现场设备通信技术现场总线技术PPT课件

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应用 实体 “X”
应用 层 表示 层 会话 层 传输 层 网络 层 数据 链路 层 物理 层
网络 层 数据 链路 层
物理 层
应用 实体 “Y”
应用 层 表示 层 会话 层 传输 层 网络 层 数据 链路 层 物理 层
物理 媒体 (通信 路径 ) 系统 A
中断 节点
物理 媒体 (通信 路径 ) 系统 B
图 8-17 OSI参考模型的七层体系结构 6
工业生产现场存在大量的传感器、控制器、执行器等， 它 们通常相当零散地分布在一个较大的范围内。对由它们组成的 工业控制底层网络来说，单个节点面向控制的信息量不大，信 息传输的任务相对比较简单，但实时性、快速性的要求较高。 如果按照七层模式的参考模型，由于层间操作与转换的复杂性， 网络接口的造价与时间开销显得过高。为了满足实时性要求， 也为了实现工业网络的低成本，现场总线采用的通信模型大都 在OSI模型的基础上进行了不同程度的简化。典型的现场总线 协议模型如图8-18所示，它采用了OSI模型中的三个典型层： 物理层、数据链路层和应用层。 在省去中间3～6层后，考虑到 现场总线的通信特点，设置了一个现场总线访问子层。它具有 结构简单，执行协议直观，价格低廉等优点，也满足了工业现 场应用的性能要求。由于它是OSI模型的简化形式，因此开放 系统互连模型是现场总线技术的基础。现场总线参考模型既要 遵循开放系统集成的原则，又要充分兼顾测控应用的特点和特 殊要求。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 2）
现场总线的概念是在20世纪70年代末，由欧洲的一些发达 国家提出来的。其原因是由于微处理器与计算机功能的不断增 强和器件价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到了迅 速发展，用户需要在系统与系统之间、企业与企业之间进行信 息的交换，希望资源得到共享以及进行远程管理与控制。而原 先处于生产过程底层的测控自动化系统，因其采用一对一连线， 用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集 散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换， 使自动化系统成了“信息孤岛”。
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为了适应越来越多的异种计算机系统间互连的“开放式” 系 统 的 需 要 ， 人 们 建 立 了 开 放 系 统 互 联 （ OSI ， Open System Interconnection）的基本参考模式，并于1983年制 定了该参考模式的国际标准（ISO7498）。从此奠定了系统 互连标准开放的基础，对数据通信系统产品的发展起到了重 要的促进作用。ISO7498定义了如图8-17所示的OSI的七层 体系结构， 其中， 每个层次都在信息交换的任务中担当相对 独立的角色， 具有特定的功能。
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图8-18 典型现场总线协议模型
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3）
（1）HART总线。
最 早 的 现 场 总 线 系 统 HART （ Highway Addressable Remote Transducer）是美国Rosemount公司于1986年提出 并研制的一种通信协议，得到了80多家著名仪器仪表制造商的 支持，这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议， 可以在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信。它在常规模 拟仪表的4～20 mA DC信号的基础上迭加了FSK（Frequency Shift Keying）数字信号。这种通信协议既可以用于4～20 mA DC的模拟仪表， 也可以用于数字式通信仪表。它属于模拟系 统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时 期具有较强的市场竞争力， 得到了广泛的应用。
第四章 现场设备通信技术
4.3 现场总线技术
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一、现场总线技术概述
1. 现场总线及其发展过程 1） 现场总线是一种用于现场仪器双向数字通信协议，是新一 代智能仪器的通信标准。国际电工委员会（IEC）的标准和现场 总线基金会（FF）将其定义为：“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。 ”
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要实现整个企业的信息集成，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，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点 数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界之间的 信息交换。众所周知，由于来自工厂底层的设备（如传感器、 变送器、 执行元件等）数量众多，其需要通信的信息量巨大。 若用载波频带子网，虽可以解决，但费用较大；用传统的点对 点互连则效率很低，且连接的数目有限，控制复杂。此外， 工 业现场的环境一般比较恶劣。较为理想的方案是将现场的所有 传感器、变送器及执行元件用一根单独的总线（即现场总线） 连接起来，通过网桥与MAP载波频带子网上的控制器进行通信。 这个方案一经提出， 很快得到了国际上许多著名电器制造商的 响应。
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（3） LonWorks总线。LonWorks是美国Echelon公司推 出的一种功能全面的测控网络，主要用于工厂及车间的环境、 安全、 保卫、报警、动力分配、给水控制、库房和材料管理等。 该总线技术的核心是具备通信和控制功能的 Neuron芯片。 Neuron芯片是高性能、低成本的专用神经元芯片，能实现完整 的LonTalk通信协议。该协议支持双绞线、同轴电缆、光纤、 射频、 红外线、电力线等多种通信介质。目前，LonWorks在 国内应用最多的是电力行业， 如变电站自动化系统；另外，楼 宇自动化和住宅自动化也是其主要应用行业之一。
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（ 2 ） CAN 总 线 。 CAN 是 控 制 器 局 域 网 络 （ Controller Area Network）的简称，是由德国BOSCH公司为汽车的监测、 控制系统而设计的总线式串行通信网络，适合于工业设备和监 控设备之间的互联。CAN可以多主方式工作，网络上任意节点 均可主动向其他节点发送信息。网络节点可按系统实时性要求 分成不同的优先级，一旦发生总线冲突，会减少总线的仲裁时 间。 CAN采用短帧结构，每一帧为8个字节，数据的出错率极 低， 被认为是最有发展前途的现场总线之一。其传输介质可用 双绞线、同轴电缆或光纤， 通信速率最高达1 Mb/s，传输距 离可达10 km。其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际 标准， 并广泛应用于离散控制领域。它也基于OSI模型，但进 行了优化， 抗干扰能力强， 可靠性高。