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第二部分
第一章 基金会现场总线（FF）
基金会现场总线（FF）
• Foundation Fieldbus • 由现场总线基金会(Fieldbus Foundation)
组织开发， IEC61158标准。 • 工作在生产现场，适应本质安全防爆的要
求，通过传输数据的总线为现场设备提供 工作电源。 • 开放性、互操作性。
PROFIBUS通信模型
2.2 PROFIBUS的通信模型
• 2.2.1 物理层 • 2.2.2 现场总线数据链路层 • 2.2.3 应用层
2.2.1 物理层
• 1.DP/FMS(RS-485)的物理层 • 2.DP/FMS(光纤电缆)的物理层 • 3.PA的物理层
2.2.1 物理层
• 1.DP/FMS(RS-485)的物理层 • 屏蔽双绞电缆符合EIA RS-485标准(也称H2) • 总线段的两端各有一个终端器 • 传输速率从9.6kbit/s到12Mbit/s可选
构联合开发； • 1989年成为德国工业标准DIN19245； • 1996年成为欧洲标准EN50170V.2(PROFIBUS-FMS-
DP); • 1998年PROFIBUS-PA被纳入EN50170V.2； • 1999年PROFIBUS成为国际标准IEC61158的组成部分
(TYPEIII)； • 2001年成为中国的机械行业标准JB/T10308-3-2001。
之为圆卡的仪表用通信接口卡、FF与计算机 的接口卡、各种网关、网桥、中继器等。
2.标准化功能块与功能块应用进程
• FB，Function Block和FBAP，Function Block Application Process
• 通用结构：把实现控制系统所需的各种功能 划分为功能模块，使其公共特征标准化。
控制室
控制器
PROFIBUS-DP
DP/ PA耦合器 （Exi）
现场
现场设备
PROFIBUS-PA
现场设备
供电设备 （Exi）
终端电阻
现场设备
图3-12 总线型结构
现场设备
现场设备
终端电阻
• 树型与线型的组合结构：基于IEC61158-2传 输技术总线段与基于RS485传输技术总线段可 以通过DP/PA耦合器或链接器相连，耦合器使 RS485信号和IEC61158-2信号相适配。
控制室
现场
控制器
PROFIBUS-DP
DP/ PA耦合器 （Exi）
PROFIBUS-PA 终端电阻
供电设备 （Exi）
终端电阻
图3-11 树型结构
多路分配器 PROFIBUS-PA
现场设备 现场设备 现场设备 现场设备
• 总线型结构：提供了与供电电路安装类似的 沿现场总线电缆的连接点，现场总线电缆可 通过现场设备连接成回路，其分支线也可连 接一个或多个现场设备。
PROFIBUS由以下三个兼容部分组成
• PROFIBUS由以下三个兼容部分组成:
• 1.PROFIBUS-DP:用于传感器和执行器级的高 速数据传输，它以DIN19245的第一部分为基 础，根据其所需要达到的目标对通信功能加 以扩充，DP的传输速率可达12Mbit/s，一般 构成单主站系统，主站、从站间采用循环数 据传输方式工作。
• 输入、输出、算法、事件、参数与块控制图， 并把它们组成为可在某个现场设备中执行的 应用进程。
• 开放系统构架的基础，不同制造商产品的混 合组态与调用。
3．设备描述与设备描述语言
• DD，Device Description • 现场总线设备的互操作性，支持标准的块功
能操作。 • 设备描述为控制系统理解来自现场设备的数
• 总线监听分析用于测试判断总线上通信信号 的流通状态，用于通信系统的调试、诊断与 评价。
• 对由现场总线设备构成的自动化系统，功能、 性能测试技术还包括对其实现的各种控制系 统功能的能力、指标参数的测试。
1.2 FF通信模型
• 1.四个层次 • 物理层 • 数据链路层 • 应用层(总线访问层与总线报文规范子层) • 用户层
• 各报文的空闲（idle）状态对应于二进制“1” 信号
• A线对应于RXD/TXD-N信号，而B线对应于 RXD/TXD-P信号。
• （2）总线连接 • 国际性的PROFIBUS标准EN50170推荐使用9
针D型连接器用于总线站与总线的相互连接 （9针头）。 • D型连接器的插座与总线站相连接，而D型 连接器的插头与总线电缆相连接。
5．系统集成技术
• 包括通信系统与控制系统的集成。 • 网络通信系统组态、网络拓扑、配线、网络
系统管理； • 控制系统组态； • 人机接口； • 系统管理维护。
6．系统测试技术
• 通信系统的一致性与可互操作技术； • 总线监听分析技术； • 系统的功能、性能测试技术。 • 在测试基础上进一步开展对通信系统、自动
2.1 PROFIBUS的协议类型
• PROFIBUS通信模型参照了ISO/OSI参考模型的 第1层（物理层）和第2层（数据链路层）， 其中FMS还采用了第7层（应用层）,另外增加 了用户层。
• PROFIBUS－DP和PROFIBUS－FMS的第1层和第2 层相同， PROFIBUS-FMS有第7层，PROFIBUS －DP无第7层。PROFIBUS－PA有第1层和第2层， 但与DP/FMS有区别，无第7层。
第1章 基金会现场总线（FF） • 1.1 基金会现场总线的主要技术 • 1.2 FF通信模型 • 1.4 FF通信栈
1.1 基金会现场总线的主要技术
• 1．FF 总线的通信技术 • 2．标准化功能块 (FB，Function Block)
与功能块应用进程 (FBAP，Function Block Application Process)
VP(6) 390Ω 220Ω 390Ω
DGND(5)
RS-485总线段的结构
RS485段
B RS485总线段的结构
A
....
最多32个站
VP(6) 390Ω 220Ω 390Ω DGND(5)
• （1）传输程序
• 半双工、异步、无间隙同步
• NRZ（不归零）编码
• “1”——RXD/TXD-P（Receive/TransmitData-P）线上的正电位，而在RXD/TXD-N线上 则正相反。
• 在现场总线的产品开发中，常采用 OEM 集成 方法构成新产品。己有多家供应商向市场提供
• FF 集成通信控制芯片
• 通信栈软件
•来自百度文库圆卡
• OEM(Original Equipment Manufacturer的缩写,按照字 面意思,应翻译称原始设备制造商,指一家厂家根据另一 家厂商的要求,为其生产产品和产品配件,亦称为定牌生 产或授权贴牌生产)
端电阻； • 传输速率： 9.6kbit/s—12Mbit/s； • 介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决
于环境条件（EMC）； • 站点数：每段32站（无中继），127站（有中
继）； • 插头连接：9针D型插头
• （5）拓扑结构
• 2.DP/FMS(光纤电缆)的物理层 • PROFIBUS第1层的另一种类型是通过光纤导体
• (3)总线终端器 • 根据EIA RS-485标准，在数据线A和B两端均
加接总线终端器。 • 空闲状态：确定的空闲电位。 • 可以由跳接器或开关来启动。 • 传输速率大于1.5Mbit/s时，由于所连接站的
电容性负载而引起导线反射，因此必须使用 附加有轴向电感的总线连接插头。
• （4）传输技术 • 网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终
• 2. PA具有本质安全特性，它实现了IEC1158-2 规定的通信规程。 PROFIBUS-PA是PROFIBUS的 过程自动化解决方案，PA将自动化系统和过程 控制系统与现场设备，如压力、温度和液位变 送器等连接起来，代替了4-20mA模拟信号传输 技术。因此，PA尤其适用于石油、化工、冶金 等行业的过程自动化控制系统。
第二部分
第二章 PROFIBUS 现场总线
PROFIBUS概述
• PROFlBUS (Process Fieldbus的缩写)是一 种国际化的、开放的、不依赖于设备生产 商的现场总线标准。它广泛应用于制造业 自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、 电力等其他自动化领域。
• PROFIBUS技术的发展经历了如下过程: • 1987年由德国SIEMENS公司等13家企业和5家研究机
• 2.功能 • 物理层：信号如何发送； • 数据链路层：如何在设备间共享网络和调度
通信； • 应用层：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：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。
• 在相应软硬件开发的过程中，往往把除去 最下端的物理层和最上端的用户层之后的 中间部分作为一个整体，统称为通信栈。 这时，现场总线的通信参考模型可简单地 视为三层。
• （3）集成的光纤电缆连接 • 使用集成在设备中的光纤接口将PROFIBUS节
点与光纤电缆直接连接。 • （4）OBT（Optical Fiber Bus Terminal，
光纤总线终端） • 一个不带集成纤维光缆接头的PROFIBUS站或
一个RS-485段可以通过OBT连接到一个光纤电 路。
• 3.PA的物理层 • （1）数据传输 • 非直流传输的位同步、曼彻斯特编码 (也称
化系统的综合指标评价。
• 一致性与可互操作性测试是为保证系统的 开放性而采取的重要措施，一般要经授权 的第三方认证机构作专门测试，验证符合 统一的技术规范后，将测试结果交基金会 登记注册，授予FF标志。
• 对由具有FF标志的现场设备所组成的系统， 还需进一步进行可互操作性测试和功能性 能测试，以保证系统的正常运转，并达到 所要求的性能指标。
据意义提供必需的信息，控制系统或主机对 某个设备的驱动程序。
• DDL,Device Description Language • 设备描述语言是一种用以进行设备描述的
标准编程语言。 • 采用设备描述编译器，把用DDL编写的设
备描述源程序转化为机器可读的输出文件。
4．现场总线通信控制器与仪表或工业控 制计算机之间的接口技术
H1编码)。 • 数据的发送采用对总线系统的基本电流IB调
节±9mA的方法实现 。
• PROFIBUS-PA的数据传输
（2）总线连接 （PA 总线段的结构）
• （3）拓扑结构
• 树型结构是典型的现场安装技术，现场分配 器负责连接现场设备与主干总线，所有连接 在现场总线上的设备通过现场分配器进行并 行切换。
• 3.PROFIBUS-FMS:解决车间一级通用性通信任 务，FMS提供大量的通信服务，用以完成以中等 传输速率进行的循环和非循环的通信任务。由 于它是完成控制器和智能现场设备之间的通信 以及控制器之间的信息交换，因此它考虑的主 要是系统的功能而不是系统响应时间，应用过 程通常要求的是随机的信息交换 (如改变设定 参数等)。可用于大范围和复杂的通信系统。
• 3．设备描述 (DD，Device Description) 与设备描述语言(DDL,Device Description Language)
• 4．现场总线通信控制器与仪表或工业控 制计算机之间的接口技术
• 5．系统集成技术 • 6．系统测试技术
1．FF 总线的通信技术
• 通信模型 • 通信协议 • 通信控制器芯片 • 通信网络 • 系统管理 • 与网络有关的硬软件，如通信栈软件、被称
• 物理层、通信栈、用户层
图1-1 OSI与FF的通信模型
1.4 FF通信栈
• 第二部分 第一章复习题 – 1. 基金会现场总线的主要技术特点是什 么？请加以说明。 – 2. 基金会现场总线通信模型只具备ISO/ OSI参考模型中的哪四层？它们各自的作 用是什么？ – 3.说明基金会现场总线数据链路层数据 活动控制方法与工作过程。
中光的传输来传送数据。 • 站之间的距离最大到15km。 • 用玻璃或塑料纤维制成的光纤电缆可用作传
输介质。 • 玻璃光纤能处理的连接距离达到15km，而塑
料光纤只能达到80m。
• 连接技术 • (1)OLM技术 (Optical Link Module)
• (2)OLP技术 (Optical Link Plug)
第一章 基金会现场总线（FF）
基金会现场总线（FF）
• Foundation Fieldbus • 由现场总线基金会(Fieldbus Foundation)
组织开发， IEC61158标准。 • 工作在生产现场，适应本质安全防爆的要
求，通过传输数据的总线为现场设备提供 工作电源。 • 开放性、互操作性。
PROFIBUS通信模型
2.2 PROFIBUS的通信模型
• 2.2.1 物理层 • 2.2.2 现场总线数据链路层 • 2.2.3 应用层
2.2.1 物理层
• 1.DP/FMS(RS-485)的物理层 • 2.DP/FMS(光纤电缆)的物理层 • 3.PA的物理层
2.2.1 物理层
• 1.DP/FMS(RS-485)的物理层 • 屏蔽双绞电缆符合EIA RS-485标准(也称H2) • 总线段的两端各有一个终端器 • 传输速率从9.6kbit/s到12Mbit/s可选
构联合开发； • 1989年成为德国工业标准DIN19245； • 1996年成为欧洲标准EN50170V.2(PROFIBUS-FMS-
DP); • 1998年PROFIBUS-PA被纳入EN50170V.2； • 1999年PROFIBUS成为国际标准IEC61158的组成部分
(TYPEIII)； • 2001年成为中国的机械行业标准JB/T10308-3-2001。
之为圆卡的仪表用通信接口卡、FF与计算机 的接口卡、各种网关、网桥、中继器等。
2.标准化功能块与功能块应用进程
• FB，Function Block和FBAP，Function Block Application Process
• 通用结构：把实现控制系统所需的各种功能 划分为功能模块，使其公共特征标准化。
控制室
控制器
PROFIBUS-DP
DP/ PA耦合器 （Exi）
现场
现场设备
PROFIBUS-PA
现场设备
供电设备 （Exi）
终端电阻
现场设备
图3-12 总线型结构
现场设备
现场设备
终端电阻
• 树型与线型的组合结构：基于IEC61158-2传 输技术总线段与基于RS485传输技术总线段可 以通过DP/PA耦合器或链接器相连，耦合器使 RS485信号和IEC61158-2信号相适配。
控制室
现场
控制器
PROFIBUS-DP
DP/ PA耦合器 （Exi）
PROFIBUS-PA 终端电阻
供电设备 （Exi）
终端电阻
图3-11 树型结构
多路分配器 PROFIBUS-PA
现场设备 现场设备 现场设备 现场设备
• 总线型结构：提供了与供电电路安装类似的 沿现场总线电缆的连接点，现场总线电缆可 通过现场设备连接成回路，其分支线也可连 接一个或多个现场设备。
PROFIBUS由以下三个兼容部分组成
• PROFIBUS由以下三个兼容部分组成:
• 1.PROFIBUS-DP:用于传感器和执行器级的高 速数据传输，它以DIN19245的第一部分为基 础，根据其所需要达到的目标对通信功能加 以扩充，DP的传输速率可达12Mbit/s，一般 构成单主站系统，主站、从站间采用循环数 据传输方式工作。
• 输入、输出、算法、事件、参数与块控制图， 并把它们组成为可在某个现场设备中执行的 应用进程。
• 开放系统构架的基础，不同制造商产品的混 合组态与调用。
3．设备描述与设备描述语言
• DD，Device Description • 现场总线设备的互操作性，支持标准的块功
能操作。 • 设备描述为控制系统理解来自现场设备的数
• 总线监听分析用于测试判断总线上通信信号 的流通状态，用于通信系统的调试、诊断与 评价。
• 对由现场总线设备构成的自动化系统，功能、 性能测试技术还包括对其实现的各种控制系 统功能的能力、指标参数的测试。
1.2 FF通信模型
• 1.四个层次 • 物理层 • 数据链路层 • 应用层(总线访问层与总线报文规范子层) • 用户层
• 各报文的空闲（idle）状态对应于二进制“1” 信号
• A线对应于RXD/TXD-N信号，而B线对应于 RXD/TXD-P信号。
• （2）总线连接 • 国际性的PROFIBUS标准EN50170推荐使用9
针D型连接器用于总线站与总线的相互连接 （9针头）。 • D型连接器的插座与总线站相连接，而D型 连接器的插头与总线电缆相连接。
5．系统集成技术
• 包括通信系统与控制系统的集成。 • 网络通信系统组态、网络拓扑、配线、网络
系统管理； • 控制系统组态； • 人机接口； • 系统管理维护。
6．系统测试技术
• 通信系统的一致性与可互操作技术； • 总线监听分析技术； • 系统的功能、性能测试技术。 • 在测试基础上进一步开展对通信系统、自动
2.1 PROFIBUS的协议类型
• PROFIBUS通信模型参照了ISO/OSI参考模型的 第1层（物理层）和第2层（数据链路层）， 其中FMS还采用了第7层（应用层）,另外增加 了用户层。
• PROFIBUS－DP和PROFIBUS－FMS的第1层和第2 层相同， PROFIBUS-FMS有第7层，PROFIBUS －DP无第7层。PROFIBUS－PA有第1层和第2层， 但与DP/FMS有区别，无第7层。
第1章 基金会现场总线（FF） • 1.1 基金会现场总线的主要技术 • 1.2 FF通信模型 • 1.4 FF通信栈
1.1 基金会现场总线的主要技术
• 1．FF 总线的通信技术 • 2．标准化功能块 (FB，Function Block)
与功能块应用进程 (FBAP，Function Block Application Process)
VP(6) 390Ω 220Ω 390Ω
DGND(5)
RS-485总线段的结构
RS485段
B RS485总线段的结构
A
....
最多32个站
VP(6) 390Ω 220Ω 390Ω DGND(5)
• （1）传输程序
• 半双工、异步、无间隙同步
• NRZ（不归零）编码
• “1”——RXD/TXD-P（Receive/TransmitData-P）线上的正电位，而在RXD/TXD-N线上 则正相反。
• 在现场总线的产品开发中，常采用 OEM 集成 方法构成新产品。己有多家供应商向市场提供
• FF 集成通信控制芯片
• 通信栈软件
•来自百度文库圆卡
• OEM(Original Equipment Manufacturer的缩写,按照字 面意思,应翻译称原始设备制造商,指一家厂家根据另一 家厂商的要求,为其生产产品和产品配件,亦称为定牌生 产或授权贴牌生产)
端电阻； • 传输速率： 9.6kbit/s—12Mbit/s； • 介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决
于环境条件（EMC）； • 站点数：每段32站（无中继），127站（有中
继）； • 插头连接：9针D型插头
• （5）拓扑结构
• 2.DP/FMS(光纤电缆)的物理层 • PROFIBUS第1层的另一种类型是通过光纤导体
• (3)总线终端器 • 根据EIA RS-485标准，在数据线A和B两端均
加接总线终端器。 • 空闲状态：确定的空闲电位。 • 可以由跳接器或开关来启动。 • 传输速率大于1.5Mbit/s时，由于所连接站的
电容性负载而引起导线反射，因此必须使用 附加有轴向电感的总线连接插头。
• （4）传输技术 • 网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终
• 2. PA具有本质安全特性，它实现了IEC1158-2 规定的通信规程。 PROFIBUS-PA是PROFIBUS的 过程自动化解决方案，PA将自动化系统和过程 控制系统与现场设备，如压力、温度和液位变 送器等连接起来，代替了4-20mA模拟信号传输 技术。因此，PA尤其适用于石油、化工、冶金 等行业的过程自动化控制系统。
第二部分
第二章 PROFIBUS 现场总线
PROFIBUS概述
• PROFlBUS (Process Fieldbus的缩写)是一 种国际化的、开放的、不依赖于设备生产 商的现场总线标准。它广泛应用于制造业 自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、 电力等其他自动化领域。
• PROFIBUS技术的发展经历了如下过程: • 1987年由德国SIEMENS公司等13家企业和5家研究机
• 2.功能 • 物理层：信号如何发送； • 数据链路层：如何在设备间共享网络和调度
通信； • 应用层：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：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。
• 在相应软硬件开发的过程中，往往把除去 最下端的物理层和最上端的用户层之后的 中间部分作为一个整体，统称为通信栈。 这时，现场总线的通信参考模型可简单地 视为三层。
• （3）集成的光纤电缆连接 • 使用集成在设备中的光纤接口将PROFIBUS节
点与光纤电缆直接连接。 • （4）OBT（Optical Fiber Bus Terminal，
光纤总线终端） • 一个不带集成纤维光缆接头的PROFIBUS站或
一个RS-485段可以通过OBT连接到一个光纤电 路。
• 3.PA的物理层 • （1）数据传输 • 非直流传输的位同步、曼彻斯特编码 (也称
化系统的综合指标评价。
• 一致性与可互操作性测试是为保证系统的 开放性而采取的重要措施，一般要经授权 的第三方认证机构作专门测试，验证符合 统一的技术规范后，将测试结果交基金会 登记注册，授予FF标志。
• 对由具有FF标志的现场设备所组成的系统， 还需进一步进行可互操作性测试和功能性 能测试，以保证系统的正常运转，并达到 所要求的性能指标。
据意义提供必需的信息，控制系统或主机对 某个设备的驱动程序。
• DDL,Device Description Language • 设备描述语言是一种用以进行设备描述的
标准编程语言。 • 采用设备描述编译器，把用DDL编写的设
备描述源程序转化为机器可读的输出文件。
4．现场总线通信控制器与仪表或工业控 制计算机之间的接口技术
H1编码)。 • 数据的发送采用对总线系统的基本电流IB调
节±9mA的方法实现 。
• PROFIBUS-PA的数据传输
（2）总线连接 （PA 总线段的结构）
• （3）拓扑结构
• 树型结构是典型的现场安装技术，现场分配 器负责连接现场设备与主干总线，所有连接 在现场总线上的设备通过现场分配器进行并 行切换。
• 3.PROFIBUS-FMS:解决车间一级通用性通信任 务，FMS提供大量的通信服务，用以完成以中等 传输速率进行的循环和非循环的通信任务。由 于它是完成控制器和智能现场设备之间的通信 以及控制器之间的信息交换，因此它考虑的主 要是系统的功能而不是系统响应时间，应用过 程通常要求的是随机的信息交换 (如改变设定 参数等)。可用于大范围和复杂的通信系统。
• 3．设备描述 (DD，Device Description) 与设备描述语言(DDL,Device Description Language)
• 4．现场总线通信控制器与仪表或工业控 制计算机之间的接口技术
• 5．系统集成技术 • 6．系统测试技术
1．FF 总线的通信技术
• 通信模型 • 通信协议 • 通信控制器芯片 • 通信网络 • 系统管理 • 与网络有关的硬软件，如通信栈软件、被称
• 物理层、通信栈、用户层
图1-1 OSI与FF的通信模型
1.4 FF通信栈
• 第二部分 第一章复习题 – 1. 基金会现场总线的主要技术特点是什 么？请加以说明。 – 2. 基金会现场总线通信模型只具备ISO/ OSI参考模型中的哪四层？它们各自的作 用是什么？ – 3.说明基金会现场总线数据链路层数据 活动控制方法与工作过程。
中光的传输来传送数据。 • 站之间的距离最大到15km。 • 用玻璃或塑料纤维制成的光纤电缆可用作传
输介质。 • 玻璃光纤能处理的连接距离达到15km，而塑
料光纤只能达到80m。
• 连接技术 • (1)OLM技术 (Optical Link Module)
• (2)OLP技术 (Optical Link Plug)