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现场总线概述
现场总线概述摘要：文中阐述了现场总线的主要产品及其控制系统的种类和结构，针对网络拓扑结构论述网络传输的物理介质及网络协议。
关键词：现场总线、网络拓扑、网络协议1 前言现场总线在控制领域崭露头角不过是最近几年，然而其来势汹涌，且呈愈演愈烈之势。
现场总线的技术基础是一种全数字化、双向、多站的通信系统，是应用于各种计算机控制领域的工业总线。
用现场总线将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。
当今现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域，由于现场总线技术的不断创新，过程控制系统由第四代的DCS发展至今的FCS（Fieldbus Control System）系统，已被称为第五代过程控制系统。
而FCS和DCS的真正区别在于其现场总线技术。
现场总线技术以数字信号取代模拟信号，在3C（Computer计算机、Control控制、Commcenication通信）技术的基础上，大量现场检测与控制信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备。
2 现场总线控制系统的种类随着网络技术发展和市场需求的变化，工业设备实现网络化管理控制已经成为一种必然趋势。
改善工业控制系统同样也需要在不同生产设备之间实现高效、可靠、标准化的互联，例如利用USB来实现外围设备与控制主机的互联，利用Ethernet和CAN (Controller Area Network，控制器区域网)建立基本网络架构等。
为此，引起了许多关于现场总线的标准问题。
2.1 两种主流总线Profibus和DeviceNetProfibus有全球最多的供货厂商数，在国内第一个取得了行业标准JB/10308.3-2001，国内生产Profibus产品的厂商有十多家，并且有能够进行国际认证的实验室。
以上情况表明Profibus在国内已经得到了很好的发展，并且它目前在国内市场占有率也是最高的。
第1讲现场总线技术概述
1.3.1 基金会现场总线
前身为以Fisher-Rousemount公司为首，联合 Foxboro、横河、ABB、西门子等公司的ISP协议， 以及以Honeywell为首的P协议，合并后 成立现场总线基金会； 以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、 数据链路层、应用层，并增加用户层； 分低速H1(31.25Kbps,距离1900m)和高速 H2(1Mbps,750m和2.5Mbps,500m)两种通信速率； 介质支持双绞线、光缆和无线发射，传输信号采用 曼彻斯特编码
现场总线有两种编码方式：Manchester和NRZ， 前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。 前者采用基带传输，后者采用频带传输。传输介 质主要有：有线电缆、光纤和无线介质。
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现场总线概述
1.1.8 现场总线网络的实现 数据链路层
分为两个子层：介质访问控制层(MAC)和逻辑链路控制层(LLC)。 MAC对传输介质传送的信号进行发送和接收控制；LLC对数据链进 行控制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线上的设备可以是 主站，也可以是从站。 MAC层的三种协议：集中式轮询协议、令牌总线协议和总线仲裁协 议。
介质、拓扑结构、节点数等
网络性能
传输速率、时间同步准确度、访问控制方式等
测控系统应用考虑 市场及其他因素
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现场总线概述
1.3 现场总线简介 1.3.1 基金会现场总线(FF) 1.3.2 PROFIBUS 1.3.3 LonWorks 1.3.4 CAN
1.3.5 HART
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现场总线概述
FCS: 一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号
DCS: 一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号
现场总线技术
FF
• 支持单位:现场总线基金会(FisherRosemount等100多家公司)。
• 标准:IEC61158;IEC61784。 • 应用领域:流程工业及其它工业控制。 • 使用情况:已有试点工程投入运行。 • 多家生产各种有FFH1接口的产品，
现场总线标准
• FF • ControlNet • Profibus • P-NET • FFHSE • SwiftNet • WorldFIP • INTERBUS
FFHSE
• 支 持 单 位 : 现 场 总 线 基 金 会 (FisherRosemount等100多家公司)。
• 准 :IEC61158;IEC61784;IEC611313;IEEE80 和 RFC894 的 工 业 标 准 以 太 网;IETF(互联网管理任务要点)。
WorldFIP
• WorldFIP世界工厂仪表协议支持单位: 法国Alstom公司(原Honeywell公司为 北 美 参 加 单 位 ， 后 与 FF 合 并 ) 。 标 准 :IEC61158;IEC61784;EN50170(F IP为法国国家标准)。
• 应用领域:电力工业、铁路交通、工业控 制、楼宇自动化。
可以满足系统集成要求。
FF主要性能特点
·IEC支持，开放性好，可互操作性好it/s; ·支持本质安全防爆; ·有数据链路网桥连接与HSE相连。
Profibus
• Profibus-DP • Profibus-PA • Profibus-FMS
Profibus-DP
现场总线系统安全规范
功能块与设备描述规范
• 现场设备信息格式及功能描述规范 称为”行规”(Profile), 行规可有效 实现各种现场设备应用层互联。
现场总线技术及应用课件：现场总线技术概述
现场总线技术概述
现场总线的主要任务，就是通过自动化系统的数据信息 来完成生产的执行。这些数据信息包括电机的电流、电机的 转速、管道的流量、阀门的状态、温度的高低、压力的大小 等，还包括控制电机的启动和停止、打开和关闭阀门、发送 警报等。现场总线传递的数据信息，是现场控制流程能够正 常进行下去的基础，也是企业级网络非常重要的部分。
接上。 现场总线的主站和子站有内置或外加的通信模块、通信
卡，而且支持相同的通信协议以实现互连。
现场总线技术概述
当然，如果现场总线的规模较大，也可能出现包含多个 不同通信协议的子网的情况，但每个子网使用的一定是同一 个通信协议。子网和子网之间，可以通过网关来实现协议的 转换，以组成大的主网。主站除了具备通信能力之外，还具 有强大的运算能力，因为在每一个扫描周期，主站都需要对 通信的数据进行处理并做出响应。通信的速度越快，主站的 运算能力的需求就越大，否则通信的实时性就无法体现出来。 子站作为受控设备，相对来说运算能力的要求比主站要小得 多，但也要能够及时执行主站的控制命令、监视命令并及时 反馈信息。当
现场总线技术概述
最后是降低了生产的稳定性。开关量信号和模拟量信号 都是纯粹的电信号，极易受到干扰。如果现场设计或施工不 当，则在信号受到干扰时很容易出现设备误动、信息错误、 无法安全停机等问题。如果是在施工阶段，技术人员尚可花 费大量的时间对其进行排查；如果已进入生产阶段才发现类 似问题，则需要花费大量的人力和物力来进行二次改造。
现场总线技术概述
现场总线的安全性则分为两个方向，一个是面向安全设 备的，另一个是面向通信本身的。面向安全设备方面，现在 很多通信协议都在自己的规范中单独加入了安全设备的部分， 牵涉安全设备的冗余、自检等，其目的是和安全设备做到更 优的适配，保证在出现安全问题时可以正常地停机。面向通 信本身方面，在前面稳定性的部分有必要的设置，如数据校 验、心跳协议等，其目的是保证通信自身信息的安全，并在 出现故障时可以做出正确的动作，如停机、报警等。得益于 通信速度的加快，目前这一部分的内容在整个通信协议的交 换信息中的占比越来越大，就是为了提高通信自身的安全性。
6种现场总线概述
6种现场总线简介现场总线：一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、双相串行，多借点的通信总线。
1、P rofibusProfibus是作为德国国家标准DIN 19245和欧洲标准prEN 50170的现场总线。
ISO/OSI模型也是它的参考模型。
由Profibus -Dp、Profibus -FMS、Profibus-PA 组成了Profibus系列。
DP型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。
FMS意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化，而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158-2标准。
该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。
它采用了OSI模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子集，DP型隐去了3～7层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口，FMS型只隐去第3～6层，采用了应用层，作为标准的第二部分。
PA型的标准目前还处于制定过程之中，其传输技术遵从IEC1158-2 （1 ）标准，可实现总线供电与本质安全防爆。
Porfibus支持主—从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。
主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。
对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，共事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。
按Profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。
主站在得到控制权时，可以按主—从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。
主站可采取对所有站点广播（不要求应答）或有选择地向一组站点广播。
Profibus的传输速率为96～12kbps最大传输距离在12kbps时为1000m，15Mbps时为400m，可用中继器延长至10km。
其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。
第1章现场总线概述
1、1现场总线简介 、 现场总线简介
• 什么是现场总线 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表， 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表， 使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力， 使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用可进 行简单连接的双绞线等作为总线， 行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连 接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议， 接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现 场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监 控计算机之间，实现数据传输与信息交换， 控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应 实际需要的自动控制系统。简而言之， 实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测 量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带， 量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连 接成可以相互沟通信息、 接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与 控制系统。 控制系统。
1，2 现场总线的发展背景与趋势 ，
• 2 、智能仪表为现场总线的出现奠定了基础 • 3、现场总线将朝着开放系统、统一标准的方向发展 、现场总线将朝着开放系统、 不同厂商所提供的设备之间的通信标准不统一， 不同厂商所提供的设备之间的通信标准不统一，束缚了 工厂底层网络的发展。 工厂底层网络的发展。从用户到设备制造商都强烈要求形成 统一的标准，组成开放互连网络。 统一的标准，组成开放互连网络。开放意味着对同一标准的 共同遵从， 共同遵从，来自不同厂商而遵从相同标准的设备可互连为一 致通信系统。从这个意义上说， 致通信系统。从这个意义上说，现场总线就是工厂自动化领 域的开放互连系统。 域的开放互连系统。开发这项技术首先必须制定相应的统一 标准。各大公司均已清醒地认识到， 标准。各大公司均已清醒地认识到，现场总线应该有一个统 一的国际标准。 一的国际标准。由于行业与地域发展历史等在今后一段时期 会出现几种现场总线标准共存、 内，会出现几种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异 构网络互连通讯的局面。发展共同遵从的统一的标准规范， 构网络互连通讯的局面。发展共同遵从的统一的标准规范， 真正形成开放互连系统，是大势所趋。 真正形成开放互连系统，是大势所趋。
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现场总线第四章现场总线概述⼀、现场总线的定义按照国际电⼯委员会IEC61158标准的解释, 现场总线是应⽤在制造或过程区域现场装置与控制室内⾃动控制装置之间的数字式、串⾏、多点通信的数据总线.它也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制⽹络.⼆、现场总线控制系统的定义以现场总线为技术核⼼的⼯业控制系统,称为现场总线控制系统.简称FCS(Fieldbus Control System). 他把单个分散的过程控制设备变成智能控制节点(将微处理机嵌⼊到传统的过程控制仪表中,使之具备了数字处理和数字通信能⼒).采⽤简单连法的双绞线作为传输介质,把多个过程控制仪表连结成⽹络结构,使多个现场控制设备、现场智能仪表与过程监控计算机之间,实现数据传输与数据交换,形成各种适合实际需要的分布式⾃动控制系统.三、现场总线控制系统的由来20世纪50年代以前的⽓动控制仪表成为第⼀代控制仪表，到60年代的4-20mA 电动单元组合仪表为第⼆代仪表，到60年代-70年代中期，出现了DDC 系统，称为第三代控制系统，到70年代中期，出现了DCS,称为第四代控制系统，由于DCS 各⽣产⼚商⾃成系统，许多软硬件产品不能互换，⽽且通信协议也各不相同，难以实现互换与互操作，组成⼤范围信息共享的⽹络系统，存在很多困难。
到了1982年欧洲⾸先提出现场总线的概念，随后于1984年美国仪表协会开始着⼿制订现场总线标准。
到1995年成⽴了国际性的组织，现场总线基⾦会，简称FF(Fieldbus Foundation)，并于2000年正式通过了7种现场总线国际标准，既IEC61158.四、现场总线标准现场总线标准是要求各个制造商和系统集成商共同遵守的⼀种通信协议技术标准。
2002年IEC61158共公布8种标准。
1、基⾦会现场总线 FFFF 的主要技术内容，主要包括FF 通信、⽤于完成OSI （开放式系统互连参考模型）的通信栈，⽤于描述设备特性的描述语⾔，设备描述字典，⽤于实现测量、控制、⼯程量转换的应⽤功能块，实现系统组合管理功能的系统软件以及构筑集成⾃动化系统，⽹络系统的系统集成技术。
现场总线概述
现场总线概述一、现场总线简介随着控制、计算机、通讯、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次、覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。
信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。
现场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术。
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。
它的出现，标志着工业控制领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。
现场总线是应用在生产现场、在微型计算机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。
它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用背景。
现场总线技术将专用于微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有数字计算和通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微型计算机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。
简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。
它给自动化领域带来的变化正如众多分散的计算机被网络连接在一起，使计算机的功能、加入到信息网络的行列。
因此把现场总线技术说成是一个控制技术新时代的开端并不过分。
使用现场总线技术给用户带来的好处：1、节省硬件成本2、设计组态安装调试简便3、系统的安全可靠性好4、减少故障停机时间5、用户对系统配置设备选型有最大的自主权6、系统维护设备更换和系统扩充方便7、完善了企业信息系统为实现企业综合自动化提供了基础二、现场总线的种类在过去的10年内，出现了许多的总线产品，较流行的有：德国Bosch公司设计的CAN网络（Controller Area Network）,美国Echelon 公司设计的Lon Works网络（Local Operation Network），按德国标准生产的Profibus(Profess Field Bus)总线，Rosemount公司设计的Hart（Highway Addressable Remote Transducer）总线，罗克韦尔自动化公司的Device Net 和Control Net等。
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• HART协议由于兼有模拟（4~20mA）和数字两家之长，目 前成为智能仪表“事实上”的标准
• HART不是现场总线的国际标准，但却是从模拟控制系统向 标准的现场总线过渡的一块踏脚石。
成了企业、国家、国际标准
– 欧洲、北美、亚洲、中国
22.03.2020
现场总线标准各种各样
• 由于刚开始没有一个统一的国际标准，各企业 和企业集团相继开发自己的总线产品，制定现 场总线标准，形成了百花齐放的现状
• 据不完全统计，目前市场上形形式式的现场总 线有200多种
• 号称为开放标准的也有二、三十种 • 现场总线国际标准IEC61158包含了八种类型，
• 专家们预计，HART在国际上的使用寿命为15~20年，在国 内由于客观条件所限，这个时间会更长一些
22.03.2020
HART协议物理层
• 采用了Bell202标准的FSK频移键控技术。
• 实现了4~20mA模拟信号与数字通信的兼容。 • 单台设备通信距离3000m，多台设备互联通信
Honeywell 、 Bailey等公司
基于FIP
WorldFIP 北美（1993）
22.03.2020
现场总线 基金会（FF）
（1994）
现场总线的发展中充满了竞争
• 现场总线的发展过程中充满了竞争
– 经济因素：每种总线都有一个或多个公司且多是大型跨国公 司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关
市场上主要的现场总线标准
• P-Net • Profibus • WorldFIP • Foundation Fieldbus（包括HSE） • ControlNet • Interbus • SwiftNet • AS-I • CC-Link • 还有HART、LonWorks、Modbus….
主要内容
• 现场总线的产生与发展过程 • 主要的现场总线及其系统 • 用户在现场总线选型时的考虑
22.03.2020
第一部分
现场总线的产生与发展现状
22.03.2020
现场总线技术产生的背景
• 现场总线技术产生于二十世纪八十年代 • 是为满足日益急迫的企业综合自动化的
需求
– 开放性 – 通用性 – 可靠性
22.03.2020
ISO/OSI参考模型
应用层
表示层 会话层 传输层
数据链路层 物理层 OSI模型
7
应用层
6
表示层
5
会话层
4
传输层
3
网络层
2
数据链路层
1
物理层
传输介质
22.03.2020
HART协议
• HART协议：Highway Addressable Remote Transducer（可寻 址远程传感器数据公路），是由Rosemount公司提出的用于 现场智能仪表和控制室设备间通讯的一个过渡性协议。
较便宜
LonWorks
支持 OSI 七层协议，实际应用较多，开发平 台完善，协议芯片内核由国外厂商垄断
楼宇自动化、工 业、能源
较便宜
Philips, siemens, Honeywell 等
Echelon
22.03.2020
各种现场总线的应用领域
红外色谱
FOUNDATION
PROFIBUS
Fieldbus
系统简单，便宜，再开发简易，扩展性好； 农业、养殖业、
但响应较慢，支持厂商较少
食品加工业
便宜
Siemens Siemens 独立的网络供应商支持 PROCES-DATA A/S
SwiftNET 安全性好，速度快
航空
较贵
Boeing
CAN
采用短帧，抗干扰能力强，速度较慢，协议 芯片内核由国外厂商垄断
汽车检测、控制
单回路
P-NET
控制器
扫描仪器 传感器 分析仪器
ASI s
Seriplex
INTER -BUS
PROFIBUS-DP
位
字节
FIP
LON Works 数据流
驱动 装置
微驱动装置 控制阀门
马达启动器 接触器 电磁阀
22.03.2020
各类现场总线的市场占有情况
• 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础
22.03.2020
近年来成为控制领域的研究热点
• 现场总线技术开发之热是近年之举 • 信息时代各项技术发展对测控系统提出的要求
– 计算机技术 – 网络与通信技术 – 自动控制技术 – 信息（IT）技术
• 网络化、信息化给自控技术的发展提供的机遇 • 各国投入巨额资金与人力在开发这一技术，形
1998年 2003年预测
48%
50%
40%
30%
25%
22%
20%
20% 21%
10%
0% Profibus AS-I DeviceNet ControlNet
22% 8%
EtherNet
24%
8% 2%
FF
HART等
数据来自美国VDC公司所作调查
22.03.2020
第二部分
主流现场总线技术 与现场总线系统简介
据说可能还要增加到十二种类型
22.03.2020
现场总线国际组织的演变历史
ISA（自1984年） IEC（自1985年）
德国（1986年） 法国（1987年）
SP-50 IEC 61158
Profibus FIP
Rosemount 、 基于Profibus Siemens等公司
ISP 基金会 （1992）
22.03.2020
主要的现场总线比较
总线类型
技术特点
主要应用场合 价格
FF
功能强大，本安，实时性好，总线供电；但 协议复杂，实际应用少
流程控制
较贵
支持公司
Honeywell，Rosemount， ABB,Foxboro,横河,山武等
WorldFIP 有较强的抗干扰能力，实时性好，稳定性好 工业过程控制 一般
Alstone
Profibus
PA
本安，总线供电，实际应用较多；但支持的 传输介质较少，传输方式单一
过程自动化
较贵
Profibus 速度较快，组态配置灵活 DP/FMS
车间级通讯、工 业、楼宇自动化
一般
InterBus
开放性好，与 PLC 的兼容性好，协议芯片内 核由国外厂商垄断
过程控制
较便宜
P-NET
– 原先投入较大的现场总线技术不甘轻言放弃 – 政治因素：总线之间的竞争还涉及国家、地区间的竞争
• 2019年前，现场总线以制定单一国际标准为目的
– FF成为最有可能成为国际标准的总线 – FF成为国际标准的努力受到多方阻力
• 最后通过妥协，现场总线技术出现了协调共存、共同 发展的局面
22.03.2020