现场总线概述
现场总线概述
现场总线概述一、现场总线简介随着操纵、运算机、通信、网络等技术的进展，信息互换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到操纵、治理的各个层次、覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。
信息技术的飞速进展，引发了自动化系统结构的变革，慢慢形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。
现场总线确实是顺应这一形势进展起来的新技术。
现场总线是现今自动化领域技术进展的热点之一，被誉为自动化领域的运算机局域网。
它的显现，标志着工业操纵领域又一个新时期的开始，并将对该领域的进展产生重要阻碍。
现场总线是应用在生产现场、在微型运算机化测量操纵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、多点通信的底层操纵网络。
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普遍的应用背景。
现场总线技术将专用于微处置器置入传统的测量操纵仪表，使它们各自具有数字计算和通信能力，采纳可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量操纵仪表连接成的网络系统，并按公布、标准的通信协议，在位于现场的多个微型运算机化测量操纵设备之间和现场仪表与远程监控运算机之间，实现数据传输与信息互换，形成各类适应实际需要的自动操纵系统。
简而言之，它把单个分散的测量操纵设备变成网络节点，以现场总线为纽带，连接成能够彼此沟通信息、一起完成自控任务的网络系统与操纵系统。
它给自动化领域带来的转变正如众多分散的运算机被网络连接在一路，使运算机的功能、加入到信息网络的行列。
因此把现场总线技术说成是一个操纵技术新时期的开端并只是分。
利用现场总线技术给用户带来的益处：1节省硬件本钱2设计组态安装调试简便3系统的平安靠得住性好4减少故障停机时刻5用户对系统配置设备选型有最大的自主权6系统保护设备改换和系统扩充方便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，显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LonWorks网络（Local Operation Network），按德国标准生产的Profibus(Profess FieldBus)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DeviceNet 和ControlNet等。
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。
现场总线技术概述
二、几种典型的现场总线介绍
WorldFIP 传输媒体可以是屏蔽双绞线或光纤。 传输速率为： 31.25K bps用于过程控制；1M bps 用于加工制造系统；2.5M bps用于驱动系统。 标准速率为1M bps，使用光纤时最高速率可达5M bps。 目前WorldFIP的总线产品有法国Schneider公司的 Modicon-TBXplc系统；ALSTHOM公司的S－900 SCADA系统等。
二、几种典型的现场总线介绍
PROFIBUS现场总线 PROFIBUS有三个部分组成：
PROFIBUS-FMS（Field Message Specification）：主要 是用来解决车间级通用性通讯任务。可用于大范围和复杂的 通讯。总线周期一般小于100ms。 PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）：经过优化的 高速和便宜的通信总线，它的设计是专门为自动控制系统与 分散的I/O设备级之间进行通信使用的。总线周期一般小于 10ms。 PROFIBUS-PA（Process Automation）：专门为过程自 动化设计的，它可使传感器和执行器按在一根共用的总线 上，甚至在本质安全领域也可接上。根据IEC1158－2标 准，PROFIBUS-PA用双绞线进行总线供电和数据通信。
第一章 现场总线技术概述
主要内容
第一节 现场总线的产生 第二节 现场总线的概念及分类 第三节 现场总线的特点和优点 第四节 现场总线标准的制定 第五节 现场总线的现状
第一节 现场总线的产生
在过程控制领域： 从20世纪50年代至今的信号标准：4-2OmA （0-5V）的 模拟信号。 20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，进行 集中式控制处理。 20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，嵌入到 各种仪器设备，形成分布式(DCS)控制系统。
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。
论文-现场总线概述
现场总线概述1 前言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结构及其特点国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求：同一数据链路上过程控制单元（PCU）、PLC 等与数字1/ O设备互连；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；通信媒体安装费用较低。
现场总线是一种串行的数字数据通讯链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（即现场级设备）与更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系。
现场总线控制系统主要包括一些实际应用的设备，如PLC、扫描器、电源、输入输出站、终端电阻等。
其它系统也可以包括变频器、智能仪表、人机界面等。
系统中的主控器（Host）可以是PLC或PC，通过总线接口对整个系统进行管理和控制。
其总线接口，有时可以称为扫描器。
可以是分别的卡件，也可以集成于PLC中。
总线接口作为网络管理器和作为主控器到总线的网关，管理来自总线节点的信息报告，并且转换为主控器能够读懂的某种数据格式传送到主控器。
总线接口的缺省地址通常设为“0”电源，是网络上每个节点传输和接收信息所必需的。
现场总线技术概述
现场总线技术概述现场总线技术（Fieldbus）是指在工业自动化系统中，用于连接现场设备和控制系统的一种通信协议和架构。
它通过将数据和控制命令从控制系统传输到现场设备，并将现场设备反馈的数据传输回控制系统，实现实时监控和控制。
现场总线技术的发展起源于20世纪80年代，旨在解决传统控制系统中布线复杂、成本高昂、可靠性低等问题。
与传统控制系统相比，现场总线技术具有可编程、分布式、开放性强等优点，是实现工业自动化和智能化的重要手段之一现场总线技术的核心是通信协议，常见的现场总线协议包括Profibus、Modbus、FOUNDATION Fieldbus、DeviceNet等。
这些协议定义了数据格式、通信速度、错误检测和纠正等通信规范，保证了不同设备之间的互通性和稳定性。
现场总线技术的架构通常由控制层、总线层和现场设备层组成。
控制层包括控制器和上位机，负责发送控制命令和接收反馈数据；总线层是控制器与现场设备之间的通信介质，包括总线线缆、连接器和信号转换设备；现场设备层包括传感器、执行器等各种设备，负责感知和执行现场操作。
现场总线技术在工业自动化中的应用广泛，涵盖了各个行业和领域。
它可以实现对现场设备的远程监控和控制，提高了系统的可靠性和灵活性。
同时，现场总线技术还可以对现场设备进行参数配置和诊断，减少了故障排除时间和维护成本。
然而，现场总线技术也存在一些挑战和限制。
首先，不同的现场总线协议之间，通常不能直接互联互通，需要通过网关或转换器进行数据的转换和交换。
其次，现场总线技术对硬件设备的要求较高，需要选择与总线兼容的设备进行接入。
此外，现场总线技术的通信速度相对较慢，对于一些对实时性要求较高的应用场景可能不够满足。
总的来说，现场总线技术是工业自动化领域的重要技术和工具，具有广泛的应用和发展前景。
随着工业互联网的兴起，现场总线技术将继续推动工业自动化向智能化、高效化的方向发展。
《现场总线技术及应用》课件1现场总线技术概述
随着生产规模的扩大，操作人员需要同时按多点的信息 对生产过程实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的 单元组合式仪表，这些仪表采用统一的模拟信号。
3、集中式数字控制系统
模拟控制系统中的模拟信号的传递需一对一的物理 连接，信号变化缓慢，很难提高控制系统的速度和精度， 随着计算机技术的发展，控制系统实现了集中数字控制。
• 数字信号的精确性：数字信息可排除模拟信息传输和转换中 所产生的误差。
• 由于现场总线是双向的，因此能够从中心控制室对现场智能 仪表进行控制，使远程调整、诊断和维护成为可能，甚至能 够在故障发生前进行预测。
四、现场总线控制系统的技术特点
系统的开放性 2. 互操作性与互用性 3. 现场设备的智能化与功能自治性 4. 系统结构的高度分散性 5. 对现场环境的适应性
第一章 现场总线技术概述
现场总线的发展背景 现场总线控制系统 几种有影响的现场总线 现场总线技术的现状及其发展前景
第一节 现场总线的发展背景
自动控制系统：在无人直接参与下可使生产过程或其他过 程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统 是实现自动化的主要手段。自动控制系统已被广泛应用于 人类社会的各个领域。在工业方面，对于冶金、化工、机 械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、 压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相 应的控制系统；在农业方面的应用包括水位自动控制系统、 农业机械的自动操作系统等。在军事技术方面，自动控制 的应用实例有各种类型的伺服系统、火力控制系统、制导 与控制系统等。在航天、航空和航海方面，除了各种形式 的控制系统外，应用的领域还包括导航系统、遥控系统和 各种仿真器。
现场总线的发展趋势
网络结构趋向简单化
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主机系统
以太网交换机
高速以太网
100Mbps
组态、监控
现场信息 控制信息
链接设备：核心 网桥、网关 时间发布 链路调度器
31.25kbps
图4 FF HSE 网络架构（体系结构 ）
1.1.1 现场总线的产生
• 在过程控制领域中，从20世纪50年代至今一直都在 使用着一种信号标准，那就是4~20mA的模拟信号标 准。
• 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。 • 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负责测量和控制 系统数据通信部分国际标准化工作的SC65/WG6定义 的。
设备获得正确数据 –多节点现场总线无需点对点的布线
1.1.2 现场总线的本质
• 由于标准实质上并未统一，所以对现场总线也有不 同的定义。但现场总线的本质含义主要表现在以下 6个方面。 • 1．现场通信网络 • 用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互 连的通信网络。 • 2．现场设备互连 • 现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器 等，这些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。
• 基于现场总线的分布式控制系统（FCS），将是继 DCS后的又一代控制系统。
现场总线与4-20mA系统的区别？
4-20mA
现场总 线
P.S.
P.S.
–现场总线设备在总线上并联连接 ，所有设备通过总线 接收、发送数字信号
–现场总线设备可以向网络上其它设备提供任意多信息 –总线具有循环冗余检错的(CRC)功能 ，可以保证接收
• 20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中， 而此时的计算机提供的是集中式控制处理。
• 20世纪80年代微处理器在控制领域得到应用，微处 理器被嵌入到各种仪器设备中，形成了分布式控制 系统。
• 智能设备以微处理器为核心，实施信息采集、显示、 处理、传输及优化控制等功能。
• 一些具有专家辅助推断分析与决策能力的数字式智 能化仪表产品，其本身具备了诸如自动量程转换、 自动调零、自校正、自诊断等功能，还能提供故障 诊断、历史信息报告、状态报告、趋势图等功能。 另外，从实际应用的角度，控制界也不断在控制精 度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新 需求。由此，导致了现场总线的产生。
第1章 现场总线概述
参考书目
1．《现场总线与工业以太网及其应用技术》，李正军著，机械工业 出版社出版社，2011年9月第1版。
2．《现场总线技术》，刘泽祥著，机械工业出版社，2011年2月第1 版。
3.《现场总线技术及其应用》，甘永梅编著.机械工业出版社,2004年 第1版。
1.1 现场总线的现状与发展
1.1.3 现场总线的特点和优点
• 1．现场总线的结构特点 • 现场总线打破了传统控制系统的结构形式。 • 传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制 回路分别进行连接。 • 现场总线控制系统由于采用数字信号替代模拟信号， 因而可实现一对电线上传输多个信号，如运行参数 值、多个设备状态、故障信息等。 • 用一根通信线直接互连N个现场设备，从而构成了
• 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。
• 它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程 现场级控制设备之间及其与更高控制管理层之间的 联系。
• 它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新 型全分布式控制系统。这项以智能传感、控制、计 算机、数据通信为主要内容的综合技术，已受到世 界范围的关注而成为自动化技术发展的热点，并将 导致自动化系统结构与设备的深刻变革。
是美国通用汽车公司(GM)提 出的一种用于制造自动化的
局域网协议。
网络的骨干
1.2.2 现场总线控制系统的体系结 构
远程访问路由设备
显示工 作站
与三层网 络 相连
上位机：监控
控制、网关 信
息
量 减
条形码识别器
少
：输入设备
智能速度控制器
图3 罗克韦尔推出的现场总线控制系统 ：执行器
1.2.2 现场总线控制系统的体系结 构
• 3．互操作性
• 现场设备或现场仪表种类繁多，没有任何一家制造商可以 提供一个工厂所需的全部现场设备，所以，互相连接不同 制造商的产品是不可避免的。现场设备互连是基本的要求， 只有实现互操作性，用户才能自由地集成FCS。例如，汽车 机械制造设备，电气自动化设备。
• 4．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。
LAN
操作站
操作站
控制站 PROFIBUS-DP
4~20mA H1
LAN
服务器 网桥
CANBUS 现场设备
LonWorks现场总线
传统的模拟仪表
现场设备 DeviceNet现场总线
图1-1 FCS与DCS结构比较
• 2．现场总线的技术特点 • （1）系统的开放性 • 开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标 准的共识与遵从。 • （2）互可操作性与互用性 • 这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间 的信息传送与沟通，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）现场设备的智能化与功能自治性 • 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功 能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成 自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状 态。
现场设备的互连网络。
1.2.2 现场总线控制系统的体系结
构
控制器： 主站、从站
人机界面 ： 输入/输出设备 参数、命令、显示
离散量/ 模拟量 输入/输 出设备
指示灯： 状态指示
光电传感器： 操作员接口 ： 阀和交流驱动器： 检测开关备
现场总线控制系统（FCS）与传统控制系统（如DCS）结构对比如图1-1所示。
• 由于功能块分散在多台现场仪表中，并可统一组态，供用 户灵活选用各种功能块，构成所需的控制系统，实现彻底 的分散控制。
• 5．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，对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可采 用这种供电方式。
• 6．开放式互连网络
• 现场总线为开放式互连网络，它既可与同层网络互 连，也可与不同层网络互连，还可以实现网络数据 库的共享。