工业数据通信和控制网络(现场总线)
现场总线介绍
Lonworks技术采用的LonTalk 协议被封 装在被称为Neuron Chip 的神经元芯片内得 以实现，该项技术已广泛应用楼宇自动化、 家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设 备、工业过程控制等领域。
（2）现场总线的产生
现场总线是综合自动化的发展需要.. T(time to market); Q(quality) ; C(cost); S(service) ;
要实现整个生产过程的信息集成，实施综 合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环 境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统。 以实现现场自动化智能设备之间的多点数 字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现 场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。 于是，现场总线应运而生。
现场总线介绍
华东理工大学自动化系 王学武
主要内容
概念 产生 现场总线的含义 特点和优点 几种总线简介 现场总线的产生历程 现场总线市场分析 现场总线产业发展现状 现场总线技术的发展趋势 国内现场总线发展概况
（1）概念
什么是现场总线？ 应用在生产现场、在测量控制设备之间实现双 向串行多节点数字通信的开放型控制网络技术。
ARC高级过程自动化分析师Paula Hollywood（研究报告主要作者）说，“最初， 现场总线的主要优点被描述为降低布线、设备 安装和调试成本……，而最终用户在项目运行 成本（OpEx）上实际享受到的好处则更多，因 为双向数字通信使通信质量改进以及所链接智 能设备能够实现远程诊断使生产过程效率提高。 ARC开展的2006年现场总线最终用户问卷 调查也表明，设备维护技术人员和生产现场操 作人员效率的提高，是迄今为止现场总线能带 来的最大好处。”
市场研究最后得出结论，现场总线最重要 的优点在维护和运行中体现出来。该技术本身 并不能降低成本；但根据ARC的解释，它充当 了“一个能明显降低运行成本且有助于实现运 行卓越，使设备管理效率达到新的水平的使能 技术。”
数据通信与工业控制网络知识点总结
数据通信与工业控制网络知识点总结关键信息项：1、数据通信的基本概念和原理定义：＿___________________________特点：＿___________________________重要性：＿___________________________2、工业控制网络的类型和特点类型：＿___________________________各自特点：＿___________________________3、数据传输方式串行传输：＿___________________________并行传输：＿___________________________优缺点比较：＿___________________________4、通信协议常见协议：＿___________________________协议的作用和功能：＿___________________________5、网络拓扑结构总线型：＿___________________________星型：＿___________________________环型：＿___________________________优缺点分析：＿___________________________ 6、工业控制网络中的数据交换技术电路交换：＿___________________________分组交换：＿___________________________报文交换：＿___________________________ 7、差错控制技术纠错编码：＿___________________________检错编码：＿___________________________重传机制：＿___________________________ 8、网络安全与防护威胁类型：＿___________________________防护措施：＿___________________________ 9、工业控制网络的应用案例案例介绍：＿___________________________效果评估：＿___________________________11 数据通信的基本概念和原理数据通信是指在不同设备之间通过传输介质进行数据的传递和交换。
工业数据通信与控制网络
Ch1 绪论1．什么是工业数据通信，现场总线，控制网络？数据通信是指在两点或多点之间以二进制形式进行信息交换的过程。
在工业生产过程中，除了计算机及其外围设备，还存在大量检测工艺参数数值与状态的变送器和控制生产过程的控制设备。
这些设备的个功能单元之间、设备与设备之间以及这些设备与计算机之间遵照通信协议，利用数据传输技术传递数据信息的过程，称之为工业数据通信。
按照IEC对现场总线（fieldbus）一词的定义，现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。
这是由IEC/TC65负责和控制系统数据通信部分国际标准化工作的SC65C/WG6定义的。
因此“现场总线”一词被定位于生产现场的数据通信技术。
工业数据通信是控制网络的基础和支撑条件，是控制网络技术的重要组成部分。
在这个意义上也可以把工业数据通信与控制网络一并简称为控制网络。
2．企业网络系统的层次结构是什么？如图1.4。
按网络连接结构。
一般将企业的网络系统划分为3层：他以底层控制网（infranet）为基础，中间为企业的内部网（intranet），并通过他伸向外部世界的互联网（internet），形成internet-intranet-infranet的网络结构按网络的功能结构分：企业资源规划层EPR（enterprise resource planning）、制造执行层MES(manufacturing excurtion system)以及现场控制层FCS(field control system)。
3．控制网络企业管理的网络层相连方案是什么？P12Ch2 数据通信基础工业数据通信系统的组成是什么？数据通信系统由数据信息的发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通信协议等几部分组成。
Ch3 控制网络基础1．控制网络的特点是什么？控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于，他必须满足对控制的实时性要求，实时控制往往要求对某些变量的数据准确时刷新。
工业控制网络现场总线复习资料
CIMS:计算机集成制造系统。
离散行业。
CIPS：计算机集成生产系统。
应用于流程行业，与工厂综合自动化系统、管控一体是同一概念。
三层：ERP（企业资源规划层或BPS）,MES（制造执行层）,PCS（现场控制层）PCS级:以产品质量和工艺要求为目标的先进控制技术MES级:以生产综合指标为目标的生产过程优化控制、优化操作与优化管理技术BPS级:以财务分析决策为核心的整体资源优化技术关键技术：系统集成，信息集成，先进控制。
系统集成：连接各层的网络（硬件），以及数据库技术（软件）信息集成：信息采集、数据校正、数据挖掘、对象模型先进控制：改进常规控制的性能工业通讯方式：（1）现场总线（2）工业以太网（3）无线网络现场总线：应用在生产现场、在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的开放型控制网络技术。
现场总线是自动化领域的通信、网络技术, 也被称之为工厂的底层网络（Infranet）总线是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信息。
现场总线的产生：（1）综合自动化的要求，改善TQCS，解决自动化孤岛；（2）控制系统网络化发展趋势，计算机集中控制系统-DCS-FCS（3）智能仪表的发展（通信技术、信号处理技术）技术支撑：计算机技术、网络技术自动化孤岛：设备之间采用传统一对一连线，或自成体系的封闭式集散系统，很难实现设备之间及系统和外界的信息交换。
本质含义：连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。
（智能现场设备：具有数字计算、数字通信能力的测量控制设备）现场总线系统既是开放的数据通信系统、网络系统，又是由现场设备实现完整控制功能的全分布式控制系统。
既是通信网络，又是控制网络。
本质表现：（1）现场设备互连：传感器、变送器等设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等，并可根据需要因地制宜地选择不同类型的传输介质。
（2）现场通讯网路：用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通讯网路。
什么是现场总线现场总线的本质
什么是现场总线现场总线的本质现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。
那么你对现场总线了解多少呢?以下是由店铺整理关于什么是现场总线的内容，希望大家喜欢!现场总线的简介现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。
由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。
简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。
现场总线的本质通信网络用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。
设备互联依据实际需要使用不同的传输介质把不同的现场设备或者现场仪表相互关联。
互操作性用户可以根据自身的需求选择不同厂家或不同型号的产品构成所需的控制回路，从而可以自由地集成FCS。
分散功能块FCS 废弃了DCS 的输入/输出单元和控制站, 把DCS 控制站的功能块分散地分配给现场仪表, 从而构成虚拟控制站，彻底地实现了分散控制。
通信线供电通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量, 这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表, 与其配套的还有安全栅。
开放式互联网现场总线为开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。
从以上内容我们可以看到，现场总线体现了分布、开放、互联、高可靠性的特点，而这些正是DCS系统的缺点。
DCS通常是一对一单独传送信号，其所采用的模拟信号精度低，易受干扰，位于操作室的操作员对模拟仪表往往难以调整参数和预测故障，处于“失控”状态，很多的仪表厂商自定标准，互换性差，仪表的功能也较单一，难以满足现代的要求，而且几乎所有的控制功能都位于控制站中。
FCS则采取一对多双向传输信号，采用的数字信号精度高、可靠性强，设备也始终处于操作员的远程监控和可控状态，用户可以自由按需选择不同品牌种类的设备互联，智能仪表具有通信、控制和运算等丰富的功能，而且控制功能分散到各个智能仪表中去。
什么是现场总线
什么是现场总线？随着计算机、控制、通信、网络等技术的发展，作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线（FieldBus）技术也得到了发展迅速、影响巨大，引起了工程技术界的普遍兴趣与重视，使计算机控制系统逐步从集散控制系统（DistributedControlSystem DCS）走向以现场总线位基础的分布式现场总线控制系统（FieldbusControlSystem,FC S），被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。
现场总线技术是20世纪80年代中期在国际上发展起来的一种工业控制技术。
通俗地讲，现场总线就是用在现场的总线技术，和计算机内部的总线概念一样，但是由于现场的特殊环境（如温度，安装条件，干扰等等），不同于计算机通常用于室内，为了区别，所以我们把这种总线称为现场总线。
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。
现场总线被誉为自动化领域的计算机局域网1．1、现场总线的特点根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会(ISA)对现场总线的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向多节点、总线式的全数字通讯，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、造价低廉、维护成本低等特点。
国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求：（1）同一数据链上过程控制单元（PCU）、PLC等与数字1/0设备互连；（2）现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取；（3）通信媒体安装费用较低。
SP50委员会提出的两种现场总线结构模型是：●星型总线用短距离、廉价、低速率电缆取代模拟信号传输线●总线型总线数据传输距离长、速率高，采用点对点、点对多点和广播式通信方式2．2、现场总线技术特征现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有以下几项技术特征。
（1）现场设备已成为以微处理器为核心的数字化设备，彼此通过传输媒体（双绘线、同轴电缆或光纤）以总线拓扑相连；（2）网络数据通信采用基带传输（即数字数据数字传输），数据传输速率高（为Mbit/s或10Mbit/s级），实时性好，抗干扰能力强；（3）废气了集散控制系统（DCS）中的I/O控制站，将这一级功能分配给通信网络完成；（4）分散的功能模块，便于系统维护、管理与扩展，提高可靠性；（5）开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互连设备与控制级网络或管理信息级网络相连；（6）互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需要的网络。
现场总线的发展历程、特点及分类、主要应用,使用方法
现场总线的发展历程、特点及分类、主要应用,使用方法现场总线（Fieldbus）是一种新型的工业通信技术，它是以数字化的方式将数据传输到工业现场设备和控制系统之间的通信总线。
现场总线的出现大大提高了工业自动化的可靠性、效率、安全和灵活性。
下面将介绍现场总线的发展历程、特点及分类、主要应用和使用方法。
一、发展历程现场总线的发展可追溯到20世纪70年代，当时欧洲的一些机构开始研究数字控制系统。
80年代初，德国联邦教育研究部门的PLC工艺小组提出了“第三代工厂控制理论”，并提出了“现场总线”的概念。
90年代初，现场总线开始应用于工业自动化领域，并逐渐发展成为主流的工业通信技术。
二、特点及分类1. 特点（1）数字化传输：现场总线采用数字化通信方式，避免了模拟信号的干扰和失真，提高了数据的可靠性和准确性。
（2）灵活性：现场总线可以连接多种类型的设备和控制系统，实现设备之间的信息交换和协同工作。
（3）可扩展性：现场总线可以根据工业自动化系统的需求进行扩展和升级，具有很高的灵活性和适应性。
（4）实时性：现场总线可以实现实时数据传输和控制，提高了工业生产的效率和精度。
（5）安全性：现场总线支持加密和认证技术，保障了工业通信的安全性和可靠性。
2. 分类目前常用的现场总线主要有以下几种：（1）Profibus：是德国西门子公司研发的一种现场总线，可以实现高速数据传输和设备的实时控制。
（2）Modbus：是Modicon公司开发的一种现场总线，适用于数据采集和控制。
（3）CAN总线：是一种广泛应用于汽车和工业控制领域的现场总线，具有高速、可靠、抗干扰等特点。
（4）DeviceNet：是美国罗克韦尔公司开发的一种现场总线，适用于工业设备之间的通信和控制。
三、主要应用现场总线广泛应用于各个工业领域，包括制造业、石化、水处理、电力等。
主要应用包括以下几个方面：（1）数据采集和监控：现场总线可以实现对工业设备的数据采集和监控，提高了生产过程的可靠性和效率。
工业通信中的工业以太网与现场总线比较
工业通信中的工业以太网与现场总线比较工业通信是指在工业环境中实现设备之间信息传递和控制的过程。
随着工业自动化的发展，工业通信技术也得到了广泛应用。
其中，工业以太网和现场总线是两种常见的通信技术。
本文将对工业以太网和现场总线进行比较，探讨其各自的特点和适用场景。
一、工业以太网工业以太网是一种基于以太网技术的通信网络，它采用了以太网的物理层和数据链路层协议，同时也引入了一些工业特定的协议。
与普通的以太网相比，工业以太网在实时性、可靠性和稳定性方面进行了优化。
它支持高速通信和大带宽传输，能够满足现代工业环境中对数据传输速度和质量的要求。
工业以太网适用于需要高速通信和大规模连接的场景，如工业自动化、机器人控制和分布式控制系统。
它可以同时传输多个数据流，并支持实时监控和控制。
由于其基于标准的以太网协议，工业以太网具有较好的兼容性和可扩展性，易于集成和维护。
二、现场总线现场总线是另一种常用的工业通信技术，它是一种分布式控制系统中用于实现设备之间数据传输和通信的协议。
现场总线通常采用串行通信方式，将控制系统中的各种设备连接起来，通过总线传输数据和命令。
现场总线具有以下几个特点：首先，它是一种实时性较好的通信技术，能够满足工业自动化对实时监控和控制的需求；其次，现场总线采用分布式的网络结构，可以减少布线的复杂性和成本；第三，现场总线支持多主控制，可以实现多台设备之间的并行操作；最后，现场总线具有较好的抗干扰能力和可靠性，能够适应恶劣的工业环境。
现场总线适用于需要分布式控制和小范围通信的场景，如工业机械、设备监控和传感器网络。
由于现场总线采用串行通信方式，它的传输速率相对较低，适用于不需要大带宽和高速通信的应用。
三、工业以太网与现场总线的比较工业以太网和现场总线在工业通信中都有自己的优势和适用场景。
下面对它们进行比较：1. 传输速率：工业以太网的传输速率相对较高，可以达到百兆甚至千兆级别，而现场总线的传输速率一般在几十到几百kbps之间。
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工业数据通信和控制网络（现场总线）
现场总线技术现场总线控制系统（简称FCS）其结构模式为“工作站――现场总线智能仪表”二层结构，成本低、可靠性高，可实现真正的开放式互连系统结构。
操作站
LAN
H2H1服务器H1
现场总线
现场设备124H1网桥H1H132现场设备H1现场总
线现场总线
FCS控制层32现场设备
原理图
控制系统应用图示例
使用控制系统分布确定现场总线的接线
H1现场总线#3网段控制室PCGreenLiquorStorageLT
111LT112
H1现场总线#2网段LT101
Re-BurnedPurchasedLimeLimeDT109FT110
19
SC11124IP102IP104AIP104BCooler
SC11225
SC11023
20FT102AT103
21TT104
HeaterCV-101A/O
AT106
AT107A
AT107BLT108SC10822
H1现场总线#1网段
TT105
现场总线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。
它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。
网络节点网络体系
包括IPC、PLC以及各种智能化的现场控制设备基于统一、规范的通信协议通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享位于生产控制的底层网络结构
通信总线在现场设备中的延伸
现场总线的发展1996年到1998年，国际性组织FF（现场总线基金会）和PNO（Profibus国际组织）先后发布了适于过程自动化的现场总线标准H1、H2（HSE）和Profibus-PA,H1和PA都在实际工程中开始应用。
1999年底，包含8种现场总线标准在内的国际标准IEC-61158开始生效，除H1、HSE和PA外，还有WorldFIP、Interbus、ControlNet、P-NET、SwiftNet等五种。
Profibus较适合于工厂自动化，CAN适用于汽车工业，FF总线(FoundationFieldbus)主要适用于过程控制
现场总线的网络结构
现场总线的星形网络结构
现场总线的网络结构特点Ethernet/HighwayFiledbus
IPC、PLC。
Controller/Getway
I/O子系统Filedbus。
DCS实际上是“半分散”、“半数字”的系统
FCS采用的是一个完全分散的控制方式现场总线的技术特征(1)全数字化通信(2)开放型的互联网络
(3)互可操作性与互用性(4)现场设备的智能化(5)系统结构的高
度分散性(6)对现场环境的适应性
现场总线的特点现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。
通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。
功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。
控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。
IEC__现场总线标准IEC__Type1:IEC__技术报告★Type2:ControlNet
^IEC—国际标准只是一种模式，8种类型都是平等的※各组织按照IEC技术报告Typel
的框架组织各自的行规，但不改变各组织专有的行规(Profile)。
探IEC标准的其中Type2~Type8需要对Typel提供接口，而标准本身不要求Type2~Type8提供接口，用户在应用各类型时仍可使用各自的行规，其目的就是为了保护各自的利益。
Type3:Profibus★Type4:P-Net
Type5:FFHSE★Type6:SwiftNETType7:WorldFIPType8:Interbus
以上8种总线采用完全不同的通信协议！
控制网络要求控制网络要求确定性和可重复性。
确定性是指有限制的延迟和有保证的传送，也就是说一个报文能在可预测的时间周期内成功的发送出去。
可重复性是络的传输能力不受网络上节点的动态改变(增加节点或者删除节点)和网络负载的改变而影响。
这正是普通局域网不适合作为控制网的原因。
现场总线通常采用以下二种技术来保证其实时性：一是简化技术。
简化网络结构，现场总线一般将网络形式简化成线形；简化通信模型，一般只利用了OSI/RM中的2~3层；简化节点信息，通常简化到只有几字节。
经过以上简化，可以极大地提高通信传递速度。
二是采用网络管理技术来实现实时性，并保证其可预知性。
例如:采用主-从访问方式，只要限制网络的规模就可以将响应时间控制在指定的时间内。
总而言之，实时性要求是现场总线区别于一般计算机通信的主要因素。
改善现场总线的实时性，减少响应时间的不确定性是现场总线的重要发展趋势。
网络结构计算机通信系统的结构是网络状的，节点间的通信路径是不固定的；大部分现场总线的结构是线状的，节点间的通信路径是比较固定的。
FB采用线状结构的原因在于：①容易实现对现场仪表的总线供
电。
②容易实现本安防爆规范。
如果线状结构的现场总线上某支路断开了以后，这条支路就可能完全瘫痪，而一般的网络系统则没有这种问题，信息还可以通过选择其它路由进行传递。
现场总线网络模型（普遍性）ISO/OSI模型现场总线模型用户层（程序）用户层
应用层
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现场总线信息规范子层FMS现场总线访问子层FAS
表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层
654321数据链路层物理层物理层通信栈
基金会现场总线FF-FF由FIP(WorldFipNorthAmerican)和
ISP(InterOperableSystemProject)在,1994年合并而成。
-FF总线由低速FF_H1和高速FF_HSE组成。
高速H2总线发展计划已取消。
⑴FF_H1:以OSI参考模型为基础的四层结构模型，采用令牌总线介质访问技术，用于工业产生现场设备连接。
(2)FF_HSE:则采用基于Ethernet(IEEE802.3)+TCP/IP的六层结构,主要用于制造业(离散控制)自动化以及
逻辑控制、批处理和高级控制等场合。
二、基金会现场总线的通信模型1.采用简化的ISO/OSI三层结构，即：物理层(PHL)、数据链路层(DLL)、应用层(APL);2.与参考模型的不同点：制定了通行标准、对用户应用进行了独有规范一一加用户应用层(用户层),用于实现各厂商设备的独有特性，提高各设备间的相互操作性；3.应用层设有两个子层――总线访问子层(FAS)、总线报文规范子层(FMS)
物理层的功能 1.实现现场设备与物理总线的连接；2.为现场设备与传输媒体的连接提供机械电气接口；3.为现场设备对总线的收、法提供和平规范的物理信号(曼彻斯特波形);4.应考虑电气隔离、信号滤波、设备供电等；5.一般使用双绞线、标明+、-表明接触上的极性；
H1网络设备-典型的接线盒将分支连接至主干线1个接线盒支持2/4/8/10和12台设备短路保护带故障指示可选，内置/可拨码终端器可插拔的分支接线接口全球危险区域认证密封式结构可以抵御环
境影响内置T型连接结构。