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。”
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。
10
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
21
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
22
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
现场总线技术简介
演讲人
目录
0现场总线技术的概念
现场总线技术的定义
1
2
3
4
现场总线技术是一种 用于工业自动化领域
的网络通信技术
现场总线技术可以 实现设备之间的实 时数据交换和监控
现场总线技术可以 应用于各种工业控
制系统和设备中
现场总线技术可以 提高生产效率和降
Modbus等。
建筑自动化现场总线：用于建筑自动化 和控制系统的现场总线技术，如 LonWorks、BACnet等。
汽车电子现场总线：用于汽车电子控制 系统的现场总线技术，如CAN、LIN等。
智能家庭现场总线：用于智能家庭控制 系统的现场总线技术，如KNX、 ZigBee等。
现场总线技术的优缺点
01
现场总线技术的应用领域
工业自动化：用于控制和监测工业 生产过程
交通自动化：用于控制和监测交通 设施，如交通信号灯、交通监控等
楼宇自动化：用于控制和监测楼宇 设备，如照明、空调、安防等
医疗自动化：用于控制和监测医疗 设备，如医疗仪器、医疗监控等
现场总线技术的分类
现场总线技术的种类
工业现场总线：用于工业自动化和控制 系统的现场总线技术，如Profibus、
优点：实时性好，传输速度快，可靠性高，易于维护和扩展
02
缺点：成本较高，需要专门的硬件和软件支持，兼容性较差
03
适用场景：工业自动化、智能建筑、智能交通等领域
04
发展趋势：随着技术的不断发展，现场总线技术将更加智能化、集成化和网络化。
谢谢
低生产成本
现场总线技术的特点
01 实时性：现场总线技
术可以实现实时数据 传输，满足工业控制 对实时性的要求。
现场总线技术
○ DIN19245;EN50170 。
应用领域:工厂自动化和楼宇自动化。 使用情况:应用很广，已有250家生产厂商2000多种产品，已安装25万节点。
Profibus-DP 主要性能特点
传输速率范围很 广，可高速数据 通信 9.6Kbit/s~12 Mbit/s
:
料纺养厂应 管织系、用 理工统农领 系业、业域 统、沥环奶 。太青境制
阳和控品 能水制厂 电泥、、 站生动啤 、产物酒 燃、饲
:
:IEC61158;IEC61784;E
N50179
准标 。
Data
支
持
公 司
单 位
。丹
麦
Proces-
:
P-NET
P-NET主要性能特点
使用屏蔽双绞线电缆(RS485)，总线分段结构，每段长1200m; 通信速率:76.8kbit/s;·结构简单灵活，易于扩展，不采用专用芯片。
理 任
点网
。
:
要
工应 业用 控领 制域 。流
程 工 业 及 其 它
。司
册公
注等
过生
通默
品艾
家使
用 情 况
:
(4
)
已 有 产
主要性能特点
IEC支持，开放性好，可互操作性好; 使用工业级的以太网、集线器、交换机等设备; 网络层使用IP行规，传输层使用TCP、VDP(用户数据报协议，即为
IEIF标准下768项协议)行规; 作为FCS的主干网络，可局域网冗余，设备冗余。
INTERB US主要性 能特点
环型拓扑网络，通过总线控制板引出主干 线外，并具有165分支层;
现场总线名词解释
现场总线名词解释
现场总线（Fieldbus）是工业自动化中用于控制和监测现场设备的一种通信网络。
它可以将传感器、执行器、电机、阀门等现场设备之间的数据互相传输，实现对工业生产过程的实时监控和控制。
简单来说，现场总线就是一种将各种现场设备连接起来进行数据通信、监控和控制的技术。
与传统的模拟控制系统相比，它具有更高的可靠性、灵活性和可扩展性，可以大大提高工业生产效率和质量。
现场总线通常包括两个方面的内容：物理层和通信协议。
物理层是指现场总线网络的硬件部分，包括连接线路、传感器、执行器等设备；通信协议则是指现场总线网络中各节点之间数据传输的规则和标准。
常见的现场总线协议有Profibus、DeviceNet、CANopen、Modbus 等，它们广泛应用于自动化控制、过程控制、机器人控制、工厂自动化等领域。
通过使用现场总线技术，可以有效地实现设备之间的信息交换和控制，从而提高工业生产的效率和质量。
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。
现场总线
1、什么是现场总线？安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。
现场总线一般是指一种用于连接现场设备，如传感器（sensors）、执行器以及像PLC、调节器（regulators）、驱动控制器等现场控制器的网络。
现场总线是应用在生产现场、在微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。
现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（现场设备）之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备（车间级设备）之间的联系。
现场总线是连接控制系统中现场装置的双向数字通信网络；现场总线是从控制室连结到现场设备的双向全数字通信总线。
现场总线是用于过程自动化和制造自动化（最底层）的现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。
现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。
由此网络构成的系统称为现场总线控制系统。
2、现场总线的结构特点是什么？现场总线系统中，各现场设备分别作为总线上的网络节点，设备之间采用网络式连接是现场总线系统在结构上最显著的特征之一。
（1）系统的开放性开放系统是指通信协议公开，不同制造商提供的设备之间可实现网络互连与信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。
（2）互可操作性与互用性互可操作性，是指网络中互连设备间的信息传送与交换，可实行点对点，一点对多点的数字通信。
而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
（3）通信的实时性与确定性现场总线系统的基本任务是实现测量控制。
现场总线系统中的媒体访问机制、通信模式、网络管理与调度方式等都将保证通信的实时性、有效性与确定性。
（4）现场设备的智能化与功能自治性智能主要体现在现场设备的数字计算与数字通信能力上。
现场总线
1、现场总线的定义。
现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的双向数字式、串行、多点通信的数据总线现场总线系统的技术特点？答：系统开放性，互可操作性，通信的实时性与确定性，现场设备的智能性与功能自治性，对现场环境的适应性。
a)开放性：相关标准的一致性和公开性；系统集成的透明性和开放性；产品竞争的公正性和公开性。
b)交互性：上层网络与现场设备之间具有相互沟通的能力；现场设备之间具有相互沟通能力；不同厂家的同类设备可以相互替换。
c)自治性：单独的现场设备即具有自动控制的基本功能，可以随时诊断自己的运行状况，实现功能的自治。
d)适应性：专为恶劣环境而设计的，对现场环境具有很强的适应性。
现场总线系统的优势1 节省硬件数量与投资 2节省安装费用 3节省维护开销。
4用户具有系统集成主动权。
5提高了系统的准确性和可靠性2.数字数据编码定义：用高低电平的矩形脉冲信号来表示数据的0、1状态。
数字编码的种类有：单极性码、双极性码、归零码、非归零码、差分码、Manchester编码等。
工业通信中常用的是非归零码和曼彻斯特编码3.GSD 文件：GSD文件被称为电子设备数据文件，是由生产从站（主站）的厂商按照统一格式建立的一个电子文件。
其以文本文件形式记录了从站的各种属性，并随从站设备一同提供给用户。
GSD文件有明确定义的文件格式，主站从中便于读取各从站设备的数据参数，形成主站上的参数数据库。
在组态阶段，系统自动地对输入与整个系统有关的数据的输入误差和前后一致性进行检查核对。
GSD一般分为以下三部分。
①总规范：包括厂商和设备名称、软硬件版本、波特率、监控时间间隔及总线插头的信号分配等。
②与DP主站相关的规范：包括主站的各项参数，如允许的从站个数等。
③与DP从站相关的规范：包括与从站有关的所有规范，如I/O通道的数量、类型、诊断数据等。
1 什么是代冲突检测的载波监听多址访问？采用载路监听多重访问/冲突检测的介质访问控制方式时，网络上的任何节点都没有预定的发起通信的时间，节电随机向网络发起通信，当遇到多个节点同时发起通信时，信号会在传输线上相互混淆而遭破坏，称为产生“冲突”，为尽量避免由于竞争引起的冲突，每个节点在发送信息之前，都要倾听传输线上是否有信息在发送这就是“载波监听”由于传输线上不可避免的存在传输延迟，有可能多个站同时侦听到线上空间并开始发送，从而导致冲突，故每个节点在开始发送信息之后，还要继续侦听路线，判定是否有其他节点与本节点同时向数据介质发送，一旦发现便终止当前发送，这就是“冲突检测”。
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第八章 现场总线控制系统
第一节 概述
第二节 几种流行的现场总线
第三节 实时工业以太网 第四节 现场总线控制系统
第一节 概述
>什么是现场总线？
它是现场仪表之间以及现场仪表与监控计算 机之间的全数字、串行双向、多站点的开放 型通信系统。 现场总线是数字化、智能化、网络化向现场 设备发展的产物。
演示
>LonWorks
LonWorks总线的特点
LonWorks采用OSI 的全部7层通信规范，传 输速率300bps~1 .5Mbps,通信距离为2700 m， 它提供完整的开发平台和神经元芯片。 现场控制节点的核心器件是神经元芯片，同 时具备通信和控制功能，一个神经元芯片加 上收发器即可构成典型的现场控制节点。
>现场总线的产生和发展
现场总线是企业实现综合自动化、信息化、 管控一体化的需要 。（TQCSE） 高新技术的发展为现场总线的产生奠定了基 础。
现场仪表信号：从模拟→混合→全数字信号
4...20 mA
>现场总线技术特点
开放性：现场总线的一致性、公开性。
互操作与互用性：现场设备间的信息沟通、 互可操作及不同厂家设备的相互替换。 功能自治性：传感测量、补偿计算、信息 处理与控制功能在现场仪表中完成。
FF总线的网络结构
操作站 HSE子网
路由器 交换机
其它总线网络
网关
HSE链接设备
HSE链接设备
...
HSE现场设备
H1总线 H1总线
>Profibus
Profibus总线的特点
Profibus包括Profibus-DP、-FMS、-PA，传输 速率9.6Kbps~12Mbps,相应通信距离为1200 ~ 100m,可实现总线供电和本质安全防爆(PA)。
新版本总线标准 是以2003版本为基础，加入 实时以太网解决方案。它共包含14类技术。 IEC 61158新标准于2007年公布。我国具有自 主知识产权的EPA标准被列为61158 Type14。
以下将通过一些流行的现场总线说明特点、 网络结构、通信模型和应用实例。
第二节 几种流行的现场总线
- Foundation Fieldbus - Profibus（Process Fieldbus）
教育
材料
其它
9%
4%
3%
3%
8%
现场总线系统的优势
安装
100%
100% 22% 27%
费用可节省40%左右
57% 12% 22%
工程费用engineering
50%
51% 23%
0%
4...20mA PROFIBUS
调试费用commissioning
硬件费用Hardware
硬件
调试
工程
几点说明
现场总线技术是DCS技术的继承和发展，而不 是对DCS的否定或取代。工业上已出现DCS与 现场总线系统混合使用的控制系统。 。
会话层 传输层 网络层
物理层
传输分组
数据链路层 帧传输,介质访问 数据解码,CRC纠错,优先级
从2001年开始，现场技术发展的重点已不是 去追求统一标准；而是集中在如何合理应用, 发现并解决问题,切实地推动FCS的实际应用。 同时在推广应用过程中确定不同现场总线的 适用场合、性能价格比等,以实现优化设计。
随着现场总线和工业以太网技术的迅速发展， IEC TC65 /SC65C的两个工作组又研究制定 了新的现场总线标准 61158 和实时以太网标 准61784 -2。
FF总线的通信模型 FF-H1：
用户层（应用程序） 7 6 5 4 3 2 现场总线报文规范子层FMS 现场总线访问子层FAS 通 信 数据链路层 定物理连接性能,符合IEC61158-2标准， 通信栈控制报文在现场总线的传输。链路层通过 LAS来管理对总线的访问，FAS为报文规范子层 提供服务，后者为用户层提供服务和报文格式。
PROFIBUS PROFIBUS-DP DP-Master 1类主站
令牌
PROFIBUS PROFIBUS-DP DP-Master 2类主站
DP-从站 Publisher
1
(z.B. Lichtgitter)
DP-从站 Publisher
2
(z.B. Lichtgitter)
DP-从站 Publisher
- LonWorks（Local Operating Networks）
- CAN（Control Area Network）
- HART（Highway Addressable Remote T Transducer）
>Foundation Fieldbus
FF总线的特点
用于现场级控制的FF-H1传输速率32.25Kbps, 直接通信距离达1900 m，其现场仪表可完成 检测、变送、调节、计算、报警、故障诊断 等控制与信息处理任务。 FF-H1采用令牌传递的总线控制方式, 令牌传 递由链路活动调度器(LAS) 控制, 以确保信息 传递的及时性。 在应用层之上增加了用户层，用户层的功能 块和设备描述使仪表的现场控制功能与仪表 设备的互操作易于实现。
Profibus总线的通信模型
应用行规2 应用行规1 通信协议 传输特性
专用应用行规
通用应用行规（可选） PROFIBUS DP-V0~V2 RS 485
(PROFIBUS DP)
IEC 61158-2
(PROFIBUS PA)
传输特性(物理层)的DP采用RS-485通信标准，PA采用 IEC 61158-2(MBP)传输技术。通信协议(数据链路层): 采用DP-V0~V2。应用行规说明各种设备的功能和行为， 有通用和专用应用行规。
高度分散性：构成一种全分散性的控制 系统结构。
环境适应性：支持各种传输介质、两线制 和本安防爆。
丰富的现场信息和智能化提高了设备诊断、维护、管理能力， 减少卡件、机柜、端子、线缆，节省开支，提高了可靠性。
各行业使用现场总线设备情况
行业 百分比
化工
29%
石油天然气 22%
能源 13%
医药 9%
食品
造纸
>IEC 61158 的标准现场总线
Type1：IEC 61158 技术报告。
Type2：ControlNet，得到CI组织的支持。
Type3：Profibus，得到PNO组织的支持。
Type4：P - NET，得到该总线用户组织的支持。
Type5：FF - HSE，由FF组织制定。 Type6：Swiftnet，得到美国波音公司的支持。
发布者
(e.g. light array)
预订者
(e.g. drive)
预订者
(e.g. drive)
从站
从站
从站
从站对从站通信
通过DP/PA Coupler连接Profibus-PA
主站
PLC
计算机
Profibus-DP DP/PA 耦合器
Profibus-PA
从站
PROFIBUS-PA有树结构、总线结构和两者的 混合结构。
通信协议
有DP-V0、 DP-V1 和DP-V0三种版本 ：
DP-V0 提供DP基本功能，包括主站和从站的 循环数据交换，以及站诊断、模块诊断等。 DP-V1 依据过程自动化的需求提供主、 从站 间的非循环数据交换功能, 用于参数赋值、操 作、现场设备的可视化和报警处理等。 DP-V2 依据驱动技术的需求提供同步从站模 式和从站对从站的通信功能, 通过发布(生产) 者/预定(消费)者的广播 方式进行通信。
LonWorks技术为用户提供了一个简洁的访问 网络服务工具 实施网络管理任务,其功能为网 络安装、网络维护和网络监控。
LonWorks总线的通信模型
OSI模型 应用层 表示层
作用
网络应用 数据表示 远程传送控制 端对端可靠传输
LON提供的服务
标准网络变量类型
网络变量外部帧传输
请求/响应，认证 应答，非应答，认证 地址，路由
3
(z.B. Lichtgitter)
Slave
循环: 从站1 从站2 1 类主站的 循环访问
Slave
从站3
Slave
从站3
2类主站的 非循环访问
DP-V2中的从站对从站的数据交换
PROFIBUS - DP PROFIBUS-DP Master 1 1 类主站Class
输出数据
通过广播的输入数据
MC143150/20 Neuron芯片
EEPROM/ROM (仅对MC143150)
I/O电路 Lon收发器
检测控制 装置
网络介质
LonWorks 使用开放式通信协议 LonTalk, 是 直接面向对象的网络协议, 它发送的报文都是 很短的数据，可靠性、实时性较高。
LonWorks 采用的编程语言 Neuron C 是转为 神经元芯片所设计, 它删除了标准C中一些不 需要的功能, 增加了用于网络操作的语句和内 部函数。
Type7：WorldFIP，属欧洲标准EN50170。
Type8：Interbus，得到Interbus Club支持。 Type9：FF – H1，由FF组织制定。
Type10：Profinet，得到PNO组织的支持。
由上可知, IEC 61158标准考虑到各种不同的 需求，一些大公司和集团也能以此为基础再 图发展，开拓市场。 实际上，目前在工业自动化领域使用较多的 是FF、PROFIBUS、ControlNet 和 Interbus， 以及未被纳入61158标准的一些现场总线。
现场总线的优点主要是仪表的智能化、网络化、 控制的分散化等先进技术所带来的好处，而不 单单是节省电缆。 现场总线不能解决企业自动化的所有问题，例 如ESD、MES、ERP等等，而是作为底层网络 与其它自动化装置一起更好地实现企业综合自 动化。