現(xiàn)場總線報(bào)告

1、 現(xiàn)場總線及其應(yīng)用綜述報(bào)告 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí)： 指導(dǎo)教師： 徐天華 完成時(shí)間： 目 錄前言部分：2一、現(xiàn)場總線概述21、現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀與發(fā)展22、現(xiàn)場總線簡介5二、現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)及協(xié)議81、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本概念82、OSI參考模型83、物理層與物理層協(xié)議9三、現(xiàn)場總線的工程應(yīng)用101、CAN102、Profibus現(xiàn)場總線133、LonWorks智能控制網(wǎng)絡(luò)16參 考 文 獻(xiàn)19前言部分 現(xiàn)場總線技術(shù)是自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)，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(diǎn)、多站的串行通信系統(tǒng)，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的局域網(wǎng)，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信

2、技術(shù)、控制技術(shù)的集成?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制技術(shù)的結(jié)構(gòu)形式。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對(duì)一的物理連接，而現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是繼基地式儀表控制系統(tǒng)、電動(dòng)氣動(dòng)單元組合儀表模擬控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC、集散控制系統(tǒng)DCS之后的新一代智能控制系統(tǒng)，它把單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場總線為紐帶，將每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線中的傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)均置入了微處理器，使它們具備了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信的能力，信息的傳輸不再依賴于控制室內(nèi)的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場的各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散，有力的推動(dòng)了測(cè)控系統(tǒng)向數(shù)

3、字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。發(fā)展現(xiàn)場總線的初衷是建立開放的控制通信網(wǎng)絡(luò)，其通信協(xié)議理應(yīng)趨于統(tǒng)一，但由于歷史原因，已有眾多公司與技術(shù)部門在開發(fā)現(xiàn)場總線與產(chǎn)品方面投入了大量的人力和財(cái)力，至今在不同領(lǐng)域形成的現(xiàn)場總線已有幾十種，并在特定的領(lǐng)域內(nèi)得到了應(yīng)用。然而，進(jìn)入IEC標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線只有8種，本報(bào)告著重介紹國內(nèi)外常用的幾種現(xiàn)場總線及其應(yīng)用技術(shù)。一、現(xiàn)場總線概述1.現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀與發(fā)展（1）現(xiàn)狀 國際電工技術(shù)委員會(huì)/國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)自1984年起著手現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)工作，但統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)至今仍未完成。同時(shí)，世界上許多公司也退出了自己的現(xiàn)場總線技術(shù)。但太多存在差異的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，會(huì)給實(shí)踐帶來復(fù)雜性和不便，影響開

4、放性和互操作性。因而在最近幾年里開始標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一工作，減少現(xiàn)場總線協(xié)議的數(shù)量，以達(dá)到單一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的目的。各種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)合并的目的是為了達(dá)到國際上統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)各家產(chǎn)品的互操作性。l 多種總線共存l 每種總線各有其應(yīng)用領(lǐng)域l 每種總線各有其國際組織l 每種總線均有其支持背景l(fā) 設(shè)備制造商參加多個(gè)總線組織l 多種總線均作為國家和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)l 協(xié)調(diào)共存l 工業(yè)以太網(wǎng)引入工業(yè)領(lǐng)域（2） 現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展的大趨勢(shì)，現(xiàn)場總線技術(shù)受計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響是十分深刻的。現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異，發(fā)展十分迅猛，一些具有重大影響的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)必將進(jìn)一步融合到現(xiàn)場總線技術(shù)之中，這些具有發(fā)展前

5、景的現(xiàn)場總線技術(shù)有:l 智能儀表與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)的軟硬件技術(shù)；l 組態(tài)技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)互連等；l 網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)管理軟件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)操作與傳輸；l 人機(jī)接口、軟件技術(shù)；l 現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成技術(shù)?，F(xiàn)場總線屬于尚在發(fā)展的技術(shù)，我國在這一技術(shù)領(lǐng)域還剛剛起步。了解國際上該項(xiàng)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)向，對(duì)我國相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，對(duì)自動(dòng)化技術(shù)、設(shè)備的更新，無疑具有更重要的作用。有理由認(rèn)為：在從現(xiàn)在起的未來十年內(nèi)，可能出現(xiàn)幾大總線的標(biāo)準(zhǔn)共存，甚至在一個(gè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)內(nèi)，幾種總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備通過路由網(wǎng)關(guān)互連實(shí)現(xiàn)信息共享的局面。（3） 自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展及其體系結(jié)構(gòu)回顧自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史，可以看

6、到它與工業(yè)生產(chǎn)過程本身的發(fā)展有著極為密切的聯(lián)系。工業(yè)生產(chǎn)本身的發(fā)展，諸如工藝流程的變革，設(shè)備的更新?lián)Q代，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，以及快速反應(yīng)，臨界穩(wěn)定工業(yè)，能力綜合平衡工藝的開發(fā)成功，均對(duì)自動(dòng)化提出更高的要求，經(jīng)濟(jì)全球化，激烈的市場競爭又給自動(dòng)化提出新的目標(biāo)。另一方面，微電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、通信及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，又為新型控制系統(tǒng)的出現(xiàn)提供了技術(shù)的保證?？梢哉f自動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)從簡單到復(fù)雜，從局部到全局，從非智能、低智能到高智能的發(fā)展過程。l 模擬儀表控制系統(tǒng)ACS20世紀(jì)50年代以前，系統(tǒng)采用基地式氣動(dòng)儀表、單元組合式儀表，這些儀表采用統(tǒng)一的模擬信號(hào)l 直接數(shù)字控制DDC20世紀(jì)60年代初，

7、人們利用數(shù)字計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備取代傳統(tǒng)的模擬控制儀表，除以數(shù)字形式實(shí)現(xiàn)常規(guī)控制規(guī)律外，還采用更先進(jìn)的控制技術(shù)，如復(fù)雜控制算法和協(xié)調(diào)控制等。 l 集散控制系統(tǒng)DCS20世紀(jì)70年代中期，出現(xiàn)了數(shù)字調(diào)節(jié)器、PLC以及多個(gè)計(jì)算機(jī)遞階構(gòu)成的集中分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)。 l 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)20世紀(jì)90年代后期，人們?cè)贒CS的基礎(chǔ)上開始開發(fā)一種適用于工業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的現(xiàn)場總線及現(xiàn)場總線儀表。 2. 現(xiàn)場總線的簡介（1） 現(xiàn)場總線的本質(zhì) 由于標(biāo)準(zhǔn)并未統(tǒng)一，所以對(duì)現(xiàn)場總線也有不同的定義。但現(xiàn)場總線的本質(zhì)含義主要表現(xiàn)在一下6個(gè)方面。l 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò) 用于過程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互

8、連的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)。l 現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián) 依據(jù)實(shí)際需要使用不同的傳輸介質(zhì)把不同的現(xiàn)場設(shè)備或者現(xiàn)場儀表相互關(guān)聯(lián)。l 互操作性 用戶可以根據(jù)自身的需求選擇不同廠家或不同型號(hào)的產(chǎn)品構(gòu)成所需的控制回路，從而可以自由地集成FCS。l 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，徹底地實(shí)現(xiàn)了分散控制。l 通信線供電 通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量, 這種方式提供用于本質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場儀表, 與其配套的還有安全柵。l 開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，還

9、可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享。（2） 現(xiàn)場總線的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)l 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由于采用了現(xiàn)場總線設(shè)備，能夠把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、輸入輸出模塊置于現(xiàn)場總線設(shè)備，加上現(xiàn)場總線設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場的測(cè)量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行器直接傳送信號(hào)，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。 由于采用數(shù)字信號(hào)代替模擬信號(hào)，因而可實(shí)現(xiàn)一對(duì)一電線上傳輸多個(gè)信號(hào)（包括多個(gè)運(yùn)行參數(shù)值、多個(gè)設(shè)備狀態(tài)、故障信息），同時(shí)又為多個(gè)現(xiàn)場總想設(shè)備提供電源；現(xiàn)場總線設(shè)備以外不再需要A/D、D/A轉(zhuǎn)換部件。這樣就簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬件設(shè)備、節(jié)約連接電纜與各種安

10、裝、維護(hù)費(fèi)用創(chuàng)造了條件。l 技術(shù)特點(diǎn)a. 系統(tǒng)的開放性 通信協(xié)議公開，各不同廠商的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換。b. 互可操作性與互用性 互可操作性是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而互用性則意味著不同制造商性能類似的設(shè)備可以進(jìn)行更換，實(shí)現(xiàn)相互替換。c. 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性 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)場總線設(shè)備中完成。d. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 現(xiàn)場總線已構(gòu)成了一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。e. 對(duì)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性 可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等多種傳輸介質(zhì)、，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通信，并可

11、滿足本質(zhì)安全防爆要求。l 優(yōu)點(diǎn)（優(yōu)越性）a. FCS實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化通信b. FCS徹底實(shí)現(xiàn)全分散式控制c. FCS實(shí)現(xiàn)不同廠商產(chǎn)品互聯(lián)、互操作d. FCS增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性e. FCS降低系統(tǒng)工程成本 二、現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)及協(xié)議1.網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本概念 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)。將一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)分解為若干個(gè)容易處理的子系統(tǒng)，然后“分而治之”。為了化簡網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，常將網(wǎng)絡(luò)按功能劃分成一系列的層次，讓每一層完成一個(gè)特定的功能。完成某一層功能的硬件和軟件集合稱為實(shí)體。 一個(gè)功能完備的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜的協(xié)議是按層次結(jié)構(gòu)來組織的；網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型與各層協(xié)議的集合稱為網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)；體系結(jié)

12、構(gòu)是個(gè)抽象的概念，其具體實(shí)現(xiàn)是通過特定的硬件和軟件來完成的。2. OSI參考模型OSI參考模型是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織為解決異種機(jī)互連而制定的開放式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)層級(jí)結(jié)構(gòu)模型。在PSI中的“開放”是指只要遵循OSI標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)系統(tǒng)就可以與位于世界上任何地方、遵循同一標(biāo)準(zhǔn)的其他任何系統(tǒng)進(jìn)行通信。OSI參考模型只是描述了一些概念，用來協(xié)調(diào)進(jìn)程之間通信標(biāo)準(zhǔn)的制定。在OSI范圍內(nèi)，只有各種的協(xié)議是可以被實(shí)現(xiàn)的，而各種產(chǎn)品只有和OSI的協(xié)議相一致時(shí)才能互聯(lián)。OSI參考模型知識(shí)一個(gè)概念性的框架。OSI劃分為七層：應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。 3. 物理層與物理層協(xié)議（1） 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的概念

13、l 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是指為網(wǎng)絡(luò)同層實(shí)體之間數(shù)據(jù)交換而制定的規(guī)則、約定與標(biāo)準(zhǔn)，亦稱同層協(xié)議或通信協(xié)議；l 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的三要素：語義、語法與時(shí)序；l 語義：用于解釋比特流的每一部分的意義，“講什么”；l 語法：語法是用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)與格式，以及數(shù)據(jù)出現(xiàn)的順序的意義，“如何講”；l 時(shí)序：時(shí)間實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說明。（2） 物理層基本服務(wù)功能l 物理層主要考慮如何在傳輸介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的比特流；l 設(shè)計(jì)物理層的主要目的是屏蔽通信技術(shù)的差異性。（3） 物理層向數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)l 建立物理連接：建立、維護(hù)與釋放；l 物理連接：點(diǎn)-點(diǎn)連接于多點(diǎn)連接；l 數(shù)據(jù)傳輸：單工、半雙工與全雙工方式。（4） 基本的數(shù)據(jù)編

14、碼方式l 模擬數(shù)據(jù)編碼：振幅鍵控ASK、移頻鍵控FSK、移相鍵控PSKl 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼：非歸零碼NRZ、曼徹斯特編碼、查分曼徹斯特編碼 這里主要介紹一下數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼a. 非歸零碼 NRZ碼的缺點(diǎn)是無法判斷一位的開始與結(jié)束，收發(fā)雙方不能保持同步；為保證收發(fā)雙方同步，必須在發(fā)送NRZ碼的同時(shí)，用另一個(gè)信道同時(shí)傳送同步信號(hào)；信號(hào)中存在直流分量。b. 曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼的規(guī)則：前T/2傳送該比特的反碼，后T/2比特傳送該比特的源碼。曼徹斯特編碼的有點(diǎn)：利用電平跳變可以產(chǎn)生手法雙方的同步信號(hào)；曼徹斯特編碼信號(hào)不含直流分量。c. 查分曼徹斯特編碼與曼徹斯特編碼的不同點(diǎn)：每比特的中間跳變僅作同步只用；

15、每比特的值根據(jù)其開始邊界是否發(fā)生跳變來決定；一個(gè)比特開始出出現(xiàn)電平跳變表示傳輸二進(jìn)制0，不發(fā)生跳變表示傳輸二進(jìn)制1。3、 現(xiàn)場總線的工程應(yīng)用1. CAN（1）CAN總線的定義CAN 是Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對(duì)安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對(duì)可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過多個(gè)LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986 年德國電氣商

16、博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN 通信協(xié)議。此后，CAN 通過ISO11898 及ISO11519 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。（2） CAN 總線協(xié)議簡介l 位仲裁要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，就必須將數(shù)據(jù)快速傳送，這就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個(gè)站同時(shí)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，要求快速地進(jìn)行總線分配。實(shí)時(shí)處理通過網(wǎng)絡(luò)交換的緊急數(shù)據(jù)有

17、較大的不同。一個(gè)快速變化的物理量，如汽車引擎負(fù)載，將比類似汽車引擎溫度這樣相對(duì)變化較慢的物理量更頻繁地傳送數(shù)據(jù)并要求更短的延時(shí)。CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，報(bào)文的優(yōu)先級(jí)結(jié)合在11位標(biāo)識(shí)符中，具有最低二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識(shí)符有最高的優(yōu)先級(jí)。這種優(yōu)先級(jí)一旦在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)被確立后就不能再被更改。總線讀取中的沖突可通過位仲裁解決。如圖2所示，當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)，站1的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為011111；站2的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為0100110；站3的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為0100111。所有標(biāo)識(shí)符都有相同的兩位01，直到第3位進(jìn)行比較時(shí)，站1的報(bào)文被丟掉，因?yàn)樗牡?位為高，而其它兩個(gè)站的報(bào)文第3位為低。站2和站3報(bào)文的4、5

18、、6位相同，直到第7位時(shí)，站3的報(bào)文才被丟失。注意，總線中的信號(hào)持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權(quán)的站的報(bào)文。在此例中，站2的報(bào)文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪一個(gè)站的報(bào)文被傳送以前，報(bào)文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上傳送了。所有未獲得總線讀取權(quán)的站都成為具有最高優(yōu)先權(quán)報(bào)文的接收站，并且不會(huì)在總線再次空閑前發(fā)送報(bào)文。CAN具有較高的效率是因?yàn)榭偩€僅僅被那些請(qǐng)求總線懸而未決的站利用，這些請(qǐng)求是根據(jù)報(bào)文在整個(gè)系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)有很多優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榭偩€讀取的優(yōu)先級(jí)已被按順序放在每個(gè)報(bào)文中了，這可以保證在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中較低的個(gè)體隱伏時(shí)間。對(duì)于主站的可靠性，由于CA

19、N協(xié)議執(zhí)行非集中化總線控制,所有主要通信，包括總線讀取 （許可）控制，在系統(tǒng)中分幾次完成。這是實(shí)現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。l 報(bào)文格式 在總線中傳送的報(bào)文，每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報(bào)文格式，其唯一的不同是標(biāo)識(shí)符（ID）長度不同，標(biāo)準(zhǔn)格式為11位，擴(kuò)展格式為29位。在標(biāo)準(zhǔn)格式中，報(bào)文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11位標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位 (RTR）組成的仲裁場。RTR位標(biāo)明是數(shù)據(jù)幀還是請(qǐng)求幀，在請(qǐng)求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)?？刂茍霭?biāo)識(shí)符擴(kuò)展位（IDE），指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴(kuò)展格式。它還包括一個(gè)保留位 (ro），為將來擴(kuò)展使用。它的最后四個(gè)位用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度

20、（DLC）。數(shù)據(jù)場范圍為08個(gè)字節(jié),其后有一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的循環(huán)冗余檢查(CRC）。應(yīng)答場（ACK）包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平（邏輯1），這時(shí)正確接收?qǐng)?bào)文的接收站發(fā)送主控電平（邏輯0）覆蓋它。用這種方法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個(gè)站能正確接收到報(bào)文。報(bào)文的尾部由幀結(jié)束標(biāo)出。在相鄰的兩條報(bào)文間有一很短的間隔位，如果這時(shí)沒有站進(jìn)行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。（3） CAN總線的應(yīng)用舉例CAN總線在工控領(lǐng)域主要使用低速-容錯(cuò)CAN即ISO11898-3標(biāo)準(zhǔn)，在汽車領(lǐng)域常使用500Kbps的高速CAN。某進(jìn)口車型擁有，車身、舒適、多媒體等多個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)，其中車身控制使用

21、CAN網(wǎng)絡(luò)，舒適使用LIN網(wǎng)絡(luò)，多媒體使用MOST網(wǎng)絡(luò)，以CAN網(wǎng)為主網(wǎng)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、ABS等車身安全模塊，并將轉(zhuǎn)速、車速、油溫等共享至全車，實(shí)現(xiàn)汽車智能化控制，如高速時(shí)自動(dòng)鎖閉車門，安全氣囊彈出時(shí)，自動(dòng)開啟車門等功能。CAN系統(tǒng)又分為高速和低速，高速CAN系統(tǒng)采用硬線是動(dòng)力型，速度：500kbps，控制ECU、ABS等；低速CAN是舒適型，速度：125Kbps，主要控制儀表、防盜等。某醫(yī)院現(xiàn)有5臺(tái)16T/H德國菲斯曼燃?xì)忮仩t，向洗衣房、制劑室、供應(yīng)室、生活用水、暖氣等設(shè)施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然氣1200萬m3，耗用20萬噸自來水。醫(yī)院采用接力式方式供熱，對(duì)熱網(wǎng)進(jìn)行地域

22、性管理，分四大供熱區(qū)。其中冬季暖氣的用氣量很大，據(jù)此設(shè)計(jì)了基于CAN現(xiàn)場總線的分布式鍋爐蒸汽熱網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：該樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)，現(xiàn)場組態(tài)容易，網(wǎng)絡(luò)化程度高，人機(jī)界面友好等特點(diǎn)。2. Profibus現(xiàn)場總線（1） Profibus通訊簡介 PROFIBUS是Process Fieldbus的縮寫，是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，即EN50170歐洲標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。目前世界上許多自動(dòng)化技術(shù)生產(chǎn)廠家都為它們生產(chǎn)的設(shè)備提供PROFIBUS接口。PROFIBUS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于加工制造、過程控制和樓宇自動(dòng)化，是成熟技術(shù)

23、。 作為眾多現(xiàn)場總線家族的成員之一，ProfiBus是在歐洲工業(yè)界得到最廣泛應(yīng)用的一個(gè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，它既符合德國標(biāo)準(zhǔn)DIN19345及歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170，同時(shí)也于2000年成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的組成部份，是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一。ProfiBus是屬于單元級(jí)、現(xiàn)場級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，適用于傳輸中、小量的數(shù)據(jù)。其開放性可以允許眾多的廠商開發(fā)各自的符合ProfiBus協(xié)議的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可以連接在同一個(gè)ProfiBus網(wǎng)絡(luò)上。Profibus是在1987年由Simens等13家企業(yè)和5家科研機(jī)構(gòu)在德國聯(lián)邦研技部的資助下，聯(lián)合研究開發(fā)的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。ProfiBus是一種電氣網(wǎng)絡(luò)，

24、物理傳輸介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線光纖、無線傳輸。ProfiBus主要有三部分組成，包括：ProfiBus-DP、ProfiBus-PA、 ProfiBus-FMS ，簡稱DP、PA和FMS。ProfiBus-DP（H2）是一種經(jīng)優(yōu)化的高速低成本通信，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/O之間的通信設(shè)計(jì)ProfiBus-PA(H1)是專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，提供本安傳輸技術(shù)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上，主要用于現(xiàn)場設(shè)備層的總線ProfiBus-FMS主要用于車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，解決車間級(jí)通用性通信任務(wù)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)一般將DP和FMS混合使用。Profibus 的三個(gè)兼容產(chǎn)品，使得Prof

25、ibus 既適合于自動(dòng)化系統(tǒng)與現(xiàn)場I/o單元的通訊，也可用于直接連接帶接口的變送器、執(zhí)行器、傳動(dòng)裝置和其它現(xiàn)場儀表對(duì)現(xiàn)場信號(hào)進(jìn)行采集和監(jiān)控。（2）Profibus總線協(xié)議簡介l 協(xié)議結(jié)構(gòu) Profibus現(xiàn)場總線是目前應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線技術(shù)之一。DP和PA的完美結(jié)合使得Profibus現(xiàn)場總線在結(jié)構(gòu)和性能上優(yōu)越于其它現(xiàn)場總線。Profibus 既適合于自動(dòng)化系統(tǒng)與現(xiàn)場I/o單元的通訊，也可用于直接連接帶接口的變送器、執(zhí)行器、傳動(dòng)裝置和其它現(xiàn)場儀表對(duì)現(xiàn)場信號(hào)進(jìn)行采集和監(jiān)控。并且用一對(duì)雙絞線替代了傳統(tǒng)的大量的傳輸電纜，大量節(jié)省了電纜的費(fèi)用，也相應(yīng)節(jié)省了施工調(diào)試以及系統(tǒng)投運(yùn)后的維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用。Pr

26、ofibus協(xié)議以O(shè)SI為參考模型，其協(xié)議結(jié)構(gòu)如下圖所示：a. FMS的協(xié)議結(jié)構(gòu)： FMS定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層和用戶接口，三到六層未加描述；物理層提供了光纖和RS485二種傳輸技術(shù)；數(shù)據(jù)鏈路層完成總線的存取控制并保證數(shù)據(jù)的可靠性；應(yīng)用層定義了低層接口LLI和現(xiàn)場總線信息規(guī)范FMS；LLI的作用是協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并提供不信賴設(shè)備的第二層訪問接口，F(xiàn)MS提供了范圍廣泛的功能來保證它的普遍應(yīng)用；在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，具體需要的功能范圍必須與具體應(yīng)用要求要適應(yīng)，這些適應(yīng)性定義稱之為行規(guī)，行規(guī)提供了設(shè)備的可互換性，保證不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備具有相同的通信功能；FMS在用戶接口中規(guī)定了相應(yīng)的用戶及

27、系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，定義了現(xiàn)場設(shè)備行為的行規(guī)。b. PA的協(xié)議結(jié)構(gòu)： PA主要應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，可以把測(cè)量變送器、閥門、執(zhí)行機(jī)構(gòu)用一根總線連接起來；PA數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的DP協(xié)議，只是在上層增加了描述現(xiàn)場設(shè)備行為的PA行規(guī)簡單的說，PA就相當(dāng)于DP通信協(xié)議加上最適合現(xiàn)場儀表的傳輸協(xié)議IEC1158-2，根據(jù)IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)，PA可通過總線給現(xiàn)場設(shè)備供電，并可確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋举|(zhì)安全性當(dāng)使用分段耦合器，PA裝置能很方便的連接到DP網(wǎng)絡(luò)。c. DP的協(xié)議結(jié)構(gòu)： DP定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和用戶接口，三至七層未加描述；這種結(jié)構(gòu)是為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖儆行У剡M(jìn)行；DP中的物理層和

28、數(shù)據(jù)鏈路層與FMS中的定義完全相同，二者采用了相同的傳輸技術(shù)（光纖或RS485傳輸）和統(tǒng)一的總線控制協(xié)議（報(bào)文格式），直接數(shù)據(jù)鏈路映像DDLM為用戶接口與數(shù)據(jù)鏈路層之間的信息交換提供了方便。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了各種不同DP行規(guī)。（3） Profibus總線的應(yīng)用典型的工廠自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)該是三級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于現(xiàn)場總線Profibus-DP/PA控制系統(tǒng)位于工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中的低層，即現(xiàn)場級(jí)和車間級(jí)?，F(xiàn)場總線Profibus是面向現(xiàn)場級(jí)和車間級(jí)的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)。l 現(xiàn)場設(shè)備層主要功能是連接現(xiàn)場設(shè)備，如分散式I/O、傳感器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、開關(guān)、2 燈設(shè)備

29、，完成現(xiàn)場設(shè)備控制及設(shè)備間連鎖控制。主站負(fù)責(zé)總線通信管理及所有從站的通信。總線上所有設(shè)備生產(chǎn)工藝控制程序均儲(chǔ)存 在主站中，并由主站執(zhí)行。l 車間監(jiān)控層車間級(jí)監(jiān)控用來完成車間中生產(chǎn)設(shè)備之間的連接，如一個(gè)車間三條生產(chǎn)線主控制器之間的連接，完成車間級(jí)設(shè)備監(jiān)控。車間級(jí)監(jiān)控包括生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)控、設(shè)備故障報(bào)警及維護(hù)等。通常還具有諸如生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度等車間級(jí)生產(chǎn)管理功能。車間級(jí)監(jiān)控通常要設(shè)立車間監(jiān)控室，在操作員工作站及打印設(shè)備上。車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可采用Profibus-FMS，它是一個(gè)多主網(wǎng)絡(luò)，在這一級(jí)，數(shù)據(jù)傳輸速度不是最重要的，而是要能夠傳送大容量信息。l 工廠管理層車間操作員工作站可通過集線器與車間

30、辦公管理網(wǎng)連接，將車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)送到車間管理層。車間管理網(wǎng)作為主網(wǎng)的一個(gè)子網(wǎng)，通過交換機(jī)、網(wǎng)橋或路由器等連接到廠區(qū)骨干網(wǎng)上，將車間數(shù)據(jù)集成到工廠管理層。車間管理層通常所說的以太網(wǎng)，即IEEE 802.3 和IETF TCP/IP的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。工廠骨干網(wǎng)可根據(jù)工廠實(shí)際情況，采用如FDDI或ATM等網(wǎng)絡(luò)。3. Lonworks智能控制網(wǎng)絡(luò)（1） LonWorks總線簡介 LonWorks 即 現(xiàn)場總線 ?，F(xiàn)場總線是指以工廠內(nèi)的測(cè)量和控制機(jī)器間的數(shù)字通訊為主的網(wǎng)絡(luò)，也稱現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。也就是將傳感器、各種操作終端和控制器間的通訊及控制器之間的通訊進(jìn)行特化的網(wǎng)絡(luò)。這些機(jī)器間的主體配線是ON/OFF、接點(diǎn)信號(hào)

31、和模擬信號(hào)，通過通訊的數(shù)字化，使時(shí)間分割、多重化、多點(diǎn)化成為可能，從而實(shí)現(xiàn)高性能化、高可靠化、保養(yǎng)簡便化、節(jié)省配線（配線的共享）。現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。它是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動(dòng)化領(lǐng)域中底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。簡單說，現(xiàn)場總線就是以數(shù)字通信替代了傳統(tǒng)4-20mA模擬信號(hào)及普通開關(guān)量信號(hào)的傳輸，是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。（2） Lonworks通信協(xié)議 Lonw

32、orks的通信協(xié)議為Lontalk協(xié)議。 Lontalk協(xié)議是Lon總線的專用協(xié)議，是Lonworks的核心。它符合ISO/OSI參考模型的七層體系結(jié)構(gòu)，即含有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。 Lontalk協(xié)議提供了一系列通信服務(wù)，可使一臺(tái)設(shè)備的應(yīng)用程序可以在不了解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒚Q、地址或者其他設(shè)備功能的情況下發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備的報(bào)文。還提供端到端的報(bào)文確認(rèn)、報(bào)文認(rèn)證、打包業(yè)務(wù)和優(yōu)先傳送服務(wù)，知識(shí)網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，允許遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理工具與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行交互。 采用神經(jīng)元芯片的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)含有Lontalk協(xié)議固件，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以靠地通信。 （3） Lonworks總線的應(yīng)用 現(xiàn)場總線的產(chǎn)生對(duì)工業(yè)的發(fā)展起著非常重要的作用，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的增長有著非常重要的影響。現(xiàn)場總線主要應(yīng)用于石油、化工、電力、醫(yī)藥、冶金、加工制造、交通運(yùn)輸、國防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領(lǐng)域。 這里重點(diǎn)介紹一下Lonworks智能家居系統(tǒng)。 智能家居是近年來產(chǎn)生并迅速崛起的一種新型住宅，它是建筑藝術(shù)、生活理念與信息技術(shù)、電子技術(shù)等現(xiàn)代高科技的完美結(jié)合。智能家居為住戶提供了一種更加安全、舒適、方便、快捷和開放的智能化、信息化生活空間。本文首先