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。”
工业数据通信和控制网络(现场总线)
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LANH2H1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PCGreenLiquorStorageLT111LT112H1现场总线#2网段LT101Re-BurnedPurchasedLimeLimeDT109FT11019SC11124IP102IP104AIP104BCoolerSC11225SC1102320FT102AT10321TT104HeaterCV-101A/OAT106AT107AAT107BLT108SC10822H1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/HighwayFiledbusIPC、PLC。
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。
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。
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。
工业数据通信与控制网络
PLC
工业数据通信系统
• 工业数据通信
– 在测量、控制设备的各功能单元之间、设备与设备之间、 以及这些设备与计算机之间传递数据信息的过程。
– 工业数据通信:
• 多个工业控制设备之间二进制数据的交换过程
• 它区别于电话、电报通信，也有别于计算机通信
PLC
工业数据通信与控制网络
清华大学自动化系
yangxh@ 62783125-252
阳宪惠
现场设备1 现场设备2
现场设备n
PLC 第1讲 工业数据通信与控制网络概述
主要内容
• 控制网络与现场总线 • 控制网络与计算机网络的区别 • 数据通信系统(网络) • 网络化控制系统 • 全分布式控制系统 • 传感器总线、设备总线和现场总线
现场设备1 现场设备2 现场设备n
PLC 控制系统对网络的要求
• 开放性、互可操作性、通信的实时性、对环境的适应性
– 开放性：通信协议公开，能与任一遵守相同标准的其它厂商设备 互连为系统
– 互可操作性： • 互连设备间的信息传送与沟通； • 互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换
– 通信的实时性：具有严格的时序和定时要求 • 达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的 动作时序，甚至会造成灾难性的后果。
– 对控制器的输入包括按钮、传感器、接触器的位置状态与数值，
– 控制器的输出用于驱动信号灯、接触器、开关、调节阀门等。
• 第一个设备层现场总线：
– 上世纪70年代，在PLC出现的同时，Culter-Hammer推出了第一个设 备层现场总线系统。
• 早期(80年代)出现至今还在应用的几种现场总线
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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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 PC
Green Liquor Storage
LT 111 LT 112
H1 现场总线 # 2网段
LT 101
Re-Burned Purchased Lime Lime
DT 109 FT 110
19
SC 111 24 IP 102
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——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）
受调度设备
LAS按预定调度设备时间周期性一次发起通信活动，用于在设备 之间周期性地传送控制数据。例：现场变送器与执行器之间传送 测量或控制信号。
非调度设备
在预定调度时间表之外，由LAS发出传送令牌，得到令牌者可以 发送信息。
LAS功能归纳——5种基本功能
1. 设备发送强制数据CD(Compel data),只是受调度设备传送信息； 2. 向设备发送传递令牌PT(Pass token),为设备提供发送非周期数据 的机会； 3. 为新入网的设备探测未被采用过的地址，用于加入活动表； 4. 定期性总线段发布数据链路时间和调度时间同步； 5. 监视设备对传递令牌设备的响应，不随令牌顺寻进入和不返还令 牌的设备被删除。
周期性通信过程（最高优先级！）：
① LAS根据内部周期性调度表按时发出强制数据（CD）PDU至发 布者端点（DLCEP）； ② 发布者收到CD向总线广播缓冲区数据，第一个数据作为LAS的 返回令牌和订阅者的接受令牌； ③ 订阅者将下一个数据作为实际数据，所有数据将存入缓冲区。
周期性通信过程
非周期性通信过程
链路层功能
位于物理层与应用层的访问子层之间，为系统管理内核和总线访问子层 访问总线媒体提供服务
主要任务
生成协议控制信息，包括：链路活动调度LAS、数据接收发送、活动状态 探测及响应、设备间的链路同步、对传输信息实行祯校验。
链路活动控制
由总线上有一个媒体访问控制中心，控制称为：LAS链路活动调动器。
LAS定义
现场总线设备的分类 —— 共分为3类
1. 链路主设备：有能力成为LAS的设备； 2. 网 桥：两个总线（网）段之间的连接设备，网桥属于链路主设备； 3. 基本设备： 不具备LAS能力，只能接受令牌做出响应（所有网络设备都具备这 种能力）。
测控回路中受调度通信的实质
连接不同现场设备内的功能块。一个功能块输出为“参数发 布者”，其他功能块作为“订阅者”。LAS利用网络调度表周 期性地传送控制数据。
现场总线网段内对链路活动进行集中总调度的现场总设备。
LAS说明
掌管总线操作，每一时刻只有一个处于工作状态，LAS许可设备后才能传 送数据。现场总线上设备按通信形式分为调度设备和非设备调度。
LAS 链路活动调度器任务
Fieldbus H1 Card w/LAS
1. 2. 3. 4. 5.
允许调度通信 允许非调度通信 数据联接与应用时间同步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。
虚拟通信关系：
FF设备按照预先组态好的通信通道进行，这种现场总线网络系统 各应用之间的通信通道称为虚拟通信关系。
FAS为上层提供了三种虚拟通信关系
（1）发布者/订阅者模型虚拟通信关系 （2）报告分发模型虚拟通信关系 （3）客户/服务器模型虚拟通信关系
（1）发布者/订阅者模型虚拟通信关系
—— 面向连接方式
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
7
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
6 5 4 3 2 1 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（WorldFip North American ）和ISP（InterOperable Syst em Project ），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。 • （1）FF_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(IEEE 802.3)+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。
IEC61158现场总线标准
IEC 61158
Type1：IEC 61158技术报告★ Type2：ControlNet
※IEC 61158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Type1的 框架组织各自的行规，但不改变 各组织专有的行规（Profile） 。 ※IEC标准的其中Type2～Type8需 要对Type1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：FF HSE ★
Type6：SwiftNET Type7：WorldFIP Type8：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 指网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。
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-6 1158开始生效，除H1、HSE和PA外，还有WorldFIP、Inter bus、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（Foundation Fieldbus）主要适用于过程控制
• 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
其它现场接线器
预制接线盒及预制电缆 可插拔式现场设备接口
基金会现场总线的链路层
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/Highway Filedbus
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。
发布者/订阅者模式通信
Data Transfer (DT) Compel Data (CD) Fieldbus Host Device
PID AO
Link Active Scheduler (LAS)
AI
发布者/订阅者
在控制器中执行PID 3 CD VCR’s 3
PID 在控制器中
2 1
变送器 到 控制器
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 H2 服务器 现场设备 124 H1 H1 H1 网桥 32 现场设备 H1 32 现场设备 现场总线 现场总线 现场总线
H1 H1
FCS控制层 原理图
IP 104A IP 104B Cooler
SC 112 25
SC 110 23
20 FT 102 AT 103
21
TT 104