现场总线

第一章现场总线概述

一、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。

二、IEC对现场总线的定义：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。它不仅是一个基层

网络，而且还是一种开放式，新型全分布式的控制系统。

三、经历了几代控制系统第一代控制系统：以20世纪50年代前的气动信号控制系统PCS

为主；

第二代控制系统：把4～20mA等电动模拟信号控制系统；

第三代控制系统：把数字计算机集中式控制系统称为第三代;

第四代控制系统：把70年代中期以来的集散式控制系统DCS(Distributed Control System)称作第四代。

四、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联，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。

3、互操作性，

4、分散功能块，

5、通信线供电，

6、开放式互联网络。

五、现场总线的特点与优点：

1，结构特点：

现场总线控制系统（FCS）打破了传统控制系统的（DCS）的结构形式。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。

1），系统的开放性；2），互可操作性与互用性；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。

3，优点：1）节省硬件数量与投资；2）节省安装费用；3）节约维护开销；4）用户具有高度的系统集成主动权；5）提高了系统的准确性与可靠性。

六、基金会现场总线(FF)，CAN，DeviceNet，LonWorks，PROFIBUS，HART，INTERBUS，CC-Link，ControlNet，WorldFIP，P-Net，SwiftNet．

第二章数据通信系统与网络互联

一、总线的基本术语：

1，总线与总线段。从广义来说，总线就是传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式。一组设备通过总线连在一起成为“总线段”。

2，总线主设备。可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”。

3，总线从设备。不能在总线上发起通信，只能挂接在总线上，对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备，也称基本设备。

4，控制信号。总线上的控制信号通常有三种类型：一类控制连在总线上的设备，让它进行所规定的操作，如设备清零、初始化、启动和停止等；一类用于改变总线操作的方式，如改变数据流的方向，选择数据字段的宽度和字节等；还有一些控制信号表明地址和数据的含义，如对于地址，可用于指定某一地址空间，或表示出现了广播动作，对于数据，可用于指定它能否转译成辅助地址或命令。

5，总线协议。管理主、从设备使用总线的一套规则称为“总线协议”。

二、总线仲裁：总线在传送信息的操作过程中有可能会发生“冲突”。为解决这种冲突，就需进行总线占有权的“仲裁”。总线仲裁是用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。

三、总线定时：总线操作用“定时”信号进行同步。定时信号用于指明总线上的数据和地址在什么时刻是有效的。

四、通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。它一般由信息源和信息接收者，发送设备，接收设备，传输介质几部分组成。

1、2、发送设备的基本功能是将信源和传输介质匹配起来，即将信源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输介质。

接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。

五、通信系统的信道编码和信源编码的作用是什么？

信源编码是把连续消息变换为数字信号；而信道编码则使数字信号与传输介质相匹配，提高传输的可靠性或有效性。

六、数据编码

是指通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。分别用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0,1状态的，称为模拟数据编码；用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0,1状态的，称为数字数据编码。

常用码型有：单极性码、双极性码、归零（RZ）码、非归零（NRZ）码、差分码、曼彻斯特编码（Manchester）、模拟数据编码等。

单极性码：信号电平是单极性的，如逻辑1用高电平，逻辑0用零电平的信号表达方式。

双极性码：信号电平是正、负两种极性的。如逻辑1用正电平，逻辑0用负电平的信号表达方式。

归零码：在每一位二进制的信息传之后均返回到零电平的编码。如逻辑1只在该码元时间中的某段维持高电平后就恢复到低电平。

非归零码：在整个码元时间内维持有效电平。

差分码：差分码利用前后码元电平的相对极性来传送信息，是一种相对码。差分码分为“0”差分码和“1”差分码两种码型。“0”差分码是利用相邻前后码元电平极性改变来表示“0”，不变表示“1”。“1”差分码则与“0”差分码的规定相反。

七、通信系统的性能指标：有效性和可靠性。有效性是指所传输信息的内容有多少；而可靠性是指接受信息的可靠程度。

八、数据传输速率是单位时间内传送的数据量。

传输速率：Sb=1/Tlbn (T为发送一位代码所需的最小单位时间，n为信号的有效状态)

比特是数据信号的最小单位。通信系统每秒传输数据的二进制位数被定义为比特率，记作bit/s。

波特是指信号大小方向变化的一个波形。把每秒传输信号的个数，即每秒传输信号波形的变化次数定义为波特率，单位为波特（baud）。每个信号可包含一个或多个二进制位。

例：若单比特信号的传输速率为9600bit/s，则其波特率为9600baud；若信号波形由两个二进制位组成，则其波特率为4800baud。

九、对于数字通信系统的可靠性指标主要用误码率Pe来衡量。误码率的定义的接收端收到的错误码元数在发送端发出总码元数中所占的比例。Pe≈Ne/N（Ne为被传输错的码元数，N 为传输的二进制码元总数。）

十、局域网拓扑结构：星形拓扑，环形拓扑，总线拓扑，网状拓扑和树形拓扑。

十一、网络传输介质

定义：传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传输信息的载体。

常用的传输介质：电话线，同轴电缆，双绞线，光导纤维，无线和卫星通信。

传输介质的主要特性：物理特性，传输特性，连通特性，地理范围，抗干扰性。

1、双绞线

（1）物理特性：它由按规则螺旋结构排列的2根或4根绝缘线组成。

（2）传输特性：可以通过使用频分多路复用技术进行多路复用。使用双绞线或调制解调器传输模拟数据信号时，数据传输速率可达9600bps，24条音频通道总的传输速率可达

230kbps。

（3）连通性：可以用于点-点连接和多点连接

（4）地理范围：在10Mbps局域网中，与集线器之间大最大距离100m

（5）抗干扰性：取决于相邻线对的扭曲长度和适当的屏蔽。低频时抗干扰能力相当于同轴电缆