精密測控與系統曹佃國曲師大電氣信息與自動化學院tel:3981133-mail:caodg0318@126.comPrecisionMeasurementandControlSystems曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線技術簡介什么是現場總線現場總線的定義為什么要用現場總線什么時候用現場總線總線與網絡通信開放系統互連參考模型幾種主要的現場總線及其應用

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院曹佃國2010年秋曲師大自動化學院曹佃國2010年秋曲師大自動化學院曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場設備與現場總線現場：生產過程中測量與控制活動具體發生的地點現場設備：數據是需要傳輸的IndustrialCommunicationsBasicI/O

Analogue/Digital曹佃國2010年秋曲師大自動化學院傳統的現場設備接口（I/Ointerface)簡單、有效、產品種類多幾乎任何應用系統都可找到可選產品模擬、數字接口都有PLC在工業現場很常見點對點連接，系統規模不能太大無法傳輸大量數據BasicI/O

Analogue/Digital曹佃國2010年秋曲師大自動化學院什么是現場總線定義：應用在生產現場、在測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的開放型控制網絡技術FieldbusDigital,2waycommunicationI/O-system現場（field)現場總線曹佃國2010年秋曲師大自動化學院從應用角度定義的現場總線現場總線為安裝在過程控制現場的傳感器、執行器提供了一種可以傳輸數字信號的電聯接智能化的現場設備需要雙向數據傳輸線現場總線可同時聯接多個數據點可對現場設備進行遠程控制、校準、調節避免經常到現場進行調整方便預測及診斷故障的發生數字信號傳輸，抗干擾能力強現場設備數字化現場設備有相互通訊能力，降低上位機的控制負擔現場設備有數據處理能力，降低數據傳輸負擔曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線與傳統測控系統曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線控制系統硬件結構SafeareaRedundant,isolatedFieldbuspowerconditionerFieldwiringhubwithspurshort-circuitprotectionFOUNDATION

FieldbusDevicesFIELDCONTROLROOMFieldbuscontrolsystem(DCS)曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線控制系統體系結構

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線的優點1.減少傳輸電纜

傳輸電纜的減少不僅意味著系統的布線結構設計及安裝費用的降低，而且可有效避免多電纜帶來的混亂，使現場電纜系統更易于維護。在某些如衛星、車船等特殊場合，電纜重量的降低也是其重要優點

2.節約硬件設備現場設備比傳統設備成本高，但系統的總成本卻可能相對低一些

維護容易，可靠曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線的優點信號傳輸數字化

減少了信號的傳送誤差，抗干擾能力強

現場設備模塊化、智能化

系統組成結構更具彈性。某個現場設備的維修與更換、系統中現場設備的添加/減少乃至系統的局部重構，均可能在系統運行過程中完成

系統控制結構的分散化

可實現現場設備之間的互操作和互換信息，在現場建立起開放式的現場通信網絡

徹底的分散控制，控制系統功能不依賴控制室的計算機或控制儀表而直接在現場完成

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線的優點減少傳輸電纜4-20mA傳輸模式中，電源、現場設備、采集卡以及其他電路之間是串聯的現場總線系統中，電源、現場設備、采集卡以及其他電路之間是并聯的4-20mAPowerSupplyfieldbusPowerSupplyInputcard曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線的優點對于用戶來說，經濟風險更低ReplaceOperations&MaintenanceEngineering,Construction,&Commissioning/Start-upCashFlowAnalogfieldbusTime曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線是工廠的底層網絡（Infranet）現場設備的電源供應可與數據傳輸公用一條傳輸線曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線與信息網絡技術網絡技術是現場總線的重要基礎，但現場總線直接面向生產過程適應工業應用環境，要求實時性強，可靠性高，安全性好。多為短幀傳送，通信的傳輸速率相對較低。曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線技術簡介什么是現場總線現場總線的定義為什么要用現場總線什么時候用現場總線總線與網絡通信開放系統互連參考模型幾種主要的現場總線及其應用

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線技術簡介什么是現場總線總線與網絡通信總線協議網絡的拓撲結構開放系統互連參考模型幾種主要的現場總線及其應用

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院2.總線與網絡通信總線(bus):傳輸信號或信息的公共路徑，是遵循同一技術規范的連接與操作方式

總線段(bussegment):

一組設備通過總線連在一起

總線網絡：通過總線段相互連接把多個總線段連接成的系統

總線主設備(busmaster)：在總線上發起信息傳輸的設備（又稱命令者）總線從設備(busslaver):對總線信息進行接收查詢的設備（連上后又稱為“響應者”(responder)）總線協議(busprotocol):對設備使用總線進行管理的一套規則

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院2.總線與網絡通信總線的相關概念總線操作：總線上命令者與響應者之間的連接—數據傳送—脫開這一操作序列通信請求：由總線上某一設備向另一設備發出的請求信號，要求后者給予注意并進行某種服務總線仲裁：用于裁決哪一個主設備是下一個占有總線的設備。某一時刻只允許某一個主設備占有總線，等到它完成總線操作，釋放總線占有權后才允許其它總線主設備使用總線訪問等待時間(accesslatency)：主設備為獲得總線占有權而等待仲裁的時間總線占有期(bustenancy)：命令者占有總線的時間

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院什么是計算機網絡計算機網絡是指用通信線路將分散在不同地點的具有獨立自主功能的計算機系統互相連接,并按照網絡協議進行數據通信和共享資源的計算機的集合計算機網絡和分布式系統的區別：更多取決于軟件而不是硬件曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網絡的分類（1）通常由兩個標準區分:按傳輸技術和網絡規模按傳輸技術分類廣播式網絡(broadcastnetwork)點-點式網絡(point-to-pointnetwork)曹佃國2010年秋曲師大自動化學院廣播式網絡與點對點式網絡廣播式網絡共享信道短的信息（按某種語法組織的分組和包）可以被任何機器接收。通過地址字段接收點對點式網絡由一對對機器之間的多條線路連接構成通過中間結點到達目的端有多條路徑，路由算法曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網絡拓撲結構（1）

Tointernet以太網卡以太網卡以太網線以太網線外部網線星形拓撲結構任何兩點之間通信都通過中央節點進行所有通訊均由中央節點控制，中央節點的結構復雜每個節點的通訊處理負擔很小，結構簡單曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網絡拓撲結構（1）星型拓撲的優點：利用中央節點，可以在不影響系統其他設備工作的情況下增加或減少設備，對網絡進行調整或重新配置單個連接節點的故障只影響一個設備，不會影響全網，容易檢測和隔離故障,便于維護任何一個連接只涉及到中央節點和一個連接節點，因此控制介質訪問的方法很簡單，訪問協議也十分簡單缺點：每個節點直接與中央節點相連，需要大量電纜如果中央節點產生故障，則全網不能工作曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網絡拓撲結構（2）環形拓撲

典型代表：令牌環局域網，傳輸速率為4Mbps或16Mbps擁有“令牌”的設備允許在網絡中傳輸數據信息流只能是單方向的，每個收到信息包的站點都向它的下游站點轉發該信息包。信息包在環網中“旅行”一圈，最后由發送站進行回收當信息包經過目標站時，目標站根據信息包中的目標地址判斷出自己是接收站，并把該信息拷貝到自己的接收緩沖區中（廣播式）

當一個站發送完信息后就把令牌向下傳送，以便下游的站點可以得到發送信息的機會曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網絡拓撲結構（2）環形拓撲的優點：時延確定性好,能高速運行結構簡單，避免沖突重載時網絡效率高缺點：環形網的成本較高輕負載時，也要等待令牌產生不必要的時延，使傳輸效率下降曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網絡拓撲結構（3）總線拓撲采用單根傳輸線作為傳輸介質(總線)所有的站點都通過相應的硬件接口直接連接到總線上任何一個站點發送的信號都可以沿著總線傳播，而且能被其他所有站點接收（廣播式）傳輸時延是不確定的輕載時時延小,但網絡節點多、通信任務重時，時延明顯增大，網絡效率下降曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網絡拓撲結構（3）總線拓撲的優點：結構簡單，電纜長度短，易于布線和維護節點設備可以在不影響系統中其他設備工作的情況下進行插入或刪除，易于網絡的擴展響應速度快，共享資源能力強，便于廣播式工作設備量少，價格低，安裝使用方便缺點：網絡對總線較敏感：因為總線拓撲的網不是集中控制的，所以故障檢測需要在網上的各個站點上進行，故障診斷和隔離困難曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網絡拓撲結構（4）樹形拓撲

總線拓撲的一種變型廣播式通信：—個節點發送數據，其它節點都能接收適用于分主次、分等級的層次型管理系統數據率和數據類型沒有太多限制，可達到很高的帶寬特點：可擴展性好，頻帶較寬，但節點間通信不便

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網絡拓撲結構（5）令牌總線拓撲物理上是一個總線網，在邏輯上是一個令牌網節點接入方便,可靠性好網絡傳輸時延確定無沖突,非常適合具有一定實時性要求的環境本節點地址上節點地址下節點地址曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線技術簡介什么是現場總線總線與網絡通信總線協議網絡的拓撲結構開放系統互連參考模型幾種主要的現場總線及其應用

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線技術簡介什么是現場總線總線與網絡通信開放系統互連參考模型

網絡協議的分層機制網絡協議的“透明”幾種主要的現場總線及其應用

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網絡協議分層網絡協議：為進行網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定大多數網絡都按層次（layer）或級（level）的方式來組織.每一層都建立在它的下層之上，不同的網絡，層的數量、名稱和功能都不一樣在所有的網絡中，每一層的目的都是向它的上一層提供一定的服務，而把如何實現這一服務的細節對上一層加以屏蔽曹佃國2010年秋曲師大自動化學院認識層語言層傳輸層傳輸介質二人對要通話的內容有共同的興趣（關心內容，不關心語言）每人請來一個譯者,對各自的語言翻譯,翻譯為第三國語言（能互相聽懂語言，但不關心內容）兩個譯員分屬兩個不同的地方,則各自需要一個工程技術人員,將交談的內容轉成電信號在傳輸介質上傳給對方（不管語言，只管語音）分層通信的概念曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網絡協議分層第n層協議一臺機器上的第n層與另一臺機器上的第n層進行對話的規則對等進程不同機器里包含對應層的實體，對等進程之間進行通信相鄰層之間接口定義了下層向上層提供的源語操作和服務虛通信（透明）除了在物理介質上進行的實通信外，其余對等實體間進行的都是虛通信實際上，數據不是從一臺機器的第n層直接傳到另一臺機器的第n層，而是向下傳送信息直到傳輸介質，在物理介質中進行物理通信認識層語言層傳輸層傳輸介質曹佃國2010年秋曲師大自動化學院OSI參考模型的七層協議

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院OSI參考模型的七層協議（低層）物理層（比特）將比特流送到物理媒體進行透明傳送數據鏈路層（幀）在相鄰節點之間無差錯的傳送幀。網絡層（分組或包）在源和目的節點之間選擇一條最佳路徑，將分組正確、無誤地傳送到目的地傳輸層（報文）建立一條傳輸的連接（對方在何處），透明地傳送報文曹佃國2010年秋曲師大自動化學院OSI參考模型的七層協議（高層）會話層（報文）會話的管理與數據傳輸的同步（會話雙方輪到誰講話、從何處講）表示層（報文）解決用戶信息的語法表示問題，即完成信息格式的轉換（語言翻譯）。應用層（報文）用戶信息的語義表示，并在兩個通信者之間進行語義匹配（語言內容）曹佃國2010年秋曲師大自動化學院OSI參考模型的七層協議

幀—比特數據包—幀數據打包與誰會話會話管理說話內容語言翻譯曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線的分層協議OSI現場總線

用戶層從數據產生數值應用層應用層適用格式化數據表示層不用

會話層不用

傳輸層不用

網絡層現場總線訪問子層映射到數據鏈路層數據鏈路層數據鏈路層探測錯誤物理層物理層發送數據曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線的分層協議物理層定義現場總線的通訊介質,即4～20mA標準的替代數據鏈路層用于監視發生于各設備間的通訊,同時檢測通訊錯誤應用層規范通訊數據格式,以便形成所有聯網設備都可以解釋的信息,為過程控制提供服務,同時向用戶層提供接口用戶層一些數據或信息查詢的應用軟件，與一個獨立的工廠區域相關聯,為進一步應用提供環境曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線的體系結構曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線的體系結構實際的現場總線控制網絡模型應具有三層結構,從底向上依次為現場設備層：現場設備以網絡節點的形式掛接在網絡上,現場設備采用功能塊的結構,通過組態設計,完成數據采集、A/D轉換、數字濾波、溫度壓力補償、PID控制等各種功能

現場總線監控層：一般由上位計算機完成，從現場設備中獲取數據,完成各種控制、運行參數的監測、報警和趨勢分析等功能

遠程監控層：在分布式網絡環境下構建一個安全的遠程監控系統，對生產過程進行實時的遠程監控

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線的體系結構曹佃國2010年秋曲師大自動化學院MethodsforIndustrialCommunicationsEthernet/SerialPlug-InInterfacesGatewaysoverEthernet,Serial

VersatilityPerformance/Determinism曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現場總線技術簡介什么是現場總線總線與網絡通信開放系統互連參考模型幾種主要的現場總線及其應用

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院基金會現場總線

（FF，FoundationFieldbus）

美國Fisher-Rosemount公司為首，聯合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂的ISP協議

以Honeywell公司為首，聯合歐洲等地的150家公司制訂的WorldFIP協議

1994年9月合并，成立了現場總線基金會

基金會現場總線

1996年在芝加哥舉行的ISA96展覽會上，由現場總線基金會組織實施，首次向世界展示了來自40多家廠商的70多種符合FF協議的產品

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現場總線協議1.物理層數據發送狀態時,接受由數據鏈路層(DLL)下發的數據,并將其以某種電氣信號進行編碼并發送數據接收狀態時,將相應的電氣信號編碼為二進制數值,并送到鏈路層。物理層定義了三種網絡傳輸速度:低速H1：傳輸速率為31.25kbps，通信距離可達1900m（可加中繼器延長），可支持總線供電，支持本質安全防爆環境

高速H2：傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps兩種，通信距離分別為750m和500m。物理傳輸介質可支持雙絞線、光纜和無線發射曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現場總線協議現場設備之間、現場設備與控制室設備之間的雙向、全雙工、多節點通訊曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現場總線協議傳統系統由中心計算機完成測控功能現場總線也可沿用傳統模式，但也可采用分散測控模式曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現場總線協議分布式測控系統模型曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現場總線協議每臺設備至少包括：傳感器/執行器模塊I/O信號的換能模塊至少一個FF功能塊FF功能塊（現場設備或主機中）：基本測控功能連接及控制功能曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現場總線協議功能運行周期性通訊（發布）非周期性通訊曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現場總線協議FF中的基本模塊模擬量輸入(AI),模擬量輸出(AO)開關量輸入(DI),開關量輸出(DO)控制選擇(CS),手動控制(ML),P、PD控制(P),PID控制(PID)偏置/增益(BG),比率控制(RA)FF中的高級模塊分離器,死區,脈沖輸入,復雜模出,復雜開關量出超前滯后補償,算術運算步進輸出PID,裝置控制設定值程序發生,積分運算定時,模擬量報警輸入選擇,信號特征,開關量報警模擬量,開關量接口曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF中的柔性可配置模塊用戶根據具體應用配置的I/O數目及類型用戶根據具體應用配置的算法曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF中的柔性可配置模塊具體算法曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現場總線與以太網HSE——HighSpeedEthernetHSE采用與H1同樣的用戶層技術用戶可配置模塊現場設備的測控采用H1的物理層與數據鏈路層協議HSE采用以太網/因特網實現遠距離通信添加支持異構網絡的功能模塊支持多個局域網間的連接可實現遠程監測及控制曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現場總線與以太網曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現場總線與以太網H1——設備集成HSE——子網集成HSE——服務器集成曹佃國2010年秋曲師大自動化學院LonWorks

現場總線技術LonTalk協議被封裝在

神經元芯片（Neuronchip）中曹佃國2010年秋曲師大自動化學院神經元芯片

Neuronchip介質訪問的控制與處理

網絡變量的尋址與處理、路徑選擇、網絡管理，并負責網絡通信控制，收發數據包等

執行操作系統服務與用戶代碼

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院PROFIBUS現場總線德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現場總線標準是一種不依賴