精密測控與系統(tǒng)第9章現(xiàn)場總線技術

精密測控與系統(tǒng)曹佃國曲師大電氣信息與自動化學院tel:3981133-mail:caodg0318@126.comPrecisionMeasurementandControlSystems曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線技術簡介什么是現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線的定義為什么要用現(xiàn)場總線什么時候用現(xiàn)場總線總線與網(wǎng)絡通信開放系統(tǒng)互連參考模型幾種主要的現(xiàn)場總線及其應用

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院曹佃國2010年秋曲師大自動化學院曹佃國2010年秋曲師大自動化學院曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場設備與現(xiàn)場總線現(xiàn)場：生產(chǎn)過程中測量與控制活動具體發(fā)生的地點現(xiàn)場設備：數(shù)據(jù)是需要傳輸?shù)腎ndustrialCommunicationsBasicI/O

Analogue/Digital曹佃國2010年秋曲師大自動化學院傳統(tǒng)的現(xiàn)場設備接口（I/Ointerface)簡單、有效、產(chǎn)品種類多幾乎任何應用系統(tǒng)都可找到可選產(chǎn)品模擬、數(shù)字接口都有PLC在工業(yè)現(xiàn)場很常見點對點連接，系統(tǒng)規(guī)模不能太大無法傳輸大量數(shù)據(jù)BasicI/O

Analogue/Digital曹佃國2010年秋曲師大自動化學院什么是現(xiàn)場總線定義：應用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在測量控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的開放型控制網(wǎng)絡技術FieldbusDigital,2waycommunicationI/O-system現(xiàn)場（field)現(xiàn)場總線曹佃國2010年秋曲師大自動化學院從應用角度定義的現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線為安裝在過程控制現(xiàn)場的傳感器、執(zhí)行器提供了一種可以傳輸數(shù)字信號的電聯(lián)接智能化的現(xiàn)場設備需要雙向數(shù)據(jù)傳輸線現(xiàn)場總線可同時聯(lián)接多個數(shù)據(jù)點可對現(xiàn)場設備進行遠程控制、校準、調節(jié)避免經(jīng)常到現(xiàn)場進行調整方便預測及診斷故障的發(fā)生數(shù)字信號傳輸，抗干擾能力強現(xiàn)場設備數(shù)字化現(xiàn)場設備有相互通訊能力，降低上位機的控制負擔現(xiàn)場設備有數(shù)據(jù)處理能力，降低數(shù)據(jù)傳輸負擔曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線與傳統(tǒng)測控系統(tǒng)曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)硬件結構SafeareaRedundant,isolatedFieldbuspowerconditionerFieldwiringhubwithspurshort-circuitprotectionFOUNDATION

FieldbusDevicesFIELDCONTROLROOMFieldbuscontrolsystem(DCS)曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結構

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線的優(yōu)點1.減少傳輸電纜

傳輸電纜的減少不僅意味著系統(tǒng)的布線結構設計及安裝費用的降低，而且可有效避免多電纜帶來的混亂，使現(xiàn)場電纜系統(tǒng)更易于維護。在某些如衛(wèi)星、車船等特殊場合，電纜重量的降低也是其重要優(yōu)點

2.節(jié)約硬件設備現(xiàn)場設備比傳統(tǒng)設備成本高，但系統(tǒng)的總成本卻可能相對低一些

維護容易，可靠曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線的優(yōu)點信號傳輸數(shù)字化

減少了信號的傳送誤差，抗干擾能力強

現(xiàn)場設備模塊化、智能化

系統(tǒng)組成結構更具彈性。某個現(xiàn)場設備的維修與更換、系統(tǒng)中現(xiàn)場設備的添加/減少乃至系統(tǒng)的局部重構，均可能在系統(tǒng)運行過程中完成

系統(tǒng)控制結構的分散化

可實現(xiàn)現(xiàn)場設備之間的互操作和互換信息，在現(xiàn)場建立起開放式的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡

徹底的分散控制，控制系統(tǒng)功能不依賴控制室的計算機或控制儀表而直接在現(xiàn)場完成

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線的優(yōu)點減少傳輸電纜4-20mA傳輸模式中，電源、現(xiàn)場設備、采集卡以及其他電路之間是串聯(lián)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，電源、現(xiàn)場設備、采集卡以及其他電路之間是并聯(lián)的4-20mAPowerSupplyfieldbusPowerSupplyInputcard曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線的優(yōu)點對于用戶來說，經(jīng)濟風險更低ReplaceOperations&MaintenanceEngineering,Construction,&Commissioning/Start-upCashFlowAnalogfieldbusTime曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線是工廠的底層網(wǎng)絡（Infranet）現(xiàn)場設備的電源供應可與數(shù)據(jù)傳輸公用一條傳輸線曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線與信息網(wǎng)絡技術網(wǎng)絡技術是現(xiàn)場總線的重要基礎，但現(xiàn)場總線直接面向生產(chǎn)過程適應工業(yè)應用環(huán)境，要求實時性強，可靠性高，安全性好。多為短幀傳送，通信的傳輸速率相對較低。曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線技術簡介什么是現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線的定義為什么要用現(xiàn)場總線什么時候用現(xiàn)場總線總線與網(wǎng)絡通信開放系統(tǒng)互連參考模型幾種主要的現(xiàn)場總線及其應用

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線技術簡介什么是現(xiàn)場總線總線與網(wǎng)絡通信總線協(xié)議網(wǎng)絡的拓撲結構開放系統(tǒng)互連參考模型幾種主要的現(xiàn)場總線及其應用

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院2.總線與網(wǎng)絡通信總線(bus):傳輸信號或信息的公共路徑，是遵循同一技術規(guī)范的連接與操作方式

總線段(bussegment):

一組設備通過總線連在一起

總線網(wǎng)絡：通過總線段相互連接把多個總線段連接成的系統(tǒng)

總線主設備(busmaster)：在總線上發(fā)起信息傳輸?shù)脑O備（又稱命令者）總線從設備(busslaver):對總線信息進行接收查詢的設備（連上后又稱為“響應者”(responder)）總線協(xié)議(busprotocol):對設備使用總線進行管理的一套規(guī)則

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院2.總線與網(wǎng)絡通信總線的相關概念總線操作：總線上命令者與響應者之間的連接—數(shù)據(jù)傳送—脫開這一操作序列通信請求：由總線上某一設備向另一設備發(fā)出的請求信號，要求后者給予注意并進行某種服務總線仲裁：用于裁決哪一個主設備是下一個占有總線的設備。某一時刻只允許某一個主設備占有總線，等到它完成總線操作，釋放總線占有權后才允許其它總線主設備使用總線訪問等待時間(accesslatency)：主設備為獲得總線占有權而等待仲裁的時間總線占有期(bustenancy)：命令者占有總線的時間

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院什么是計算機網(wǎng)絡計算機網(wǎng)絡是指用通信線路將分散在不同地點的具有獨立自主功能的計算機系統(tǒng)互相連接,并按照網(wǎng)絡協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信和共享資源的計算機的集合計算機網(wǎng)絡和分布式系統(tǒng)的區(qū)別：更多取決于軟件而不是硬件曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網(wǎng)絡的分類（1）通常由兩個標準區(qū)分:按傳輸技術和網(wǎng)絡規(guī)模按傳輸技術分類廣播式網(wǎng)絡(broadcastnetwork)點-點式網(wǎng)絡(point-to-pointnetwork)曹佃國2010年秋曲師大自動化學院廣播式網(wǎng)絡與點對點式網(wǎng)絡廣播式網(wǎng)絡共享信道短的信息（按某種語法組織的分組和包）可以被任何機器接收。通過地址字段接收點對點式網(wǎng)絡由一對對機器之間的多條線路連接構成通過中間結點到達目的端有多條路徑，路由算法曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網(wǎng)絡拓撲結構（1）

Tointernet以太網(wǎng)卡以太網(wǎng)卡以太網(wǎng)線以太網(wǎng)線外部網(wǎng)線星形拓撲結構任何兩點之間通信都通過中央節(jié)點進行所有通訊均由中央節(jié)點控制，中央節(jié)點的結構復雜每個節(jié)點的通訊處理負擔很小，結構簡單曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網(wǎng)絡拓撲結構（1）星型拓撲的優(yōu)點：利用中央節(jié)點，可以在不影響系統(tǒng)其他設備工作的情況下增加或減少設備，對網(wǎng)絡進行調整或重新配置單個連接節(jié)點的故障只影響一個設備，不會影響全網(wǎng)，容易檢測和隔離故障,便于維護任何一個連接只涉及到中央節(jié)點和一個連接節(jié)點，因此控制介質訪問的方法很簡單，訪問協(xié)議也十分簡單缺點：每個節(jié)點直接與中央節(jié)點相連，需要大量電纜如果中央節(jié)點產(chǎn)生故障，則全網(wǎng)不能工作曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網(wǎng)絡拓撲結構（2）環(huán)形拓撲

典型代表：令牌環(huán)局域網(wǎng)，傳輸速率為4Mbps或16Mbps擁有“令牌”的設備允許在網(wǎng)絡中傳輸數(shù)據(jù)信息流只能是單方向的，每個收到信息包的站點都向它的下游站點轉發(fā)該信息包。信息包在環(huán)網(wǎng)中“旅行”一圈，最后由發(fā)送站進行回收當信息包經(jīng)過目標站時，目標站根據(jù)信息包中的目標地址判斷出自己是接收站，并把該信息拷貝到自己的接收緩沖區(qū)中（廣播式）

當一個站發(fā)送完信息后就把令牌向下傳送，以便下游的站點可以得到發(fā)送信息的機會曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網(wǎng)絡拓撲結構（2）環(huán)形拓撲的優(yōu)點：時延確定性好,能高速運行結構簡單，避免沖突重載時網(wǎng)絡效率高缺點：環(huán)形網(wǎng)的成本較高輕負載時，也要等待令牌產(chǎn)生不必要的時延，使傳輸效率下降曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網(wǎng)絡拓撲結構（3）總線拓撲采用單根傳輸線作為傳輸介質(總線)所有的站點都通過相應的硬件接口直接連接到總線上任何一個站點發(fā)送的信號都可以沿著總線傳播，而且能被其他所有站點接收（廣播式）傳輸時延是不確定的輕載時時延小,但網(wǎng)絡節(jié)點多、通信任務重時，時延明顯增大，網(wǎng)絡效率下降曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網(wǎng)絡拓撲結構（3）總線拓撲的優(yōu)點：結構簡單，電纜長度短，易于布線和維護節(jié)點設備可以在不影響系統(tǒng)中其他設備工作的情況下進行插入或刪除，易于網(wǎng)絡的擴展響應速度快，共享資源能力強，便于廣播式工作設備量少，價格低，安裝使用方便缺點：網(wǎng)絡對總線較敏感：因為總線拓撲的網(wǎng)不是集中控制的，所以故障檢測需要在網(wǎng)上的各個站點上進行，故障診斷和隔離困難曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網(wǎng)絡拓撲結構（4）樹形拓撲

總線拓撲的一種變型廣播式通信：—個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，其它節(jié)點都能接收適用于分主次、分等級的層次型管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)率和數(shù)據(jù)類型沒有太多限制，可達到很高的帶寬特點：可擴展性好，頻帶較寬，但節(jié)點間通信不便

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網(wǎng)絡拓撲結構（5）令牌總線拓撲物理上是一個總線網(wǎng)，在邏輯上是一個令牌網(wǎng)節(jié)點接入方便,可靠性好網(wǎng)絡傳輸時延確定無沖突,非常適合具有一定實時性要求的環(huán)境本節(jié)點地址上節(jié)點地址下節(jié)點地址曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線技術簡介什么是現(xiàn)場總線總線與網(wǎng)絡通信總線協(xié)議網(wǎng)絡的拓撲結構開放系統(tǒng)互連參考模型幾種主要的現(xiàn)場總線及其應用

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線技術簡介什么是現(xiàn)場總線總線與網(wǎng)絡通信開放系統(tǒng)互連參考模型

網(wǎng)絡協(xié)議的分層機制網(wǎng)絡協(xié)議的“透明”幾種主要的現(xiàn)場總線及其應用

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網(wǎng)絡協(xié)議分層網(wǎng)絡協(xié)議：為進行網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定大多數(shù)網(wǎng)絡都按層次（layer）或級（level）的方式來組織.每一層都建立在它的下層之上，不同的網(wǎng)絡，層的數(shù)量、名稱和功能都不一樣在所有的網(wǎng)絡中，每一層的目的都是向它的上一層提供一定的服務，而把如何實現(xiàn)這一服務的細節(jié)對上一層加以屏蔽曹佃國2010年秋曲師大自動化學院認識層語言層傳輸層傳輸介質二人對要通話的內容有共同的興趣（關心內容，不關心語言）每人請來一個譯者,對各自的語言翻譯,翻譯為第三國語言（能互相聽懂語言，但不關心內容）兩個譯員分屬兩個不同的地方,則各自需要一個工程技術人員,將交談的內容轉成電信號在傳輸介質上傳給對方（不管語言，只管語音）分層通信的概念曹佃國2010年秋曲師大自動化學院網(wǎng)絡協(xié)議分層第n層協(xié)議一臺機器上的第n層與另一臺機器上的第n層進行對話的規(guī)則對等進程不同機器里包含對應層的實體，對等進程之間進行通信相鄰層之間接口定義了下層向上層提供的源語操作和服務虛通信（透明）除了在物理介質上進行的實通信外，其余對等實體間進行的都是虛通信實際上，數(shù)據(jù)不是從一臺機器的第n層直接傳到另一臺機器的第n層，而是向下傳送信息直到傳輸介質，在物理介質中進行物理通信認識層語言層傳輸層傳輸介質曹佃國2010年秋曲師大自動化學院OSI參考模型的七層協(xié)議

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院OSI參考模型的七層協(xié)議（低層）物理層（比特）將比特流送到物理媒體進行透明傳送數(shù)據(jù)鏈路層（幀）在相鄰節(jié)點之間無差錯的傳送幀。網(wǎng)絡層（分組或包）在源和目的節(jié)點之間選擇一條最佳路徑，將分組正確、無誤地傳送到目的地傳輸層（報文）建立一條傳輸?shù)倪B接（對方在何處），透明地傳送報文曹佃國2010年秋曲師大自動化學院OSI參考模型的七層協(xié)議（高層）會話層（報文）會話的管理與數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐剑〞掚p方輪到誰講話、從何處講）表示層（報文）解決用戶信息的語法表示問題，即完成信息格式的轉換（語言翻譯）。應用層（報文）用戶信息的語義表示，并在兩個通信者之間進行語義匹配（語言內容）曹佃國2010年秋曲師大自動化學院OSI參考模型的七層協(xié)議

幀—比特數(shù)據(jù)包—幀數(shù)據(jù)打包與誰會話會話管理說話內容語言翻譯曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線的分層協(xié)議OSI現(xiàn)場總線

用戶層從數(shù)據(jù)產(chǎn)生數(shù)值應用層應用層適用格式化數(shù)據(jù)表示層不用

會話層不用

傳輸層不用

網(wǎng)絡層現(xiàn)場總線訪問子層映射到數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層探測錯誤物理層物理層發(fā)送數(shù)據(jù)曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線的分層協(xié)議物理層定義現(xiàn)場總線的通訊介質,即4～20mA標準的替代數(shù)據(jù)鏈路層用于監(jiān)視發(fā)生于各設備間的通訊,同時檢測通訊錯誤應用層規(guī)范通訊數(shù)據(jù)格式,以便形成所有聯(lián)網(wǎng)設備都可以解釋的信息,為過程控制提供服務,同時向用戶層提供接口用戶層一些數(shù)據(jù)或信息查詢的應用軟件，與一個獨立的工廠區(qū)域相關聯(lián),為進一步應用提供環(huán)境曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線的體系結構曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線的體系結構實際的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型應具有三層結構,從底向上依次為現(xiàn)場設備層：現(xiàn)場設備以網(wǎng)絡節(jié)點的形式掛接在網(wǎng)絡上,現(xiàn)場設備采用功能塊的結構,通過組態(tài)設計,完成數(shù)據(jù)采集、A/D轉換、數(shù)字濾波、溫度壓力補償、PID控制等各種功能

現(xiàn)場總線監(jiān)控層：一般由上位計算機完成，從現(xiàn)場設備中獲取數(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

遠程監(jiān)控層：在分布式網(wǎng)絡環(huán)境下構建一個安全的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程進行實時的遠程監(jiān)控

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線的體系結構曹佃國2010年秋曲師大自動化學院MethodsforIndustrialCommunicationsEthernet/SerialPlug-InInterfacesGatewaysoverEthernet,Serial

VersatilityPerformance/Determinism曹佃國2010年秋曲師大自動化學院現(xiàn)場總線技術簡介什么是現(xiàn)場總線總線與網(wǎng)絡通信開放系統(tǒng)互連參考模型幾種主要的現(xiàn)場總線及其應用

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院基金會現(xiàn)場總線

（FF，F(xiàn)oundationFieldbus）

美國Fisher-Rosemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂的ISP協(xié)議

以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的WorldFIP協(xié)議

1994年9月合并，成立了現(xiàn)場總線基金會

基金會現(xiàn)場總線

1996年在芝加哥舉行的ISA96展覽會上，由現(xiàn)場總線基金會組織實施，首次向世界展示了來自40多家廠商的70多種符合FF協(xié)議的產(chǎn)品

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現(xiàn)場總線協(xié)議1.物理層數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)時,接受由數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)下發(fā)的數(shù)據(jù),并將其以某種電氣信號進行編碼并發(fā)送數(shù)據(jù)接收狀態(tài)時,將相應的電氣信號編碼為二進制數(shù)值,并送到鏈路層。物理層定義了三種網(wǎng)絡傳輸速度:低速H1：傳輸速率為31.25kbps，通信距離可達1900m（可加中繼器延長），可支持總線供電，支持本質安全防爆環(huán)境

高速H2：傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps兩種，通信距離分別為750m和500m。物理傳輸介質可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現(xiàn)場總線協(xié)議現(xiàn)場設備之間、現(xiàn)場設備與控制室設備之間的雙向、全雙工、多節(jié)點通訊曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現(xiàn)場總線協(xié)議傳統(tǒng)系統(tǒng)由中心計算機完成測控功能現(xiàn)場總線也可沿用傳統(tǒng)模式，但也可采用分散測控模式曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現(xiàn)場總線協(xié)議分布式測控系統(tǒng)模型曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現(xiàn)場總線協(xié)議每臺設備至少包括：傳感器/執(zhí)行器模塊I/O信號的換能模塊至少一個FF功能塊FF功能塊（現(xiàn)場設備或主機中）：基本測控功能連接及控制功能曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現(xiàn)場總線協(xié)議功能運行周期性通訊（發(fā)布）非周期性通訊曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現(xiàn)場總線協(xié)議FF中的基本模塊模擬量輸入(AI),模擬量輸出(AO)開關量輸入(DI),開關量輸出(DO)控制選擇(CS),手動控制(ML),P、PD控制(P),PID控制(PID)偏置/增益(BG),比率控制(RA)FF中的高級模塊分離器,死區(qū),脈沖輸入,復雜模出,復雜開關量出超前滯后補償,算術運算步進輸出PID,裝置控制設定值程序發(fā)生,積分運算定時,模擬量報警輸入選擇,信號特征,開關量報警模擬量,開關量接口曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF中的柔性可配置模塊用戶根據(jù)具體應用配置的I/O數(shù)目及類型用戶根據(jù)具體應用配置的算法曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF中的柔性可配置模塊具體算法曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)HSE——HighSpeedEthernetHSE采用與H1同樣的用戶層技術用戶可配置模塊現(xiàn)場設備的測控采用H1的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議HSE采用以太網(wǎng)/因特網(wǎng)實現(xiàn)遠距離通信添加支持異構網(wǎng)絡的功能模塊支持多個局域網(wǎng)間的連接可實現(xiàn)遠程監(jiān)測及控制曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)曹佃國2010年秋曲師大自動化學院FF現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)H1——設備集成HSE——子網(wǎng)集成HSE——服務器集成曹佃國2010年秋曲師大自動化學院LonWorks

現(xiàn)場總線技術LonTalk協(xié)議被封裝在

神經(jīng)元芯片（Neuronchip）中曹佃國2010年秋曲師大自動化學院神經(jīng)元芯片

Neuronchip介質訪問的控制與處理

網(wǎng)絡變量的尋址與處理、路徑選擇、網(wǎng)絡管理，并負責網(wǎng)絡通信控制，收發(fā)數(shù)據(jù)包等

執(zhí)行操作系統(tǒng)服務與用戶代碼

曹佃國2010年秋曲師大自動化學院PROFIBUS現(xiàn)場總線德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場總線標準是一種不依賴