智能测控系统设计9_基于现场总线的测控系统(东南大学)

国Echelon公司推出的Lonworks等。
现场总线国际标准化
1999年形成8个类型组成的IEC61158总线国际标准,其它有影响 的现场总线:CAN,LonWorks,HART, DeviceNet。
智 能 测 控 系 统 设 计
各种现场总线
IEC61158：由国际电工委员会IEC SC65C“测量和控制的数字数据 通信”分技术委员会的WG6工作组与美国仪表学会ISA下SP50工 作组组织联合制定的， 84年起草，99年最后一轮投票通过，长 达14年多。 ControlNet：控制网国际有限公司(ControlNet International,Ltd.) 提出。该公司是1997年7月由Rockwell等22家企业发起成立，是 个非赢利独立组织，主要负责向全世界推广ControlNet技术，目 前已有50多个公司参加，如ABB Roboties 、Honeywell Inc.、日 本横河、东芝、Omron等大公司。
调度通信和非调度通信
智 能 测 控 系 统 设 计
总线访问子层FAS
分为3层
智 能 测 控 系 统 设 计
总线访问子层FAS分为三层
FAS服务协议机制：将信息转换成FAS的内部协议 格式，选择一个合适的应用关系协议机制。 应用关系协议机制：有三种虚拟通信关系VCR。客 户/服务器VCR为一对一非调度通信，主要用于设定 值改变、参数整定等。报告分发VCR是一对多非调 度通信，主要用于现场设备发送报警信息给操作员 站。发布方/接受方VCR为一对多调度通信，常用于 周期性的输入输出信号。 DLL映射协议机制：将FAS协议格式转换成DLL服务 格式。
4.CAN通信协议
CAN总线的主要特性
多主站依据优先权进行总线访问；
无破坏性的基于优先权的仲裁；
智 能 测 控 系 统 设 计
借助接收滤波的多地址帧传送； 远程数据请求； 错误检测和出错信令；
发送信息出错后可自动重发；
节点错误严重情况下具有自动退出总线的功能；
报文不含源地址或目标地址仅用标识符来指示功 能信息和优先级信息；
高速以太网HSE
高速以太网HSE：采用基于EtherNet 和TCP/IP的六层协议结构。充分利用 低成本和成熟可用的以太网技术。
智 能 测 控 系 统 设 计
H1总线协议数据的构成
智 能 测 控 系 统 设 计
FF总线协议简介
1. 物理层 2. 数据链路层
智 能 测 控 系 统 设 计
3. 总线访问子层FAS 4. 总线报文规范子层FMS 5. 用户层
FF总线物理层的曼彻斯特编码
智 能 测 控 系 统 设 计
FF总线物理层的前导码、定界码
负跳变为1， 正跳变为0
智 能 测 控 系 统 设 计
N+在整个时钟周期 为高电平；N-在整个 时钟周期为低电平。
H1总线上的信号Fra Baidu bibliotek形
智 能 测 控 系 统 设 计
发送设备产生 的电流信号 产生的电压信号
数据链路层
智 能 测 控 系 统 设 计
FCS的作用和影响
FCS的作用：可将全厂范围内的最基础的现 场控制设备变成网络节点连接起来，与控 制系统实现全数字化通信。 FCS的影响：变革传统的信号标准、通信标 准、系统标准，改变现有的智能测控系统 的体系结构、产品结构，变革原有的系统 设计、安装、调试、维护方法。FCS是21 世纪工业控制系统的基础。
智 能 测 控 系 统 设 计
各种现场总线
LonWorks：由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公 司共同倡导。 HART：Highway Addressable Remote Transducer，可寻址远程 智 传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosement公司于1985 能 年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。
智 能 测 控 系 统 设 计
总线报文规范子层FMS
该层描述了用户应用所需要的通信服务、 信息格式、行为状态等。FMS提供了一 组服务和标准的报文格式，用户应用可 以采用这种标准的格式在总线上相互传 递信息、访问应用进程对象及其描述。 FMS组成部分：虚拟现场设备 （VFD）、对象字典管理（OD）、联 络关系管理、域管理、程序调用管理、 动态参数管理、时间管理。
智 能 测 控 系 统 设 计
现场总线的特点
全数字化通信；开放型的互联网络； 互操作性和互用性；现场设备的智 能化；系统结构的高度分散性；现 场设备连接的方便性。
智 能 测 控 系 统 设 计
现场总线结构示意图
智 能 测 控 系 统 设 计
DCS与FCS的对比
智 能 测 控 系 统 设 计
现场总线标准制定的历程
智 能 测 控 系 统 设 计
现场总线标准制定的历程
与此同时，在不同行业还陆续派生出一些
智 能 测 控 系 统 设 计
有影响的总线标准。它们大都在某些公司标 准的基础上逐渐形成，并得到其它公司、厂 商、用户及国际组织的支持。如德国Bosch公 司推出的CAN（Control Area Network），美
网络拓扑和设备连接
智 能 测 控 系 统 设 计
H1总线的设备连接
智 能 测 控 系 统 设 计
链路活动 调度器
HSE设备连接
智 能 测 控 系 统 设 计
总线电缆类型
智 能 测 控 系 统 设 计
三、CAN总线
1.CAN的主要特性
智 能 测 控 系 统 设 计
2.CAN的总线数值表示 3.CAN的分层结构
智 能 测 控 系 统 设 计
二、基金会现场总线
1.FF总线的通信模型
智 能 测 控 系 统 设 计
2.H1总线协议数据的构成
3.FF总线协议简介
4.网络拓扑和设备连接
FF总线的通信模型
FF总线分为低速H1总线和高速以太网HSE。
Open System Interconnection
智 能 测 控 系 统 设 计
第十章 基于现场总线的智能测控系统
一、现场总线概述
智 能 测 控 系 统 设 计
二、基金会现场总线
三、CAN总线
四、CAN总线系统设计
一、现场总线概述
1.什么是现场总线
智 能 测 控 系 统 设 计
2.现场总线的特点 3.现场总线国际标准化
什么是现场总线
IEC（国际电工技术委员会）和ISA（美 国仪表协会）的定义：现场总线是连接智 能现场设备和自动化系统的数字式、双向 传输、多分支结构的通信网络。 FCS(Fieldbus Control System)发展背 景：现场设备的高度智能化，使得用数字 通信技术代替4～20mA模拟传输技术成 为可能和必要。
现场总线标准制定的历程
1992年，由Sienems，Rosemount，ABB，Foxboro， Yokogawa等80家公司联合，成立了ISP（Interoperable System Protocol）组织，着手在PROFIBUS的基础上制定现场总线标准。 1993年，以Honeywell，Bailey等公司为首，成立了World FIP (Factory Instrumentation Protocol) 组织，有120多个公司 加盟该组织，并以法国标准FIP为基础制定现场总线标准。 1994年，ISP和World FIP的北美分部合并成立了现场总线 基金会（Fieldbus Foundation，简称FF），推动了现场总线标 准的制定和产品开发，并于1996年第一季度颁布了低速总线Hl 的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合FF规范的设备互 连构成控制系统和通信网络，使H1低速总线开始步入实用阶段。
智 能 测 控 系 统 设 计 PROFIBUS：已经成为德国国家标准DIN19245和欧洲标准pr
EN50170，并在世界拥有了最多的用户数量。
P-NET：由Proces-Data A／S公司研究并开发，P-NET的设想出现 于1983年的丹麦，比其它总线更早。
各种现场总线
FF-HSE：由Fieldbus Foundation(FF)组织负责开发，并于1998 年决定全面采用已广泛应用于IT产业的高速以太网（highspeed ethernet HSE）标准。 Swift-Net：由美国SHIP STAR协会主持制定，得到美国波音公 司的支持，主要用于航空和航天等领域。 WorldFIP：由成立于1987年的World FIP协会制定并大力推广。 其产品在法国占有60%的市场，在欧洲市场占有约25%的份额。 广泛用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输、地铁和过程 自动化等领域。 Interbus：由德国Phoenix Contact公司开发，Interbus Club俱乐 部支持。 CAN：是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部 网，由于其高性能、高可靠性、实时性等优点现已广泛应用于工 业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境 控制等众多部门。
1984年，美国仪表协会(ISA)下属的标准与实施工作
智 能 测 控 系 统 设 计
组中的ISA／SP50开始制定现场总线标准；
1985年，国际电工委员会决定由Proway Working
Group负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；
1986年，德国开始制定过程现场总线（Process
Fieldbus）标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总 线标准制定及其产品开发的序幕。
测 控 系 统 设 计
Devicenet：是90年代中期发展起来的一种基于CAN技术的开 放型、低成本、高性能的通信网络，最初由美国Rockwell公司 开发应用。
FF与CAN简介
FF：基金会现场总线，是目前最具发展前 景、最具竞争力的现场总线之一，目前拥 有120个成员。 CAN：德国Bosch公司开发，起初专门用 于汽车，后来被广泛用于各行各业，如楼 宇自控领域等。
智 能 测 控 系 统 设 计
用户层
智 能 测 控 系 统 设 计
定义了标准的基于模块的用户应用，由功能块和设备描述语言两 部分组成。 功能块：FF提供一种通用结构，把分散在控制系统或现场的各 种功能（模拟输入、模拟输出、PID控制、离散输出、离散输出、 偏置等）封装为相应的功能块FB，使公共特征标准化，规定它 们各自的输入、输出、算法条件、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功能块应用进程FBAP。 设备描述（DD）：设备描述是FF总线为实现设备间的互操作性、 支持标准的功能块操作而采用的一项重要内容。类似于设备驱动 程序，由设备描述语言DLL实现。只要有设备的DD，任何与FF 兼容的主机就可识别和操作该设备。FF为所有标准功能块提供 DD，供应商通常根据标准的DD做一些扩充，附加描述供应商 特定的特性，如标定、诊断程序等。
极高的总线利用率和高速数据传输率。
CAN的总线数值表示
智 能 测 控 系 统 设 计
隐性表示1
显性表示0
CAN的分层结构
逻辑链路控制
智 能 测 控 系 统 设 计
按照 OSI基 准模型， CAN结 构划分 为两层： 数据链 路层和 物理层。
总线报文 规范子层
总线访 问子层
现场设备 访问会话
H1总线的通信模型
物理层、数据链路层（DLL）、应用层、用 户层组成。
智 能 测 控 系 统 设 计
物理层：用于实现现场物理设备与总线之间的连接。发送 时，接受来自DLL的信息，对数据帧加上前导码与定界码， 并对其实现数据编码，即曼彻斯特编码，在串行数据流中 加进时钟信息，形成物理信号。接受信号时，对其去除前 导码与定界码，并进行解码。 数据链路层（DLL）：规定如何在设备间共享网络和调度 通信，通过链路活动调度器LAS来管理现场总线的访问。 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。分为两个子层：总线访问子层 （FAS）和总线报文规范子层（FMS）。 用户层：用户应用程序，如规定功能块、设备描述、网络 管理、系统管理等。
通过链路活动调度器（LAS）对总线访 问的调度。 调度通信：链路活动调度器LAS根据 调度时间表发送强制性数据CD，收到 CD的设备将数据发布到总线，被组态 为接受方的设备将接受数据。 非调度通信：在调度时间表之外， LAS按活动表发布令牌PT给一个设备， 得到令牌的设备允许发送信息。
智 能 测 控 系 统 设 计