第1講現(xiàn)場總線技術(shù)概述

1.1.1現(xiàn)場總線定義現(xiàn)場總線 現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點、多站的通信網(wǎng)絡(luò)。國際電工委員會（IEC）對現(xiàn)場總線的定義

現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術(shù)。涉及智能儀表、控制、計算機、數(shù)據(jù)通信技術(shù)現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)

用于過程及制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場設(shè)備互連

現(xiàn)場設(shè)備或儀表、傳感器、變送器和執(zhí)行器等。這些設(shè)備通過一對傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等互操作性 對不同廠商不同品牌的現(xiàn)場設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需要的控制回路，并且具備相互操作的功能1.1.4現(xiàn)場總線的本質(zhì)現(xiàn)場總線概述分散功能塊

FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站

例：流量變送器不僅具有流量信號變換、補償和累加輸入模塊，而且有PID控制和運算功能塊。調(diào)節(jié)閥的基本功能是信號驅(qū)動和執(zhí)行，還內(nèi)含輸出特性補償模塊，或PID控制和運算模塊，甚至閥門特性自檢驗和自診斷功能。1.1.4現(xiàn)場總線的本質(zhì)現(xiàn)場總線概述通信線供電 允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上獲取能量，對于要求本征安全的低功耗現(xiàn)場儀表，可采用這種供電方式開放式互連網(wǎng)絡(luò) 既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可以與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，還可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享1.1.4現(xiàn)場總線的本質(zhì)現(xiàn)場總線概述1.1.5現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點—FCS與DCS的對比現(xiàn)場總線概述結(jié)構(gòu)

FCS:一對多：一對傳輸線接多臺儀表，雙向傳輸多個信號

DCS:一對一：一對傳輸線接一臺儀表，單向傳輸一個信號可靠性

FCS:可靠性好：數(shù)字信號傳輸抗干擾能力強，精度高； DCS:可靠性差：模擬信號傳輸不僅精度低，而且容易受干擾“失控”狀態(tài)

FCS:操作員在控制室既可以了解現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表的工作狀況，也能對設(shè)備進行參數(shù)調(diào)整，還可以預(yù)測或?qū)ふ夜收?，使設(shè)備始終處于操作員的遠程監(jiān)視與可控狀態(tài)之中；

DCS:操作員在控制室既不能了解模擬儀表的工作狀態(tài)，也不能對其進行參數(shù)調(diào)整，更不能預(yù)測故障，導(dǎo)致操作員對儀表處于“失控”狀態(tài)1.1.5現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點—FCS與DCS的對比現(xiàn)場總線概述互換性

FCS:用戶可以自由選擇不同制造商提供的性能價格比最優(yōu)的現(xiàn)場設(shè)備和儀表，并將不同品牌的儀表互連；

DCS:盡管模擬儀表統(tǒng)一了信號標準(4-20mADC)，可大部分參數(shù)仍由制造廠自定，致使不同品牌的儀表互換難度較大儀表

FCS:智能儀表，除了具有模擬儀表的檢測、變換、補償?shù)裙δ芡?，還具有數(shù)字通信能力，并且具有控制和運算的能力； DCS:模擬儀表只具有檢測、變換、補償?shù)裙δ芸刂?/p>

FCS:控制功能分散在各個智能儀表中； DCS:所有控制功能集中在控制站中1.1.5現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點—結(jié)構(gòu)特點由于采用智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現(xiàn)場設(shè)備中，在現(xiàn)場直接完成采集和控制。由于不需要其他的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，且一對電線能傳輸多個信號，因而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)約了設(shè)備及安裝維護費用?，F(xiàn)場總線概述系統(tǒng)的開放性

通信協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換互可操作性與互用性現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性1.1.5現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點—技術(shù)特點現(xiàn)場總線概述節(jié)省硬件數(shù)量與投資節(jié)省安裝費用節(jié)約維護開銷用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性1.1.5現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點—優(yōu)點現(xiàn)場總線概述1.1.8現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

制定標準時參照OSI七層協(xié)議標準大多采用第1層(物理層)、第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)和第7層(應(yīng)用層)，并增加第8層用戶層。物理層：定義了信號的編碼與傳送方式、傳送介質(zhì)、接口的電氣及機械特性、信號傳輸速率等現(xiàn)場總線有兩種編碼方式：Manchester和NRZ，前者同步性好，但頻帶利用率低，后者剛好相反。前者采用基帶傳輸，后者采用頻帶傳輸。傳輸介質(zhì)主要有：有線電纜、光纖和無線介質(zhì)。應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層現(xiàn)場總線概述1.1.8現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)鏈路層

分為兩個子層：介質(zhì)訪問控制層(MAC)和邏輯鏈路控制層(LLC)。MAC對傳輸介質(zhì)傳送的信號進行發(fā)送和接收控制；LLC對數(shù)據(jù)鏈進行控制，保證數(shù)據(jù)傳送到指定的設(shè)備上。現(xiàn)場總線上的設(shè)備可以是主站，也可以是從站。

MAC層的三種協(xié)議：集中式輪詢協(xié)議、令牌總線協(xié)議和總線仲裁協(xié)議。應(yīng)用層

分為兩子層：應(yīng)用服務(wù)層(FMS)，用于為用戶提供服務(wù)；現(xiàn)場總線存取層(FAS)，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的連接用戶層

定義了從現(xiàn)場裝置中讀寫信息和向網(wǎng)絡(luò)中其他裝置分派信息的方法，即規(guī)定了供用戶組態(tài)的標準“功能模塊”現(xiàn)場總線概述1.2.1企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)直接面向生產(chǎn)過程，因此要求很高的實時性、可靠性、數(shù)據(jù)完整性和可用性；因此一般只包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層；要完成與上層工廠信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和傳遞；統(tǒng)一的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)應(yīng)具有三層結(jié)構(gòu)，從底向上依次是：過程控制層(PCS)、制造執(zhí)行層(MES)、企業(yè)資源規(guī)劃層(ERP)現(xiàn)場總線概述1.2.1企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)工業(yè)局域網(wǎng)企業(yè)網(wǎng)Internet過程控制層PCS制造執(zhí)行層MES企業(yè)資源規(guī)劃層ERP現(xiàn)場總線概述1.2.1企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)過程控制層依照現(xiàn)場總線的協(xié)議標準，智能設(shè)備采用功能塊的結(jié)構(gòu)，通過組態(tài)設(shè)計，完成數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、溫度壓力補償、PID控制等功能。智能轉(zhuǎn)換模塊對傳統(tǒng)檢測儀表的電流電壓進行數(shù)字轉(zhuǎn)換和補償。過程控制層的拓撲結(jié)構(gòu) 環(huán)形網(wǎng)：時延確定性好，重載時網(wǎng)絡(luò)效率高； 總線網(wǎng)：成本低，時延不確定，重載時效率低； 樹形網(wǎng)：可擴張性好，頻帶較寬，但節(jié)點間通信不便； 令牌總線網(wǎng)：物理上是總線網(wǎng)，邏輯上是令牌網(wǎng)?，F(xiàn)場總線概述1.2.1企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)制造執(zhí)行層從現(xiàn)場設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運行參數(shù)的監(jiān)測、報警和趨勢分析等功能，還包括控制組態(tài)的設(shè)計和下裝。通過總線接口轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)現(xiàn)場總線網(wǎng)段和以太網(wǎng)段的連接。企業(yè)資源規(guī)劃層 在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下構(gòu)建一個安全的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。 首先將中間監(jiān)控層的數(shù)據(jù)庫中的信息轉(zhuǎn)入上層關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，使遠程用戶能通過瀏覽器查詢網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)，對生產(chǎn)過程進行實時的遠程監(jiān)控； 對數(shù)據(jù)進行進一步的分析和整理，為相關(guān)的各種管理、經(jīng)營決策提供支持，實現(xiàn)管控一體化?，F(xiàn)場總線概述1.2.1企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線與數(shù)據(jù)局域網(wǎng)的區(qū)別用途不同 現(xiàn)場總線主要用于對生產(chǎn)、生活設(shè)備的控制； 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)主要用于通信、辦公，提供文字、聲音和圖像等數(shù)據(jù)信息。技術(shù)要求不同 現(xiàn)場總線要求具備高度的實時性、安全性和可靠性，網(wǎng)絡(luò)接口盡可能簡單，成本盡量降低，數(shù)據(jù)量一般較??； 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)則需要大批量數(shù)據(jù)傳輸和處理?，F(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線與管理信息網(wǎng)絡(luò)的特性比較特性現(xiàn)場總線管理信息網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視與控制能力強弱可靠性與故障容限高高實時響應(yīng)快中信息報文長度短長OSI相容性低中、高體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議復(fù)雜性低中、高通信功能級別中級大范圍通信速率低、中高抗干擾能力強中現(xiàn)場總線概述1.2.2現(xiàn)場總線與上層網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)第一種方式：采用專用網(wǎng)關(guān)完成不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，把現(xiàn)場總線網(wǎng)段或DCS網(wǎng)段連接到以太網(wǎng)上。第二種方式：將現(xiàn)場總線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)卡都置入工業(yè)PC機插槽上，在PC機內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。第三種方式：將Web服務(wù)器直接置入PLC或現(xiàn)場總線設(shè)備內(nèi)，借助Web服務(wù)器和通用瀏覽工具實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的動態(tài)交互?，F(xiàn)場總線概述采用專用網(wǎng)關(guān)現(xiàn)場總線概述將現(xiàn)場總線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)卡都置入工業(yè)PC機插槽上現(xiàn)場總線概述控制網(wǎng)絡(luò)的特點適應(yīng)工業(yè)控制應(yīng)用環(huán)境，要求實時性強，可靠性高，安全性好；網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖菧y控數(shù)據(jù)及其相關(guān)信息，短幀，傳輸速率低標準支持(國際、國家、地區(qū)、企業(yè)標準)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

介質(zhì)、拓撲結(jié)構(gòu)、節(jié)點數(shù)等網(wǎng)絡(luò)性能

傳輸速率、時間同步準確度、訪問控制方式等測控系統(tǒng)應(yīng)用考慮市場及其他因素1.2.3現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)集成應(yīng)考慮的因素現(xiàn)場總線概述1.3.1基金會現(xiàn)場總線(FF)1.3.2PROFIBUS1.3.3LonWorks1.3.4CAN1.3.5HART現(xiàn)場總線概述1.3現(xiàn)場總線簡介前身為以Fisher-Rousemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等公司的ISP協(xié)議，以及以Honeywell為首的WorldFIP協(xié)議，合并后成立現(xiàn)場總線基金會；以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，并增加用戶層；分低速H1(31.25Kbps,距離1900m)和高速H2(1Mbps,750m和2.5Mbps,500m)兩種通信速率；介質(zhì)支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，傳輸信號采用曼徹斯特編碼1.3.1基金會現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線概述德國國家標準和歐洲標準；參考模型也是ISO/OSI模型；由PROFIBUS-DP、-FMS和-PA組成；

PROFIBUS-DP型用于分散外設(shè)間的高速傳輸，適用于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用；

PROFIBUS-PA用于過程自動化。

PROFIBUS-FMS為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、PLC等一般自動化；傳輸速率為9.6Kbps-12Mbps，最大傳輸距離為9.6Kbps時1200m，1.5Mbps時200m，可用中繼器延長至10km，傳輸介質(zhì)為雙絞線、光纜。1.3.2Profibus現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線概述由美國Echelon公司和Motorola、Toshiba公司倡導(dǎo)；采用ISO/OSI模型的全部七層協(xié)議；通信速率300bps-1.5Mbps，支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻等多種介質(zhì)；采用Neuron芯片，包含3片8位CPU，分別完成1-2層、3-6層協(xié)議和應(yīng)用處理；鼓勵OEM開發(fā)商運用LonWorks和神經(jīng)元芯片開發(fā)自己的應(yīng)用產(chǎn)品。1.3.3LonWorks現(xiàn)場總線概述是控制器局域網(wǎng)的簡稱，由德國BOSCH公司提出，得到Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司支持；采用ISO/OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層；通信速率最高1Mbps/40m，傳輸介質(zhì)為雙絞線；采用短幀結(jié)構(gòu)傳輸，傳輸時間短，受干擾的概率低；1.3.4CAN現(xiàn)場總線概述是HighwayAddressableRemoteTransducer的縮寫，即可尋址遠程傳感高速通道。由Rosemount公司提出，并于1993年成立HART通信基金會；特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的工業(yè)過程控制的過渡性產(chǎn)品；由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層組成。物理層采用FSK(頻移鍵控)技術(shù)在4-20mA信號上疊加一個頻率信號，代表0和1；支持點對點主從應(yīng)答方式和多點廣播方式，數(shù)據(jù)更新速率為2-3次/秒，傳輸距離最大3000m1.3.5HART現(xiàn)場總線概述以太網(wǎng)通信特性以太網(wǎng)通信特性負荷越小，碰撞越少負荷在10%左右時，基本無碰撞負荷在25%以下時，以太網(wǎng)的通信響應(yīng)時間明顯短于令牌網(wǎng)（如ARCnet）現(xiàn)場總線概述一般商用環(huán)境下的以太網(wǎng)負荷瞬時流量變化大，無法預(yù)測網(wǎng)絡(luò)負荷波動大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點越多，碰撞越頻繁

因此在商用環(huán)境下，無通信響應(yīng)實時性可言現(xiàn)場總線概述工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信特點傳輸?shù)男畔⒘可?，信息長度都比較小周期性信息較多測量、控制信息非周期性信息較少用戶操作指令、組態(tài)信息、診斷信息等等報警等突發(fā)性事件信息需要傳輸?shù)男畔⑸倬W(wǎng)絡(luò)負荷較為平穩(wěn)信息流向具有明顯的方向性節(jié)點數(shù)少現(xiàn)場總線概述今天的以太網(wǎng)優(yōu)勢昨天的以太網(wǎng)今天的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲總線型星型、總線型集線器共享式交換式通信速率幾M10、100、1000M、……傳輸介質(zhì)粗同軸電纜光纖、粗纜、細纜、雙絞線通信方式半雙工半雙工、全雙工芯片成本高于$1000十幾人民幣芯片應(yīng)用環(huán)境商業(yè)級工業(yè)級芯片已有問世應(yīng)用商業(yè)終端幾乎所有領(lǐng)域軟硬件資源有限豐富被認知程度不熟悉非常熟悉、幾乎無需培訓(xùn)現(xiàn)場總線概述以太網(wǎng)完全能滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信實時性要求以太網(wǎng)具有ARCnet等專用網(wǎng)絡(luò)所無法比擬的優(yōu)勢：技術(shù)通用，與信息網(wǎng)絡(luò)IT技術(shù)兼容價格低廉供應(yīng)方便培訓(xùn)、維護簡單與令牌網(wǎng)相比，以太網(wǎng)的優(yōu)勢現(xiàn)場總線概述什么是工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)上，工業(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)（即ISO/IEC8802;IEC61784-1;IEEEStd1588:2002;IEEE802.1D&Q標準）標準兼容應(yīng)用在工業(yè)自動化環(huán)境（主要指生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境）必須滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信的需求將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于控制器間、甚至是現(xiàn)場設(shè)備間的工業(yè)通信支持現(xiàn)場區(qū)域的Internet能力，但必須滿足現(xiàn)場區(qū)域的工業(yè)通信自動化網(wǎng)絡(luò)的以下特征實時性，即時間確定性通信；現(xiàn)場設(shè)備（如驅(qū)動器）時間同步的行為充分而頻繁的交換非常小的數(shù)據(jù)記錄現(xiàn)場總線概述工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)要求（1）具有較好的響應(yīng)實時性工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不僅要求傳輸速度快，而且在工業(yè)自動化控制中還要求響應(yīng)快，即響應(yīng)實時性要好，一般為為毫秒~0.1秒級（2）容錯性要求在網(wǎng)絡(luò)局部鏈路出現(xiàn)故障的情況下，能在很短的時間內(nèi)重新建立新的網(wǎng)絡(luò)鏈路（3）力求簡潔以減小軟硬件開銷，從而減低設(shè)備成本，同時也可以提高系統(tǒng)的健壯性（4）開放性要好工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)盡量不要采用專用網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線概述需要解決的關(guān)鍵技術(shù)通信實時性技術(shù)總線供電技術(shù)互可操作技術(shù)遠距離傳輸技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)可靠性與抗干擾技術(shù)本質(zhì)安全……現(xiàn)場總線概述國家“863”計劃組織攻關(guān)情況一個重點課題“基于高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場總線控制設(shè)備”（編號：2001AA413010）承擔(dān)單位：浙江大學(xué)參加單位：浙大中控、中科院沈陽自動化所、大連理工大學(xué)、清華大學(xué)二個面上課題“現(xiàn)場級無線以太網(wǎng)協(xié)議研究及設(shè)備開發(fā)”（編號：2001AA413610）承