轴)，超过30 Km(光缆) 外部供电 生产者/消费者 5 Mb/s（单段最大长度）; 网络节点数 99个可编地址 单段最多48个 模型对象设计；设备对象模型，类/ 实例/属性，设备描述 改进的CCITT16为多项式算法 轮询；周期性发送；逢变则报 无限多个 高压交、直流电，低压直流 5个中继器（6个网段）串接；最多 48个网段 标准同轴电缆BNC RG6同轴电缆；光纤 带电插拔；
LonWorks控制网络和Lon总线
端到端的控制系统解决方案。七层协议结构。 Echleon公司
CAN总线
开放系统，二层协议结构。德国Bosch公司
典型控制网络体系结构
基本层次
信息层：处于最上层，数据量大，但对实时性要求不高。与数据库 技术、互联网技术、数据分析处理技术关系密切 控制层：连接不同设备，实时性高，通讯是确定的、可重复的 设备层：控制网络底层，数量巨大，通讯速度不一定很高，但容错、 智能。
现场总线的发展未来
国际标准统一 FCS系统取代DCS系统 与工业企业网的融合(Intranet)
现场总线的应用
现场总线的原理及其发展概况
现场总线的实质 现场总线的结构 现场总线的发展概况 现场总线的特点与优点
现场总线的实质
现场总线的定义：
ISA SP50的定义：是一种串行的数据链路，它沟通了工程控制领域 的基本控制设备之间以及更高层自动控制领域自动化控制设备之间 的联系。 国际电工、IEC和FF的定义：连接智能现场设备和自动化系统的数字 式、双向传输、多分支结构的通讯网络。
采用生成者/消费者通讯模式 传统的是源/目的网络模式 实时性得不到保证。 一组数据可以发送到多个节点 由节点有选择性接收。
6 5 4 3 2 1 表达层 会话层 传输层 网络层 数据链路 物理层
报文路由器传输 连接管理器
数据管理
逻辑链路控制、介质存取 物理层信号子层 中间附加子层
OSI 参考模型与 ControlNet 分层模型
现场总线的发展概况
现场总线的发展是综合自动化的发展需要
计算机集成制造系统：未来生成制造业的发展趋势。 综合自动化：在信息采集、加工的基础上，运用网络和数据库技术， 实现信息集成，在集成信息的基础上进一步优化生产与操作，增加 产量，改善TQCS，提供企业竞争能力。
智能仪表为现场总线的出现奠定了基础
传输信号的数字化：以微处理器为核心进行仪表的数字化
现场总线将朝着开发系统、统一标准的方向发展
1984年美国仪表协会开始制定现场总线标准 1985年国际电工委员会决定由PWG负责现场总线标准研究 1986年德国开始制定过程现场总线标准 1992年80家公司开始联合，成立ISP组织 1993年120个公司组织成立FIP组织 1994年成立成立现场基金会组织FF,1996年颁布低速总线标准H1 各行业公司推出自己的标准：CAN,LonWorks。
典型控制网络结构：罗克韦尔公司
设备层：采用DeviceNet设备（开关量传感器/执行器，条形码扫描器， 变频器驱动接口） ，变送器、流量计等采用FF。通过扫描器或网关 将数据送到控制层。 控制层：采用ControlNet，典型的包括：控制器、可编程终端、操作 员图形工作站、高级I/O。通过网关设备与信息层连接。 信息层：采用工业以太网（10/100/1000M），可连接PC、控制器、 高速I/O、其它局域设备。通过网关可以接入互联网。
现场总线技术及其应用
现场总线概述 现场总线的原理及其发展概况 几种典型的现场总线 现场总线控制系统与工业企业网
现场总线概述
现场总线简介 现场总线的种类 现场总线的发展与未来 现场总线的应用
现场总线简介
现场总线：现场总线是应用在输出现场、在微型计算机测量控制设备之 现场总线 间实现双向串行多点数字通讯的系统（底层控制网络），具有开放式、 数字化和多点通讯的特点。 应用领域：制造业、流程工业、交通和楼宇方面的自动化系统。 应用领域 现场总线控制系统（ 现场总线控制系统（Fieldbus Control System）：采用现场总线，将 ） 智能设备连接在一起，实现基本控制、补充计算、参数修改、报警、显 示、监控、优化及管控一体化的综合自动化系统。涉及智能传感器、控 制、计算机、数字通讯和网络技术。是继基地式气动仪表控制系统、电 动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统 后新一代控制系统。 底层控制网络（Infranet）：1、负责将现场测量控制设备联成网络、实 现不同网段、不同现场设备间的信息共享。2、实现现场测量和控制：即 将现场设备的运行状况等信息送往控制室，同时将各种控制、维护和组 态指令送往现场设备。因此要求具有实时性、可靠性。
应用层
为用户提供简单的接口，定义了如何读、写、解释和执行一条信息或命令； 定义了传输信息的方式；规定了如何初始化网络等。
用户层
把数据规格化为特定的数据结构。由10个标准模块（AI/AO/PID）组成，19 个附加的算术功能块。使用这些模块，用户可以组成手动控制、反馈控制、 前馈控制、比例控制、串级控制等控制算法。
现场通讯网络：用于现场设备互联的通讯网络 现场设备互联：用不同介质连接现场设备 互操作性：不同品牌的现场设备的即插即用 分散功能模块：控制算法可置于现场设备中，形成虚拟控制站，实现彻 底的分散控制 通讯线供电：现场设备和仪表可直接从通讯线上取电 开发式互联网络：可以与不同层网络互联，实现不同厂商的软、硬件产 品的统一组态。
现场总线的特点和优点
特点
系统的开发性 互操作性与互用性 系统结构的高度分散 性 对现场环节的适应性 一对N的结构 可控状态 互换性 综合功能 统一组态
优点
节省硬件数量和投资 节省安装费用 节省维护开销 用户具有高度的系统 集成权，选择权。
几种典型的现场总线
－－控制层现场总线ControlNet
概述：ControlNet是一种面向控制层的实时性现场总线网络，在 同一物理介质上提供时间关键性I/O数据和报文数据：包括程序上、 下载，组态数据，和端到端报文传递。具有高度的确定性和可重 复性。适用于控制关系复杂关联、要求控制信息同步、协调实时 控制、输出数据速率高的应用场合。 7 应用层 对象和对象模型 ControlNet协议规范
应用层设计 周期性冗余 检查 I/O数据触发 方式 I/O数据点数 中继器类型 中继器数量 连接器 物理层介质 网络和系统
其他几种典型现场总线
设备层现场总线DeviceNet：
基于CAN技术的开放标准，三层协议结构。罗克韦 尔
ProfiBus协议：
非完全开放的标准。德国
FF总线
由FF组织提出。三层协议结构。国际
几种典型的现场总线
－－控制层现场总线ControlNet
优点
同一链路可满足各种不同信息传输要求； 是确定性和可重复性的控制网络，适用于离散控制、过程控 制 同一链路允许多个控制器同时共存； 支持输入数据和端到端的多路发送 可选的介质冗余合本征安全 安装和维护简单 网络节点居于对等地位，可以从任意节点实现数据存取 灵活的拓扑结构（总线、星形、树形）和介质选择。
数据链路 物理层
OSI 参考模型与现场总线协议的结构
现场总线的结构
物理层
规定传输介质、传输速率、每条线可接仪表数量、最大传输距离、电源及连接方式和信 号类型 本安型与非本安型：网络通讯段数量、长度不同 H1b标准与4-20mA标准：设备电路不同连接的设备类型不同
数据链路层
规定了物理层与数据层间的接口：包括数据结构、差错识别处理、噪声检查，通过帧数 据的校验保证信息的正确性和完整性。控制对传输介质的访问。
现场总线的种类
现场总线组织FF(Fieldbus Foundation现场总线基金会)：1994年 9月由ISP和WORLDFIP集团共同制定的现场总线准国际标准。 全功能数字网络：提供从物理层到用户层的所有功能。包括 IEC/ISA(美国国家标准)、Porfibus-PA和DP(德国国家标准)、 FIP(法国国家标准)、Lonworks(Echelon公司)等。 传感器网络：在CAN(Controller Area Network,德国Bosch公司)基 础上建立起来的总线标准。包括DeviceNet(Lockwell公司)、 SDS(Honeywell公司)等 数字信号串行线：不提供应用层和用户层。Seriplex,InterbusS,ASI等。
现场总线的实质
现场总线的协议 制定协议依据：ISO的开发系统互联协议(OSI)。 实际制定的协议：OSI中的某些层 OSI OSI协议：7层协议结构 7
现场总线系统的组成：
现场设备 形成系统的传输介质
7 6 5 4 3 2 1
应用层 表达层 会话层 传输层 网络层 数据链路 物理层
应用层
总线访问子层
几种典型的现场总线
－－控制层现场总线ControlNet
网络目标功 能 网络拓扑 最大通讯速 率 通讯方式 网络刷新时 间 数据分组大 小 网络最大拓 扑 电源 网络模型 网络速率 端到端设备和I/O网络 在同一链路上传递I/O，编程和系统组 态信息 总线、星形、树形 5Mb/s 主从、多主、端到端 可组态：2—100 ms 可变长：0-512B 6 Km(同轴)，超过30 Km(光缆) 外部供电 生产者/消费者 5 Mb/s（单段最大长度）; 网络节点数 99个可编地址 单段最多48个 模型对象设计；设备对象模型，类/ 实例/属性，设备描述 改进的CCITT16为多项式算法 轮询；周期性发送；逢变则报 无限多个 高压交、直流电，低压直流 5个中继器（6个网段）串接；最多 48个网段 标准同轴电缆BNC RG6同轴电缆；光纤 带电插拔；
LonWorks控制网络和Lon总线
端到端的控制系统解决方案。七层协议结构。 Echleon公司
CAN总线
开放系统，二层协议结构。德国Bosch公司
典型控制网络体系结构
基本层次
信息层：处于最上层，数据量大，但对实时性要求不高。与数据库 技术、互联网技术、数据分析处理技术关系密切 控制层：连接不同设备，实时性高，通讯是确定的、可重复的 设备层：控制网络底层，数量巨大，通讯速度不一定很高，但容错、 智能。
现场总线的发展未来
国际标准统一 FCS系统取代DCS系统 与工业企业网的融合(Intranet)
现场总线的应用
现场总线的原理及其发展概况
现场总线的实质 现场总线的结构 现场总线的发展概况 现场总线的特点与优点
现场总线的实质
现场总线的定义：
ISA SP50的定义：是一种串行的数据链路，它沟通了工程控制领域 的基本控制设备之间以及更高层自动控制领域自动化控制设备之间 的联系。 国际电工、IEC和FF的定义：连接智能现场设备和自动化系统的数字 式、双向传输、多分支结构的通讯网络。
采用生成者/消费者通讯模式 传统的是源/目的网络模式 实时性得不到保证。 一组数据可以发送到多个节点 由节点有选择性接收。
6 5 4 3 2 1 表达层 会话层 传输层 网络层 数据链路 物理层
报文路由器传输 连接管理器
数据管理
逻辑链路控制、介质存取 物理层信号子层 中间附加子层
OSI 参考模型与 ControlNet 分层模型
现场总线的发展概况
现场总线的发展是综合自动化的发展需要
计算机集成制造系统：未来生成制造业的发展趋势。 综合自动化：在信息采集、加工的基础上，运用网络和数据库技术， 实现信息集成，在集成信息的基础上进一步优化生产与操作，增加 产量，改善TQCS，提供企业竞争能力。
智能仪表为现场总线的出现奠定了基础
传输信号的数字化：以微处理器为核心进行仪表的数字化