1、计算机控制系统计算机控制系统主讲教师主讲教师:李振华李振华山东大学控制科学与工程学院山东大学控制科学与工程学院Email:;Tel:883958212023-1-172第第8 8章现场总线与工业以太网控制网络技术章现场总线与工业以太网控制网络技术n本章要点：本章要点：1.1.现场总线的现状与发展现场总线的现状与发展2.2.企业网络信息集成系统企业网络信息集成系统2023-1-173设备之间传输设备之间传输1-5V或或4-20mA直直流模拟信号，精度低，易受干扰流模拟信号，精度低，易受干扰传输数字信号。风险高度集中，传输数字信号。风险高度集中，可靠性低，任务增加，会使系可靠性低，任务增加，会使系
2、统性能下降。统性能下降。集中管理分散控制。集中管理分散控制。DCS厂家采用厂家采用专用的控制通讯网络。不同厂家的专用的控制通讯网络。不同厂家的DCS系统之间难以网络互联。价格系统之间难以网络互联。价格昂贵。昂贵。用户需求：开放性和降低成本。用户需求：开放性和降低成本。2023-1-1742023-1-175FCS是一种开放的、可以互联的、低成本的、彻底分散的分布式控制系统。是一种开放的、可以互联的、低成本的、彻底分散的分布式控制系统。2023-1-1762023-1-177 随着随着控制控制技术、技术、计算机计算机技术和技术和通信通信技术的飞速技术的飞速发展，数字化作为一种趋势正在从工业生产过
3、程的的发展，数字化作为一种趋势正在从工业生产过程的的决策层、管理层、监控层和控制层一直渗透到现场设决策层、管理层、监控层和控制层一直渗透到现场设备。备。现场总线的出现，是数字通信技术迅速占领工业现场总线的出现，是数字通信技术迅速占领工业过程控制系统中模拟量信号的最后一块领地过程控制系统中模拟量信号的最后一块领地。一种全。一种全数字化、全分散式、可互操作的和全开放式的新型控数字化、全分散式、可互操作的和全开放式的新型控制系统制系统现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCSFCS）已经成为当今的）已经成为当今的热点。热点。8.1 8.1 现场总线的现状与发展现场总线的现状与发展2023-1-179
4、现场总线是现场总线是用于用于现场仪表与控制系统和控制现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站的通信网络。多变量、多点、多站的通信网络。IECIEC对对现场总线的定义现场总线的定义：是应用于生产现场，：是应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。行双向、串行、多节点数字通信的技术。是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网自动化领域的计算机局域网。2023-1-17
5、10l 现场总线的产生现场总线的产生纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统的推出都是针对老一代控制系统新的控制系统的推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，现场总线和现存在的缺陷而给出的解决方案，现场总线和现场总线控制系统也不例外。场总线控制系统也不例外。v 模拟仪表控制系统模拟仪表控制系统v 集中式数字控制系统集中式数字控制系统v 集散控制系统集散控制系统v 现场总线控制系统现场总线控制系统2023-1-1711q模拟仪表控制系统模拟仪表控制系统 在上世纪六七十年代占主导地位；在上世纪六七十年代占主导地位；显著缺点：模拟信号精度
6、低，极易受干扰。显著缺点：模拟信号精度低，极易受干扰。2023-1-1712q集中式数字控制系统集中式数字控制系统在上世纪七八十年代占主导地位；在上世纪七八十年代占主导地位；采用单片机、采用单片机、PLC或微机作为控制器，控制或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号；器内部传输的是数字信号；优点：在控制方式、控制机时的选择上可以优点：在控制方式、控制机时的选择上可以统一调度、安排；统一调度、安排；缺点：对控制器本身要求高。缺点：对控制器本身要求高。2023-1-1713q集散控制系统集散控制系统(DCS)在上世纪八九十年代占主导地位；在上世纪八九十年代占主导地位；核心是集中管理、分散控制；
7、核心是集中管理、分散控制；优点：有力地克服了集中式数字控制系统对优点：有力地克服了集中式数字控制系统对控制器要求高地缺陷；控制器要求高地缺陷；缺点：封闭专用、不具备可互操作性、造价缺点：封闭专用、不具备可互操作性、造价昂贵。昂贵。2023-1-1714q现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)数据传输采用总线方式；数据传输采用总线方式；控制功能彻底下放到现场，安装成本和维护控制功能彻底下放到现场，安装成本和维护费用得以降低；费用得以降低；是一种开放的、具备可互操作性、彻底分散是一种开放的、具备可互操作性、彻底分散的分布式控制系统。的分布式控制系统。2023-1-1715l现场总线的本质现场总
8、线的本质:现场通信网络现场通信网络现场设备互连现场设备互连互操作性互操作性分散功能块分散功能块通信线供电通信线供电开放式互连网络开放式互连网络 1 现场通信网络现场通信网络 现场总线作为一种数字式通信网络一直延伸到现场总线作为一种数字式通信网络一直延伸到生产现场中的现场设备，使以往（包括生产现场中的现场设备，使以往（包括DCS）采用）采用点到点式的模拟量信号传输或开关量信号的单向并点到点式的模拟量信号传输或开关量信号的单向并行传输变为多点一线的双向串行数字式传输。行传输变为多点一线的双向串行数字式传输。2 现场设备互连现场设备互连 现场设备是指连接在现场总线上的各种仪表现场设备是指连接在现场总
9、线上的各种仪表设备，按功能可分为变送器、执行器、服务器和设备，按功能可分为变送器、执行器、服务器和网桥、辅助设备等，这些设备可以通过一对传输网桥、辅助设备等，这些设备可以通过一对传输线即现场总线直接在现场互连，相互交换信息，线即现场总线直接在现场互连，相互交换信息，这在这在DCS中也是不可以的。现场设备如下：中也是不可以的。现场设备如下：（1）变送器）变送器 常用的变送器有温度、压力、流量、物位常用的变送器有温度、压力、流量、物位、分析等，每类又有多个品种。这种智能型变、分析等，每类又有多个品种。这种智能型变送器既有检测、变换和补偿功能，又有送器既有检测、变换和补偿功能，又有PID控控制和运算
10、功能。制和运算功能。（2）执行器）执行器 常用的执行器有电动和气动两大类，每类又有多个品种。常用的执行器有电动和气动两大类，每类又有多个品种。执行器的基本功能是控制信号的驱动和执行，还内含调节阀的执行器的基本功能是控制信号的驱动和执行，还内含调节阀的输出特性补偿、输出特性补偿、PID控制和运算，另外还有阀门特性自动校验控制和运算，另外还有阀门特性自动校验和自动诊断功能和自动诊断功能。（3）服务器和网桥）服务器和网桥 服务器下接服务器下接 H1和和 H2，上接局域网，上接局域网 LAN（Local Area Network）；网桥上接）；网桥上接H2，下接，下接H1。（4）辅助设备）辅助设备 辅
11、助设备有辅助设备有 H1/气压转换器、气压转换器、H1/电流转换器、电流电流转换器、电流/H1转换器、安全栅、总线电源、便携式编程器等。转换器、安全栅、总线电源、便携式编程器等。2023-1-1720 3互操作性互操作性 现场设备种类繁多，没有任何一家制造厂可现场设备种类繁多，没有任何一家制造厂可以提供一个工厂所需的全部现场设备。所以，不同厂以提供一个工厂所需的全部现场设备。所以，不同厂商产品的交互操作与互换是不可避免的。用户不希望商产品的交互操作与互换是不可避免的。用户不希望为选用不同的产品而在硬件或软件上花力气，而希望为选用不同的产品而在硬件或软件上花力气，而希望选用各厂商性能价格比最优的
12、产品集成在一起，实现选用各厂商性能价格比最优的产品集成在一起，实现“即接即用即接即用”，能对不同品牌的现场设备统一组态，能对不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路。构成所需要的控制回路。4分散功能块分散功能块 FCS废弃了传统的废弃了传统的DCS输入输入/输出单元和控制站，把输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。由于功能分散在多台现场仪表中，并可统虚拟控制站。由于功能分散在多台现场仪表中，并可统一组态，用户可以灵活选用各种功能块构成所需控制系一组态，用户可以灵活选用各种功能块构成所需控制系统，实现
13、彻底的分散控制，统，实现彻底的分散控制，现场总线除了传输信息之外，还可以完成为现场设备供现场总线除了传输信息之外，还可以完成为现场设备供电的功能。总线供电不仅简化了系统的安装布线，而且还可电的功能。总线供电不仅简化了系统的安装布线，而且还可以通过配套的安全栅实现本质安全系统以通过配套的安全栅实现本质安全系统，为现场总线控制系，为现场总线控制系统在易燃易爆环境中应用奠定了基础。统在易燃易爆环境中应用奠定了基础。5现场总线供电现场总线供电 6开放式互连网络开放式互连网络 现场总线为开放式互连网络，既可与同层网络互连，现场总线为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连。现场总线协议不
14、象也可与不同层网络互连。现场总线协议不象DCS那样采用封那样采用封闭专用的通信协议，而是采用公开化、标准化、规范化的通闭专用的通信协议，而是采用公开化、标准化、规范化的通信协议，只要符合现场总线协议，就可以把不同制造商的现信协议，只要符合现场总线协议，就可以把不同制造商的现场设备互连成系统。开放式互连网络还体现在网络数据库的场设备互连成系统。开放式互连网络还体现在网络数据库的共享，通过网络对现场设备和功能块统一组态。共享，通过网络对现场设备和功能块统一组态。2023-1-1725l现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点:现场总线的结构特点现场总线的结构特点打破了传统控制系统的结构形式。打破了
15、传统控制系统的结构形式。不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。成，实现了彻底的分散控制。采用数字信号代替模拟信号，可以实现一对电线上采用数字信号代替模拟信号，可以实现一对电线上传输多个信号。传输多个信号。u 1一对一对N 结构结构 FCS采用一对传输线，采用一对传输线，N台仪表，双向传输多个台仪表，双向传输多个信号。这种一对信号。这种一对N结构使得接线简单、工程周期短、结构使得接线简单、工程周期短、安装费用低、维护容易。如果增加现场设备或现场仪安装费用低、维护容易。如果增加现场设备或现场仪表，只需并行挂接到电缆上，无需
16、架设新的电缆。而表，只需并行挂接到电缆上，无需架设新的电缆。而传统的控制是一对一模拟信号的传输结构，即一台仪传统的控制是一对一模拟信号的传输结构，即一台仪表，一对传输线，单向传输一个信号。这种一对一结表，一对传输线，单向传输一个信号。这种一对一结构造成接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困构造成接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困难。难。u 2可靠性高可靠性高 FCS是数字信号传输，因而抗干扰强、精度高是数字信号传输，因而抗干扰强、精度高，由于无需采用抗干扰和提高精度的措施，从而减，由于无需采用抗干扰和提高精度的措施，从而减少了成本。而传统的模拟信号传输，易受干扰精度少了成本。而传统的模
17、拟信号传输，易受干扰精度低，为此采用各种抗干扰措施和提高精度的方法，低，为此采用各种抗干扰措施和提高精度的方法，其结果增加了成本。其结果增加了成本。u 3可控状态可控状态 FCS的操作员在控制室既能了解现场设备的操作员在控制室既能了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对其进行参数调整，或现场仪表的工作状况，也能对其进行参数调整，还可预测或寻找故障，始终处于操作员的远程监还可预测或寻找故障，始终处于操作员的远程监视与可控状态，提高了系统的可靠性、可控性和视与可控状态，提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。而传统控制的操作员在控制室既不了可维护性。而传统控制的操作员在控制室既不了解模拟仪表的工作状
18、况，也不能对其进行参数调解模拟仪表的工作状况，也不能对其进行参数调整，更不能预测寻找故障，导致操作员对其处于整，更不能预测寻找故障，导致操作员对其处于“失控失控”状态。状态。u 4互换性互换性 FCS用户可以自由选择不同制造商所提供的性能用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优的现场设备或现场仪表进行互连互换。即价格比最优的现场设备或现场仪表进行互连互换。即使某台仪表出现故障，换上其他品牌的同类仪表照常使某台仪表出现故障，换上其他品牌的同类仪表照常工作，实现工作，实现“即接即用。即接即用。”而模拟仪表尽管统一了信而模拟仪表尽管统一了信号标准，但大部分技术参数仍由制造厂商自定，致使号标准
19、，但大部分技术参数仍由制造厂商自定，致使不同厂商的仪表无法互换。不同厂商的仪表无法互换。u 5互操作性互操作性 FCS用户可把不同制造商的各种品牌的仪表集用户可把不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起，进行统一组态，构成所需的控制回路，成在一起，进行统一组态，构成所需的控制回路，不必为集成不同品牌的产品而在硬件或软件上花费不必为集成不同品牌的产品而在硬件或软件上花费力气或增加额外投资力气或增加额外投资。u 6综合功能综合功能 FCS现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能。实现一表多用，不仅方便了用有控制和运算功能。实现一表多用，不仅方便了用户，也
20、节省了成本。户，也节省了成本。u 7分散控制分散控制 FCS的控制站功能分散在现场仪表中，通过现的控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表就可构成控制回路，实现了彻底的分散控场仪表就可构成控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。u 8统一组态统一组态 由于由于FCS中的现场设备或现场仪表都引入了功能中的现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念，所有制造商都使用相同的功能块，并统一块的概念，所有制造商都使用相同的功能块，并统一组态方法。这样就使组态变得非常简单，不必因为现组态方法。这样就使组态变得非常简单，不必因为现场设备种类不同
21、，而进行不同组态方法的培训或学习。场设备种类不同，而进行不同组态方法的培训或学习。u 9开放式系统开放式系统 对相关标准的一致性、公开性、强调对标准对相关标准的一致性、公开性、强调对标准的共识与遵从。的共识与遵从。2023-1-17342023-1-1735分散控制系统体系结构分散控制系统体系结构2023-1-1737n现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCS）与传统控制系统（如）与传统控制系统（如DCS）结）结构对比如图构对比如图8-1所示。所示。DeviceNet现场总线传统的模拟仪表PROFIBUS-DPH1现场设备现场设备网桥LonWorks现场总线CANBUS服务器LAN操作站42
22、0mALAN控制站操作站图8-1 FCS与DCS结构比较2023-1-1738现场总线的技术特点现场总线的技术特点:系统的开放性；系统的开放性；互可操作性与互用性；互可操作性与互用性；现场设备的智能化与功能自治性；现场设备的智能化与功能自治性；系统结构的高度分散性；系统结构的高度分散性；对现场环境的适应性。对现场环境的适应性。2023-1-1739现场总线的优点现场总线的优点:节省硬件数量与投资；节省硬件数量与投资；节省安装费用；节省安装费用；节约维护开销；节约维护开销；用户具有高度的系统集成主动权；用户具有高度的系统集成主动权；提高了系统的准确性与可靠性。提高了系统的准确性与可靠性。2023
23、-1-1740l现场总线网络的实现现场总线网络的实现:现场总线的基础是数字通信，通信就必须有协议，现现场总线的基础是数字通信，通信就必须有协议，现场总线是一个定义了硬件接口和通信协议的标准。各场总线是一个定义了硬件接口和通信协议的标准。各个公司的现场总线没有一个统一的协议标准，但都参个公司的现场总线没有一个统一的协议标准，但都参考考OSI7OSI7层协议标准，大都采用了第层协议标准，大都采用了第1 1（物理层）、（物理层）、2 2（数据链路层）、（数据链路层）、7 7层（应用层），并增设了第层（应用层），并增设了第8 8层层（用户层）。（用户层）。2023-1-1741物理层物理层物理层定义了
24、信号的编码与传送方式、传送介质、接口的电物理层定义了信号的编码与传送方式、传送介质、接口的电气及机械特性、信号传输速率等。现场总线有两种编码方式：气及机械特性、信号传输速率等。现场总线有两种编码方式：Manchester和和NRZ（No Return Zero-Inverse 非归零反非归零反相编码），前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。相编码），前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。Manchester编码采用基带传输，而编码采用基带传输，而NRZ编码采用频带传输。编码采用频带传输。调制方式主要有调制方式主要有CPFSK和和COFSK。现场总线传输介质主要有有线电缆、光纤和无线
25、介质。现场总线传输介质主要有有线电缆、光纤和无线介质。2023-1-1742数据链路层数据链路层数据链路层又分为两个子层，即介质访问控制层（数据链路层又分为两个子层，即介质访问控制层（MAC）和）和逻辑链路控制层（逻辑链路控制层（LLC）。）。MAC功能是对传输介质传送的信号功能是对传输介质传送的信号进行发送和接收控制，而进行发送和接收控制，而LLC层则是对数据链进行控制，保证数层则是对数据链进行控制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线网络中的设备可以是主站，据传送到指定的设备上。现场总线网络中的设备可以是主站，也可以是从站，主站有控制收发数据的权力，而从站则只有响也可以是从站，主站有控制收
26、发数据的权力，而从站则只有响应主站访问的权力。应主站访问的权力。关于关于MAC层，目前有三种协议：层，目前有三种协议：（1）集中式轮询协议）集中式轮询协议其基本原理是网络中有主站，主站周期性地轮询各个节点，其基本原理是网络中有主站，主站周期性地轮询各个节点，被轮询的节点允许与其他节点通信。被轮询的节点允许与其他节点通信。（2）令牌总线协议）令牌总线协议这是一种多主站协议，主站之间以令牌传送协议进行工作，这是一种多主站协议，主站之间以令牌传送协议进行工作，持有令牌的站可以轮询其他站。持有令牌的站可以轮询其他站。（3）总线仲裁协议）总线仲裁协议其机理类似于多机系统中并行总线的管理机制。其机理类似于
27、多机系统中并行总线的管理机制。2023-1-1743应用层应用层应用层可以分为两个子层，上面子层是应用服务层（应用层可以分为两个子层，上面子层是应用服务层（FMS层），它为用户提供服务；下面子层是现场总线存取层层），它为用户提供服务；下面子层是现场总线存取层（FAS层），它实现数据链路层的连接。层），它实现数据链路层的连接。应用层的功能是进行现场设备数据的传送及现场总线变量应用层的功能是进行现场设备数据的传送及现场总线变量的访问。它为用户应用提供接口，定义了如何应用读、写、的访问。它为用户应用提供接口，定义了如何应用读、写、中断和操作信息及命令，同时定义了信息、句法（包括请求、中断和操作信息及
28、命令，同时定义了信息、句法（包括请求、执行及响应信息）的格式和内容。应用层的管理功能在初始执行及响应信息）的格式和内容。应用层的管理功能在初始化期间初始化网络，指定标记和地址。同时按计划配置应用化期间初始化网络，指定标记和地址。同时按计划配置应用层，也对网络进行控制，统计失败和检测新加入或退出网络层，也对网络进行控制，统计失败和检测新加入或退出网络的装置。的装置。2023-1-1744用户层用户层用户层是现场总线标准在用户层是现场总线标准在OSI模型之外新增加的一层，是现模型之外新增加的一层，是现场总线控制系统开放与可互操作性的关键。场总线控制系统开放与可互操作性的关键。用户层定义了从现场装置
29、中读、写信息和向网络中其他装置用户层定义了从现场装置中读、写信息和向网络中其他装置分派信息的方法，即规定了供用户组态的标准分派信息的方法，即规定了供用户组态的标准“功能模块功能模块”。事实上，各厂家生产的产品实现功能块的程序可能完全不同，事实上，各厂家生产的产品实现功能块的程序可能完全不同，但对功能块特性描述、参数设定及相互连接的方法是公开统一但对功能块特性描述、参数设定及相互连接的方法是公开统一的。信息在功能块内经过处理后输出，用户对功能块的工作就的。信息在功能块内经过处理后输出，用户对功能块的工作就是选择是选择“设定特征设定特征”及及“设定参数设定参数”，并将其连接起来。功能，并将其连接起
30、来。功能块除了输入输出信号外，还输出表征该信号状态的信号。块除了输入输出信号外，还输出表征该信号状态的信号。2023-1-1745l现场总线技术的发展趋势现场总线技术的发展趋势:发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为关发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为关注的焦点。具有发展前景的现场总线技术有：注的焦点。具有发展前景的现场总线技术有：智能仪表与网络设备开发的软硬件技术；智能仪表与网络设备开发的软硬件技术；组态技术；组态技术；网络管理技术；网络管理技术；人机接口和软件技术；人机接口和软件技术；现场总线系统集成技术。现场总线系统集成技术。FCSFCS的的组态技术：对组态技术：对用户而言，用户
31、而言，FCSFCS中有三种软件模中有三种软件模块：功能块、转换块和资源块。当用一些功能块组成块：功能块、转换块和资源块。当用一些功能块组成了某一装置的控制策略时，就把这些功能块的有序集了某一装置的控制策略时，就把这些功能块的有序集合称为一个合称为一个“功能应用块功能应用块”。一个功能块应用可以和。一个功能块应用可以和另一个功能块应用互连在一起，一个功能块应用也可另一个功能块应用互连在一起，一个功能块应用也可以包含另一个功能块应用以包含另一个功能块应用。2023-1-1747n现场总线属于尚在发展的技术，我国在这一技术领域还刚现场总线属于尚在发展的技术，我国在这一技术领域还刚刚起步。了解国际上该
32、项技术的现状与发展动向，对我国刚起步。了解国际上该项技术的现状与发展动向，对我国相关行业的发展，对自动化技术、设备的更新，无疑具有相关行业的发展，对自动化技术、设备的更新，无疑具有重要的作用。重要的作用。n总体说来，自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的总体说来，自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。既然是总线，就要向方向前进，这一发展趋势是肯定的。既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但这一技术所涉及的应用领域十分广泛。，但这一技术所涉及的应用领域十分广泛。2023-1-17
33、48n大千世界，众多领域，需求各异，一个现场总线体系下可大千世界，众多领域，需求各异，一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准。另外，从以上介绍也可以看出，能不止容纳单一的标准。另外，从以上介绍也可以看出，几大技术均具有自己的特点，已在不同应用领域形成了自几大技术均具有自己的特点，已在不同应用领域形成了自己的优势。加上商业利益的驱使，它们都正在十分激烈的己的优势。加上商业利益的驱使，它们都正在十分激烈的市场竞争中求得发展。市场竞争中求得发展。n有理由认为：在从现在起的未来有理由认为：在从现在起的未来10年内，可能出现几大总年内，可能出现几大总线标准共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准线
34、标准共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。现场总线是现场总线是FCS的核心。目前，世界上出现了的核心。目前，世界上出现了多种现场总线的企业或国家标准。这些现场总线技多种现场总线的企业或国家标准。这些现场总线技术各具特点，已经逐渐形成自己的产品系列，并占术各具特点，已经逐渐形成自己的产品系列，并占有相当大的市场份额。由于技术和商业利益的原因有相当大的市场份额。由于技术和商业利益的原因，尚没有统一。以下就是目前流行的几种著名的现，尚没有统一。以下就是目前流行的几种著名的现场总线。场总线。8.2 8.2 现场总
35、线简介现场总线简介2023-1-1750l比较流行的现场总线比较流行的现场总线基金会现场总线基金会现场总线CANDevicenetLonWorksPROFIBUSRS-4852023-1-17511 基金会现场总线基金会现场总线(Foundation Fieldbus)FF是现场总线基金会是现场总线基金会Fieldbus Foundation的缩写。现的缩写。现场总线基金会是国际公认的、惟一不附属于某企业的、非商场总线基金会是国际公认的、惟一不附属于某企业的、非商业化的国际标准化组织。其宗旨是制定单一的国际现场总线业化的国际标准化组织。其宗旨是制定单一的国际现场总线标准。标准。FF协议的前身是
36、以美国协议的前身是以美国Fisher-Rosemount公司为公司为首，联合首，联合 Foxboro、Yokogawa、ABB、Siemens等等80家公司制定的家公司制定的ISP协议，和以协议，和以Honeywell公司为首、联合欧公司为首、联合欧洲等地的洲等地的150家公司制定的家公司制定的 Word FIP协议。迫于用户的压协议。迫于用户的压力，支持力，支持ISP和和World FIP的两大集团于的两大集团于1994年年9月握手言月握手言和，成立了现场总线基金会和，成立了现场总线基金会Fieldbus Foundation。2023-1-1752分低速分低速H1和高速和高速H2两种通信速
37、率；两种通信速率；FF总线分为低速现场总线和高速现场总线两种通信速率。总线分为低速现场总线和高速现场总线两种通信速率。低速现场总线低速现场总线H1的传输速率为的传输速率为31.25kbps，高速现场总线，高速现场总线HSE的传输速率为的传输速率为100Mbps，H1支持总线供电和本质安全支持总线供电和本质安全特性，最大通信距离为特性，最大通信距离为1900m（如果加中继器可延长至（如果加中继器可延长至9500m，最多可直接连接，最多可直接连接32个节点（非总钱供电）、个节点（非总钱供电）、13个个节点（总线供电）、节点（总线供电）、6个节点（本质安全要求）。如果加中个节点（本质安全要求）。如果
38、加中继器最多可连接继器最多可连接240个节点。通信介质为双绞线、光缆或无个节点。通信介质为双绞线、光缆或无线电。线电。2023-1-1753物理媒介的传输信号为曼彻斯特编码。物理媒介的传输信号为曼彻斯特编码。FF总线以总线以OSI参考模型为基础，取其物理层、参考模型为基础，取其物理层、链路层和应用层为链路层和应用层为FF通信模型的相应层次，并通信模型的相应层次，并在此基础上增加了用户层。在此基础上增加了用户层。2023-1-1754FF采用可变长帧结构，每帧的有效字节数为采用可变长帧结构，每帧的有效字节数为 0251个。目前已经有个。目前已经有 Smar、Fuji、National、Semic
39、onductor、Siemens、Yokogawa等等12家公司可以提供家公司可以提供FF的通信芯的通信芯片。片。2023-1-1755目前，全世界已有目前，全世界已有120多个用户和制造商成多个用户和制造商成为现场总线基金会的成员。基金会董事会囊括为现场总线基金会的成员。基金会董事会囊括了世界上最主要的自动化设备供应商。基金会了世界上最主要的自动化设备供应商。基金会成员所生产的自动化设备占世界市场的成员所生产的自动化设备占世界市场的90以上。基金会强调中立与公正。所有的成员均以上。基金会强调中立与公正。所有的成员均可以参加规范的制订和评估，所有的技术成果可以参加规范的制订和评估，所有的技术成
40、果由基金会拥有和控制。由中立的第三方负责产由基金会拥有和控制。由中立的第三方负责产品的注册和测试等。因此，基金会现场总线具品的注册和测试等。因此，基金会现场总线具有一定的权威性、广泛性和公正性。有一定的权威性、广泛性和公正性。2023-1-17562 CAN(Controller Area Network)它是由德国它是由德国Bosch公司推出、最早用于汽车内公司推出、最早用于汽车内部监测部件与控制部件的数据通信网络。现在部监测部件与控制部件的数据通信网络。现在已经逐步应用到其它控制领域。已经逐步应用到其它控制领域。CAN协议也是建立在协议也是建立在OSI模型基础上的，它采模型基础上的，它采用
41、了用了OSI底层的物理层、数据链路层和高层的应底层的物理层、数据链路层和高层的应用层，其信号传输介质为双绞线用层，其信号传输介质为双绞线；最高通信速率为最高通信速率为1Mbps（通信距离（通信距离40m），），最远通信距离可达最远通信距离可达10km（通信速率为（通信速率为5kbps），），节点总数可达节点总数可达110个。个。2023-1-1757信号传输采用短祯结构，有效字节为信号传输采用短祯结构，有效字节为8个；个；因而因而传输的时间短，受干扰的概率低，每帧信息均采传输的时间短，受干扰的概率低，每帧信息均采用循环冗余校验用循环冗余校验CRC及其它检错措施，通信误码及其它检错措施，通信误码
42、率极低。率极低。CAN节点在错误严重的情况下，具有自节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，这时故障节点与总线脱离，动关闭总线的功能，这时故障节点与总线脱离，使其它节点的通信不受影响。使其它节点的通信不受影响。2023-1-1758支持多主工作方式；支持多主工作方式；被被ISO制定为国际标准。制定为国际标准。2023-1-17593 DeviceNet是一个开放式网络标准；是一个开放式网络标准；购买者将得到真正免费的开发该产品的许可；购买者将得到真正免费的开发该产品的许可；特点为：基于特点为：基于CAN总线、通信模式为生产者总线、通信模式为生产者/客户、设备可互换性、网络设备可随时连接
43、客户、设备可互换性、网络设备可随时连接或断开、设备安装费用少、可方便对网络上的或断开、设备安装费用少、可方便对网络上的设备进行配置、测试和管理。设备进行配置、测试和管理。CAN本身并未指出流量控制、节点地址分配、通信建本身并未指出流量控制、节点地址分配、通信建立、设备连接标准等具体的细则。后来在立、设备连接标准等具体的细则。后来在CAN总线协议的基总线协议的基础上，产生了础上，产生了DeviceNET和和CANopen协议标准。协议标准。DeviceNET沿用了沿用了CAN 协议标准所规定的协议标准所规定的ISO参考模参考模型中物理层和数据链路层的一部分，并补充了不同的报文的型中物理层和数据链
44、路层的一部分，并补充了不同的报文的传送格式，总线访问仲裁规则及故障检测和隔离的发法。传送格式，总线访问仲裁规则及故障检测和隔离的发法。2023-1-17604 LonWorks Lon Works是局部操作网络是局部操作网络Local Operating Network的缩写。它是由美国的缩写。它是由美国 Echelon公司研制、公司研制、于于1990年正式公布的现场总线网络。年正式公布的现场总线网络。采用采用ISO/OSI模型的全部七层协议；模型的全部七层协议；采用面向对象的设计方法；采用面向对象的设计方法；2023-1-1761其最高通信速率为其最高通信速率为1.25MbpS（通信距离不（
45、通信距离不超过超过130m），最远通信距离为），最远通信距离为27000m（通（通信速率为信速率为78kbps），节点总数可达），节点总数可达32000个。个。网络的传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光网络的传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等，纤、射频、红外线、电力线等，被誉为通用控被誉为通用控制网络制网络。2023-1-1762其技术的不断推广促成了神经元芯片的低成其技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本；本；已经被定义为建筑自动化协议的一个标准。已经被定义为建筑自动化协议的一个标准。2023-1-17635 PROFIBUS PROFIBUS是过程现场总线是过程现场
46、总线Process Field Bus的缩写。它是德国国家标准的缩写。它是德国国家标准 DIN 19245和欧洲标和欧洲标准准 EN 50170所规定的现场总线标准。所规定的现场总线标准。PROFIBUS由三个兼容部分组成，即由三个兼容部分组成，即PROFIBUSDP、PROFIBUSPA和和 PROFIBUSFMS。其。其中中 PRMUSDP是一种高速低成本通信系统；是一种高速低成本通信系统；参考模型为参考模型为ISO/OSI模型，模型，定义了物理层、链路定义了物理层、链路层和应用层层和应用层；2023-1-1764支持主支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混从系统、纯主站系统、多主多从混合
47、系统等传输方式；合系统等传输方式；传输速率范围宽，传输介质可以是双绞线、传输速率范围宽，传输介质可以是双绞线、光缆。最高通信速率为光缆。最高通信速率为12Mbps（通信距离不（通信距离不超过超过100m），最大通信距离为），最大通信距离为 1200m（通（通信速率为信速率为9.6kbps）。如果采用中继器可延长）。如果采用中继器可延长至至10km，其传输介质可以是双绞线或光缆。，其传输介质可以是双绞线或光缆。每个网络可挂每个网络可挂32个节点，如带中继器，最多个节点，如带中继器，最多可挂可挂127个节点。个节点。2023-1-17655 CC-Link控制与通信链路系统的简称；控制与通信链路系
48、统的简称；以设备层为主的网络，也可以覆盖较高层次以设备层为主的网络，也可以覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感器层；的控制层和较低层次的传感器层；很多汽车行业成为其用户。很多汽车行业成为其用户。2023-1-17666 RS-485总线总线不能称为现场总线，但是鼻祖；不能称为现场总线，但是鼻祖；通信设备简单，成本低。通信设备简单，成本低。2023-1-17678.3 8.3 现场总线与企业网络现场总线与企业网络l企业网络：由信息网络和控制网络组成。企业网络：由信息网络和控制网络组成。信息网络：处理企业管理与决策信息。处信息网络：处理企业管理与决策信息。处于企业的上层，处理大量的、变化的和多样于
49、企业的上层，处理大量的、变化的和多样的信息，其特点是高速、综合。的信息，其特点是高速、综合。控制网络处理企业现场实时测控信息。采控制网络处理企业现场实时测控信息。采用现场总线技术，处于企业的底层，其特点用现场总线技术，处于企业的底层，其特点是：协议简单、安全可靠、容错性强、成本是：协议简单、安全可靠、容错性强、成本低。过程控制层、制造执行层、企业资源规低。过程控制层、制造执行层、企业资源规划层。划层。2023-1-17688.2.1 8.2.1 企业网络企业网络l企业网络：企业网络：企业网络一般是指在一个企业范围内将信号企业网络一般是指在一个企业范围内将信号检测、数据传输、处理、存储、计算、控
50、制等设检测、数据传输、处理、存储、计算、控制等设备或系统连接在一起，将企业范围内的网络、计备或系统连接在一起，将企业范围内的网络、计算、存储等资源连接在一起，提供企业内的信息算、存储等资源连接在一起，提供企业内的信息共享、员工间的便捷通信和企业外部的信息访问，共享、员工间的便捷通信和企业外部的信息访问，提供面向客户的企业信息查询及业务伙伴间的信提供面向客户的企业信息查询及业务伙伴间的信息交流等多方面功能的一个计算机网络。息交流等多方面功能的一个计算机网络。2023-1-1769 企业网络能够实现企业内部的资源共享、信息企业网络能够实现企业内部的资源共享、信息管理、过程控制、经营决策，并能够访问
