现场总线(Field bus)
现场总线及通讯协议
现场总线及通讯协议现场总线的现状和未来发展一、引言计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统（DCS）后，今后将朝着现场总线控制系统的方向发展。
现场总线(field bus)是指现场仪表和数字控制系统输入输出之间的全数字化、双向、多站的通讯系统。
二、现场总线的产生纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大外因的推动下占领市场的主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生也不例外。
1、模拟仪表控制系统模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。
其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。
2、集中式数字控制系统集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。
采用单片机、PLC、SLC 或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。
集中式数字控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制机时的选择上可以统一调度和安排；不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。
3、集散控制系统（DCS）集散控制系统（DCS）于八、九十年代占主导地位。
其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。
因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。
在集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用，遗憾的是，不同的DCS厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层Intranet、Internet信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系统且DCS造价昂贵。
简述现场总线的技术特点
简述现场总线的技术特点现场总线（Fieldbus）是一种工业控制领域中的通信协议和技术，是传统控制系统和现代数字化控制系统的桥梁。
现场总线技术的主要特点是分布式控制、高效通信、可靠性强、数据传输速度快、可扩展性好。
分布式控制是现场总线技术最重要的特点之一。
传统控制系统通常采用集中式控制，即所有的控制指令都是从中央控制器发送到各个终端设备。
而现场总线技术则是采用分布式控制的方式，即将控制指令分散到各个设备中执行。
这样可以提高控制系统的灵活性和可靠性，因为每个设备都可以独立地执行控制指令，不需要等待中央控制器的指令。
高效通信是现场总线技术的另一个重要特点。
现场总线技术采用数字通信方式，可以实现多种数据格式和数据传输方式。
现场总线技术可以实现点对点通信、广播通信、组播通信等多种通信方式，可以满足不同场景下的通信需求。
另外，现场总线技术还支持实时通信，可以实时地传输控制指令和传感器数据，可以满足高速控制和监测需求。
现场总线技术的可靠性比较强。
现场总线技术采用多种冗余技术，可以实现数据包重传、冗余链路、数据备份等多种机制，可以有效地防止数据丢失和系统故障。
另外，现场总线技术还支持自诊断和自修复功能，可以自动检测和诊断系统故障，并尝试自动修复故障，提高了系统的可靠性和稳定性。
数据传输速度是现场总线技术的一个优势。
现场总线技术采用数字通信方式，可以实现高速数据传输，可以满足高速控制和监测需求。
另外，现场总线技术还支持数据压缩和数据加密等技术，可以进一步提高数据传输速度和数据传输效率。
现场总线技术具有良好的可扩展性。
现场总线技术支持多种设备和传感器的接入，可以满足不同场景下的控制和监测需求。
另外，现场总线技术还支持多种协议和通信方式，可以实现不同系统之间的互联互通，提高了系统的通用性和可扩展性。
现场总线技术具有分布式控制、高效通信、可靠性强、数据传输速度快、可扩展性好等多种特点，是工业控制领域中不可或缺的技术之一。
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。
现场总线技术概论
现场总线（Fieldbus）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。
它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。
它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。
这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，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。
国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。
现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点:具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。
由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。
一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS——现场总线控制系统。
人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。
现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。
可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。
现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。
其中有较强实力和影响的有:FoudationFieldbus（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。
现场总线技术概述 (2)
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IEC61158目前包括10种技术类型，其中类型9与类型10是 后来加的。
①类型1：IEC技术报告 (即相当于FF的H1，美国FisherRosemount公司支持)；
②类型2：Control Net(美国Rockwell公司支持)； ③类型3：Profibus(德国Siemens公司支持)； ④类型4: P-Net(丹麦Process Data公司支持)； ⑤类型5: FF HSE(High Speed Ethernet 美国 Fisher-
②设备总线 (device bus)：数据宽度为字节 (byte)， 如Interbus和Device Net等；
③全服务的现场总线（fieldbus）：数据宽度为数据 流或模块 (block)。以报文通信为主，除了对装置进 行读取数据外，还包括一些对装置的操作和控制功能。 如FF总线、Lonworks总线、Hart总线等。
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五、FCS与DCS的比 FCS相对于DC较S具有如下优越性：
1．FCS实现全数字化通信
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2．FCS实现彻底的全分散式控制
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3．FCS实现不同厂商产品互联、互操作 4．FCS增强系统的可靠性、可维护性 5．FCS降低系统工程成本
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（二）现有的现场总线国际标准
※IEC61158 (IEC/TC65/SC65C/WC6制定) 测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总 线，由以下6部分组成： 第1部分:导则； 第2部分:物理层规范和服务定义； 第3部分:数据链路层服务定义； 第4部分:数据链路层协议规范； 第5部分:应用服务定义； 第6部分:应用层协议规范。
1 现场总线基础知识
现场总线的优点4
• 智能化与自诊断性
–现场总线设备能处理各种参数、运行状态 现场总线设备能处理各种参数、 现场总线设备能处理各种参数 信息及故障信息，具有很高的智能， 信息及故障信息，具有很高的智能，能在 部件、甚至网络故障的情况下独立工作， 部件、甚至网络故障的情况下独立工作， 大大提高了整个控制系统的可靠性和容错 能力。 能力。
现场总线技术
一.现场总线基础知识
现场总线简介 现场总线的发展 现场总线的特点与优点 几种有影响的现场总线
1.现场总线简介（FieldBus） 1.现场总线简介（FieldBus） 现场总线简介
当今自动化领域技术发展的热点之一， 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 计算机局域网。 为自动化领域的计算机局域网。它的出现标志着 工业控制技术领域又一个新时代的开始。 工业控制技术领域又一个新时代的开始。 为什么要引入现场总线？ 为什么要引入现场总线？ 现场设备，为提高其性能价格比， 现场设备，为提高其性能价格比，在实现其 内部操作时都采用微处理器和数字化元件， 内部操作时都采用微处理器和数字化元件，提出 了必须在这些领域的数字设备之间实现数字通信 的要求。现场总线满足这种要求。 的要求。现场总线满足这种要求。
4.现场总线国际标准 4.现场总线国际标准
现场总线技术起源于欧洲，目前以欧、 现场总线技术起源于欧洲，目前以欧、美、日地区最为发达，世界 日地区最为发达， 上已出现过的总线种类近200种。经过十多年的竞争和完善，目前较有 上已出现过的总线种类近 种 经过十多年的竞争和完善， 生命力的有十多种，并仍处于激烈的市场竞争之中。 生命力的有十多种，并仍处于激烈的市场竞争之中。加之众多自动化 仪表制造商在开发智能仪表通信技术中已形成的不同特点， 仪表制造商在开发智能仪表通信技术中已形成的不同特点，使得统一 标准的制订困难重重。但没有统一标准， 标准的制订困难重重。但没有统一标准，用户就难以把不同制造商生 产的仪表集成在一个系统中，因此，现场总线在过程控制中实际应用， 产的仪表集成在一个系统中，因此，现场总线在过程控制中实际应用， 就延误到九十年代后期才实现。 就延误到九十年代后期才实现。 为什么有这么多标准？ 为什么有这么多标准？（１）技术原因：不同行业标准和用户习惯的 继承，不同类型网络互联的协议制定 • （２）商业利益；标准要参照现存的企业 集团或国家标准，吸取众 家之长，互不相让，各干各的，导致目前多种总线共存的局面
现场总线在国内电厂的应用
现场总线在国内电厂的应用现场总线（Fieldbus）是一种用于连接自动控制系统中各个现场设备的通信协议和网络，它提供了一种实时、可靠、高效的数据通信方式。
在国内电厂中，现场总线技术得到了广泛的应用，能够有效地提高电厂的自动化水平和管理效率。
现场总线在电厂的仪表和控制系统中应用广泛。
在电厂的各个现场设备上，如发电机、汽轮发电机组、锅炉、变压器等，都需要安装大量的仪表和控制设备进行监测和控制。
现场总线可以通过串行通信方式将这些设备连接在一起，实现设备之间的数据交互和控制指令的传输。
这样一来，电厂工作人员可以通过集中监控系统对这些设备进行实时监测和远程控制，大大提高了电厂的运行效率和可靠性。
现场总线在电厂的安全监控系统中也有重要的应用。
电厂是一个大型的工业设施，存在着一定的安全风险，如高温、高压、有毒气体等。
现场总线可以将各个安全监测设备连接在一起，实时监测电厂的安全状况，并及时发出预警信号。
现场总线还可以将这些监测数据传输到中央控制室，方便工作人员进行安全管理和应急处理，最大程度地保证电厂的安全运行。
现场总线还可以用于电厂的能耗管理和节能控制。
电厂的能耗管理是保证电厂运行经济性的关键环节，现场总线可以将各个能耗设备（如电表、水表、气表等）连接在一起，实时监测和记录电厂的用能情况，并通过数据分析和统计报表，帮助电厂管理人员进行能耗分析和节能控制，达到降低能耗和提高电厂经济效益的目的。
现场总线在国内电厂的应用广泛而重要。
它可以实现电厂各个设备之间的数据交互和控制指令的传输，提高电厂的自动化水平和管理效率。
现场总线还能够在电厂的安全监控系统中发挥重要作用，保证电厂的安全运行。
现场总线还可以实现电厂的能耗管理和节能控制，提高电厂的经济效益。
现场总线在国内电厂的应用前景非常广阔。
传输层之现场总线
传输层之现场总线
现场总线（Fieldbus）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。
目前国际上有40 多种现场总线，但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应
用面，按其传输数据的大小可分为3 类：传感器总线（sensor bus)，属于位传输；设备总线（device bus)，属于字节传输；现场总线属于数据流传输。
基金会现场总线，即Foudation Fieldbus,简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。
它不仅仅是一种总线，而且是一个系
统，是网络系统，也是自动化系统。
LonWorks 是又一具有强劲实力的现场总线技术。
支持双绞线、同轴电缆、
光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质。
Profibus 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。
HART 是Highway Addressable Remote Transduer 的缩写。
提供具有相对窄的带宽、适度响应时间的通信。
应用于现场智能仪表和控制室设备。
现场总线的概念
现场总线的概念
现场总线（Fieldbus）是一种用于工业自动化领域的通信协议，它用于在现场设备（如传感器、执行器、变送器等）和控制系统（如PLC、DCS、FCS等）之间进行数字通信。
现场总线是一种开放式、数字化、双向通信系统，它允许不同的设备之间进行实时通信和数据交换。
这些设备通常位于工厂的现场，用于监测和控制生产过程中的各种参数，如温度、压力、流量等。
现场总线的特点包括：
1.开放式：现场总线是一种开放式通信协议，允许不同的设备之
间进行通信，不受厂商和技术的限制。
2.数字化：现场总线采用数字信号进行通信，相比传统的模拟信
号具有更高的精度和稳定性。
3.双向通信：现场总线支持双向通信，即设备之间可以进行数据
交换和相互控制。
4.实时性：现场总线具有较高的实时性，能够满足工业自动化领
域的实时监测和控制要求。
5.可靠性：现场总线具有较强的抗干扰能力，能够在恶劣的工作
环境下稳定运行。
常见的现场总线协议包括Modbus、Profinet、CAN总线、HART等。
这些协议各有特点，适用于不同的应用场景。
在选择现场总线时，需要根据实际需求和应用场景进行综合考虑。
现场总线
基于CAN总线的网络控制系统设计国内红绿灯交通控制系统中红绿灯切换时间广泛采用固定或者分时段变化的时间间隔，或者由交通指挥中心根据交通状况调整时间间隔，不能够根据实际的交通状况进行动态切换，也不能够根据道路状况预先干预，防止交通恶化。
在极端情况下，可能会出现有车的方向红灯禁行，没车的方向绿灯通行的现象。
这种方式低效、严重依赖于交管部门的工作效率，且一般只能在交通恶化后才可能介入，不能提前预防。
为此本文提出了一种基于CAN总线的红绿灯动态调整系统，它能够根据实际交通状况实时调整红绿灯时间，可以降低道路拥堵几率，保障交通畅通。
一、现场总线综述现场总线(Fieldbus)是指开放式、国际标准化、数字化、相互交换操作的双向传送、连接智能仪表和控制系统的通信网络。
它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。
它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。
这是一项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，是信息化带动工业化和工业化推动信息化的适用技术，是能应用于各种计算机控制领域的工业总线，因现场总线潜在着巨大的商机，世界范围内的各大公司都投入相当大的人力、物力、财力来进行开发研究[1]。
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(FieldbusControl 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。
由于国际上各大公司在现场总线技术这一领域的竞争，仍未形成一个统一的标准，目前现场总线网络互联都是遵守OSI参考模型。
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PROFIBUS应用
• 2.车间监控层
• 车间级监控用来完成车间中生产设备之间的连接，如一个车间三条生产 线主控制器之间的连接，完成车间级设备监控。车间级监控包括生产设 备状态在线监控、设备故障报警及维护等。通常还具有诸如生产统计、 生产调度等车间级生产管理功能。车间级监控通常要设立车间监控室， 在操作员工作站及打印设备上。车间级监控网络可采用Profibus-FMS， 它是一个多主网络，在这一级，数据传输速度不是最重要的，而是要能 够传送大容量信息。
谢谢
部分应用实例
• PROFIBUS 在电力行业最典型的应用是德国尼德豪森电厂 2X950MW 机组的DCS 系统。德国尼德豪森电厂隶属于德国RWE 电力 公司，该电厂K 机组采用了热电联产方式，总出力达到1012MW，由于 采用了过程优化技术，整个机组的效率达到了45%。K 机组为超超临界 机组，主汽温度为580℃，主汽压力达到27MPA。整个机组的DCS 系统 中由于采用了PROFIBUS 现场总线技术，实现了现场设备智能化，设备 状态和状态信息都能通过总线传输到DCS 系统中，是目前全球范围智能 化程度最高，采用总线技术最全面，装机容量最大的机组。 • 除了尼德豪森电厂外，还有德国曼海姆电厂DCS 系统采用 PROFIBUS 总线， 柏林北部电厂DCS 系统采用PROFIBUS 总线，慕尼 黑电厂DCS 系统采用PROFIBUS总线，礼克林豪森电厂DCS 系统采用 PROFIBUS 总线等很多国外电厂的DCS 系统都采用了PROFIBUS 总线 结构。 • 在国内电力系统中也有很多应用，如江苏夏港电厂DCS系统采用 PROFIBUS 总线，韩峰电厂DCS 系统采用PROFIBUS 总线，山东莱程 电厂DCS 系统以及华能玉环电厂主厂房外补给水系统均采用了 PROFIBUS-DP 总线结构。
PROFIBUS
现场总线（Field bus）
现场总线技术实际上是采用串行数据传输和连接方式代替 传统的并联信 号传输和连接方式的方法，它依次实现了控制层 和现场总线设备层之间的数据传输，同时在保证传输实时性的 情况下实现信息的可靠性和开放性。 一般的现场总线具有以下几个特点： （1）布线简单 （2）开放性 （3）实时性 （4）可靠性
PROFIBUS特点
• • • • • • • • • • Profibus作为业界应用最广泛的现场总线技术，除具有一般总线的优点外还有自 身的特点，具体表现如下： （1）最大传输信息长度为255B，最大数据长度为244B，典型长度为120B。 （2）网络拓扑为线型、树型或总线型，两端带有有源的总线终端电阻。 （3）传输速率取决于网络拓扑和总线长度，从9.6Kb/s到12Mb/s不等。 （4）站点数取决于信号特性，如对屏蔽双绞线，每段为32个站点（无转发器）， 最多127个站点带转发器。 （5）传输介质为屏蔽/非屏蔽双绞线或光纤。 （6）当用双绞线时，传输距离最长可达9.6km，用光纤时，最大传输长度为 90km。 （7）传输技术为DP和FMS的RS-485传输、PA的IEC1158-2传输和光纤传输。 （8）采用单一的总线方位协议，包括主站之间的令牌传递与从站之间的主从方 式。 （9）数据传输服务包括循环和非循环两类。
PROFIBUS应用
• 典型的工厂自动化系统应该是三级网络结构，基于现场 总线Profibus-DP/PA控制系统位于工厂自动化系统中的低层， 即现场级和车间级。现场总线Profibus是面向现场级和车间 级的数字化通信网络。 • 1.现场设备层
• 主要功能是连接现场设备，如分散式I/O、传感器、驱动器、执行机 构、开关、 灯设备，完成现场设备控制及设备间连锁控制。主站负责总 线通信管理及所有从站的通信。总线上所有设备生产工艺控制程序均储 存 在主站中，并由主站执行。
PROFIBUS标准
• PROFIBUS－DP应用于现场级，它是一种高速低成本通信， 用于设备级控制系统与分散式I/O之间的通讯，总线周期一般 小于10ms，使用协议第1、2层和用户接口，确保数据传输 的快速和有效进行； • PROFIBUS－PA适用于过程自动化，可使传感器和执行器接 在一根共用的总线上，可应用于本征安全领域； • PROFIBUS－FMS用于车间级监控网络，它是令牌结构的实 时多主网络，用来完成控制器和智能现场设备之间的通信以 及控制器之间的信息交换。主要使用主-从方式，通常周期性 地与传动装置进行数据交换。
PROFIBUS
• • • • 中文名：过程现场总线 性 质： 国际化．开放式 传送速度： 9.6kbaud~12Mbaud 全 称： Process Field Bus
ห้องสมุดไป่ตู้
• PROFIBUS，是一种国际化、开放式、不依赖 于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业 自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他 领域自动化。 • PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控 和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可 实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和 现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场 设备智能化提供了可行的解决方案。
• 3.工厂管理层
• 车间操作员工作站可通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数 据送到车间管理层。车间管理网作为主网的一个子网，通过交换机、网 桥或路由器等连接到厂区骨干网上，将车间数据集成到工厂管理层。
PROFIBUS标准
• 组成部分： • 1、PROFIBUS－DP • 2、PROFIBUS－PA（Process Automation ） 3、PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification ) • 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。