《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課件第9章 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)

第9章工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)9.1集散控制系統(tǒng)9.2現(xiàn)場(chǎng)總線概述9.3五種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線9.4OSI參考模型與現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型9.5FF現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)9.6現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)9.1集散控制系統(tǒng)概述

集散控制系統(tǒng)(DCS)，亦稱分散型控制系統(tǒng)或分散型綜合控制系統(tǒng)(TDCS)。它是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、CRT顯示技術(shù)和過(guò)程控制技術(shù)的新型控制系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)原則是控制分散、操作集中、危險(xiǎn)分散、管理集中、分級(jí)管理、分而自治。集散控制系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、功能完備、應(yīng)用靈活、操作方便、運(yùn)行可靠等多方面顯著特點(diǎn)，為計(jì)算機(jī)控制開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域，并得到了越來(lái)越普遍的應(yīng)用。9.1.1集散控制系統(tǒng)的產(chǎn)生利用常規(guī)模擬儀表組成的控制系統(tǒng)，雖然具有高可靠性、低成本等優(yōu)點(diǎn)，但是隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益大型化、復(fù)雜化，它的局限性越來(lái)越明顯，主要表現(xiàn)在：不易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律，不易實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視和操作，不易組成分級(jí)控制的通信聯(lián)系等。

為了克服模擬控制儀表的上述缺點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，從20世紀(jì)五六十年代開(kāi)始，出現(xiàn)了兩類計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制(DDC,DirectDiGitalControl)和監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制(SCC,SupervisoryComputerControl)系統(tǒng)。所謂DDC系統(tǒng),就是使用一臺(tái)DDC主計(jì)算機(jī)代替多臺(tái)模擬調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)過(guò)程參數(shù)值的控制；而SCC系統(tǒng)則是由SCC主計(jì)算機(jī)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及其他參數(shù)，按一定規(guī)律自動(dòng)改變模擬調(diào)節(jié)器或DDC系統(tǒng)的給定值，使生產(chǎn)過(guò)程處于最優(yōu)工作狀態(tài)。以上兩種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理如圖9―1、圖9―2所示。

圖9―1DDC系統(tǒng)原理框圖圖9―2SCC系統(tǒng)原理框圖

它們雖然具有易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜規(guī)律，易于通信，易于實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視以及操作、控制精度高等顯著優(yōu)點(diǎn)，但由于它們還屬于“集中型”系統(tǒng)，一臺(tái)計(jì)算機(jī)要控制幾十甚至幾百個(gè)回路，同時(shí)保存并處理著整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的全部信息，所以存在著危險(xiǎn)集中的嚴(yán)重問(wèn)題，一旦主機(jī)發(fā)生故障，必將影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，甚至造成癱瘓事故發(fā)生。70年代中期開(kāi)始出現(xiàn)的集散控制系統(tǒng)，以美國(guó)霍尼維爾公司的TDC―2000和日本橫河公司的CENTUM系統(tǒng)為典型代表，開(kāi)始了分級(jí)分布系統(tǒng)在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域中的應(yīng)用。這一類系統(tǒng)從計(jì)算機(jī)控制角度講，屬于分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(DCCS，DistributedComputerControlSystem)；從控制與管理的角度講，它們是一類分散型綜合控制系統(tǒng)(TDCS，TotalDistributedControlSystem)，

簡(jiǎn)稱集散系統(tǒng)(DCS，DistributedControlSystem)；從其本質(zhì)和內(nèi)部機(jī)理上講，是以微處理機(jī)為核心的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；從其外部構(gòu)成方式和應(yīng)用角度上講，它類似于單元組合式儀表控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)的組態(tài)及擴(kuò)展都十分容易。

集散系統(tǒng)在功能上真正實(shí)現(xiàn)了管理集中和控制分散，既實(shí)現(xiàn)了操作、管理和監(jiān)視的縱向分級(jí)集中，又實(shí)現(xiàn)了控制、危險(xiǎn)的橫向分散，從根本上提高了系統(tǒng)的可靠性。DCS系統(tǒng)是目前公認(rèn)的最理想的工業(yè)控制系統(tǒng)之一，在國(guó)內(nèi)外冶金、電力、石油、化工、建筑等工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。至今全球DCS系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家近百個(gè)，表9―1、表9―2中所列為一些典型產(chǎn)品。表9―1國(guó)外DCS系統(tǒng)典型產(chǎn)品表9―2部分國(guó)產(chǎn)DCS系統(tǒng)9.1.2集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)自1975年第一套集散系統(tǒng)TDC―2000誕生至今，隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，集散系統(tǒng)的能力與結(jié)構(gòu)也在不斷地發(fā)展與變化，其中大體經(jīng)歷了三個(gè)階段。

1.第一代集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)第一代集散系統(tǒng)始于1975年，其基本結(jié)構(gòu)如圖9―3所示，主要由5大部分組成。圖9―3第一代集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)(1)現(xiàn)場(chǎng)控制站：亦稱過(guò)程控制單元(PCU)、現(xiàn)場(chǎng)控制單元(FCU)或基本控制器(BC)。它是集散系統(tǒng)的基本部件，一般由微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器(RAM、ROM)、模擬量和數(shù)字量I/O接口、電源、通信接口及內(nèi)部總線組成。通常有十幾到幾十種標(biāo)準(zhǔn)控制算法固化在ROM中，供組態(tài)時(shí)選用。第一代PCU主要完成對(duì)一個(gè)或多個(gè)回路的控制功能，它使集散系統(tǒng)獲得了分散控制的能力。(2)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視站：亦稱過(guò)程接口單元(PIU)、數(shù)據(jù)采集單元(DAU)或現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視單元。其主要作用是采集及處理非控制參數(shù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)通道將采集到的數(shù)據(jù)送到操作站和上位機(jī)。它使集散系統(tǒng)獲得了分散數(shù)據(jù)采集與處理的能力。有些系統(tǒng)將PCU和DAU放在一個(gè)單元中。(3)CRT操作站：它是系統(tǒng)中最主要的人機(jī)接口，主要由微處理器、存儲(chǔ)器、CRT顯示器、操作鍵盤(pán)及打印機(jī)組成，主要完成以系統(tǒng)生成、維護(hù)為主的工程功能，以監(jiān)視、運(yùn)行、維護(hù)為主的操作功能，以及與PCU和上位機(jī)交換信息的通信功能。

(4)監(jiān)控計(jì)算機(jī)：它是系統(tǒng)的主計(jì)算機(jī)，亦稱上位機(jī)(HiGhLevelComputer)，能綜合處理和管理整個(gè)系統(tǒng)的信息。(5)高速數(shù)據(jù)通道(DHW，DataHiGhWay)：亦稱數(shù)據(jù)高速公路或總線，是系統(tǒng)的通信命脈，一般由通信電纜和高速通道控制器(HTD，HiGhWayTrafficDirector)組成。PCU、DAU、CRT、上位機(jī)等之間的信息交換均由HTD控制，通過(guò)DHW進(jìn)行?？傊?，第一代集散系統(tǒng)主要是為克服集中式計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)的不足而產(chǎn)生的，因此其主要的技術(shù)特征體現(xiàn)在分散控制上。其集中顯示和操作比計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)更復(fù)雜也更先進(jìn)。但由分散控制而引入的數(shù)據(jù)通信手段則處于較低級(jí)階段。

第一代集散系統(tǒng)的典型產(chǎn)品有：美國(guó)霍尼維爾公司的TDC―2000(TotalDistributedControl)、泰勒公司的MODⅢ、貝利公司的Network―90，過(guò)程系統(tǒng)有限公司的MICON、福克斯波羅公司的Spectrum，日本東芝公司的TOSDIC、日立公司的UNITROLΣ、橫河公司的CENTUM和英國(guó)肯特公司的P―4000等。2.第二代集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)80年代始，由于大規(guī)模集成電路及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了集散系統(tǒng)的發(fā)展，使其在性能和規(guī)模上都有所進(jìn)步，從而形成了第二代集散系統(tǒng)。第二代集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖9―4所示，其主要結(jié)構(gòu)特征是以局部網(wǎng)絡(luò)為主干，系統(tǒng)中各單元都看作是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作站。局部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)又可掛接橋和網(wǎng)間連接器與同網(wǎng)或異網(wǎng)連接。因此，第一代系統(tǒng)不過(guò)是通過(guò)橋或網(wǎng)間連接器接入第二代系統(tǒng)局部網(wǎng)絡(luò)上的子系統(tǒng)。

圖9―4第二代集散系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

第二代集散系統(tǒng)的主要組成部分如下：

(1)局部網(wǎng)絡(luò)：又稱局域網(wǎng)(LAN)。它由傳輸介質(zhì)(如同軸電纜、雙絞線或光導(dǎo)纖維等)和節(jié)點(diǎn)組成。網(wǎng)絡(luò)通信功能有較復(fù)雜的機(jī)制，各公司產(chǎn)品局部網(wǎng)的取名也有所不同，如霍尼維爾公司的TDC―3000系統(tǒng)取名為局部控制網(wǎng)絡(luò)，橫河公司的NEWCENTUM系統(tǒng)取名為HF總線。另外，各公司局部網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及通信協(xié)議也不盡相同。(2)節(jié)點(diǎn)工作站:從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度上講，局域網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)都可稱為工作站，而這里是特指過(guò)程控制站。第二代集散系統(tǒng)的控制站是在第一代集散系統(tǒng)的控制單元基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，具有更完善的控制功能和通信功能。

(3)中央操作站:它由微機(jī)、顯示器、鍵盤(pán)、打印機(jī)等組成，是全系統(tǒng)的人機(jī)接口，可完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的信息進(jìn)行綜合、管理。(4)系統(tǒng)管理站：亦稱系統(tǒng)管理模件(SMM，SystemManaGementModule)。為了加強(qiáng)全系統(tǒng)的管理功能，有些集散系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中加上了專門(mén)用來(lái)配合主計(jì)算機(jī)和中央操作站進(jìn)行系統(tǒng)管理的系統(tǒng)管理模件，如歷史模件(HM，HistoryModule)、應(yīng)用模件(AM，ApplicationModule)，計(jì)算模件(CM，CaculateModule)等，未采用硬件系統(tǒng)管理單元的第二代集散系統(tǒng)一般應(yīng)用高性能管理軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)同樣功能。(5)主計(jì)算機(jī):亦稱管理計(jì)算機(jī)。它應(yīng)是具有較強(qiáng)運(yùn)算和管理功能的計(jì)算機(jī)，一般為小型機(jī)。無(wú)主機(jī)集散系統(tǒng)則應(yīng)該加強(qiáng)中央操作站與節(jié)點(diǎn)工作站功能。

(6)網(wǎng)間連接器:亦稱門(mén)路(GW,GateWay)，它是LAN與其他子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(如第一代集散系統(tǒng)的DHW)或其他工業(yè)網(wǎng)絡(luò)(如可編程控制器PLC網(wǎng)絡(luò))的接口裝置，起著通信接轉(zhuǎn)器、協(xié)議翻譯及系統(tǒng)擴(kuò)展器的作用。

第二代集散系統(tǒng)是應(yīng)市場(chǎng)要求而產(chǎn)生的，20世紀(jì)70年代以來(lái)，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)飛速發(fā)展，世界市場(chǎng)上產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)激烈，迫使生產(chǎn)廠家必須提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，因此，必須實(shí)現(xiàn)全面的優(yōu)化管理。局部網(wǎng)及各種管理模件等正是為適應(yīng)這方面要求而引入的。同樣，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致了生產(chǎn)周期變短，生產(chǎn)品種變換頻繁，工藝過(guò)程變化大，這就要求控制系統(tǒng)不僅要有完善的連續(xù)控制和順序控制功能，還必須增強(qiáng)批量控制功能。這就形成了第二代集散系統(tǒng)的主要技術(shù)特征：引入局部網(wǎng)和管理模件；引入或加強(qiáng)了批量控制功能。

第二代集散系統(tǒng)的典型代表有：霍尼維爾公司的TDC―3000，東芝公司的TOSDICADVANCEDSYSTEM，泰勒公司的MOD―3000，貝利公司的第二代Network―90，利茲公司的MAX1等。3.第三代集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特別是局部網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展帶動(dòng)了集散系統(tǒng)的進(jìn)步，第三代集散系統(tǒng)的主要變化是在局部網(wǎng)絡(luò)中采用了MAP(ManufactuinGautomationProtocal，制造自動(dòng)化協(xié)議)，從而解決了第二代集散系統(tǒng)各公司產(chǎn)品相互不能兼容的缺點(diǎn)。第三代集散系統(tǒng)的另一進(jìn)展是系統(tǒng)的智能化進(jìn)一步向現(xiàn)場(chǎng)延伸，采用了智能變送器(SmartTransmitter)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(FB，F(xiàn)ieldbus)與PCU或LAN的節(jié)點(diǎn)相連。由于工業(yè)局部網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議尚未完全成熟，因此第三代集散系統(tǒng)仍處在發(fā)展初期，其基本結(jié)構(gòu)如圖9―5所示。

圖9―5第三代集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)4.集成式集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)近年來(lái)，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)了系統(tǒng)集成的新概念。這個(gè)概念是由從事計(jì)算機(jī)及應(yīng)用技術(shù)的研究人員提出的。系統(tǒng)集成就是將以微處理器為基礎(chǔ)的各類數(shù)字設(shè)備(如PCU、DAU、CRT、GW等)統(tǒng)一連接在數(shù)據(jù)總線DHW或局部網(wǎng)絡(luò)LAN上，構(gòu)成所謂的集成式分散系統(tǒng)(IDS，InteGratedDistributedSystem)。微處理、智能儀表及通信技術(shù)的發(fā)展，使這種系統(tǒng)成為可能。在國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了許多專營(yíng)IDS系統(tǒng)的公司。IDS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖9―6所示。圖中橋用來(lái)連接同類網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)間連接器ＧW用來(lái)連接不同類型的網(wǎng)絡(luò)，以便對(duì)IDS擴(kuò)展PIU(ProcessInterfaceUnit)過(guò)程接口單元。圖9―6集成式集散系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)9.1.3集散系統(tǒng)的特點(diǎn)集散系統(tǒng)之所以能有較快的發(fā)展，是與其所具有的特點(diǎn)分不開(kāi)的。與其他計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相比較，集散系統(tǒng)主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了分級(jí)分散控制?？v向分級(jí)便于生產(chǎn)過(guò)程的集中監(jiān)視、操作和管理，橫向分散，提高了系統(tǒng)的可靠性。

(2)完善了系統(tǒng)功能。由于采用了高性能的上位機(jī)，使系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制功能和決策管理功能。(3)系統(tǒng)構(gòu)成方式簡(jiǎn)便。硬件積木化，軟件模塊化，應(yīng)用靈活，擴(kuò)展方便，通過(guò)連接部件還可以與其他同類或不同類系統(tǒng)連接，方便了用戶，提高了效率。

(4)應(yīng)用了局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。由此可以實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的信息綜合利用，資源共享，相互協(xié)調(diào)。

(5)獲得了很高的可靠性。通過(guò)系統(tǒng)的分散結(jié)構(gòu)特征，使用冗余技術(shù)、自診斷技術(shù)和可靠性元器件等手段，使系統(tǒng)得到了極高的可靠性。其中利用率可達(dá)99.9999%，平均無(wú)故障時(shí)間可大于50000h。9.1.4集散系統(tǒng)的發(fā)展方向與趨勢(shì)集散系統(tǒng)是隨著4C技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，因此隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著工業(yè)控制領(lǐng)域市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)與要求，集散系統(tǒng)的性能指標(biāo)及性能價(jià)格比將進(jìn)一步提高。根據(jù)目前的發(fā)展趨勢(shì)，系統(tǒng)近期將著重在以下幾個(gè)方面得到改進(jìn)和完善：

(1)操作性能進(jìn)一步提高，操作、管理、組態(tài)、開(kāi)發(fā)將更加方便。軟件更加豐富，各種高性能的控制管理軟件，特別是人工智能專家系統(tǒng)，如人工智能(AI，ArtificialIntelliGence)在集散控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。(2)加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一通信規(guī)程，加上現(xiàn)場(chǎng)總線的規(guī)格化，系統(tǒng)硬件、軟件的標(biāo)準(zhǔn)化，形成開(kāi)放型的集散系統(tǒng)。另外，網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用也會(huì)使集成式集散系統(tǒng)得到發(fā)展。

(3)系統(tǒng)規(guī)模在向大的方向發(fā)展的同時(shí)也向小規(guī)模系統(tǒng)發(fā)展。基本控制單元也將向小回路甚至單回路的方向發(fā)展?？删幊炭刂破鞒蔀榧⑾到y(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)?？傊?，集散系統(tǒng)的出現(xiàn)給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)許多好處，但事物總是要發(fā)展的。這里介紹繼集散系統(tǒng)后的新的控制網(wǎng)絡(luò)——現(xiàn)場(chǎng)總線，它比集散系統(tǒng)有更廣闊的應(yīng)用前景。

9.2現(xiàn)場(chǎng)總線概述

現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線,它主要解決現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備與高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題。由于現(xiàn)場(chǎng)總線具有簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，因而成為當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。它的出現(xiàn)標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)始，并將對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。9.2.1現(xiàn)場(chǎng)總線的含義根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC(InternationalElectrotechnicalCommission)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)FF(FieldbusFoundation)的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線是指連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的含義表現(xiàn)在以下五個(gè)方面。1.現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)的分散型控制系統(tǒng)(DCS,DistributedControlSystem)的通信網(wǎng)絡(luò)截止于控制站或輸入輸出單元，現(xiàn)場(chǎng)儀表仍然是一對(duì)一模擬信號(hào)傳輸，如圖9―7所示?，F(xiàn)場(chǎng)總線是用于過(guò)程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互連的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，把通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或生產(chǎn)設(shè)備，如圖9―8所示。圖中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表是指?jìng)鞲衅?、變送器或?zhí)行器等，這些設(shè)備通過(guò)一對(duì)傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜和光纜等。圖9―7傳統(tǒng)DCS控制層圖9―8第一代FCS控制層2.互操作性互操作性的含義是來(lái)自不同制造廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，不僅可以相互通信，而且可以統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需的控制回路，共同實(shí)現(xiàn)控制策略。也就是說(shuō)，用戶選用各種品牌的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備集成在一起，實(shí)現(xiàn)“即接即用”?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連是基本要求，只有實(shí)現(xiàn)操作性，用戶才能自由地集成FCS(FieldControlSystem)。3.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給現(xiàn)場(chǎng)儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。例如，流量變送器不僅具有流量信號(hào)變換、補(bǔ)償和累加輸入功能塊，而且PID有控制和運(yùn)算功能塊；調(diào)節(jié)閥除了具有信號(hào)驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行功能外，還內(nèi)含輸出特性補(bǔ)償功能塊、PID控制和運(yùn)算功能塊，甚至有閥門(mén)特性自校驗(yàn)和自診斷功能。

由于功能塊分散在多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表中，并可以統(tǒng)一組態(tài)，因此用戶可以靈活選用各種功能塊，構(gòu)成所需要的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制，如圖9―9所示。其中差壓變送器含有模擬量輸入功能塊(AI110)，調(diào)節(jié)閥含有PID控制功能塊(PID110)及模擬量輸出功能塊(AO110)，這3個(gè)功能塊構(gòu)成流量控制回路。圖9―9現(xiàn)場(chǎng)總線的分散功能4.通信線供電現(xiàn)場(chǎng)總線的常用傳輸是雙絞線，通信線供電方式允許現(xiàn)場(chǎng)儀表直接從通信線上攝取能量，這種低功耗現(xiàn)場(chǎng)儀表可以用于本質(zhì)安全環(huán)境，與其配套的還有安全柵。有的企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有可燃性物質(zhì)，所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備必須嚴(yán)格遵循安全防爆標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)總線也不例外。5.開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)互連現(xiàn)場(chǎng)總線為開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)，既可與同類網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同類網(wǎng)絡(luò)互連。開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)還體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)共享，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，天衣無(wú)縫地把不同廠商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。9.2.2現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域的變革

1.現(xiàn)場(chǎng)總線給當(dāng)今的自動(dòng)化領(lǐng)域帶來(lái)的變革現(xiàn)場(chǎng)總線是用于工業(yè)控制的新型系統(tǒng)。它有如下特點(diǎn)：

(1)用一對(duì)通信線連接多臺(tái)數(shù)字儀表取代一對(duì)信號(hào)線只能連接一臺(tái)儀表。

(2)用多變量、雙向、數(shù)字通信方式取代單變量、單向、模擬傳輸方式。

(3)用多功能的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字儀表取代單功能的現(xiàn)場(chǎng)模擬儀表。

(4)用分散式的虛擬控制站代替集中式控制站。

(5)用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散控制系統(tǒng)DCS。

(6)變革傳統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、通信標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

(7)變革傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法和安裝調(diào)試方法。自動(dòng)化領(lǐng)域的這場(chǎng)變革，其深度和廣度都將超過(guò)歷史上任何一次，必將開(kāi)創(chuàng)自動(dòng)化控制的新紀(jì)元。2.FCS對(duì)ＤＣS的變革

FCS對(duì)DCS的變革表現(xiàn)在：

(1)FCS的信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化，從最底層的傳感器和執(zhí)行器就采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，逐層向上直至最高層均為通信網(wǎng)絡(luò)互連。

(2)圖9―8所示的FCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為全分散式，它廢棄了圖9―7所示的DCS的輸入/輸出單元和控制站，由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表取而代之，即把DCS控制站的功能化整為零，分散地分配給現(xiàn)場(chǎng)儀表，從而構(gòu)成了虛擬控制站，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。(3)FCS的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有互操作性，徹底改變了傳統(tǒng)DCS控制層的封閉性和專用性，使不同廠商的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備既可互連也可互換，還可統(tǒng)一組態(tài)。

(4)FCS的通信網(wǎng)絡(luò)為開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)，用戶可非常方便地共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，使同層網(wǎng)絡(luò)可以互連，也可以使不同網(wǎng)絡(luò)互連。

(5)FCS

的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了全開(kāi)放，無(wú)專利許可要求，可供任何人使用?，F(xiàn)場(chǎng)總線開(kāi)發(fā)者只需致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放系統(tǒng)。9.2.3現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)生的原因現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域中傳統(tǒng)的模擬儀表分散控制系統(tǒng)DCS的變革，是在分析、比較模擬儀表和現(xiàn)場(chǎng)總線利弊的基礎(chǔ)之上產(chǎn)生的。

1.模擬儀表的缺點(diǎn)模擬儀表有以下缺點(diǎn)：

(1)一對(duì)一結(jié)構(gòu)。一對(duì)傳輸線，一臺(tái)儀表，單向傳輸一個(gè)信號(hào)，如圖9―7所示。

(2)可靠性差。模擬信號(hào)傳輸不僅精度低，而且易受干擾。(3)失控狀態(tài)。操作員在控制室既不了解現(xiàn)場(chǎng)模擬儀表工作狀況，也不能對(duì)其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,更不能預(yù)測(cè)故障，導(dǎo)致操作員對(duì)其處于“失控”狀態(tài)。

(4)互換性差。盡管模擬儀表統(tǒng)一了信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)4~20mA(DC)，可是大部分技術(shù)參數(shù)仍由制造廠自定，致使不同品牌的儀表無(wú)法互換。2.現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)一對(duì)N結(jié)構(gòu)。一對(duì)傳輸線，N臺(tái)儀表，雙向傳輸多個(gè)信號(hào)，如圖9―8所示。

(2)可靠性高。由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化,與模擬信號(hào)相比，它從根本上提高了測(cè)控精度，減少了傳輸誤差。同時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能的加強(qiáng)，減少了信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的可靠性。(3)可控狀態(tài)。操作員在控制室既可了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表的工作狀況，也能對(duì)其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，還可預(yù)測(cè)或診斷故障，始終處于操作員的遠(yuǎn)程監(jiān)視與可控狀態(tài)。

(4)互可操作性與互換性?；タ刹僮餍允侵笇?shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳遞與溝通；而互換性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)相互替換。(5)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性。它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備就可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

(6)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分散型控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。(7)系統(tǒng)的開(kāi)放性。開(kāi)放是指對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開(kāi)性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。開(kāi)放系統(tǒng)是指它可以與世界上任何地方遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備或系統(tǒng)連接。通信協(xié)議一致公開(kāi)，各不同廠家的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換。另外，由于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)都體現(xiàn)出優(yōu)越性。3.微處理器技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表就是一臺(tái)微處理器，既有CPU、內(nèi)存和通信等數(shù)字信號(hào)處理，又有非電量信號(hào)檢測(cè)、變換和放大等模擬信號(hào)處理。由于必須把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，而且工作環(huán)境十分惡劣，對(duì)于易燃易爆場(chǎng)所，必須提供總線供電的本質(zhì)安全。這勢(shì)必要求微處理器體積小、功能全、性能好、可靠性高、耗電少。另外，現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)分布于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成虛擬控制站，這就要求采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和分布式的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。9.2.4現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展過(guò)程在20世紀(jì)80年代中期，國(guó)外就提出了現(xiàn)場(chǎng)總線，但研究工作進(jìn)展緩慢，且沒(méi)有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)可以遵循。許多國(guó)際組織對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)化做了不少工作，下面簡(jiǎn)述部分國(guó)際組織研究現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)化工作，以便了解現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展的過(guò)程。1984年，美國(guó)儀表協(xié)會(huì)(ISA)下屬的標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施工作組中的ISA/SP50開(kāi)始制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)；1985年，國(guó)際電工委員會(huì)決定由ProwayWorkinGGroup負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)的研究制定工作；1986年，德國(guó)開(kāi)始制定過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線(ProcessFieldbus)標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱為PROFIBUS，由此拉開(kāi)了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的序幕。1992年，Siemens、Rosemount、ABB、Foxboro、YokoGawa等80家公司聯(lián)合成立了ISP(InteroperableSystemProtocol)組織，并著手在PROFIBUS的基礎(chǔ)上制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。1993年，以Honeywell、Bailey等公司為首，成立了WorldFIP組織，有120多個(gè)公司加盟該組織，并以法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)FIP為基礎(chǔ)制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)各大公司均已清醒地認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)該有一個(gè)統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)勢(shì)在必行。但總線標(biāo)準(zhǔn)的制定工作并非一帆風(fēng)順，由于行業(yè)和地域發(fā)展歷史等原因，加之各公司和企業(yè)集團(tuán)受自身商業(yè)利益的驅(qū)使，致使總線的標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)展緩慢。1994年，ISP和WorldFIP北美部分合并，成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(FieldbusFoundation，簡(jiǎn)稱FF)，推動(dòng)了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的制定和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，并于1996年第一季度頒布了低速總線H1的標(biāo)準(zhǔn)，安裝了示范系統(tǒng)，將不同廠商的符合FF規(guī)范的儀表互連為控制系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)，使H1低速總線開(kāi)始步入實(shí)用階段。

另外，值得一提的是HART(HiGhwayAddressableRemoteTransducer，可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速公路)協(xié)議，它最初由美國(guó)Rosemount公司開(kāi)發(fā)，已應(yīng)用38年。HART協(xié)議作為一個(gè)公開(kāi)性協(xié)議，已有70多家公司支持并使用，如E+H、MooreProducts、Allen―Bradley、Siemens、Fisher―Rosemount、SMAR公司等，并成立專門(mén)機(jī)構(gòu)發(fā)展HART協(xié)議，從事互可操作性及標(biāo)準(zhǔn)化工作，以前是HUG(HARTUserGroup)，現(xiàn)在由HCF(HARTCommunicationFoundation，1993年成立)接替。HART協(xié)議的特點(diǎn)是具有與現(xiàn)場(chǎng)總線類似的體系結(jié)構(gòu)，具有總線式數(shù)字通信，兼容現(xiàn)存的4~20mA模擬系統(tǒng)，是從模擬系統(tǒng)向現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)渡的一塊墊腳石。HART通信是在模擬信號(hào)上疊加FSK數(shù)字信號(hào)，使模擬與數(shù)字可同時(shí)通信，可在一根雙絞線上連接多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，構(gòu)成多站網(wǎng)絡(luò)。HART協(xié)議被認(rèn)為是事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但它并不是現(xiàn)場(chǎng)總線，是一個(gè)過(guò)渡性協(xié)議。

與此同時(shí)，在不同行業(yè)還陸續(xù)派生出一些有影響的總線標(biāo)準(zhǔn)。它們大都是在公司標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上逐漸形成，并得到其他公司、廠商、用戶以至于國(guó)際組織的支持的。大千世界，眾多行業(yè)，需求各異，加上要考慮已有各種總線產(chǎn)品的投資效益和各公司的商業(yè)利益，預(yù)計(jì)在今后的一段時(shí)間內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)幾種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連通信的局面，但發(fā)展統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范形成開(kāi)放互連系統(tǒng)是大勢(shì)所趨。

9.2.5現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)備分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和開(kāi)發(fā)設(shè)備兩類，設(shè)備名稱及類型隨總線及應(yīng)用而定。本節(jié)以用于過(guò)程自動(dòng)化的基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF)為例，對(duì)其加以說(shuō)明。

1.現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

FF現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有變送器、執(zhí)行器、終端器、電源、本質(zhì)安全柵、中繼器、網(wǎng)橋和操作站等。常用的變送器有溫度、壓力、流量、料位和分析五大類，每類又有多個(gè)品種。變送器既有監(jiān)測(cè)、變換和補(bǔ)償功能，又有PID控制和運(yùn)算功能。

常用的執(zhí)行器有電動(dòng)、氣動(dòng)兩大類，每類又有多個(gè)品種。執(zhí)行器的基本功能是信號(hào)驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行，還內(nèi)含調(diào)節(jié)閥輸出特性補(bǔ)償、PID控制和運(yùn)算等功能，另外有閥門(mén)特性自校驗(yàn)和自診斷功能。終端器使用在傳輸電纜始末端的阻抗匹配器，每條總線只需兩個(gè)終端器。終端器可防止信號(hào)失真和衰減。2.開(kāi)發(fā)設(shè)備

FF開(kāi)發(fā)設(shè)備有專用集成電路(ASIC)、通信棧軟件、DD軟件、開(kāi)發(fā)和維護(hù)工具等?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備因其種類繁多，用戶量大，所以由各廠商分別供應(yīng)，需單獨(dú)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(FF)和Fraunhofer研究所進(jìn)行一致性測(cè)試和互操作性測(cè)試，最終由FF發(fā)給產(chǎn)品注冊(cè)商標(biāo)，并定期發(fā)行產(chǎn)品目錄。9.3五種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線

自20世紀(jì)80年代末以來(lái)，有幾種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已逐漸產(chǎn)生影響，并在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域顯示了自己的優(yōu)勢(shì)和較強(qiáng)的生命力。目前較為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線主要有以下五種：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF、局部操作網(wǎng)絡(luò)LONWORKS、過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS、控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN、可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路HART。9.3.1FF(FoundationFieldbus)FF基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線是在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)，它以ISO/OSI開(kāi)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)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。用戶層主要針對(duì)自動(dòng)化測(cè)控應(yīng)用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè)備描述語(yǔ)言規(guī)定了通用的功能塊集。FF基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25kb/s，通信距離可達(dá)1900m(可加中繼器延長(zhǎng))，可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境；H2的傳輸速率為1Mb/s和2.5Mb/s兩種，其通信距離分別為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、光纜和無(wú)線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158―2標(biāo)準(zhǔn)。其物理介質(zhì)的傳輸信號(hào)采用曼徹斯特編碼。FF的主要技術(shù)內(nèi)容包括:FF通信協(xié)議；用于完成開(kāi)放互連模型中第2~7層通信協(xié)議的通信棧(CommunicationStack)；用于描述設(shè)備特征、參數(shù)、屬性及操作接口的DDL設(shè)備描述語(yǔ)言、設(shè)備描述字典；用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量、控制、工程量轉(zhuǎn)換等應(yīng)用功能的功能塊；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)以及購(gòu)成集成自動(dòng)化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)。

9.3.2LONWORKS(LocalOperatingNetworks)LONWORKS局部操作網(wǎng)絡(luò)是又一具有強(qiáng)勁實(shí)力的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。它采用了ISO/OSI模型的全部七層通信協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，其通信速率從300b/s至1.5Mb/s不等，直接通信距離可達(dá)2700m(78kb/s，雙絞線)；支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質(zhì)，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的本質(zhì)防爆安全產(chǎn)品，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。LONWORKS技術(shù)所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為Neuron的神經(jīng)元中而得以實(shí)現(xiàn)。集成芯片中有3個(gè)8位CPU：一個(gè)用于完成開(kāi)放互連模型中第1和第2層的功能，稱為介質(zhì)訪問(wèn)控制器，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問(wèn)控制與處理；第二個(gè)用于完成第3~6層的功能，稱為網(wǎng)絡(luò)處理器，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量的尋址、處理、背景診斷、路徑選擇、軟件計(jì)時(shí)、網(wǎng)絡(luò)管理，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信控制、收發(fā)數(shù)據(jù)包等；第三個(gè)是應(yīng)用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶代碼。芯片中還具有存儲(chǔ)信息緩沖區(qū)，以實(shí)現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。

Neuron芯片的編程語(yǔ)言為NeuronC，它是從ANSIC派生出來(lái)的。LONWORKS提供了一套開(kāi)發(fā)工具LonBuilder與NodeBuilder。此外，LonTalk協(xié)議還提供了五種基本類型的報(bào)文服務(wù)：確認(rèn)(AcknowledGed)、非確認(rèn)(UnacknowledGed)、請(qǐng)求/響應(yīng)(Request/Response)、重復(fù)(Repeated)、非確認(rèn)重復(fù)(UnacknowledGedRepeated)。LonTalk協(xié)議的介質(zhì)訪問(wèn)控制子層(MAC)對(duì)CSMA(載波信號(hào)多路監(jiān)聽(tīng))作了改進(jìn)，采用了一種新的稱作預(yù)測(cè)的P堅(jiān)持CSMA(PredictiveP―PresistentCSMA)的協(xié)議。帶預(yù)測(cè)的P堅(jiān)持CSMA在保留CSMA協(xié)議優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，注意克服了它在控制網(wǎng)絡(luò)中的不足。所有的節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)積壓參數(shù)等待隨機(jī)時(shí)間片來(lái)訪問(wèn)介質(zhì)，這就有效地避免了網(wǎng)絡(luò)的頻繁碰撞。

LONWORKS技術(shù)產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運(yùn)輸、工業(yè)過(guò)程控制等行業(yè)。在開(kāi)發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面，LONWORKS神經(jīng)元芯片也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。9.3.3PROFIBUS(ProcessFieldbus)PROFIBUS過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線是符合德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。由PROFIBUS―DP、PROFIBUS―FMS、PROFIBUS―PA組成了PROFIBUS系列。DP型用于分散的外圍設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動(dòng)化領(lǐng)域。FMS意為現(xiàn)場(chǎng)信息規(guī)范，F(xiàn)MS型適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等。PA型則是用于過(guò)程自動(dòng)化的總線類型，它遵從IEC1158―2標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)是由Siemens公司為主的十幾家德國(guó)公司、研究所共同推出的。

它采用OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。FMS還采用了應(yīng)用層。傳輸速率為9.6kb/s~12Mb/s，最大傳輸距離在12Mb/s時(shí)為100m，1.5Mb/s時(shí)為400m，可用中繼器延長(zhǎng)至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。

PROFIBUS引入功能模塊的概念，不同的應(yīng)用需要使用不同的模塊。在一個(gè)確定的應(yīng)用中，按照PROFIBUS規(guī)范來(lái)定義模塊，寫(xiě)明其硬件和軟件的性能，規(guī)范設(shè)備功能與PROFIBUS通信功能的一致性。PROFIBUS為開(kāi)放系統(tǒng)協(xié)議，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，在德國(guó)建立了FZI信息研究中心，對(duì)制造廠和用戶開(kāi)放，并對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行一致性監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)性檢測(cè)。9.3.4CAN(ControlAreaNetwork)CAN控制局域網(wǎng)絡(luò)是由德國(guó)Bosch公司推出的，用于汽車(chē)檢測(cè)與控制部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。CAN協(xié)議也是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的開(kāi)放系統(tǒng)互連模型的基礎(chǔ)之上，不過(guò)其模型結(jié)構(gòu)只有三層，即只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層。CAN的通信速率為5kb/s(10km)、1Mb/s(40m)，可掛接設(shè)備數(shù)最多達(dá)110個(gè)，信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線或光纖等；CAN采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播幾種方式發(fā)送接收數(shù)據(jù)；CAN可實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)且無(wú)主、從機(jī)之分，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均主動(dòng)發(fā)送報(bào)文，用此特點(diǎn)可方便構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)；CAN采用非破壞性總線優(yōu)先級(jí)仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)發(fā)送信息，按節(jié)點(diǎn)類型不同分成不同的優(yōu)先級(jí)，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求；

CAN支持四類報(bào)文幀：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯(cuò)幀和超載幀，采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，這樣傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，且具有較好的檢錯(cuò)效果；CAN采用CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了極低的信息出錯(cuò)率；CAN節(jié)點(diǎn)具有自動(dòng)關(guān)閉功能，當(dāng)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，則自動(dòng)切斷與總線的聯(lián)系，這樣不影響總線正常工作；CAN單片機(jī)有Motorola公司生產(chǎn)的帶CAN模塊的MC68HC05*4，Philips公司生產(chǎn)的82C200，Intel公司生產(chǎn)的帶CAN模塊的P8*C592；CAN控制器有Philips公司生產(chǎn)的82C200，Intel公司生產(chǎn)的82527；CANI/O器件有Philips公司生產(chǎn)的82C150，它具有數(shù)字和模擬I/O接口。9.3.5HART(HiGhwayAddressableRemoteTransducer)HART可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路是由美國(guó)Rosemount公司研制的，其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信，屬于摸擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的過(guò)渡產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過(guò)渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，且得到了較快發(fā)展。HART協(xié)議參照ISO/OSI模型的第1、2、7層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，其主要特性是：

(1)物理層。采用基于Bell202通信標(biāo)準(zhǔn)的FSK技術(shù)，即在4~20mA(DC)模擬信號(hào)上疊加FSK數(shù)字信號(hào)，邏輯1為1200Hz，邏輯0為2200Hz，波特率為1200b/s，調(diào)制信號(hào)為±0.5mA或0.25VP―P(250Ω負(fù)載)。用屏蔽雙絞線連接單臺(tái)設(shè)備時(shí)距離為3000m，而多臺(tái)設(shè)備互連距離為1500m。(2)數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度不固定，最長(zhǎng)為25個(gè)字節(jié)。可尋址位0~15，當(dāng)?shù)刂窞?時(shí)，處于4~20mA(DC)與數(shù)字通信兼容狀態(tài)；當(dāng)?shù)刂窞?~15時(shí)，則處于全數(shù)字通信狀態(tài)。通信模式為“問(wèn)答式”或“廣播式”。(3)應(yīng)用層。規(guī)定了三類命令。第一類稱為通用命令，這是所有設(shè)備都理解、執(zhí)行的命令；第二類稱為一般行為命令，所提供的功能可以在許多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(盡管不是全部)中實(shí)現(xiàn)，這類命令包括最常用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備功能庫(kù)；第三類稱為特殊設(shè)備命令，以便在某些設(shè)備中實(shí)現(xiàn)特殊功能，這類命令既可以在基金會(huì)中開(kāi)放使用，又可以為開(kāi)發(fā)此命令的公司所獨(dú)有。在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中通?？砂l(fā)現(xiàn)同時(shí)存在這三類命令。HART采用統(tǒng)一的設(shè)備描述語(yǔ)言DDL?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備開(kāi)發(fā)商采用這種標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言來(lái)描述設(shè)備特性，由HART基金會(huì)負(fù)責(zé)登記管理這些設(shè)備描述并把它們變?yōu)樵O(shè)備描述字典，主設(shè)備運(yùn)用DDL技術(shù)來(lái)理解這些設(shè)備的特性參數(shù)而不必為這些設(shè)備開(kāi)發(fā)專用接口。但是由于這種模擬數(shù)字混合信號(hào)制，導(dǎo)致難以開(kāi)發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆要求，并可組成由手持編程器與管理系統(tǒng)主機(jī)作為主設(shè)備的雙主設(shè)備系統(tǒng)。

9.4OSI參考模型與現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型

作為工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)底層網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)總線，要構(gòu)成開(kāi)放互連系統(tǒng)，如何選擇通信模型，是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)形成的過(guò)程中必須考慮的重要問(wèn)題。

工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在大量傳感器、控制器和執(zhí)行器等，它們通常零散地分布在一個(gè)較大范圍內(nèi)。對(duì)由它們組成的工業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)面向控制的信息量不大，信息傳輸?shù)娜蝿?wù)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但實(shí)時(shí)性、快速性的要求較高。因此，為滿足實(shí)時(shí)性要求，也為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的低成本，現(xiàn)場(chǎng)總線采用的通信模型大都在OSI模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了不同程度的簡(jiǎn)化。

典型的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議模型如圖9―10中第2列所示。它采用OSI模型中的三個(gè)典型層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，并增加一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線訪問(wèn)子層，以取代省去的OSI模型中第3~6層的部分功能，以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的性能要求。它是OSI模型的簡(jiǎn)化形式，其流量與差錯(cuò)控制在數(shù)據(jù)鏈路層中進(jìn)行，因而與OSI模型不完全保持一致。圖9―10OSI與部分現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系

開(kāi)放系統(tǒng)互連模型是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的基礎(chǔ)，目前集中有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，大都以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的開(kāi)放互連模型作為基本框架，施加某些行業(yè)應(yīng)用需要的規(guī)定后形成的標(biāo)準(zhǔn)，并在較大范圍內(nèi)取得了用戶與制造商的認(rèn)可。9.4.1基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型

FF現(xiàn)場(chǎng)總線模型結(jié)構(gòu)如圖9―11所示。它采用了OSI模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層這三層，隱去了第3~6層。其中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層采用IEC/ISA標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用層有兩個(gè)子層：現(xiàn)場(chǎng)總線訪問(wèn)子層FAS和現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范子層FMS，并將從數(shù)據(jù)鏈路到FAS、FMS的全部功能集成為通信棧(CommunicationStack)。FAS的基本功能是確定數(shù)據(jù)訪問(wèn)的關(guān)系模型和規(guī)范，根據(jù)不同要求，采用不同的數(shù)據(jù)訪問(wèn)工作模式。現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范子層FMS的基本功能是面向應(yīng)用服務(wù)，

生成規(guī)范的應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線訪問(wèn)子層與信息規(guī)范子層的任務(wù)是完成一個(gè)應(yīng)用進(jìn)程到另一個(gè)應(yīng)用進(jìn)程的描述，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用進(jìn)程之間的通信，提供應(yīng)用接口的標(biāo)準(zhǔn)操作，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的開(kāi)放性。在應(yīng)用層之上增加的用戶層規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊、對(duì)象字典設(shè)備和設(shè)備描述，供用戶組成所需要的應(yīng)用程序，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理和系統(tǒng)管理。在網(wǎng)絡(luò)管理中，為了提供一個(gè)集成網(wǎng)絡(luò)各層通信協(xié)議的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作狀態(tài)的監(jiān)控與管理，設(shè)置了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)代理和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理信息庫(kù)，以提供組態(tài)管理、性能管理和差錯(cuò)管理的功能。在系統(tǒng)管理中，設(shè)置了系統(tǒng)管理內(nèi)核、系統(tǒng)管理內(nèi)核協(xié)議和系統(tǒng)管理信息庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、功能管理、時(shí)鐘管理和安全管理等功能。圖9―11FF現(xiàn)場(chǎng)總線模型與OSI9.4.2LONWORKS通信模型

LONWORKS采用了ISO/OSI模型的全部七層通信協(xié)議，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。這七層的作用和所提供的服務(wù)如圖9―12所示。圖9―12LONWORKS模型分層9.4.3PROFIBUS通信模型

PROFIBUS是作為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。它的參考模型列于圖9―10中。它采用了OSI模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層;外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸采用DP型，隱去了第3~7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合，作為用戶接口，F(xiàn)MS型則只隱去了第3~6層，采用了應(yīng)用層。PA型的標(biāo)準(zhǔn)目前還處于制定過(guò)程之中，與IEC1158―2(H1)標(biāo)準(zhǔn)兼容。

9.4.4CAN通信模型

CAN只采用了ISO/OSI模型中的兩層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層又分為物理信令(PLS，PhysicalSiGnallinG)、物理媒體附件(PMA，PhysicalMediumAttachment)與媒體接口(MDI，MediumDependentInterface)三部分，完成電氣連接、實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器/接收器特性、定時(shí)、同步、位編碼/解碼。數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制與媒體訪問(wèn)控制兩部分，分別完成接收濾波、超載通知、恢復(fù)管理，以及應(yīng)答、幀編碼、數(shù)據(jù)封裝拆裝、媒體訪問(wèn)管理、出錯(cuò)檢測(cè)等。CAN通信模型如圖9―13所示。圖9―13CAN模型9.4.5HART通信模型

HART通信模型由三層組成：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，其模型結(jié)構(gòu)如圖9―10所示。它的物理層采用Bell202國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)鏈路層用于按HART通信協(xié)議規(guī)則建立的HART信息格式。其信息構(gòu)成包括開(kāi)頭碼、終端與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備地址、字節(jié)數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)與通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)、奇偶檢驗(yàn)等。應(yīng)用層的作用在于使HART指令付諸實(shí)現(xiàn)，即把通信狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息。

9.5FF現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)FF現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)共有四層協(xié)議，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層和用戶層。其中，物理層規(guī)定了信號(hào)如何發(fā)送；數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定如何在設(shè)備間共享網(wǎng)絡(luò)和調(diào)度通信；應(yīng)用層規(guī)定了在設(shè)備間交換數(shù)據(jù)、命令、事件信息以及請(qǐng)求應(yīng)答中的信息格式；用戶層則用于組成用戶所需要的應(yīng)用程序，如規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的功能塊、設(shè)備描述，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理等。下面簡(jiǎn)要介紹該標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的主要內(nèi)容。9.5.1物理層(PhysicalLayer)1.物理層的功能物理層用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)物理設(shè)備與總線之間的連接。它作為電氣接口，一方面接受來(lái)自數(shù)據(jù)鏈路層的信息，經(jīng)再加工變?yōu)槲锢硇盘?hào)，傳送到現(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸媒體上；另一方面把接收到的來(lái)自總線傳輸媒體的物理信號(hào)進(jìn)行相反處理送往數(shù)據(jù)鏈路層，考慮到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，該層區(qū)應(yīng)具備電氣隔離、信號(hào)濾波等功能?，F(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸介質(zhì)一般為兩根導(dǎo)線，如雙絞線，因而其機(jī)械接口相對(duì)較為簡(jiǎn)單。2.物理層的結(jié)構(gòu)物理層標(biāo)準(zhǔn)IEC1158―2已通過(guò)多年，按其規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，物理層又被分為媒體相關(guān)子層與媒體無(wú)關(guān)子層。媒體相關(guān)子層負(fù)責(zé)處理導(dǎo)線、光纖、無(wú)線介質(zhì)等不同傳輸媒體、不同速率的信號(hào)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，也稱媒體訪問(wèn)單元。媒體無(wú)關(guān)子層則是媒體訪問(wèn)單元與數(shù)據(jù)鏈路之間的接口，有關(guān)信號(hào)編碼、增加或去除前導(dǎo)碼和定界碼的工作均在此子層中完成。

圖9―14示出了導(dǎo)線介質(zhì)的媒體接口部分的電路框圖，該接口電路主要完成信號(hào)濾波與處理、信號(hào)驅(qū)動(dòng)及其控制、電路隔離等功能，為媒體無(wú)關(guān)子層提供合格的物理信號(hào)波形。所有現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備都具有至少一個(gè)物理層實(shí)體。圖9―14導(dǎo)線媒體接口3.傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)可以采用雙絞線、電纜、光纜及無(wú)線介質(zhì)，目前應(yīng)用較為廣泛的是前兩種。H1標(biāo)準(zhǔn)采用的電纜類型可分為屏蔽雙絞線、屏蔽多對(duì)雙絞線、無(wú)屏蔽雙絞線、多芯屏蔽電纜等幾種類型。顯然，線纜種類、線徑粗細(xì)不同，對(duì)傳輸信號(hào)的影響就不同?，F(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)對(duì)采用不同纜線時(shí)的最大傳輸距離規(guī)定如表9―3所示。表9―3電纜類型與傳輸距離關(guān)系4.信號(hào)編碼

FF現(xiàn)場(chǎng)總線的通信信號(hào)由以下幾種編碼組成。

(1)協(xié)議報(bào)文編碼：它攜帶了現(xiàn)場(chǎng)總線要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)文，這些數(shù)據(jù)報(bào)文由上層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元生成。FF現(xiàn)場(chǎng)總線采用曼徹斯特編碼技術(shù)將數(shù)據(jù)編碼加載到直流電壓或電流上形成物理信號(hào)。這種數(shù)據(jù)編碼在每個(gè)時(shí)鐘周期的中間，都必然會(huì)存在一次電平的跳變。每幀協(xié)議報(bào)文的長(zhǎng)度為8~273個(gè)字節(jié)。(2)前導(dǎo)碼：這是置于通信信號(hào)最前端且特別規(guī)定的8位數(shù)字信號(hào)：10101010，即一個(gè)字節(jié)。該碼相當(dāng)于電話信號(hào)中的振鈴信號(hào)，用于喚醒接收設(shè)備，并使之與發(fā)送設(shè)備保持同步。

(3)幀前定界碼：它表明了現(xiàn)場(chǎng)總線信息的起點(diǎn)，其長(zhǎng)度為8個(gè)時(shí)鐘周期，或稱一個(gè)字節(jié)。該碼由特殊的N+碼、N-碼和正負(fù)跳變脈沖按規(guī)定的順序組成。這里，N+碼在整個(gè)時(shí)鐘周期都保持高電平，N-碼在整個(gè)時(shí)鐘周期都保持低電平，即它們?cè)跁r(shí)鐘周期的中間不存在電平的跳變。收信端的接收器利用該碼來(lái)找到現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)的起點(diǎn)。幀前定界碼波形如圖9―15所示。圖9―15FF現(xiàn)場(chǎng)總線的集中編碼波形(4)幀結(jié)束碼：它標(biāo)志著現(xiàn)場(chǎng)總線信息的終止，其長(zhǎng)度也為8個(gè)時(shí)鐘周期。該碼由特殊的N+碼、N-碼和正負(fù)跳變脈沖按規(guī)定的順序組成，當(dāng)然，其組合順序不同于起始碼。圖9―15示出了幀結(jié)束碼的波形。前導(dǎo)碼、幀前定界碼、幀結(jié)束碼都是由物理層的硬件電路生成并加載到物理信號(hào)上的。這幾種碼形成的編碼序列如圖9―16所示。作為前導(dǎo)碼、幀前定界碼和幀結(jié)束碼由發(fā)送端驅(qū)動(dòng)自動(dòng)加到發(fā)送序列之中，并在接收端的接收器中被自動(dòng)除掉。圖9―16FF現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)的編碼序列5.現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是連接到現(xiàn)場(chǎng)總線上并與之通信的物理實(shí)體。按FF現(xiàn)場(chǎng)總線的相關(guān)規(guī)范，符合H1規(guī)范的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的分類情況如表9―4所示。對(duì)總線供電類的設(shè)備，由于掛接在總線不同位置上的設(shè)備從總線所得到的電壓會(huì)有所不同，因而必須對(duì)滿足設(shè)備正常工作的電壓、電流范圍等參數(shù)做出明確規(guī)定。表9―5是總線供電的本質(zhì)安全型標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備列出的FF現(xiàn)場(chǎng)總線的推薦參數(shù)，其他類現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的推薦參數(shù)可查閱相應(yīng)規(guī)范。表9―4H1現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的分類與編號(hào)表9―5111類現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的推薦參數(shù)6.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)低速現(xiàn)場(chǎng)總線Ｈ1支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接線和總線型、菊花鏈型、樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而高速現(xiàn)場(chǎng)總線H2只支持總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖9―17為H1低速現(xiàn)場(chǎng)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。表9―6為H1、H2總線網(wǎng)段的主要特性參數(shù)。

FF現(xiàn)場(chǎng)總線支持橋接網(wǎng)，可通過(guò)網(wǎng)橋把不同速率、不同類型媒體的網(wǎng)段連成網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)橋設(shè)備有多個(gè)口，每個(gè)口有一個(gè)物理層實(shí)體。圖9―17低速總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表9―6H1、H2總線網(wǎng)段的主要特性參數(shù)9.5.2數(shù)據(jù)鏈路層(DataLinkLayer)

數(shù)據(jù)鏈路層位于物理層和總線訪問(wèn)子層之間，為系統(tǒng)管理內(nèi)核和總線訪問(wèn)子層訪問(wèn)總線媒體提供服務(wù)?？偩€通信中的鏈路活動(dòng)調(diào)度、數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送、活動(dòng)狀態(tài)的探測(cè)與響應(yīng)、總線上各設(shè)備的鏈路時(shí)間同步，都是通過(guò)該層實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)總線段上有一個(gè)媒體訪問(wèn)控制中心，稱為鏈路活動(dòng)調(diào)度器(LAS，LinkActiveScheduler)。對(duì)沒(méi)有鏈路活動(dòng)調(diào)度能力的設(shè)備來(lái)說(shuō)，其數(shù)據(jù)鏈路層要對(duì)來(lái)自總線的鏈路數(shù)據(jù)做出響應(yīng)，以控制本設(shè)備對(duì)總線的活動(dòng)。此外，數(shù)據(jù)鏈路層還要對(duì)所傳輸?shù)男畔?shí)行幀校驗(yàn)。1.鏈路活動(dòng)調(diào)度器LAS

鏈路活動(dòng)調(diào)度器LAS擁有總線上所有設(shè)備的清單，掌管線段上各設(shè)備對(duì)總線的操作，因此它是總線通信活動(dòng)的中心。

FF現(xiàn)場(chǎng)總線的通信活動(dòng)被分為受調(diào)度通信和非調(diào)度通信兩類。受調(diào)度通信由鏈路活動(dòng)調(diào)度器按預(yù)定調(diào)度時(shí)間表周期性依次發(fā)起通信活動(dòng)，例如在現(xiàn)場(chǎng)變送器與執(zhí)行器之間傳送的測(cè)量或控制器輸出信號(hào)。非調(diào)度通信是在預(yù)定時(shí)間表之外的時(shí)間，通過(guò)得到令牌的方式發(fā)送信息的通信方式。所有總線上的設(shè)備都有機(jī)會(huì)通過(guò)這一方式發(fā)送調(diào)度之外的信息。

一般，鏈路活動(dòng)調(diào)度器應(yīng)具有以下五種基本功能：

(1)向設(shè)備發(fā)送強(qiáng)制數(shù)據(jù)CD(CompelData)，接收LAS內(nèi)保留的調(diào)度表，向網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備發(fā)送CD。

(2)向設(shè)備發(fā)送傳遞令牌PT(PassToken)，使設(shè)備得到發(fā)送非周期數(shù)據(jù)的權(quán)力，為它們提供發(fā)送非周期數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)。

(3)為新入網(wǎng)的設(shè)備探測(cè)未被采用過(guò)的地址。當(dāng)為新設(shè)備找好地址后，便把它們加入到活動(dòng)表中。(4)定期對(duì)總線段發(fā)布數(shù)據(jù)鏈路時(shí)間和調(diào)度時(shí)間。

(5)臨時(shí)設(shè)備對(duì)傳遞令牌PT的響應(yīng)，當(dāng)設(shè)備既不能隨著PT順序進(jìn)入使用，也不能將令牌返還時(shí)，就從活動(dòng)表中去掉這些設(shè)備。2.通信設(shè)備類型并非所有總線設(shè)備都可成為鏈路活動(dòng)調(diào)度器，那些有能力成為鏈路活動(dòng)調(diào)度器的設(shè)備就稱為鏈路主設(shè)備，而不具備這一能力的設(shè)備就稱為基本設(shè)備。基本設(shè)備只能接收令牌并做出響應(yīng)，這是最基本的通信功能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中幾個(gè)總線段進(jìn)行擴(kuò)展連接時(shí)，用于兩個(gè)總線段之間的連接設(shè)備就稱為網(wǎng)橋，網(wǎng)橋?qū)儆阪溌分髟O(shè)備，當(dāng)然要成為鏈路活動(dòng)調(diào)度器LAS。

一個(gè)總線段上可以連接多種通信設(shè)備，也可以掛接多個(gè)鏈路主設(shè)備，但一個(gè)總線段上某個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)鏈路主設(shè)備稱為鏈路活動(dòng)調(diào)度器LAS，沒(méi)有成為L(zhǎng)AS的鏈路主設(shè)備起著后備LAS的作用。圖9―18表示了現(xiàn)場(chǎng)總線通信設(shè)備的類型。圖9―18現(xiàn)場(chǎng)總線的通信設(shè)備與LAS3.數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元DLPDU

數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元DLPDU提供數(shù)據(jù)鏈路的協(xié)議控制信息，由三部分組成：

(1)幀控制信息，只有一個(gè)字節(jié)，它指明了該DLPDU的種類、地址長(zhǎng)度、優(yōu)先權(quán)等。

(2)數(shù)據(jù)鏈路地址，包括目的地址與源地址，當(dāng)然，并非所有種類都是如此。

(3)指明該類DLPDU的參數(shù)。其協(xié)議控制信息的結(jié)構(gòu)如表9―7所示。表9―7DLPDU的協(xié)議信息結(jié)構(gòu)4.數(shù)據(jù)傳輸方式

FF現(xiàn)場(chǎng)總線提供以下三種數(shù)據(jù)傳輸方式：

(1)無(wú)連接數(shù)據(jù)傳輸。該方式是指在數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)DLSAP(DataLinkServiceAccessPoint)之間排隊(duì)傳輸DLPDU，這類傳輸主要用于在總線上發(fā)送廣播數(shù)據(jù)。

(2)通信雙方經(jīng)請(qǐng)求相應(yīng)交換信息后進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸。該方式在要求建立連接時(shí)，創(chuàng)建帶有通信發(fā)起者的源地址和目的地址的鏈接控制幀，響應(yīng)方需指出它是否接收這個(gè)連接請(qǐng)求，一旦數(shù)據(jù)傳輸在一個(gè)連接上開(kāi)始，所有DLPDU內(nèi)的數(shù)據(jù)就以相同的優(yōu)先級(jí)被傳輸。(3)以數(shù)據(jù)發(fā)送方的DLPDU為依據(jù)的傳輸方式。該方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)DLPDU只含有一個(gè)地址，即發(fā)送者的地址，接收者知道發(fā)布者的這個(gè)地址，并根據(jù)該地址接收發(fā)布者發(fā)出的數(shù)據(jù)，接收者對(duì)發(fā)布者的辨認(rèn)情況不必為發(fā)布者所知道。5.數(shù)據(jù)鏈路時(shí)間同步鏈路活動(dòng)調(diào)度器周期性地廣播一個(gè)時(shí)間發(fā)布信息TD(TimeDistribution)，以便所有的設(shè)備都準(zhǔn)確地具有相同的數(shù)據(jù)鏈路時(shí)間。總線上預(yù)定的調(diào)度通信和用戶應(yīng)用中預(yù)定功能塊的執(zhí)行都根據(jù)所得到的LAS發(fā)布時(shí)間開(kāi)始工作，因此鏈路時(shí)間的同步是非常重要的。由數(shù)據(jù)鏈路層提供精確的控制時(shí)序，發(fā)布鏈路調(diào)度的絕對(duì)開(kāi)始時(shí)間。受調(diào)度通信、非調(diào)度通信以及其他應(yīng)用進(jìn)程的執(zhí)行時(shí)間，都以其對(duì)鏈路調(diào)度絕對(duì)開(kāi)始時(shí)間的偏移量來(lái)計(jì)算。9.5.3應(yīng)用層(ApplicationLayer)

現(xiàn)場(chǎng)總線訪問(wèn)子層FAS(FieldbusAccessSublayer)和現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范層FMS(FieldbusMessaGeSpecification)一起構(gòu)成應(yīng)用層。現(xiàn)場(chǎng)總線訪問(wèn)子層FAS提供三類服務(wù)：客戶/服務(wù)器(Client/Server)，報(bào)告分發(fā)(ReportDistribution)，發(fā)布/預(yù)訂接收(Publisher/Subscriber)。這三類服務(wù)被稱為虛擬通信關(guān)系VCR(VirtualCommunicationRelationships)，如表9―8所示。

表9―8虛擬通信關(guān)系的類型1.客戶/服務(wù)器型虛擬通信關(guān)系客戶/服務(wù)器型虛擬通信關(guān)系用于現(xiàn)場(chǎng)總線上兩個(gè)設(shè)備由用戶發(fā)起的、一對(duì)一的、排隊(duì)式的非周期通信。當(dāng)一個(gè)設(shè)備得到傳遞令牌時(shí)，這個(gè)設(shè)備(即客戶)可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線上的另一設(shè)備(即服務(wù)器)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求信息。當(dāng)服務(wù)器收到這個(gè)請(qǐng)求，并得到了來(lái)自鏈路活動(dòng)調(diào)度者的傳遞令牌時(shí)，就可以對(duì)客戶的請(qǐng)求做出響應(yīng)。采用這種通信關(guān)系在對(duì)客戶與服務(wù)者之間進(jìn)行的請(qǐng)求/響應(yīng)式數(shù)據(jù)交換，是一種按優(yōu)先級(jí)排隊(duì)的非周期性通信。

客戶/服務(wù)器型虛擬通信關(guān)系常用于設(shè)置參數(shù)或?qū)崿F(xiàn)某些操作，如改變給定值，對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)的訪問(wèn)與調(diào)整，對(duì)報(bào)警的確認(rèn)，設(shè)備的上載與下載等。2.報(bào)告分發(fā)型虛擬通信關(guān)系報(bào)告分發(fā)型虛擬通信關(guān)系是一種排隊(duì)式的非周期通信，也是一種由用戶發(fā)起的一對(duì)多的通信方式。當(dāng)一個(gè)帶有事件報(bào)告或趨勢(shì)報(bào)告的設(shè)備收到來(lái)自鏈路活動(dòng)調(diào)度器的傳遞令牌時(shí)，就通過(guò)該關(guān)系把它的報(bào)文分發(fā)給由它的虛擬通信關(guān)系所規(guī)定的一組地址，即有一組設(shè)備將接收該報(bào)文。

該關(guān)系用于廣播或多點(diǎn)傳送事件與趨勢(shì)報(bào)告。數(shù)據(jù)持有者向總線設(shè)備多點(diǎn)投送其數(shù)據(jù)，它可以按事先規(guī)定好的VCR目標(biāo)地址分發(fā)所有報(bào)告，也可能按每種報(bào)文的傳送類型排隊(duì)而分別發(fā)送，按分發(fā)次序傳送給接收者。該關(guān)系最典型的應(yīng)用場(chǎng)合是將報(bào)警狀態(tài)、趨勢(shì)數(shù)據(jù)等通知操作臺(tái)。3.發(fā)布/預(yù)訂接收型虛擬通信關(guān)系發(fā)布/預(yù)訂接收型虛擬通信關(guān)系主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)緩沖型一對(duì)多通信。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)布設(shè)備收到令牌時(shí)，將對(duì)總線上的所有設(shè)備發(fā)布或廣播它的消息。希望接收這一發(fā)布消息的設(shè)備被稱為預(yù)訂接收者，或稱為訂閱者。緩沖型工作方式是這種虛擬通信關(guān)系的重要特征。緩沖型意味著只有最近發(fā)布的數(shù)據(jù)保留在網(wǎng)絡(luò)緩沖器內(nèi)，新的數(shù)據(jù)會(huì)完全覆蓋先前的數(shù)據(jù)。

這種虛擬通信關(guān)系中的令牌可以由鏈路活動(dòng)調(diào)度者按準(zhǔn)確的時(shí)間周期發(fā)出，也可以由數(shù)據(jù)用戶按非周期方式發(fā)起。VCR的屬性將指明采用的是哪種方法。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通常采用該關(guān)系，按周期性的調(diào)度方式為用戶應(yīng)用功能塊的輸入輸出刷新數(shù)據(jù)，如刷新過(guò)程變量、操作輸出等?，F(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范FMS，規(guī)定了訪問(wèn)應(yīng)用進(jìn)程AP(ApplicationProcess)的報(bào)文格式及服務(wù)。

FMS與對(duì)象字典OD(ObjectDictionary)配合，為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備規(guī)定了功能接口。FMS通過(guò)調(diào)用VCR，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間傳遞報(bào)文。

應(yīng)用進(jìn)程AP可以看作在分布系統(tǒng)或分布應(yīng)用中的信息及其處理過(guò)程，可以對(duì)它賦予地址，也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)它。應(yīng)用進(jìn)程可表述存在于一個(gè)設(shè)備內(nèi)包裝成組的功能塊。一個(gè)設(shè)備可以包含的AP數(shù)量與執(zhí)行情況相關(guān)，規(guī)范中對(duì)所包含的AP數(shù)目沒(méi)有限制。在設(shè)備組態(tài)或網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行期間，AP是否裝載進(jìn)一個(gè)設(shè)備，取決于該設(shè)備的物理能力和AP如何被執(zhí)行。PC機(jī)、PLC控制器能夠隨著軟件下載而接收其AP，另外一些設(shè)備，如簡(jiǎn)單變送器、執(zhí)行器可以讓它們的AP在專用集成電路中執(zhí)行。

FF現(xiàn)場(chǎng)總線采用對(duì)象描述來(lái)說(shuō)明總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式與意義，把這些對(duì)象描述收集在一起，形成對(duì)象字典OD。OD由一系列條目組成，每一個(gè)條目分別描述一個(gè)應(yīng)用進(jìn)程對(duì)象和它的報(bào)文數(shù)據(jù)。在現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范中規(guī)定了與這些條目相應(yīng)的AP對(duì)象。為了便于網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)這些條目，還為每個(gè)OD條目分配了一個(gè)序列號(hào)。在總線報(bào)文規(guī)范子層的OD服務(wù)中，就是運(yùn)用這個(gè)序號(hào)辨認(rèn)出與之對(duì)應(yīng)的AP對(duì)象的。圖9―19現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議數(shù)據(jù)的生成

現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范層FMS是通信參考模型應(yīng)用層的另一個(gè)子層。該層描述了用戶應(yīng)用所需要的通信服務(wù)、信息格式和行為狀態(tài)等。它在整個(gè)通信模型中的位置及其與其他層的關(guān)系如圖9―19所示。

FMS提供了一組服務(wù)和標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文格式。用戶應(yīng)用可采用這種標(biāo)準(zhǔn)格式在總線上相互傳遞信息，并通過(guò)FMS服務(wù)訪問(wèn)AP對(duì)象以及它們的對(duì)象描述。把對(duì)象描述收集在一起，形成對(duì)象字典OD。應(yīng)用進(jìn)程中的網(wǎng)絡(luò)可使對(duì)象和相應(yīng)的OD在FMS中成為虛擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備VFD。FMS服務(wù)在VCR端點(diǎn)提供給應(yīng)用進(jìn)程。FMS服務(wù)分為確認(rèn)的和非確認(rèn)的。確認(rèn)服務(wù)用于操作和控制應(yīng)用進(jìn)程對(duì)象，如讀/寫(xiě)變量值及訪問(wèn)對(duì)象字典，它使用客戶/服務(wù)器型VCR；非確認(rèn)服務(wù)用于發(fā)布數(shù)據(jù)或通報(bào)事件，發(fā)布數(shù)據(jù)使用發(fā)布/預(yù)定接收型VCR，而通報(bào)事件使用報(bào)告分發(fā)型VCR?？偩€報(bào)文規(guī)范層由虛擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備VFD、對(duì)象字典管理、聯(lián)絡(luò)關(guān)系(上下文)管理、域管理、程序調(diào)用管理、變參訪問(wèn)和實(shí)踐管理等模塊組成。9.5.4用戶層(UserLayer)

用戶層是在ISO/OSI參考模型中七層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加的一層。功能塊應(yīng)用進(jìn)程作為用戶層的重要組成部分，用于完成現(xiàn)場(chǎng)總線中的自動(dòng)化系統(tǒng)功能。

1.對(duì)象及其屬性對(duì)象是構(gòu)成功能塊應(yīng)用的基本元素。對(duì)象類由屬性表和服務(wù)表描述，由其關(guān)鍵屬性(KeyAttribute)識(shí)別；服務(wù)是指該類的功能。構(gòu)成功能塊應(yīng)用進(jìn)程的對(duì)象有以下幾類：(1)塊對(duì)象。塊是一個(gè)軟件的邏輯處理單元。輸入事件影響算法的調(diào)用；在執(zhí)行時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)可獲取的輸出事件塊，使輸入或輸出值在塊執(zhí)行期間不受外部變化的影響。塊的參數(shù)有輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)及用于控制塊執(zhí)行的內(nèi)含參數(shù)。用位號(hào)(TaG)對(duì)應(yīng)用場(chǎng)合中的塊進(jìn)行識(shí)別，它在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)內(nèi)名稱惟一。

(2)鏈接對(duì)象。它用于訪問(wèn)、分配、交換對(duì)象的虛擬通信關(guān)系(VCRs)、某功能塊輸入?yún)?shù)和另一功能塊輸出參數(shù)的關(guān)聯(lián)等；它一般在總線組態(tài)時(shí)定義，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在線運(yùn)行前或運(yùn)行時(shí)傳送，用于建立通信連接。(3)設(shè)備資源。它表示某應(yīng)用進(jìn)程的網(wǎng)絡(luò)可訪問(wèn)的軟件、硬件對(duì)象。它構(gòu)成功能塊應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)接口，提供用FMS傳送服務(wù)請(qǐng)求/響應(yīng)的信息。組成資源的對(duì)象定義包含在對(duì)象字典中，由FMS和功能塊應(yīng)用共享。通過(guò)資源可以訪問(wèn)對(duì)象及其參數(shù)，每個(gè)資源有惟一的一個(gè)資源塊。

(4)報(bào)警對(duì)象。它用于塊的報(bào)警和事件報(bào)告，分為模擬報(bào)警、離散報(bào)警和警報(bào)更新。(5)趨勢(shì)對(duì)象。它對(duì)功能塊的趨勢(shì)性參數(shù)進(jìn)行采樣，提供參數(shù)采樣值的短期存儲(chǔ)，以便接口設(shè)備收集這些信息。它包含最近6個(gè)采樣值及其狀態(tài)，以及最后一次采樣的時(shí)間。它有浮點(diǎn)趨勢(shì)、離散趨勢(shì)和位串趨勢(shì)三個(gè)子類。

(6)預(yù)測(cè)對(duì)象。它使一組塊參數(shù)的屬性值可被一次性地訪問(wèn)，主要用于獲得運(yùn)行、診斷和組態(tài)的信息，此處定義的塊參數(shù)分為動(dòng)態(tài)操作參數(shù)、靜態(tài)操作參數(shù)、完全動(dòng)態(tài)參數(shù)和其他靜態(tài)參數(shù)四類。其他如程序調(diào)用對(duì)象、域?qū)?/p>