《計算機控制技術》課件第9章 工業(yè)控制網(wǎng)絡

第9章工業(yè)控制網(wǎng)絡9.1集散控制系統(tǒng)9.2現(xiàn)場總線概述9.3五種有影響的現(xiàn)場總線9.4OSI參考模型與現(xiàn)場總線通信模型9.5FF現(xiàn)場總線技術9.6現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設計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)。它是綜合了計算機技術、通信技術、CRT顯示技術和過程控制技術的新型控制系統(tǒng)。其設計原則是控制分散、操作集中、危險分散、管理集中、分級管理、分而自治。集散控制系統(tǒng)具有技術先進、功能完備、應用靈活、操作方便、運行可靠等多方面顯著特點，為計算機控制開創(chuàng)了一個嶄新的應用領域，并得到了越來越普遍的應用。9.1.1集散控制系統(tǒng)的產生利用常規(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，但是隨著生產規(guī)模的日益大型化、復雜化，它的局限性越來越明顯，主要表現(xiàn)在：不易實現(xiàn)復雜控制規(guī)律，不易實現(xiàn)集中監(jiān)視和操作，不易組成分級控制的通信聯(lián)系等。

為了克服模擬控制儀表的上述缺點，隨著計算機技術的發(fā)展，從20世紀五六十年代開始，出現(xiàn)了兩類計算機控制系統(tǒng)：計算機直接數(shù)字控制(DDC,DirectDiGitalControl)和監(jiān)督計算機控制(SCC,SupervisoryComputerControl)系統(tǒng)。所謂DDC系統(tǒng),就是使用一臺DDC主計算機代替多臺模擬調節(jié)器，實現(xiàn)對多個過程參數(shù)值的控制；而SCC系統(tǒng)則是由SCC主計算機根據(jù)現(xiàn)場及其他參數(shù)，按一定規(guī)律自動改變模擬調節(jié)器或DDC系統(tǒng)的給定值，使生產過程處于最優(yōu)工作狀態(tài)。以上兩種計算機控制系統(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現(xiàn)復雜規(guī)律，易于通信，易于實現(xiàn)集中監(jiān)視以及操作、控制精度高等顯著優(yōu)點，但由于它們還屬于“集中型”系統(tǒng)，一臺計算機要控制幾十甚至幾百個回路，同時保存并處理著整個生產過程的全部信息，所以存在著危險集中的嚴重問題，一旦主機發(fā)生故障，必將影響整個系統(tǒng)的正常工作，甚至造成癱瘓事故發(fā)生。70年代中期開始出現(xiàn)的集散控制系統(tǒng)，以美國霍尼維爾公司的TDC―2000和日本橫河公司的CENTUM系統(tǒng)為典型代表，開始了分級分布系統(tǒng)在工業(yè)過程控制領域中的應用。這一類系統(tǒng)從計算機控制角度講，屬于分布式計算機控制系統(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)，

簡稱集散系統(tǒng)(DCS，DistributedControlSystem)；從其本質和內部機理上講，是以微處理機為核心的計算機控制系統(tǒng)；從其外部構成方式和應用角度上講，它類似于單元組合式儀表控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)的組態(tài)及擴展都十分容易。

集散系統(tǒng)在功能上真正實現(xiàn)了管理集中和控制分散，既實現(xiàn)了操作、管理和監(jiān)視的縱向分級集中，又實現(xiàn)了控制、危險的橫向分散，從根本上提高了系統(tǒng)的可靠性。DCS系統(tǒng)是目前公認的最理想的工業(yè)控制系統(tǒng)之一，在國內外冶金、電力、石油、化工、建筑等工業(yè)生產中得到了廣泛的應用。至今全球DCS系統(tǒng)的生產廠家近百個，表9―1、表9―2中所列為一些典型產品。表9―1國外DCS系統(tǒng)典型產品表9―2部分國產DCS系統(tǒng)9.1.2集散系統(tǒng)的基本結構自1975年第一套集散系統(tǒng)TDC―2000誕生至今，隨著微型計算機技術，特別是數(shù)據(jù)通信技術的發(fā)展與應用，集散系統(tǒng)的能力與結構也在不斷地發(fā)展與變化，其中大體經歷了三個階段。

1.第一代集散系統(tǒng)的基本結構第一代集散系統(tǒng)始于1975年，其基本結構如圖9―3所示，主要由5大部分組成。圖9―3第一代集散系統(tǒng)的基本結構(1)現(xiàn)場控制站：亦稱過程控制單元(PCU)、現(xiàn)場控制單元(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)、存儲器(RAM、ROM)、模擬量和數(shù)字量I/O接口、電源、通信接口及內部總線組成。通常有十幾到幾十種標準控制算法固化在ROM中，供組態(tài)時選用。第一代PCU主要完成對一個或多個回路的控制功能，它使集散系統(tǒng)獲得了分散控制的能力。(2)現(xiàn)場監(jiān)視站：亦稱過程接口單元(PIU)、數(shù)據(jù)采集單元(DAU)或現(xiàn)場監(jiān)視單元。其主要作用是采集及處理非控制參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)通道將采集到的數(shù)據(jù)送到操作站和上位機。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放在一個單元中。(3)CRT操作站：它是系統(tǒng)中最主要的人機接口，主要由微處理器、存儲器、CRT顯示器、操作鍵盤及打印機組成，主要完成以系統(tǒng)生成、維護為主的工程功能，以監(jiān)視、運行、維護為主的操作功能，以及與PCU和上位機交換信息的通信功能。

(4)監(jiān)控計算機：它是系統(tǒng)的主計算機，亦稱上位機(HiGhLevelComputer)，能綜合處理和管理整個系統(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、上位機等之間的信息交換均由HTD控制，通過DHW進行?？傊谝淮⑾到y(tǒng)主要是為克服集中式計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)的不足而產生的，因此其主要的技術特征體現(xiàn)在分散控制上。其集中顯示和操作比計算機集中控制系統(tǒng)更復雜也更先進。但由分散控制而引入的數(shù)據(jù)通信手段則處于較低級階段。

第一代集散系統(tǒng)的典型產品有：美國霍尼維爾公司的TDC―2000(TotalDistributedControl)、泰勒公司的MODⅢ、貝利公司的Network―90，過程系統(tǒng)有限公司的MICON、?？怂共_公司的Spectrum，日本東芝公司的TOSDIC、日立公司的UNITROLΣ、橫河公司的CENTUM和英國肯特公司的P―4000等。2.第二代集散系統(tǒng)的基本結構

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

圖9―4第二代集散系統(tǒng)基本結構

第二代集散系統(tǒng)的主要組成部分如下：

(1)局部網(wǎng)絡：又稱局域網(wǎng)(LAN)。它由傳輸介質(如同軸電纜、雙絞線或光導纖維等)和節(jié)點組成。網(wǎng)絡通信功能有較復雜的機制，各公司產品局部網(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，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)絡結構及通信協(xié)議也不盡相同。(2)節(jié)點工作站:從網(wǎng)絡拓撲結構的角度上講，局域網(wǎng)的節(jié)點都可稱為工作站，而這里是特指過程控制站。第二代集散系統(tǒng)的控制站是在第一代集散系統(tǒng)的控制單元基礎上發(fā)展起來的，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、顯示器、鍵盤、打印機等組成，是全系統(tǒng)的人機接口，可完成對整個系統(tǒng)的信息進行綜合、管理。(4)系統(tǒng)管理站：亦稱系統(tǒng)管理模件(SMM，SystemManaGementModule)。為了加強全系統(tǒng)的管理功能，有些集散系統(tǒng)在網(wǎng)絡中加上了專門用來配合主計算機和中央操作站進行系統(tǒng)管理的系統(tǒng)管理模件，如歷史模件(HM，HistoryModule)、應用模件(AM，ApplicationModule)，計算模件(CM，CaculateModule)等，未采用硬件系統(tǒng)管理單元的第二代集散系統(tǒng)一般應用高性能管理軟件來實現(xiàn)同樣功能。(5)主計算機:亦稱管理計算機。它應是具有較強運算和管理功能的計算機，一般為小型機。無主機集散系統(tǒng)則應該加強中央操作站與節(jié)點工作站功能。

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

第二代集散系統(tǒng)是應市場要求而產生的，20世紀70年代以來，工業(yè)自動化技術飛速發(fā)展，世界市場上產品競爭激烈，迫使生產廠家必須提高產品質量，提高生產效率，因此，必須實現(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這方面要求而引入的。同樣，市場的競爭導致了生產周期變短，生產品種變換頻繁，工藝過程變化大，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，還必須增強批量控制功能。這就形成了第二代集散系統(tǒng)的主要技術特征：引入局部網(wǎng)和管理模件；引入或加強了批量控制功能。

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)的基本結構網(wǎng)絡技術特別是局部網(wǎng)絡標準化的發(fā)展帶動了集散系統(tǒng)的進步，第三代集散系統(tǒng)的主要變化是在局部網(wǎng)絡中采用了MAP(ManufactuinGautomationProtocal，制造自動化協(xié)議)，從而解決了第二代集散系統(tǒng)各公司產品相互不能兼容的缺點。第三代集散系統(tǒng)的另一進展是系統(tǒng)的智能化進一步向現(xiàn)場延伸，采用了智能變送器(SmartTransmitter)，并通過現(xiàn)場總線(FB，F(xiàn)ieldbus)與PCU或LAN的節(jié)點相連。由于工業(yè)局部網(wǎng)的標準化協(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，其基本結構如圖9―5所示。

圖9―5第三代集散系統(tǒng)的基本結構4.集成式集散系統(tǒng)的基本結構近年來，在計算機控制系統(tǒng)中出現(xiàn)了系統(tǒng)集成的新概念。這個概念是由從事計算機及應用技術的研究人員提出的。系統(tǒng)集成就是將以微處理器為基礎的各類數(shù)字設備(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LAN上，構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的發(fā)展，使這種系統(tǒng)成為可能。在國外已經出現(xiàn)了許多專營IDS系統(tǒng)的公司。IDS系統(tǒng)的基本結構如圖9―6所示。圖中橋用來連接同類網(wǎng)絡，網(wǎng)間連接器ＧW用來連接不同類型的網(wǎng)絡，以便對IDS擴展PIU(ProcessInterfaceUnit)過程接口單元。圖9―6集成式集散系統(tǒng)的基本結構9.1.3集散系統(tǒng)的特點集散系統(tǒng)之所以能有較快的發(fā)展，是與其所具有的特點分不開的。與其他計算機控制系統(tǒng)相比較，集散系統(tǒng)主要具有以下幾個特點：

(1)在結構上實現(xiàn)了分級分散控制?？v向分級便于生產過程的集中監(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，使系統(tǒng)可以方便地實現(xiàn)各種復雜控制功能和決策管理功能。(3)系統(tǒng)構成方式簡便。硬件積木化，軟件模塊化，應用靈活，擴展方便，通過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)應用了局部網(wǎng)絡技術。由此可以實現(xiàn)全系統(tǒng)的信息綜合利用，資源共享，相互協(xié)調。

(5)獲得了很高的可靠性。通過系統(tǒng)的分散結構特征，使用冗余技術、自診斷技術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99.9999%，平均無故障時間可大于50000h。9.1.4集散系統(tǒng)的發(fā)展方向與趨勢集散系統(tǒng)是隨著4C技術的發(fā)展而發(fā)展起來的，因此隨著科學技術的不斷發(fā)展，隨著工業(yè)控制領域市場的競爭與要求，集散系統(tǒng)的性能指標及性能價格比將進一步提高。根據(jù)目前的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)近期將著重在以下幾個方面得到改進和完善：

(1)操作性能進一步提高，操作、管理、組態(tài)、開發(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)中得到廣泛應用。(2)加強網(wǎng)絡標準，統(tǒng)一通信規(guī)程，加上現(xiàn)場總線的規(guī)格化，系統(tǒng)硬件、軟件的標準化，形成開放型的集散系統(tǒng)。另外，網(wǎng)絡的開發(fā)應用也會使集成式集散系統(tǒng)得到發(fā)展。

(3)系統(tǒng)規(guī)模在向大的方向發(fā)展的同時也向小規(guī)模系統(tǒng)發(fā)展?；究刂茊卧矊⑾蛐』芈飞踔羻位芈返姆较虬l(fā)展。可編程控制器成為集散系統(tǒng)的一個節(jié)點?？傊?，集散系統(tǒng)的出現(xiàn)給工業(yè)生產帶來許多好處，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——現(xiàn)場總線，它比集散系統(tǒng)有更廣闊的應用前景。

9.2現(xiàn)場總線概述

現(xiàn)場總線(Fieldbus)是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線,它主要解決現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設備與高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。由于現(xiàn)場總線具有簡單、可靠、經濟實用等一系列突出的優(yōu)點，因而成為當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一。它的出現(xiàn)標志著工業(yè)控制技術領域又一個新時代的開始，并將對該領域的發(fā)展產生重要影響。9.2.1現(xiàn)場總線的含義根據(jù)國際電工委員會IEC(InternationalElectrotechnicalCommission)標準和現(xiàn)場總線基金會FF(FieldbusFoundation)的定義，現(xiàn)場總線是指連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡。現(xiàn)場總線的含義表現(xiàn)在以下五個方面。1.現(xiàn)場通信網(wǎng)絡傳統(tǒng)的分散型控制系統(tǒng)(DCS,DistributedControlSystem)的通信網(wǎng)絡截止于控制站或輸入輸出單元，現(xiàn)場儀表仍然是一對一模擬信號傳輸，如圖9―7所示?，F(xiàn)場總線是用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表互連的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，把通信線一直延伸到生產現(xiàn)場或生產設備，如圖9―8所示。圖中現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器或執(zhí)行器等，這些設備通過一對傳輸線互連，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自不同制造廠的現(xiàn)場設備，不僅可以相互通信，而且可以統(tǒng)一組態(tài)，構成所需的控制回路，共同實現(xiàn)控制策略。也就是說，用戶選用各種品牌的現(xiàn)場設備集成在一起，實現(xiàn)“即接即用”。現(xiàn)場設備互連是基本要求，只有實現(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)場儀表，從而構成虛擬控制站。例如，流量變送器不僅具有流量信號變換、補償和累加輸入功能塊，而且PID有控制和運算功能塊；調節(jié)閥除了具有信號驅動和執(zhí)行功能外，還內含輸出特性補償功能塊、PID控制和運算功能塊，甚至有閥門特性自校驗和自診斷功能。

由于功能塊分散在多臺現(xiàn)場儀表中，并可以統(tǒng)一組態(tài)，因此用戶可以靈活選用各種功能塊，構成所需要的控制系統(tǒng)，實現(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個功能塊構成流量控制回路。圖9―9現(xiàn)場總線的分散功能4.通信線供電現(xiàn)場總線的常用傳輸是雙絞線，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，這種低功耗現(xiàn)場儀表可以用于本質安全環(huán)境，與其配套的還有安全柵。有的企業(yè)生產現(xiàn)場有可燃性物質，所有現(xiàn)場設備必須嚴格遵循安全防爆標準，現(xiàn)場總線也不例外。5.開放式網(wǎng)絡互連現(xiàn)場總線為開放式互連網(wǎng)絡，既可與同類網(wǎng)絡互連，也可與不同類網(wǎng)絡互連。開放式互連網(wǎng)絡還體現(xiàn)在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫共享，通過網(wǎng)絡對現(xiàn)場設備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，天衣無縫地把不同廠商的網(wǎng)絡及設備融為一體，構成統(tǒng)一的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。9.2.2現(xiàn)場總線對自動化領域的變革

1.現(xiàn)場總線給當今的自動化領域帶來的變革現(xiàn)場總線是用于工業(yè)控制的新型系統(tǒng)。它有如下特點：

(1)用一對通信線連接多臺數(shù)字儀表取代一對信號線只能連接一臺儀表。

(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)場數(shù)字儀表取代單功能的現(xiàn)場模擬儀表。

(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)的信號標準、通信標準和系統(tǒng)標準。

(7)變革傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)體系結構、設計方法和安裝調試方法。自動化領域的這場變革，其深度和廣度都將超過歷史上任何一次，必將開創(chuàng)自動化控制的新紀元。2.FCS對ＤＣS的變革

FCS對DCS的變革表現(xiàn)在：

(1)FCS的信號傳輸實現(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)場總線網(wǎng)絡，逐層向上直至最高層均為通信網(wǎng)絡互連。

(2)圖9―8所示的FCS的系統(tǒng)結構為全分散式，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)場設備或現(xiàn)場儀表取而代之，即把DCS控制站的功能化整為零，分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構成了虛擬控制站，實現(xiàn)了徹底的分散控制。(3)FCS的現(xiàn)場設備具有互操作性，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)場設備既可互連也可互換，還可統(tǒng)一組態(tài)。

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

(5)FCS

的技術和標準實現(xiàn)了全開放，無專利許可要求，可供任何人使用?，F(xiàn)場總線開發(fā)者只需致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡的開放系統(tǒng)。9.2.3現(xiàn)場總線產生的原因現(xiàn)場總線對自動化領域中傳統(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)場總線利弊的基礎之上產生的。

1.模擬儀表的缺點模擬儀表有以下缺點：

(1)一對一結構。一對傳輸線，一臺儀表，單向傳輸一個信號，如圖9―7所示。

(2)可靠性差。模擬信號傳輸不僅精度低，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)場模擬儀表工作狀況，也不能對其進行參數(shù)調整,更不能預測故障，導致操作員對其處于“失控”狀態(tài)。

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

(1)一對N結構。一對傳輸線，N臺儀表，雙向傳輸多個信號，如圖9―8所示。

(2)可靠性高。由于現(xiàn)場總線設備的智能化、數(shù)字化,與模擬信號相比，它從根本上提高了測控精度，減少了傳輸誤差。同時，由于系統(tǒng)的結構簡單，設備與連線減少，現(xiàn)場儀表內部功能的加強，減少了信號的往返傳輸，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)場設備或現(xiàn)場儀表的工作狀況，也能對其進行參數(shù)調整，還可預測或診斷故障，始終處于操作員的遠程監(jiān)視與可控狀態(tài)。

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

(6)系統(tǒng)結構的高度分散性?，F(xiàn)場總線已構成一種新的全分散型控制系統(tǒng)的體系結構。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結構，提高了可靠性。(7)系統(tǒng)的開放性。開放是指對相關標準的一致性、公開性，強調對標準的共識與遵從。開放系統(tǒng)是指它可以與世界上任何地方遵守相同標準的其他設備或系統(tǒng)連接。通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設備之間可實現(xiàn)信息交換。另外，由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)結構的簡化，使控制系統(tǒng)從設計、安裝、投運到正常生產運行及其檢修維護都體現(xiàn)出優(yōu)越性。3.微處理器技術、通信網(wǎng)絡技術和集成電路技術的發(fā)展每臺現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表就是一臺微處理器，既有CPU、內存和通信等數(shù)字信號處理，又有非電量信號檢測、變換和放大等模擬信號處理。由于必須把現(xiàn)場設備安裝在生產現(xiàn)場，而且工作環(huán)境十分惡劣，對于易燃易爆場所，必須提供總線供電的本質安全。這勢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)場通信網(wǎng)絡分布于生產現(xiàn)場，由網(wǎng)絡節(jié)點構成虛擬控制站，這就要求采用先進的網(wǎng)絡技術和分布式的數(shù)據(jù)庫技術。9.2.4現(xiàn)場總線發(fā)展過程在20世紀80年代中期，國外就提出了現(xiàn)場總線，但研究工作進展緩慢，且沒有國際標準可以遵循。許多國際組織對現(xiàn)場總線標準化做了不少工作，下面簡述部分國際組織研究現(xiàn)場總線標準化工作，以便了解現(xiàn)場總線發(fā)展的過程。1984年，美國儀表協(xié)會(ISA)下屬的標準與實施工作組中的ISA/SP50開始制定現(xiàn)場總線標準；1985年，國際電工委員會決定由ProwayWorkinGGroup負責現(xiàn)場總線體系結構與標準的研究制定工作；1986年，德國開始制定過程現(xiàn)場總線(ProcessFieldbus)標準，簡稱為PROFIBUS，由此拉開了現(xiàn)場總線標準制定和產品開發(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的基礎上制定現(xiàn)場總線標準。1993年，以Honeywell、Bailey等公司為首，成立了WorldFIP組織，有120多個公司加盟該組織，并以法國標準FIP為基礎制定現(xiàn)場總線標準。此時各大公司均已清醒地認識到，現(xiàn)場總線應該有一個統(tǒng)一的國際標準，現(xiàn)場總線技術勢在必行。但總線標準的制定工作并非一帆風順，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)集團受自身商業(yè)利益的驅使，致使總線的標準化工作進展緩慢。1994年，ISP和WorldFIP北美部分合并，成立了現(xiàn)場總線基金會(FieldbusFoundation，簡稱FF)，推動了現(xiàn)場總線標準的制定和產品開發(fā)，并于1996年第一季度頒布了低速總線H1的標準，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，使H1低速總線開始步入實用階段。

另外，值得一提的是HART(HiGhwayAddressableRemoteTransducer，可尋址遠程傳感器高速公路)協(xié)議，它最初由美國Rosemount公司開發(fā)，已應用38年。HART協(xié)議作為一個公開性協(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，并成立專門機構發(fā)展HART協(xié)議，從事互可操作性及標準化工作，以前是HUG(HARTUserGroup)，現(xiàn)在由HCF(HARTCommunicationFoundation，1993年成立)接替。HART協(xié)議的特點是具有與現(xiàn)場總線類似的體系結構，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)場總線過渡的一塊墊腳石。HART通信是在模擬信號上疊加FSK數(shù)字信號，使模擬與數(shù)字可同時通信，可在一根雙絞線上連接多臺現(xiàn)場設備，構成多站網(wǎng)絡。HART協(xié)議被認為是事實上的工業(yè)標準，但它并不是現(xiàn)場總線，是一個過渡性協(xié)議。

與此同時，在不同行業(yè)還陸續(xù)派生出一些有影響的總線標準。它們大都是在公司標準的基礎上逐漸形成，并得到其他公司、廠商、用戶以至于國際組織的支持的。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品的投資效益和各公司的商業(yè)利益，預計在今后的一段時間內，會出現(xiàn)幾種現(xiàn)場總線標準共存、同一生產現(xiàn)場有幾種異構網(wǎng)絡互連通信的局面，但發(fā)展統(tǒng)一的標準規(guī)范形成開放互連系統(tǒng)是大勢所趨。

9.2.5現(xiàn)場總線的設備現(xiàn)場總線的設備分為現(xiàn)場設備和開發(fā)設備兩類，設備名稱及類型隨總線及應用而定。本節(jié)以用于過程自動化的基金會現(xiàn)場總線(FF)為例，對其加以說明。

1.現(xiàn)場設備

FF現(xiàn)場設備有變送器、執(zhí)行器、終端器、電源、本質安全柵、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，每類又有多個品種。變送器既有監(jiān)測、變換和補償功能，又有PID控制和運算功能。

常用的執(zhí)行器有電動、氣動兩大類，每類又有多個品種。執(zhí)行器的基本功能是信號驅動和執(zhí)行，還內含調節(jié)閥輸出特性補償、PID控制和運算等功能，另外有閥門特性自校驗和自診斷功能。終端器使用在傳輸電纜始末端的阻抗匹配器，每條總線只需兩個終端器。終端器可防止信號失真和衰減。2.開發(fā)設備

FF開發(fā)設備有專用集成電路(ASIC)、通信棧軟件、DD軟件、開發(fā)和維護工具等?，F(xiàn)場總線設備因其種類繁多，用戶量大，所以由各廠商分別供應，需單獨經過現(xiàn)場總線基金會(FF)和Fraunhofer研究所進行一致性測試和互操作性測試，最終由FF發(fā)給產品注冊商標，并定期發(fā)行產品目錄。9.3五種有影響的現(xiàn)場總線

自20世紀80年代末以來，有幾種現(xiàn)場總線技術已逐漸產生影響，并在一些特定的應用領域顯示了自己的優(yōu)勢和較強的生命力。目前較為流行的現(xiàn)場總線主要有以下五種：基金會現(xiàn)場總線FF、局部操作網(wǎng)絡LONWORKS、過程現(xiàn)場總線PROFIBUS、控制器局域網(wǎng)絡CAN、可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路HART。9.3.1FF(FoundationFieldbus)FF基金會現(xiàn)場總線是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術，它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。用戶層主要針對自動化測控應用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集。FF基金會現(xiàn)場總線分低速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；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。物理傳輸介質可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158―2標準。其物理介質的傳輸信號采用曼徹斯特編碼。FF的主要技術內容包括:FF通信協(xié)議；用于完成開放互連模型中第2~7層通信協(xié)議的通信棧(CommunicationStack)；用于描述設備特征、參數(shù)、屬性及操作接口的DDL設備描述語言、設備描述字典；用于實現(xiàn)測量、控制、工程量轉換等應用功能的功能塊；實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、調度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技術以及購成集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術。

9.3.2LONWORKS(LocalOperatingNetworks)LONWORKS局部操作網(wǎng)絡是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術。它采用了ISO/OSI模型的全部七層通信協(xié)議，采用了面向對象的設計方法，通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信設計簡化為參數(shù)設置，其通信速率從300b/s至1.5Mb/s不等，直接通信距離可達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，并開發(fā)了相應的本質防爆安全產品，被譽為通用控制網(wǎng)絡。LONWORKS技術所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為Neuron的神經元中而得以實現(xiàn)。集成芯片中有3個8位CPU：一個用于完成開放互連模型中第1和第2層的功能，稱為介質訪問控制器，實現(xiàn)介質訪問控制與處理；第二個用于完成第3~6層的功能，稱為網(wǎng)絡處理器，進行網(wǎng)絡變量的尋址、處理、背景診斷、路徑選擇、軟件計時、網(wǎng)絡管理，并負責網(wǎng)絡通信控制、收發(fā)數(shù)據(jù)包等；第三個是應用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區(qū)，以實現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡緩沖區(qū)和應用緩沖區(qū)。

Neuron芯片的編程語言為NeuronC，它是從ANSIC派生出來的。LONWORKS提供了一套開發(fā)工具LonBuilder與NodeBuilder。此外，LonTalk協(xié)議還提供了五種基本類型的報文服務：確認(AcknowledGed)、非確認(UnacknowledGed)、請求/響應(Request/Response)、重復(Repeated)、非確認重復(UnacknowledGedRepeated)。LonTalk協(xié)議的介質訪問控制子層(MAC)對CSMA(載波信號多路監(jiān)聽)作了改進，采用了一種新的稱作預測的P堅持CSMA(PredictiveP―PresistentCSMA)的協(xié)議。帶預測的P堅持CSMA在保留CSMA協(xié)議優(yōu)點的同時，注意克服了它在控制網(wǎng)絡中的不足。所有的節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡積壓參數(shù)等待隨機時間片來訪問介質，這就有效地避免了網(wǎng)絡的頻繁碰撞。

LONWORKS技術產品已被廣泛應用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設備、交通運輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。在開發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面，LONWORKS神經元芯片也具有獨特的優(yōu)勢。9.3.3PROFIBUS(ProcessFieldbus)PROFIBUS過程現(xiàn)場總線是符合德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場總線標準。由PROFIBUS―DP、PROFIBUS―FMS、PROFIBUS―PA組成了PROFIBUS系列。DP型用于分散的外圍設備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動化領域。FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，F(xiàn)MS型適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC1158―2標準。該項技術是由Siemens公司為主的十幾家德國公司、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還采用了應用層。傳輸速率為9.6kb/s~12Mb/s，最大傳輸距離在12Mb/s時為100m，1.5Mb/s時為400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個站點，可實現(xiàn)總線供電與本質安全防爆。

PROFIBUS引入功能模塊的概念，不同的應用需要使用不同的模塊。在一個確定的應用中，按照PROFIBUS規(guī)范來定義模塊，寫明其硬件和軟件的性能，規(guī)范設備功能與PROFIBUS通信功能的一致性。PROFIBUS為開放系統(tǒng)協(xié)議，為保證產品質量，在德國建立了FZI信息研究中心，對制造廠和用戶開放，并對其產品進行一致性監(jiān)測和實驗性檢測。9.3.4CAN(ControlAreaNetwork)CAN控制局域網(wǎng)絡是由德國Bosch公司推出的，用于汽車檢測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國際標準組織制定為國際標準，它廣泛應用在離散控制領域。CAN協(xié)議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型的基礎之上，不過其模型結構只有三層，即只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應用層。CAN的通信速率為5kb/s(10km)、1Mb/s(40m)，可掛接設備數(shù)最多達110個，信號傳輸介質為雙絞線或光纖等；CAN采用點對點、一點對多點及全局廣播幾種方式發(fā)送接收數(shù)據(jù)；CAN可實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng)且無主、從機之分，每個節(jié)點均主動發(fā)送報文，用此特點可方便構成多機備份系統(tǒng)；CAN采用非破壞性總線優(yōu)先級仲裁技術，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡上發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)發(fā)送信息，按節(jié)點類型不同分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求；

CAN支持四類報文幀：數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀和超載幀，采用短幀結構，每幀有效字節(jié)數(shù)為8個，這樣傳輸時間短，受干擾的概率低，且具有較好的檢錯效果；CAN采用CRC循環(huán)冗余校驗及其他檢錯措施，保證了極低的信息出錯率；CAN節(jié)點具有自動關閉功能，當節(jié)點錯誤嚴重的情況下，則自動切斷與總線的聯(lián)系，這樣不影響總線正常工作；CAN單片機有Motorola公司生產的帶CAN模塊的MC68HC05*4，Philips公司生產的82C200，Intel公司生產的帶CAN模塊的P8*C592；CAN控制器有Philips公司生產的82C200，Intel公司生產的82527；CANI/O器件有Philips公司生產的82C150，它具有數(shù)字和模擬I/O接口。9.3.5HART(HiGhwayAddressableRemoteTransducer)HART可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路是由美國Rosemount公司研制的，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于摸擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉變過程中的過渡產品，因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭力，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)鏈路層和應用層，其主要特性是：

(1)物理層。采用基于Bell202通信標準的FSK技術，即在4~20mA(DC)模擬信號上疊加FSK數(shù)字信號，邏輯1為1200Hz，邏輯0為2200Hz，波特率為1200b/s，調制信號為±0.5mA或0.25VP―P(250Ω負載)。用屏蔽雙絞線連接單臺設備時距離為3000m，而多臺設備互連距離為1500m。(2)數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)幀長度不固定，最長為25個字節(jié)?？蓪ぶ肺?~15，當?shù)刂窞?時，處于4~20mA(DC)與數(shù)字通信兼容狀態(tài)；當?shù)刂窞?~15時，則處于全數(shù)字通信狀態(tài)。通信模式為“問答式”或“廣播式”。(3)應用層。規(guī)定了三類命令。第一類稱為通用命令，這是所有設備都理解、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)場設備(盡管不是全部)中實現(xiàn)，這類命令包括最常用的現(xiàn)場設備功能庫；第三類稱為特殊設備命令，以便在某些設備中實現(xiàn)特殊功能，這類命令既可以在基金會中開放使用，又可以為開發(fā)此命令的公司所獨有。在一個現(xiàn)場設備中通?？砂l(fā)現(xiàn)同時存在這三類命令。HART采用統(tǒng)一的設備描述語言DDL?，F(xiàn)場設備開發(fā)商采用這種標準語言來描述設備特性，由HART基金會負責登記管理這些設備描述并把它們變?yōu)樵O備描述字典，主設備運用DDL技術來理解這些設備的特性參數(shù)而不必為這些設備開發(fā)專用接口。但是由于這種模擬數(shù)字混合信號制，導致難以開發(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，可滿足本質安全防爆要求，并可組成由手持編程器與管理系統(tǒng)主機作為主設備的雙主設備系統(tǒng)。

9.4OSI參考模型與現(xiàn)場總線通信模型

作為工業(yè)控制現(xiàn)場底層網(wǎng)絡的現(xiàn)場總線，要構成開放互連系統(tǒng)，如何選擇通信模型，是現(xiàn)場總線技術形成的過程中必須考慮的重要問題。

工業(yè)生產現(xiàn)場存在大量傳感器、控制器和執(zhí)行器等，它們通常零散地分布在一個較大范圍內。對由它們組成的工業(yè)控制底層網(wǎng)絡來說，單個節(jié)點面向控制的信息量不大，信息傳輸?shù)娜蝿障鄬Ρ容^簡單，但實時性、快速性的要求較高。因此，為滿足實時性要求，也為了實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡的低成本，現(xiàn)場總線采用的通信模型大都在OSI模型的基礎上進行了不同程度的簡化。

典型的現(xiàn)場總線協(xié)議模型如圖9―10中第2列所示。它采用OSI模型中的三個典型層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，并增加一個現(xiàn)場總線訪問子層，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)場應用的性能要求。它是OSI模型的簡化形式，其流量與差錯控制在數(shù)據(jù)鏈路層中進行，因而與OSI模型不完全保持一致。圖9―10OSI與部分現(xiàn)場總線通信模型的對應關系

開放系統(tǒng)互連模型是現(xiàn)場總線技術的基礎，目前集中有影響的現(xiàn)場總線技術，大都以國際標準組織的開放互連模型作為基本框架，施加某些行業(yè)應用需要的規(guī)定后形成的標準，并在較大范圍內取得了用戶與制造商的認可。9.4.1基金會現(xiàn)場總線通信模型

FF現(xiàn)場總線模型結構如圖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標準。應用層有兩個子層：現(xiàn)場總線訪問子層FAS和現(xiàn)場總線信息規(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)訪問的關系模型和規(guī)范，根據(jù)不同要求，采用不同的數(shù)據(jù)訪問工作模式?，F(xiàn)場總線信息規(guī)范子層FMS的基本功能是面向應用服務，

生成規(guī)范的應用協(xié)議數(shù)據(jù)。現(xiàn)場總線訪問子層與信息規(guī)范子層的任務是完成一個應用進程到另一個應用進程的描述，實現(xiàn)應用進程之間的通信，提供應用接口的標準操作，實現(xiàn)應用層的開放性。在應用層之上增加的用戶層規(guī)定標準的功能模塊、對象字典設備和設備描述，供用戶組成所需要的應用程序，并實現(xiàn)網(wǎng)絡管理和系統(tǒng)管理。在網(wǎng)絡管理中，為了提供一個集成網(wǎng)絡各層通信協(xié)議的機制，實現(xiàn)設備操作狀態(tài)的監(jiān)控與管理，設置了一個網(wǎng)絡代理和一個網(wǎng)絡管理信息庫，以提供組態(tài)管理、性能管理和差錯管理的功能。在系統(tǒng)管理中，設置了系統(tǒng)管理內核、系統(tǒng)管理內核協(xié)議和系統(tǒng)管理信息庫，以實現(xiàn)設備管理、功能管理、時鐘管理和安全管理等功能。圖9―11FF現(xiàn)場總線模型與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，被譽為通用控制網(wǎng)絡。這七層的作用和所提供的服務如圖9―12所示。圖9―12LONWORKS模型分層9.4.3PROFIBUS通信模型

PROFIBUS是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場總線標準。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，采用了應用層。PA型的標準目前還處于制定過程之中，與IEC1158―2(H1)標準兼容。

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、實現(xiàn)驅動器/接收器特性、定時、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控制兩部分，分別完成接收濾波、超載通知、恢復管理，以及應答、幀編碼、數(shù)據(jù)封裝拆裝、媒體訪問管理、出錯檢測等。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)鏈路層和應用層，其模型結構如圖9―10所示。它的物理層采用Bell202國際標準，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。其信息構成包括開頭碼、終端與現(xiàn)場設備地址、字節(jié)數(shù)、現(xiàn)場設備狀態(tài)與通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)、奇偶檢驗等。應用層的作用在于使HART指令付諸實現(xiàn)，即把通信狀態(tài)轉換成相應的信息。

9.5FF現(xiàn)場總線技術FF現(xiàn)場總線標準共有四層協(xié)議，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層和用戶層。其中，物理層規(guī)定了信號如何發(fā)送；數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定如何在設備間共享網(wǎng)絡和調度通信；應用層規(guī)定了在設備間交換數(shù)據(jù)、命令、事件信息以及請求應答中的信息格式；用戶層則用于組成用戶所需要的應用程序，如規(guī)定標準的功能塊、設備描述，實現(xiàn)網(wǎng)絡管理、系統(tǒng)管理等。下面簡要介紹該標準協(xié)議的主要內容。9.5.1物理層(PhysicalLayer)1.物理層的功能物理層用于實現(xiàn)現(xiàn)場物理設備與總線之間的連接。它作為電氣接口，一方面接受來自數(shù)據(jù)鏈路層的信息，經再加工變?yōu)槲锢硇盘?，傳送到現(xiàn)場總線的傳輸媒體上；另一方面把接收到的來自總線傳輸媒體的物理信號進行相反處理送往數(shù)據(jù)鏈路層，考慮到現(xiàn)場設備的安全穩(wěn)定運行，該層區(qū)應具備電氣隔離、信號濾波等功能。現(xiàn)場總線的傳輸介質一般為兩根導線，如雙絞線，因而其機械接口相對較為簡單。2.物理層的結構物理層標準IEC1158―2已通過多年，按其規(guī)范的有關規(guī)定，物理層又被分為媒體相關子層與媒體無關子層。媒體相關子層負責處理導線、光纖、無線介質等不同傳輸媒體、不同速率的信號轉換問題，也稱媒體訪問單元。媒體無關子層則是媒體訪問單元與數(shù)據(jù)鏈路之間的接口，有關信號編碼、增加或去除前導碼和定界碼的工作均在此子層中完成。

圖9―14示出了導線介質的媒體接口部分的電路框圖，該接口電路主要完成信號濾波與處理、信號驅動及其控制、電路隔離等功能，為媒體無關子層提供合格的物理信號波形。所有現(xiàn)場總線設備都具有至少一個物理層實體。圖9―14導線媒體接口3.傳輸介質傳輸介質可以采用雙絞線、電纜、光纜及無線介質，目前應用較為廣泛的是前兩種。H1標準采用的電纜類型可分為屏蔽雙絞線、屏蔽多對雙絞線、無屏蔽雙絞線、多芯屏蔽電纜等幾種類型。顯然，線纜種類、線徑粗細不同，對傳輸信號的影響就不同?，F(xiàn)場總線基金會對采用不同纜線時的最大傳輸距離規(guī)定如表9―3所示。表9―3電纜類型與傳輸距離關系4.信號編碼

FF現(xiàn)場總線的通信信號由以下幾種編碼組成。

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

(3)幀前定界碼：它表明了現(xiàn)場總線信息的起點，其長度為8個時鐘周期，或稱一個字節(jié)。該碼由特殊的N+碼、N-碼和正負跳變脈沖按規(guī)定的順序組成。這里，N+碼在整個時鐘周期都保持高電平，N-碼在整個時鐘周期都保持低電平，即它們在時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找到現(xiàn)場總線信號的起點。幀前定界碼波形如圖9―15所示。圖9―15FF現(xiàn)場總線的集中編碼波形(4)幀結束碼：它標志著現(xiàn)場總線信息的終止，其長度也為8個時鐘周期。該碼由特殊的N+碼、N-碼和正負跳變脈沖按規(guī)定的順序組成，當然，其組合順序不同于起始碼。圖9―15示出了幀結束碼的波形。前導碼、幀前定界碼、幀結束碼都是由物理層的硬件電路生成并加載到物理信號上的。這幾種碼形成的編碼序列如圖9―16所示。作為前導碼、幀前定界碼和幀結束碼由發(fā)送端驅動自動加到發(fā)送序列之中，并在接收端的接收器中被自動除掉。圖9―16FF現(xiàn)場總線信號的編碼序列5.現(xiàn)場設備現(xiàn)場設備是連接到現(xiàn)場總線上并與之通信的物理實體。按FF現(xiàn)場總線的相關規(guī)范，符合H1規(guī)范的現(xiàn)場設備的分類情況如表9―4所示。對總線供電類的設備，由于掛接在總線不同位置上的設備從總線所得到的電壓會有所不同，因而必須對滿足設備正常工作的電壓、電流范圍等參數(shù)做出明確規(guī)定。表9―5是總線供電的本質安全型標準設備列出的FF現(xiàn)場總線的推薦參數(shù)，其他類現(xiàn)場設備的推薦參數(shù)可查閱相應規(guī)范。表9―4H1現(xiàn)場設備的分類與編號表9―5111類現(xiàn)場設備的推薦參數(shù)6.網(wǎng)絡拓撲結構低速現(xiàn)場總線Ｈ1支持點對點連接線和總線型、菊花鏈型、樹型拓撲結構，而高速現(xiàn)場總線H2只支持總線型拓撲結構。圖9―17為H1低速現(xiàn)場總線拓撲結構示意圖。表9―6為H1、H2總線網(wǎng)段的主要特性參數(shù)。

FF現(xiàn)場總線支持橋接網(wǎng)，可通過網(wǎng)橋把不同速率、不同類型媒體的網(wǎng)段連成網(wǎng)絡，網(wǎng)橋設備有多個口，每個口有一個物理層實體。圖9―17低速總線拓撲結構表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子層之間，為系統(tǒng)管理內核和總線訪問子層訪問總線媒體提供服務。總線通信中的鏈路活動調度、數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送、活動狀態(tài)的探測與響應、總線上各設備的鏈路時間同步，都是通過該層實現(xiàn)的。每個總線段上有一個媒體訪問控制中心，稱為鏈路活動調度器(LAS，LinkActiveScheduler)。對沒有鏈路活動調度能力的設備來說，其數(shù)據(jù)鏈路層要對來自總線的鏈路數(shù)據(jù)做出響應，以控制本設備對總線的活動。此外，數(shù)據(jù)鏈路層還要對所傳輸?shù)男畔嵭袔ｒ灐?.鏈路活動調度器LAS

鏈路活動調度器LAS擁有總線上所有設備的清單，掌管線段上各設備對總線的操作，因此它是總線通信活動的中心。

FF現(xiàn)場總線的通信活動被分為受調度通信和非調度通信兩類。受調度通信由鏈路活動調度器按預定調度時間表周期性依次發(fā)起通信活動，例如在現(xiàn)場變送器與執(zhí)行器之間傳送的測量或控制器輸出信號。非調度通信是在預定時間表之外的時間，通過得到令牌的方式發(fā)送信息的通信方式。所有總線上的設備都有機會通過這一方式發(fā)送調度之外的信息。

一般，鏈路活動調度器應具有以下五種基本功能：

(1)向設備發(fā)送強制數(shù)據(jù)CD(CompelData)，接收LAS內保留的調度表，向網(wǎng)絡上的設備發(fā)送CD。

(2)向設備發(fā)送傳遞令牌PT(PassToken)，使設備得到發(fā)送非周期數(shù)據(jù)的權力，為它們提供發(fā)送非周期數(shù)據(jù)的機會。

(3)為新入網(wǎng)的設備探測未被采用過的地址。當為新設備找好地址后，便把它們加入到活動表中。(4)定期對總線段發(fā)布數(shù)據(jù)鏈路時間和調度時間。

(5)臨時設備對傳遞令牌PT的響應，當設備既不能隨著PT順序進入使用，也不能將令牌返還時，就從活動表中去掉這些設備。2.通信設備類型并非所有總線設備都可成為鏈路活動調度器，那些有能力成為鏈路活動調度器的設備就稱為鏈路主設備，而不具備這一能力的設備就稱為基本設備?；驹O備只能接收令牌并做出響應，這是最基本的通信功能。當網(wǎng)絡中幾個總線段進行擴展連接時，用于兩個總線段之間的連接設備就稱為網(wǎng)橋，網(wǎng)橋屬于鏈路主設備，當然要成為鏈路活動調度器LAS。

一個總線段上可以連接多種通信設備，也可以掛接多個鏈路主設備，但一個總線段上某個時刻只能有一個鏈路主設備稱為鏈路活動調度器LAS，沒有成為LAS的鏈路主設備起著后備LAS的作用。圖9―18表示了現(xiàn)場總線通信設備的類型。圖9―18現(xiàn)場總線的通信設備與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，只有一個字節(jié)，它指明了該DLPDU的種類、地址長度、優(yōu)先權等。

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

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

FF現(xiàn)場總線提供以下三種數(shù)據(jù)傳輸方式：

(1)無連接數(shù)據(jù)傳輸。該方式是指在數(shù)據(jù)鏈路服務訪問點DLSAP(DataLinkServiceAccessPoint)之間排隊傳輸DLPDU，這類傳輸主要用于在總線上發(fā)送廣播數(shù)據(jù)。

(2)通信雙方經請求相應交換信息后進行的數(shù)據(jù)傳輸。該方式在要求建立連接時，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，響應方需指出它是否接收這個連接請求，一旦數(shù)據(jù)傳輸在一個連接上開始，所有DLPDU內的數(shù)據(jù)就以相同的優(yōu)先級被傳輸。(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只含有一個地址，即發(fā)送者的地址，接收者知道發(fā)布者的這個地址，并根據(jù)該地址接收發(fā)布者發(fā)出的數(shù)據(jù)，接收者對發(fā)布者的辨認情況不必為發(fā)布者所知道。5.數(shù)據(jù)鏈路時間同步鏈路活動調度器周期性地廣播一個時間發(fā)布信息TD(TimeDistribution)，以便所有的設備都準確地具有相同的數(shù)據(jù)鏈路時間?？偩€上預定的調度通信和用戶應用中預定功能塊的執(zhí)行都根據(jù)所得到的LAS發(fā)布時間開始工作，因此鏈路時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序，發(fā)布鏈路調度的絕對開始時間。受調度通信、非調度通信以及其他應用進程的執(zhí)行時間，都以其對鏈路調度絕對開始時間的偏移量來計算。9.5.3應用層(ApplicationLayer)

現(xiàn)場總線訪問子層FAS(FieldbusAccessSublayer)和現(xiàn)場總線報文規(guī)范層FMS(FieldbusMessaGeSpecification)一起構成應用層。現(xiàn)場總線訪問子層FAS提供三類服務：客戶/服務器(Client/Server)，報告分發(fā)(ReportDistribution)，發(fā)布/預訂接收(Publisher/Subscriber)。這三類服務被稱為虛擬通信關系VCR(VirtualCommunicationRelationships)，如表9―8所示。

表9―8虛擬通信關系的類型1.客戶/服務器型虛擬通信關系客戶/服務器型虛擬通信關系用于現(xiàn)場總線上兩個設備由用戶發(fā)起的、一對一的、排隊式的非周期通信。當一個設備得到傳遞令牌時，這個設備(即客戶)可以對現(xiàn)場總線上的另一設備(即服務器)發(fā)送一個請求信息。當服務器收到這個請求，并得到了來自鏈路活動調度者的傳遞令牌時，就可以對客戶的請求做出響應。采用這種通信關系在對客戶與服務者之間進行的請求/響應式數(shù)據(jù)交換，是一種按優(yōu)先級排隊的非周期性通信。

客戶/服務器型虛擬通信關系常用于設置參數(shù)或實現(xiàn)某些操作，如改變給定值，對調節(jié)器參數(shù)的訪問與調整，對報警的確認，設備的上載與下載等。2.報告分發(fā)型虛擬通信關系報告分發(fā)型虛擬通信關系是一種排隊式的非周期通信，也是一種由用戶發(fā)起的一對多的通信方式。當一個帶有事件報告或趨勢報告的設備收到來自鏈路活動調度器的傳遞令牌時，就通過該關系把它的報文分發(fā)給由它的虛擬通信關系所規(guī)定的一組地址，即有一組設備將接收該報文。

該關系用于廣播或多點傳送事件與趨勢報告。數(shù)據(jù)持有者向總線設備多點投送其數(shù)據(jù)，它可以按事先規(guī)定好的VCR目標地址分發(fā)所有報告，也可能按每種報文的傳送類型排隊而分別發(fā)送，按分發(fā)次序傳送給接收者。該關系最典型的應用場合是將報警狀態(tài)、趨勢數(shù)據(jù)等通知操作臺。3.發(fā)布/預訂接收型虛擬通信關系發(fā)布/預訂接收型虛擬通信關系主要用來實現(xiàn)緩沖型一對多通信。當數(shù)據(jù)發(fā)布設備收到令牌時，將對總線上的所有設備發(fā)布或廣播它的消息。希望接收這一發(fā)布消息的設備被稱為預訂接收者，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)絡緩沖器內，新的數(shù)據(jù)會完全覆蓋先前的數(shù)據(jù)。

這種虛擬通信關系中的令牌可以由鏈路活動調度者按準確的時間周期發(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?，F(xiàn)場設備通常采用該關系，按周期性的調度方式為用戶應用功能塊的輸入輸出刷新數(shù)據(jù)，如刷新過程變量、操作輸出等?，F(xiàn)場總線報文規(guī)范FMS，規(guī)定了訪問應用進程AP(ApplicationProcess)的報文格式及服務。

FMS與對象字典OD(ObjectDictionary)配合，為現(xiàn)場設備規(guī)定了功能接口。FMS通過調用VCR，在現(xiàn)場設備之間傳遞報文。

應用進程AP可以看作在分布系統(tǒng)或分布應用中的信息及其處理過程，可以對它賦予地址，也可以通過網(wǎng)絡訪問它。應用進程可表述存在于一個設備內包裝成組的功能塊。一個設備可以包含的AP數(shù)量與執(zhí)行情況相關，規(guī)范中對所包含的AP數(shù)目沒有限制。在設備組態(tài)或網(wǎng)絡運行期間，AP是否裝載進一個設備，取決于該設備的物理能力和AP如何被執(zhí)行。PC機、PLC控制器能夠隨著軟件下載而接收其AP，另外一些設備，如簡單變送器、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)場總線采用對象描述來說明總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式與意義，把這些對象描述收集在一起，形成對象字典OD。OD由一系列條目組成，每一個條目分別描述一個應用進程對象和它的報文數(shù)據(jù)。在現(xiàn)場總線報文規(guī)范中規(guī)定了與這些條目相應的AP對象。為了便于網(wǎng)絡訪問這些條目，還為每個OD條目分配了一個序列號。在總線報文規(guī)范子層的OD服務中，就是運用這個序號辨認出與之對應的AP對象的。圖9―19現(xiàn)場總線協(xié)議數(shù)據(jù)的生成

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

FMS提供了一組服務和標準的報文格式。用戶應用可采用這種標準格式在總線上相互傳遞信息，并通過FMS服務訪問AP對象以及它們的對象描述。把對象描述收集在一起，形成對象字典OD。應用進程中的網(wǎng)絡可使對象和相應的OD在FMS中成為虛擬現(xiàn)場設備VFD。FMS服務在VCR端點提供給應用進程。FMS服務分為確認的和非確認的。確認服務用于操作和控制應用進程對象，如讀/寫變量值及訪問對象字典，它使用客戶/服務器型VCR；非確認服務用于發(fā)布數(shù)據(jù)或通報事件，發(fā)布數(shù)據(jù)使用發(fā)布/預定接收型VCR，而通報事件使用報告分發(fā)型VCR?？偩€報文規(guī)范層由虛擬現(xiàn)場設備VFD、對象字典管理、聯(lián)絡關系(上下文)管理、域管理、程序調用管理、變參訪問和實踐管理等模塊組成。9.5.4用戶層(UserLayer)

用戶層是在ISO/OSI參考模型中七層結構的基礎上添加的一層。功能塊應用進程作為用戶層的重要組成部分，用于完成現(xiàn)場總線中的自動化系統(tǒng)功能。

1.對象及其屬性對象是構成功能塊應用的基本元素。對象類由屬性表和服務表描述，由其關鍵屬性(KeyAttribute)識別；服務是指該類的功能。構成功能塊應用進程的對象有以下幾類：(1)塊對象。塊是一個軟件的邏輯處理單元。輸入事件影響算法的調用；在執(zhí)行時，產生一個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)行的內含參數(shù)。用位號(TaG)對應用場合中的塊進行識別，它在一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)內名稱惟一。

(2)鏈接對象。它用于訪問、分配、交換對象的虛擬通信關系(VCRs)、某功能塊輸入?yún)?shù)和另一功能塊輸出參數(shù)的關聯(lián)等；它一般在總線組態(tài)時定義，在現(xiàn)場設備在線運行前或運行時傳送，用于建立通信連接。(3)設備資源。它表示某應用進程的網(wǎng)絡可訪問的軟件、硬件對象。它構成功能塊應用的網(wǎng)絡接口，提供用FMS傳送服務請求/響應的信息。組成資源的對象定義包含在對象字典中，由FMS和功能塊應用共享。通過資源可以訪問對象及其參數(shù)，每個資源有惟一的一個資源塊。

(4)報警對象。它用于塊的報警和事件報告，分為模擬報警、離散報警和警報更新。(5)趨勢對象。它對功能塊的趨勢性參數(shù)進行采樣，提供參數(shù)采樣值的短期存儲，以便接口設備收集這些信息。它包含最近6個采樣值及其狀態(tài)，以及最后一次采樣的時間。它有浮點趨勢、離散趨勢和位串趨勢三個子類。

(6)預測對象。它使一組塊參數(shù)的屬性值可被一次性地訪問，主要用于獲得運行、診斷和組態(tài)的信息，此處定義的塊參數(shù)分為動態(tài)操作參數(shù)、靜態(tài)操作參數(shù)、完全動態(tài)參數(shù)和其他靜態(tài)參數(shù)四類。其他如程序調用對象、域對