現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用匯總

1、第十章 現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用內(nèi)容提要n概述n現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況n幾種典型的現(xiàn)場總線n典型控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)n小結(jié)1 概述n現(xiàn)場總線是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(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)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題，所以現(xiàn)場總線既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是自控網(wǎng)絡(luò)概述（續(xù)）n現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System, FCS）是由現(xiàn)場總線和現(xiàn)場設(shè)備組成的控制系統(tǒng)，這是繼電式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)DCS后的新一代控制系統(tǒng)概述（續(xù)）nFCS

2、對DCS的變革 概述（續(xù)） FCS的信號傳輸實現(xiàn)了全數(shù)字化 FCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是全分散式，它廢棄了DCS的輸入輸出單元和控制站，由現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表取而代之 FCS的現(xiàn)場設(shè)備具有互操作性 FCS的通信網(wǎng)絡(luò)為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，既可同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，用戶可極方便地共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫 FCS的技術(shù)和標準實現(xiàn)了全開放，無專利許可要求，可供任何人使用 概述（續(xù)）n現(xiàn)場總線的分類 全功能數(shù)字網(wǎng)絡(luò) 提供從物理層到用戶層的所有功能，標準化工作比較完善 傳感器網(wǎng)絡(luò) 以CAN（Controller Area Network）網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線 數(shù)字信號串行線 最簡單的數(shù)據(jù)總線，不提供應(yīng)用層和用戶層 2

3、 現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況n現(xiàn)場總線的實質(zhì) 現(xiàn)場總線的定義 ISA SP50（美國儀表協(xié)會標準）中對現(xiàn)場總線的定義 現(xiàn)場總線是一種串行的數(shù)字數(shù)據(jù)通信鏈路，它溝通了過程控制領(lǐng)域的基本控制設(shè)備（即場地級設(shè)備）之間以及與更高層次自動控制領(lǐng)域的自動化控制設(shè)備（即車間級設(shè)備）之間的聯(lián)系 國際電工委員會IEC標準和現(xiàn)場總線基金會FF的定義 現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況 (2) 現(xiàn)場總線的本質(zhì)含義 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián) 互操作性 分散功能塊 通信線供電 開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況 () 現(xiàn)場總線的協(xié)議 現(xiàn)場總線一般采

4、用國際標準組織ISO的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）協(xié)議，OSI協(xié)議是為計算機聯(lián)網(wǎng)而制定的7層參考模型，只要網(wǎng)絡(luò)中所有要處理的要素都是通過共同的路徑進行通信的，那么不管它是不是計算機網(wǎng)絡(luò)都可以使用該協(xié)議 各廠家在實際制定自己的通信協(xié)議時，往往依據(jù)側(cè)重點的不同，僅實現(xiàn)該7層協(xié)議的子集現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況 () 現(xiàn)場總線系統(tǒng)組成 從物理結(jié)構(gòu)來看，現(xiàn)場總線系統(tǒng)有兩個主要組成部分：現(xiàn)場設(shè)備和傳輸介質(zhì)，其中現(xiàn)場設(shè)備由現(xiàn)場微處理芯片及外圍電路構(gòu)成，傳輸介質(zhì)可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖等 現(xiàn)場總線的拓撲結(jié)構(gòu)有很多種，如總線型、環(huán)型、樹型、星型等現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況 ()n現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是

5、按照OSI參考模型建立的，OSI參考模型共分7層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表達層和應(yīng)用層，現(xiàn)場總線將上述7層簡化為3層，分別由OSI參考模式的第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層組成，并增加了用戶層現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況 () 物理層 傳輸介質(zhì)：銅導(dǎo)線、無線電和電纜傳輸速率和距離：31.25Kbps, 1900m（加中繼延長)網(wǎng)絡(luò)拓撲：總線型、樹型、點對點型 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量：一個通信段可連接32臺設(shè)備，使用中斷器可接240臺設(shè)備支持總線供電：總線上既傳送數(shù)字信號，又要為現(xiàn)場設(shè)備提供電源能量。數(shù)字信號以31.25Hz的頻率調(diào)制到932V的直流供電電壓上現(xiàn)場總線的原理和

6、發(fā)展概況 () 數(shù)據(jù)鏈路層 規(guī)定了物理層與應(yīng)用層之間的接口，并控制對傳輸介質(zhì)的訪問 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)存取控制方式有3種： 令牌傳送：一個站必須持有令牌，才能開始一次對話，完成信息傳送后即將令牌交還鏈路活動調(diào)度器LAS，LAS根據(jù)預(yù)先的組態(tài)或調(diào)度算法將令牌送交給下一個令牌申請者 立即響應(yīng)：主戰(zhàn)給一站一個機會來應(yīng)答一次信息 申請令牌：一個站在每回答響應(yīng)中允許立即發(fā)給令牌現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況 () 應(yīng)用層 提供設(shè)備之間及網(wǎng)絡(luò)要求的數(shù)據(jù)服務(wù)，對現(xiàn)場過程控制進行支持，為用戶提供一個簡單的接口 應(yīng)用層由現(xiàn)場總線訪問子層FAS和現(xiàn)場總線報文規(guī)范FMS組成： FAS有3種功能：對象字典服務(wù)（讀、寫及修改對象描

7、述）、變量訪問服務(wù)（通過子索引訪問每個對象中數(shù)組或記錄變量）、時間服務(wù)（發(fā)布事件及報警的通知）FMS有3種服務(wù)：出版廣播數(shù)據(jù)，用戶偵聽廣播并將其放入內(nèi)部緩沖區(qū)；客戶端發(fā)出請求，服務(wù)器發(fā)出應(yīng)答；報告分發(fā)（源設(shè)備廣播事件報告，接收設(shè)備偵聽廣播并將其放入內(nèi)部隊列）現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況 () 用戶層 規(guī)定標準的功能塊供用戶組態(tài)成系統(tǒng) 有10個基本功能塊如AI、AO、DI、DO、PID等，19個附加的算術(shù)功能塊現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況 ()n現(xiàn)場總線的發(fā)展概況 現(xiàn)場總線是綜合自動化的發(fā)展需要 智能儀表為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ) 現(xiàn)場總線將朝著開放系統(tǒng)、統(tǒng)一標準的方向發(fā)展現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況 ()

8、n現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點 技術(shù)特點 系統(tǒng)的開放性 互操作性和互用性 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性 一對N結(jié)構(gòu) 可控狀態(tài) 互換性 綜合功能 統(tǒng)一組態(tài)現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況 () 優(yōu)點 節(jié)省硬件數(shù)量與投資 節(jié)省安裝費用 節(jié)省維護開銷 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)幾種典型的現(xiàn)場總線 1 ControlNetn控制層現(xiàn)場總線ControlNet ControlNet是近年來推出的一種新的面向控制層的實時性現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，它提供如下功能： 在同一物理介質(zhì)鏈路上提供時間關(guān)鍵性 I/O數(shù)據(jù)和報文數(shù)據(jù)，包括程序的上載/下載，組態(tài)數(shù)據(jù)和端到端的報文傳遞等通信支持 對于連續(xù)和離散過程控制應(yīng)用場合，均具有

9、高度確定性和可重復(fù)性功能 確定性：預(yù)見數(shù)據(jù)何時能夠可靠傳輸?shù)侥繕说哪芰?可重復(fù)性：指數(shù)據(jù)的傳輸時間不受網(wǎng)絡(luò)節(jié)點添加/刪除情況或網(wǎng)絡(luò)繁忙狀況影響而保持恒定的能力 它作為ControlLogix的通信背板，構(gòu)成新一代控制器，能同時完成邏輯、過程、拖動和運動控制1 ControlNet (2) ControlNet是基于生產(chǎn)者/消費者模式的網(wǎng)絡(luò)，它允許在同一鏈路上有多個控制器并存，支持輸入數(shù)據(jù)或端到端信息的多路發(fā)送 ControlNet非常適用于一些控制關(guān)系有復(fù)雜關(guān)聯(lián)、要求控制信息同步、協(xié)調(diào)實時控制、數(shù)據(jù)傳輸速度要求較高的應(yīng)用場合 ControlNet是開放的現(xiàn)場總線，由獨立性國際組織”控制網(wǎng)國際”

10、（ControlNet International）負責管理， ControlNet International旨在維護和發(fā)行ControlNet技術(shù)規(guī)范，管理成員單位的共同的市場推廣工作，同時提供各個廠商產(chǎn)品之間的一致性和互操作性測試服務(wù)，保證ControlNet的開放性1 ControlNet (2)ControlNet 技術(shù)指標技術(shù)指標 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模網(wǎng)絡(luò)規(guī)模 : 在無重復(fù)器情況下最多 48 個節(jié)點。 網(wǎng)絡(luò)長度網(wǎng)絡(luò)長度 : 1000m ( 同軸電纜 ) 5Mb/s ； 1000m 2 個節(jié)點， 250 m 48 個節(jié)點； 3000m ( 光纖 ) 5Mb/s ； 5000m ( 同軸電纜 )

11、5Mb/s 有重復(fù)器；超過 30Km ( 光纖 ) 有重復(fù)器 通訊速率通訊速率 : 可調(diào) 總線拓撲總線拓撲 : 線性，樹型、星型、或三種混合 尋址模式尋址模式 : 對等、多主和主從；輪詢、循環(huán)或狀態(tài)改變 系統(tǒng)特性系統(tǒng)特性 : 帶電插拔設(shè)備，確定性，可重復(fù)性，本安選擇，充分節(jié)點 ID 檢測，報文組幀 1 ControlNet () ControlNet協(xié)議規(guī)范應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層對象和對象模型數(shù)據(jù)管理空報文路由器傳輸連接管理器邏輯鏈路控制（LLC）介質(zhì)存取控制（MAC）物理層信號子層物理層中間附加子層（PMA）7654321OSI 7層參考模型控制網(wǎng)絡(luò)分層模型1 Con

12、trolNet () 物理層與介質(zhì) 物理層和介質(zhì)部分的規(guī)范規(guī)定了同軸電纜和光纜介質(zhì)標準與設(shè)計的一些參考信息。 物理層包括兩個子層：物理介質(zhì)附屬子層PMA（Physical Medium Attachment）和物理層信號子層PLS（Physical Layer Signalling）。PMA子層包含了發(fā)送和接收總線信號必須的電路，而PLS子層執(zhí)行位表示和計時器功能，以及與MAC（向上）和PMA子層的信息交換1 ControlNet () 數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer） 數(shù)據(jù)鏈路層的首要任務(wù)是管理介質(zhì)的存取權(quán)。DLL協(xié)議是建立在一個固定長度、不斷重復(fù)的網(wǎng)絡(luò)刷新時間NUT（Netwo

13、rk Update Time）基礎(chǔ)上的。NUT以同步方式管理鏈路上的不同節(jié)點，如果網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點的NUT時間與當前鏈路上的NUT時間不一致，它就不能獲得在鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸權(quán)。不同的鏈路可能有不同的NUT值，NUT可以在組態(tài)過程中確定，取值范圍為2100ms 網(wǎng)絡(luò)的存取控制通過同時間域多點存?。–oncurrent Time Domain Multiple Access）的時間滑動算法實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)傳輸時間被分割成不斷重復(fù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸時間，通過調(diào)節(jié)在一個時間段內(nèi)不同節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的機會控制整個網(wǎng)絡(luò)的通信，對于不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通過指定不同的NUT來選擇網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓?jié)拍1 ControlNet () 網(wǎng)絡(luò)與傳輸

14、層 網(wǎng)絡(luò)與傳輸層的任務(wù)是建立和維護連接。連接的概念類似于電話線路，這樣一條邏輯上的通信連接可能跨越了多個不同類型的鏈路，但對于通信雙方而言，這個連接是固定的、一致的。每個連接都被賦予一個連接標識，代表與之相連的通信資源，在通信過程中，只需指出連接的標識符即可，而不必指明其它連接參數(shù) 1 ControlNet () 數(shù)據(jù)管理層 這部分協(xié)議定義了數(shù)據(jù)類型規(guī)范的文法、數(shù)據(jù)類型取值范圍以及不同數(shù)據(jù)類型適用的操作 對象模型 對象的建模代表了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可見的行為，這部分協(xié)議的內(nèi)容包括：對象建模和術(shù)語、對象編址、對象模型、對象規(guī)范格式和規(guī)則、對象規(guī)范擴展方法、新對象創(chuàng)建規(guī)范等1 ControlNet ()

15、設(shè)備描述 通過定義每一類型設(shè)備的核心標準，可以實現(xiàn)不同廠商相似設(shè)備間互操作性和互換性。一般說來，相似設(shè)備具有大致相同的行為，產(chǎn)生/消費相同的數(shù)據(jù)集，包含相似的可組態(tài)參數(shù)集。相似設(shè)備間這些信息的正式定義就稱為設(shè)備描述 ControlNet協(xié)議中已經(jīng)定義的設(shè)備描述包括：條形碼掃描器、PLC、位置控制器、秤、信息顯示器、交直流驅(qū)動、伺服驅(qū)動、接觸器、電機啟動器、軟啟動器、人機接口、啟動閥等 1 ControlNet () 生產(chǎn)者/消費者通信模式 傳統(tǒng)的源/目的通信模式的優(yōu)點是通信的內(nèi)容和形式都十分明確，在傳送的報文中都包含了明確的源和地址信息，但是在這種模式下，當同一數(shù)據(jù)源上的數(shù)據(jù)向網(wǎng)絡(luò)上其它多個節(jié)

16、點發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須經(jīng)過多次才能實現(xiàn)，而且由于數(shù)據(jù)到達不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間可能因網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點數(shù)目的不同而變化，不同節(jié)點之間的同步變得很困難 生產(chǎn)者/消費者通信允許網(wǎng)絡(luò)上的不同節(jié)點同時存取同一個源的數(shù)據(jù)，在這種模式下，每個數(shù)據(jù)被分配一個唯一的標識，根據(jù)具體的標識，網(wǎng)絡(luò)上多個不同的節(jié)點可以接收來自同一發(fā)送者的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過同樣的時間傳送到不同的節(jié)點，可以實現(xiàn)通信的精確同步 1 ControlNet (結(jié)束) ControlNet的優(yōu)點： 同一鏈路上滿足I/O數(shù)據(jù)、實時互鎖、端到端報文傳輸和編程/組態(tài)信息等應(yīng)用的多樣的通信要求 是確定性的、可重復(fù)的控制網(wǎng)絡(luò)，適合離散控制和過程控制 同一鏈路上允許多個控制器

17、同時并存 輸入數(shù)據(jù)和端到端信息的多路發(fā)送支持 可選的介質(zhì)冗余和本征安全 安裝和維護的簡單性 網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點居于對等地位，可以從任意節(jié)點實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存取 靈活的拓撲結(jié)構(gòu)（總線型、樹型、星型等）和介質(zhì)選擇（同軸電纜、光纖和其它）幾種典型的現(xiàn)場總線 2 DeviceNetn設(shè)備層現(xiàn)場總線DeviceNet DeviceNet是20世紀90年代中期發(fā)展起來的一種基于CAN技術(shù)的開放型、符合全球工業(yè)標準的低成本、高性能的通信網(wǎng)絡(luò)。它通過一根電纜將PLC、傳感器、光電開關(guān)、操作員終端、電動機、軸承座、變頻器和軟啟動器等現(xiàn)場智能設(shè)備連接起來，是分布式控制系統(tǒng)減少現(xiàn)場I/O接口和布線樹立、將控制功能下載到現(xiàn)場設(shè)備的理

18、想解決方案2 DeviceNet () DeviceNet不僅可以作為設(shè)備級的網(wǎng)絡(luò)，還可以作為控制級的網(wǎng)絡(luò)，通過DeviceNet提供的服務(wù)還可以實現(xiàn)以太網(wǎng)上的實時控制。較之其它的一些現(xiàn)場總線， DeviceNet不僅可以接入更多、更復(fù)雜的設(shè)備，還可以為上層提供更多的信息和服務(wù) DeviceNet最初由Rockwell公司設(shè)計，目前由ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）致力于支持DeviceNet產(chǎn)品和規(guī)范的進一步開發(fā)。此外，Rockwell， GE，ABB，Hitachi，Omron等公司也致力于DeviceNet的推廣2 DeviceNet ()

19、 DeviceNet的主要特點： 采用基于CAN的多主方式工作 逐位仲裁模式的優(yōu)先級對等通信建立了用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳a(chǎn)者/消費者傳輸模型 DeviceNet的直接通信距離最遠為500m，通信速率最高可達500kb/s DeviceNet上可容納64個節(jié)點地址，每個節(jié)點支持的I/O數(shù)量無限制 采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾的概率低，檢錯效果好 通信介質(zhì)為獨立雙絞總線，信號與電源承載于同一電纜 支持設(shè)備的熱插拔，無需網(wǎng)絡(luò)斷電 DeviceNet的接入設(shè)備可選擇光隔離設(shè)計，由外部供電設(shè)備與由總線供電的設(shè)備共享總線電纜2 DeviceNet () DeviceNet協(xié)議規(guī)范 沿用了CAN協(xié)議標準所規(guī)定

20、的總線網(wǎng)絡(luò)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，定義了不同的報文格式、總線訪問仲裁規(guī)則及故障檢測和故障隔離的方法2 DeviceNet () 物理層和介質(zhì) 物理層規(guī)范定義了DeviceNet的總線拓撲結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)元件，具體包括接地、粗纜和細纜混合結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)端接和電源分配 采用的典型拓撲結(jié)構(gòu)是干線分支結(jié)構(gòu) 線纜包括（干線）和細纜（分支線），總線線纜采用五線制電纜，包括了2條信號線，2條24V電源線和一條屏蔽線，支持總線供電 設(shè)備連接可選用開放/封裝端頭兩種 提供125/250/500Kbps三種可選的通訊波特率，最大拓撲距離為500米，每個網(wǎng)絡(luò)段最大可達64個節(jié)點2 DeviceNet () 數(shù)據(jù)鏈路層 遵循C

21、AN協(xié)議規(guī)范，并由CAN控制器芯片實現(xiàn) CAN是基于廣播方式的協(xié)議，支持多主形式傳輸。傳輸?shù)膸环峙湟粋€標識符，每個節(jié)點根據(jù)標識符確定是否接收這些幀 提供數(shù)據(jù)幀、出錯幀、遠程幀和過載幀等多種幀格式，數(shù)據(jù)幀每幀信息都有CRC校驗和其它校驗措施，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率極低，有嚴重故障的節(jié)點可自動從網(wǎng)絡(luò)上切除 采用非破壞性逐位仲裁的方法解決共享介質(zhì)總線訪問沖突問題。網(wǎng)絡(luò)上每個節(jié)點擁有一個唯一的標識符，這個標識符的值決定了仲裁中優(yōu)先級的大小，優(yōu)先級值小的節(jié)點在競爭仲裁中為獲勝的一方2 DeviceNet () 報文傳送 I/O報文：適用于實時性要求較高和面向控制的數(shù)據(jù)，它提供了在報文發(fā)送過程和多個報文接收過程

22、之間的專用通信路徑，通常使用優(yōu)先級高的連接標識符，通過一點或多點連接進行信息交換，連接標識符提供了I/O報文的相關(guān)信息，在I/O報文利用連接標識符發(fā)送之前，報文的發(fā)送和接收設(shè)備都必須先進行設(shè)定，設(shè)定的內(nèi)容包括源和目的對象的屬性，以及數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和消費者的地址 顯式的報文：適用于兩個設(shè)備間多用途的點對點報文傳遞，常用于節(jié)點的配置、問題診斷等，通常使用優(yōu)先級低的連接標識符，并且該報文的相關(guān)信息包含在顯式報文數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)場中2 DeviceNet () 數(shù)據(jù)通信方式 循環(huán)（Cyclic）方式：適用于一些模擬設(shè)備，可以根據(jù)設(shè)備的信號發(fā)生的速度，靈活設(shè)定循環(huán)進行數(shù)據(jù)通信的時間間隔 狀態(tài)改變（Change

23、of State）方式：適用于離散的設(shè)備，采用事件觸發(fā)方式，當設(shè)備狀態(tài)發(fā)生改變時才發(fā)生通信 選通（Strobed）方式：利用8B的報文廣播，64個二進制位的值對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)上64個可能的節(jié)點，通過位的標識，指定要求響應(yīng)的從設(shè)備 查詢（Polled）方式：I/O報文直接依次發(fā)送到各個從設(shè)備2 DeviceNet () 應(yīng)用層 DeviceNet使用了對象的概念來描述應(yīng)用層的協(xié)議，對象模型提供了組成和實現(xiàn)DeviceNet產(chǎn)品構(gòu)成元件的屬性、服務(wù)和行為幾種典型的現(xiàn)場總線 3 ProfibusnProfibus現(xiàn)場總線（Process Fieldbus） Profibus是德國20世紀90年代制定的國家工

24、業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標準，其應(yīng)用領(lǐng)域包括加工制造、過程和建筑自動化，如今已成為國際化的開放式現(xiàn)場總線標準，即EN50170歐洲標準 Profibus是一種不依賴于廠家的開放式現(xiàn)場總線標準，采用Profibus標準后，不同廠商所生產(chǎn)的設(shè)備不需對其接口進行特別調(diào)整就可通信。Profibus為多主從結(jié)構(gòu)，可方便地構(gòu)成集中式、集散式和分布式控制系統(tǒng)3 Profibus () 針對不同的應(yīng)用場合，Profibus分為3個系列： Profibus-DP（Decentralized Periphery）：用于傳感器和執(zhí)行器級的高速數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率可達12Mb/s，一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)，主站、從站間采用循環(huán)數(shù)據(jù)傳送

25、方式工作3 Profibus () Profibus-PA（Process Automation）：用于安全性要求較高的場合，它具有本質(zhì)安全特性，是Profibus的過程自動化解決方案，將自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備連接起來，代替了420mA模擬信號傳輸技術(shù)3 Profibus () Profibus-FMS（ Fieldbus Message Specification ）：用于車間級智能主站間通用的通信，它提供了大量的通信服務(wù)，用以完成以中等傳輸速度進行的循環(huán)和非循環(huán)的通信任務(wù)3 Profibus () Profibus協(xié)議規(guī)范：符合OSI參考模型3 Profibus () Prof

26、ibus-FMS：定義了第一、二、七層，應(yīng)用層包括現(xiàn)場總線信息規(guī)范（Fieldbus Message Specification，F(xiàn)MS）和低層接口（Lower Layer Interface，LLI） FMS：向用戶提供了可選用的通信服務(wù) LLI：協(xié)調(diào)通信關(guān)系，提供第二層訪問接口 Profibus-DP：定義了第一、二層和用戶接口，用戶接口規(guī)定了設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細說明設(shè)備行為 Profibus-PA：PA的數(shù)據(jù)傳輸采用擴展的Profibus-DP協(xié)議，根據(jù)IEC1158-2標準，支持本征安全性和總線供電3 Profibus () Profibus的物理層：提供三種類型的傳輸技術(shù) D

27、P和FMS的RS485傳輸：采用屏蔽雙絞銅線，傳輸速率為9.6K bit/s12M bit/s，每分段32個站（不帶中繼），可多到127個站（帶中繼） PA的IEC1158-2傳輸：支持本征安全和總線供電，傳送數(shù)據(jù)以31.25K bit/s調(diào)制供電電壓，采用藕合器將IEC1158-2與RS-485連接 光纖FO：在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用，采用專用總線插頭轉(zhuǎn)換RS-485信號和光纖導(dǎo)體信號3 Profibus () Profibus的數(shù)據(jù)鏈路層 DP、FMS、PA的數(shù)據(jù)鏈路層相同 采用主從結(jié)構(gòu)，主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從傳送方式幾種典型的現(xiàn)場總線 4 FFnFF總線（Fi

28、eldbus Foundation） FF（現(xiàn)場總線基金會）是國際公認的唯一不附屬于某企業(yè)的公正非商業(yè)化的國際標準化組織，其宗旨是制定統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標準，無專利許可要求，可供任何人使用 FF總線由低速FF_H1和高速FF_HSE組成，其協(xié)議規(guī)范建立在OSI參考模型之上 4 FF () FF_H1：以O(shè)SI參考模型為基礎(chǔ)的四層結(jié)構(gòu)模型，采用令牌總線介質(zhì)訪問技術(shù)，用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備連接 FF_HSE：采用基于Ethernet(IEEE 802.3)+TCP/IP的六層結(jié)構(gòu)，主要用于制造業(yè)（離散控制）自動化以及邏輯控制、批處理和高級控制等場合4 FF () FF總線的優(yōu)點： 設(shè)備互操作性 改善

29、的過程數(shù)據(jù) 對進程更多的了解 提高工廠設(shè)備安全性能，滿足日益嚴格的控制設(shè)備安全要求 提供預(yù)測性維護能力 大大減少了網(wǎng)絡(luò)安裝費用 幾種典型的現(xiàn)場總線5 LonWorksnLonWorks現(xiàn)場總線（Local Operating Networks） LonWorks是1991年美國Echelon公司推出的通用總線，它提供了完整的端到端的控制系統(tǒng)解決方案，可同時應(yīng)用在裝置級、設(shè)備級、工廠級等任何一層總線中，并提供實現(xiàn)開放性互操作控制系統(tǒng)所需的所有組件，使控制網(wǎng)絡(luò)可以方便地與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無縫集成5 LonWorks () LonTalk通信協(xié)議是LonWorks技術(shù)的核心，它提供了OSI參考模型

30、的全部7層服務(wù)，并固化于Neuron芯片 5 LonWorks () 物理層 支持多種傳輸介質(zhì)，不同的介質(zhì)通過路由器實現(xiàn)互聯(lián)， 支持總線型、環(huán)型、樹型等拓撲結(jié)構(gòu)5 LonWorks () 數(shù)據(jù)鏈路層 采用改進的改進的帶預(yù)測的CSMA/CD算法，減少沖突的出現(xiàn)，提高傳輸效率 支持優(yōu)先級 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)地址采用域（255個子網(wǎng)）、子網(wǎng)（127個節(jié)點）、節(jié)點三層結(jié)構(gòu)支持大網(wǎng) 每個神經(jīng)元芯片有唯一的48位ID地址5 LonWorks () 傳送層、會話層 四類報文服務(wù)：確認、請求/響應(yīng)、重復(fù)/非確認重復(fù)、非確認 支持網(wǎng)絡(luò)認證 表示層 采用網(wǎng)絡(luò)變量作表示層數(shù)據(jù)，簡化分布式應(yīng)用的編程 應(yīng)用層 用Neuron

31、 C語言在神經(jīng)元芯片中編程5 LonWorks () LonWorks的神經(jīng)元芯片 芯片內(nèi)有3 個8位CPU，使用CMOS CLSI 技術(shù)高度集成，集采集、控制于一體： 第1個CPU為介質(zhì)訪問控制MAC處理器，處理LonTalk協(xié)議的第一層和第二層 第2個CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器，處理LonTalk協(xié)議的第三層到第六層 第3個CPU為應(yīng)用處理器，實現(xiàn)LonTalk協(xié)議的第七層，執(zhí)行用戶編寫的代碼及用戶代碼所調(diào)用的操作系統(tǒng)服務(wù) LonWorks網(wǎng)絡(luò)上的裝置都必須有1個神經(jīng)元芯片 LonTalk的6層已經(jīng)在購買的神經(jīng)元芯片中完成，用戶只需編寫應(yīng)用程序5 LonWorks () LonWorks的操作系統(tǒng)

32、LNS 采用多客戶/多服務(wù)器結(jié)構(gòu)，提供了功能強大的網(wǎng)絡(luò)管理平臺，完成一系列網(wǎng)絡(luò)管理功能 通過內(nèi)含的TCP/IP功能，可完成Infranet與Internet、Intranet的無縫集成 LNS的分層結(jié)構(gòu)（裝置級采用LonWorks、系統(tǒng)級采用TCP/IP）允許數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)相互利用彼此信息5 LonWorks () LonWorks控制系統(tǒng)的特點 系統(tǒng)具有無中心控制的真正分布式控制節(jié)點模式，使控制節(jié)點盡量靠近被控設(shè)備 開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有良好的互操作性 系統(tǒng)組態(tài)靈活，重新構(gòu)造或修改配置很任意，增加或減少控制節(jié)點不必改變網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu) 控制節(jié)點間可通過多種通信媒體連接，組網(wǎng)簡單，成本大大降低

33、 系統(tǒng)整體可靠性高，控制節(jié)點故障只影響與其相連的設(shè)備，不會造成系統(tǒng)或子系統(tǒng)癱瘓 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議已固化在控制節(jié)點內(nèi)部，節(jié)點編程簡單，應(yīng)用開發(fā)周期大大縮短 系統(tǒng)總體成本降低，升級改造費用低幾種典型的現(xiàn)場總線6 CANnCAN總線（Controller Area Network） CAN是德國Bosch公司從20世紀初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，1993年11月國際標準化組織ISO正式頒布了關(guān)于CAN總線的ISO11898標準，目前CAN得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域6

34、 CAN () CAN總線的主要特點 通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜和光纖，通信距離最遠可達10km（5kb/s），最高速率可達1Mb/s（40m) 用數(shù)據(jù)塊編碼方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的站地址編碼方式，用一個11位或29位二進制數(shù)組成的標識碼來定義211或1129個不同的數(shù)據(jù)塊，讓各節(jié)點通過濾波的方法分別接收指定標識碼的數(shù)據(jù) 網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點均可以主動向其它節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，是一種多主總線，可以方便地構(gòu)成多機備份系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點可以定義成不同的優(yōu)先級，利用接口電路中線與功能，巧妙地實現(xiàn)無破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的仲裁 數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)字段長度最多為8B，在每幀中都有CRC校驗及其它檢錯措施 網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點在錯誤嚴

35、重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能6 CAN () CAN總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) CAN總線也是建立在ISO參考模型基礎(chǔ)上的，不過只采用了其中最關(guān)鍵的兩層，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層 6 CAN () 物理層的主要內(nèi)容是規(guī)定通信介質(zhì)的機械、電氣、功能和規(guī)程特性 數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能是將要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行包裝，即加上差錯校驗位、數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的控制信息、頭尾標記等附加信息組成數(shù)據(jù)幀，從物理信道上發(fā)送出去，在接收道數(shù)據(jù)幀后，再把附加信息去掉，得到通信數(shù)據(jù) 媒體訪問控制子層MAC：傳輸規(guī)則 邏輯控制子層LLC：報文的濾波和報文的處理 CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能在CAN控制器中完成6 CAN () CAN總線協(xié)議 CAN通信協(xié)議規(guī)定有4種不同的幀格式，即數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀和超載幀 CAN總線基于下列5條基本規(guī)則進行通信協(xié)調(diào)： 總線訪問 仲裁 編碼/解碼 出錯標注 超載標注幾種典型的現(xiàn)場總線7 Mo