第1章現(xiàn)場總線概述

第一章現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線簡介現(xiàn)場總線的發(fā)展背景與趨勢

現(xiàn)場總線的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)幾種有影響的現(xiàn)場總線技術(shù)什么是現(xiàn)場總線現(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(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)1.1.1什么是現(xiàn)場總線根據(jù)國際電工委員會ＩＥＣ61158標(biāo)準(zhǔn)定義,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)的自動控制裝置之間數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線.現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制室系統(tǒng)之間的一種開放、全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是建立在現(xiàn)場總線技術(shù)基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化，具有開放性、可互操作性、常規(guī)控制功能徹底分散、有統(tǒng)一的控制策略組態(tài)方法的新一代的分散型控制系統(tǒng)。什么是現(xiàn)場總線從名詞定義來講，現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場電器、現(xiàn)場儀表及現(xiàn)場設(shè)備與控制室主機(jī)系統(tǒng)之間的一種開放的、全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)。而現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定某個控制系統(tǒng)中一定數(shù)量的現(xiàn)場設(shè)備之間如何交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的傳輸介質(zhì)可以是電線電纜、光纜、電話線、無線電等等。通俗地講，現(xiàn)場總線是用在現(xiàn)場的總線技術(shù)。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的接線方式是一種并聯(lián)接線方式，從PLC控制各個電器元件，對應(yīng)每一個元件有一個I/O口，兩者之間需用兩根線進(jìn)行連接，作為控制和/或電源。當(dāng)PLC所控制的電器元件數(shù)量達(dá)到數(shù)十個甚至數(shù)百個時，整個系統(tǒng)的接線就顯得十分復(fù)雜，容易搞錯，施工和維護(hù)都十分不便。為此，人們考慮怎樣把那么多的導(dǎo)線合并到一起，用一根導(dǎo)線來連接所有設(shè)備，所有的數(shù)據(jù)和信號都在這根線上流通，同時設(shè)備之間的控制和通信可任意設(shè)置。因而這根線自然而然地稱為了總線，就如計(jì)算機(jī)內(nèi)部的總線概念一樣。由于控制對象都在工礦現(xiàn)場，不同于計(jì)算機(jī)通常用于室內(nèi)，所以這種總線被稱為現(xiàn)場的總線，簡稱現(xiàn)場總線。

1.1.1什么是現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化測量控制系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)雙向多節(jié)點(diǎn)開放標(biāo)準(zhǔn)全數(shù)字自動化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)現(xiàn)場總線在企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)中的位置企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的功能層次：現(xiàn)場總線是底層通信控制網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線是底層通信控制網(wǎng)絡(luò)位于生產(chǎn)控制現(xiàn)場和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的底層現(xiàn)場總線是低帶寬的控制網(wǎng)絡(luò)它與上層的Internet、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Intranet相連構(gòu)成企業(yè)綜合自動化的通信網(wǎng)絡(luò)平臺FCS是新一代控制系統(tǒng)基地式儀表控制系統(tǒng)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、PLC現(xiàn)場總線系統(tǒng)1.30年代初期：分散控制方式直接作用式氣動控制器；控制裝置安裝在被控過程附近，每個回路有單獨(dú)控制器；運(yùn)行人員分布在全廠各處；適用于規(guī)模不太大、工藝過程不太復(fù)雜的企業(yè)?？刂葡到y(tǒng)的發(fā)展史控制系統(tǒng)的發(fā)展史典型的連續(xù)控制閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖2.30年代末期：集中控制中央控制室，信息遠(yuǎn)距離傳輸問題；變送器、執(zhí)行器和控制器分離：變送器、執(zhí)行器安裝在現(xiàn)場，控制器在中央控制室；優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行人員可獲得整個的生產(chǎn)信息，便于協(xié)調(diào)控制；注意：控制儀表和運(yùn)行人員在地理上的集中，控制器分別完成各控制任務(wù)，故障影響不大——運(yùn)行管理的集中，仍然分散控制；采用氣動單元組合儀表、電動單元組合儀表和組件組裝式儀表。控制系統(tǒng)的發(fā)展史控制系統(tǒng)的發(fā)展史控制系統(tǒng)的發(fā)展史3.50年代末60年代初：集中控制方式計(jì)算機(jī)用于生產(chǎn)過程直接數(shù)字控制，造價高，一臺計(jì)算機(jī)控制全廠的生產(chǎn)過程，整個系統(tǒng)控制任務(wù)的集中。特點(diǎn)：控制集中、管理集中缺點(diǎn)：受硬件水平限制，計(jì)算機(jī)可靠性低，一旦發(fā)生故障，全廠生產(chǎn)癱瘓。集中控制系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)基本控制過程1基本控制過程2基本控制過程3基本控制過程4基本控制過程54.70年代:分布控制方式分析集中控制的失敗，提出了分布式控制系統(tǒng)的概念；把控制功能分散在不同的計(jì)算機(jī)中完成，采用通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)各部分之間的聯(lián)系和協(xié)調(diào)特點(diǎn)：控制分散、管理集中控制系統(tǒng)的發(fā)展史分布式控制系統(tǒng)以微處理器作為核心的集中分散控制系統(tǒng)，利用4C技術(shù)，對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的新型控制系統(tǒng)。又稱集散控制系統(tǒng)（TotalDistributedControlSystem，TDCS）。主要特點(diǎn)：集中管理、分散控制。

5.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線(IEC)定義：安裝載制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem：FCS）是采用現(xiàn)場總線作為通信系統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了真正的分散控制

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將使控制得到最終的分散，在FCS中各種現(xiàn)場設(shè)備有足夠的自主性，它們彼此之間互相通信，完全可以把各種控制功能分散到各種現(xiàn)場設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)真正的分散控制。從而使DCS系統(tǒng)中原有的操作管理站發(fā)揮上位機(jī)的功能，執(zhí)行對整個系統(tǒng)的優(yōu)化、信息管理和調(diào)度工作?？偨Y(jié)：控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.30年代初期：分散控制→(控制分散、管理分散)2.30年代末期：集中控制→(控制分散、管理集中)3.50年代末60年代初：集中控制→(控制集中、控制集中)

4.70年代:分布控制(控制分散、管理集中)5.90年代：現(xiàn)場總線控制（管控一體化）各階段測控儀表能力指數(shù)現(xiàn)場總線開放標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字DCS電動單元?dú)鈩?、模擬模擬按回路運(yùn)行按過程運(yùn)行過程優(yōu)化管控一體化五十年代196019801998數(shù)字/模擬混合測控能力指數(shù)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem,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)FCS對DCS的變革FCS的信號傳輸實(shí)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(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了全開放，無專利許可要求，可供任何人使用

與一般通信技術(shù)的區(qū)別一般通信技術(shù)只是能實(shí)現(xiàn)信息的傳輸現(xiàn)場總線是一種控制系統(tǒng)框架一種全新的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem)代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制系統(tǒng)DCS現(xiàn)場總線還包括網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備能夠進(jìn)行信息互訪與互換總線上的設(shè)備之間能夠進(jìn)行互操作和系統(tǒng)集成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS采用開放式數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)突破DCS中的專用通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成的測量控制系統(tǒng)單個分散的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場總線為紐帶構(gòu)成共同完成任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場測量控制設(shè)備之間的信息共享現(xiàn)場總線是開放的測控網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線是開放的測控網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線系統(tǒng)被譽(yù)為自控領(lǐng)域的局域網(wǎng)，工廠的底層網(wǎng)，是自動化領(lǐng)域的通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)場總線是構(gòu)成自動化系統(tǒng)的紐帶，網(wǎng)絡(luò)所傳輸?shù)氖强刂菩畔y控網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)

－實(shí)時性強(qiáng)－可靠性高－安全性好－多為短幀傳送現(xiàn)場總線的特殊功能經(jīng)濟(jì)、安全、可靠地傳輸信息正確使用所傳信息及時處理所傳信息經(jīng)濟(jì)、安全、可靠地傳輸信息經(jīng)濟(jì)性－信息、電源同時傳輸－介質(zhì)廉價安全性－解決防爆問題可靠性－電磁、氣候、機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性正確使用所傳信息可互操作性：不同廠家的設(shè)備相互理解所傳信息及時處理所傳信息信息處理現(xiàn)場化，避免信息在網(wǎng)絡(luò)上過多傳輸現(xiàn)場總線的特殊要求——實(shí)時性好傳輸速度－傳輸延遲大小響應(yīng)時間－對突發(fā)事件的處理能力系統(tǒng)巡回時間－系統(tǒng)總體控制周期傳輸速度快指單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔ⅲǔＲ悦棵腌妭鬏數(shù)奈粩?shù)，即bps（bitspersecond）表示不同的現(xiàn)場總線傳輸速率不一樣－看主要的應(yīng)用場合－如FFH1用于連續(xù)、慢變化過程變量與控制信號的傳輸，為31.25Kbps－HSE則應(yīng)用于大量信息流傳輸、響應(yīng)速度要求很高的場合，為100Mbps或更高響應(yīng)時間短，突發(fā)事件及時處理決定于儀表或執(zhí)行器中斷控制能力決定于信息在通信協(xié)議各層次之間的傳輸時間等待網(wǎng)絡(luò)空閑時間避免網(wǎng)絡(luò)上信息碰撞的時間巡回時間短簡化技術(shù)－簡化通信模型－簡化信息內(nèi)容－簡化信息格式其他技術(shù)－網(wǎng)絡(luò)管理－數(shù)據(jù)鏈路調(diào)度技術(shù)－巡回時間確定、可預(yù)知現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)線狀（總線、菊花鏈型）、星型、樹型以線狀結(jié)構(gòu)居多星型結(jié)構(gòu)線狀結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：解決供電比較容易可解決防爆：網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中線纜越長，儲能元件就月多可舍去協(xié)議中與路徑有關(guān)有層次，有利于改進(jìn)實(shí)時性線狀結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)一條總線斷會導(dǎo)致整個支路癱瘓現(xiàn)場總線的技術(shù)要求通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)儀表智能化技術(shù)自動控制技術(shù)——以上技術(shù)的綜合產(chǎn)物1.2現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)1.2.1FCS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)DCSFCS1.2.2現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)全數(shù)字通信多分支結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的開放性互可操作性和互用性現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性對現(xiàn)場環(huán)境的高度適應(yīng)性全數(shù)字通信抗干擾能力和魯棒性都比較高，傳輸精度也得到顯著提高信號的檢錯、糾錯機(jī)制得以實(shí)現(xiàn)可進(jìn)行多參數(shù)傳輸，消除了模擬信號的傳輸瓶頸現(xiàn)場設(shè)備的測量、控制信息以及其他非控制信息如設(shè)備類型、型號、廠商信息、量程、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等都可以通過一對導(dǎo)線傳輸?shù)浆F(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上的任何智能設(shè)備，如中央控制器等。

設(shè)備狀態(tài)可控操作員在控制室即可了解現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表的工作狀況可對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)整、零點(diǎn)量程調(diào)校、組態(tài)信息調(diào)整等通過對現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)趨勢分析預(yù)測故障發(fā)生故障時能及時找到故障點(diǎn)，及時替換新的設(shè)備，即：現(xiàn)場設(shè)備始終處于操作員的遠(yuǎn)程監(jiān)視與可控狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

一對多的總線型結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線是多分支結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇蔀榭偩€型、星型、樹形等多種形式，以總線型為主。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中設(shè)備的連接都是一對一的布線簡單，工程安裝周期縮短、維護(hù)也很方便很強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展性主機(jī)能自動識別設(shè)備的增加或刪減無需架設(shè)新的線纜無需系統(tǒng)停機(jī)互換與互可操作不同設(shè)備間，除了能實(shí)現(xiàn)信息互訪外，還能理解信息的含義，并能根據(jù)信息要求進(jìn)行操作不同廠家的相同類型的設(shè)備可以互相替換可統(tǒng)一組態(tài)，無需專用的驅(qū)動程序解決了設(shè)備的壟斷性和產(chǎn)品故障處理的時效性為系統(tǒng)集成的自主性提供了產(chǎn)品保障用戶可選擇性價比高的產(chǎn)品現(xiàn)場設(shè)備的智能化和綜合功能測量，包括多變量測量與處理多參數(shù)補(bǔ)償工程量處理設(shè)備自診斷設(shè)備狀態(tài)的控制控制算法可在現(xiàn)場設(shè)備中實(shí)現(xiàn)根據(jù)遠(yuǎn)程命令進(jìn)行儀表調(diào)校——集多種功能于一身，一表多用分散控制由網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成控制系統(tǒng)信號的測量、控制算法、控制信號的輸出等全部在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)，無需主機(jī)參與實(shí)現(xiàn)了完全分散開放式系統(tǒng)通信協(xié)議完全公開，任何人、任何單位均可采用不同廠家的設(shè)備遵守相同的技術(shù)規(guī)范不同廠家的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)信息互訪（即互操作）用戶可按需要，選用不同廠家的現(xiàn)場總線設(shè)備不同設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)資源共享與其他網(wǎng)絡(luò)（如互聯(lián)網(wǎng)）相聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫共享對環(huán)境的高度適應(yīng)專為現(xiàn)場環(huán)境設(shè)計(jì)可支持多種傳輸介質(zhì)雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等可兩線制供電支持本質(zhì)安全與防爆1.2.3現(xiàn)場總線帶來的益處節(jié)省硬件數(shù)量與投資節(jié)省安裝費(fèi)用節(jié)省維護(hù)開銷用戶具有系統(tǒng)集成自主權(quán)提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性用戶具有系統(tǒng)集成的主動權(quán)無需專用的驅(qū)動程序不必為傳輸協(xié)議的不兼容而一籌莫展不必為接口的不公開而擔(dān)心系統(tǒng)的擴(kuò)展和集成不必被某一品牌的產(chǎn)品所“框死”可以選擇性價比高、服務(wù)質(zhì)量好的產(chǎn)品用戶是真正的“上帝”，擁有真正的選擇主動權(quán)1.3

現(xiàn)場總線的產(chǎn)生與發(fā)展趨勢現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)生的背景現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)生于二十世紀(jì)八十年代－P-NET產(chǎn)生于1983年－Profibus產(chǎn)生于1984年－FF于1994年由WorldFIP（北美部分）與ISp聯(lián)合而成－...是為滿足日益急迫的企業(yè)綜合自動化的需求開放性通用性可靠性智能儀表為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)國內(nèi)起步較晚，但在積極追趕現(xiàn)場總線的產(chǎn)生4～20mA模擬儀表V/I放大調(diào)理傳感信號4～20mA智能儀表（70年代末）V/ID/AA/D放大調(diào)理微處理器傳感信號結(jié)構(gòu)簡單；信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。性能提高，成本增加；單向模擬傳輸方式未變?，F(xiàn)場總線的產(chǎn)生雙向數(shù)字傳輸方式：—傳輸精度高；—功能強(qiáng)，成本低；—協(xié)議不統(tǒng)一，無法互換。成為控制領(lǐng)域的研究方向現(xiàn)場總線研究開發(fā)之熱始于20世紀(jì)90年代中期信息時代各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展對測控系統(tǒng)提出的要求計(jì)算機(jī)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)自動控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化、信息化給自控技術(shù)的發(fā)展提供的機(jī)遇各國投入巨額資金與人力在開發(fā)這一技術(shù)，形成了企業(yè)、國家、國際標(biāo)準(zhǔn)歐洲、北美、亞洲、中國現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)各種各樣現(xiàn)場總線百花齊放由于剛開始沒有一個統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，各企業(yè)和企業(yè)集團(tuán)相繼開發(fā)自己的總線產(chǎn)品，制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前市場上形形式式的現(xiàn)場總線有200多種號稱為開放標(biāo)準(zhǔn)的也有二、三十種

現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158包含了10種類型IEC1158原技術(shù)規(guī)范、FF、HSE、P-NET、PROFIBUS、ProfiNet、ControlNet、Swiftbus、Interbus、WorldFIP現(xiàn)場總線國際組織的演變歷史現(xiàn)場總線的發(fā)展過程中充滿了競爭現(xiàn)場總線的發(fā)展過程中充滿了競爭－經(jīng)濟(jì)因素：每種總線都有一個或多個公司且是大型跨國公司為背景，公司的利益與總線的發(fā)展息息相關(guān)－原先投入較大的現(xiàn)場總線技術(shù)不甘輕言放棄－政治因素：總線之間的競爭還涉及國家、地區(qū)之間的競爭1998年前，現(xiàn)場總線以制定單一國際標(biāo)準(zhǔn)為目的－FF成為最優(yōu)可能成為國際標(biāo)準(zhǔn)的總線－FF成為國際標(biāo)準(zhǔn)的努力受到多方阻力最后通過妥協(xié)，現(xiàn)場總線技術(shù)出現(xiàn)了協(xié)調(diào)共存、共同發(fā)展的局面市場上主要的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)P-NETPROFIBUSWorldFIPFoundationFieldbus（包括HSE）ControlNetInterbusSwiftNetAS-ICC-Link還有HART、Lonworks、Modbus......主要的現(xiàn)場總線比較多總線并存的發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)場總線多種多樣現(xiàn)場總線近期內(nèi)難以統(tǒng)一IEC61158包含了10種類型其他總線：HART、ASI、CAN、Lonworks、……形成了多種現(xiàn)場總線并存的局面由市場決定哪種總線領(lǐng)導(dǎo)市場如以FF（包括H1、HSE）和PROFIBUS（包括Profibus-DP、ProfiNet等）在過程控制領(lǐng)域的市場越來越大工業(yè)以太網(wǎng)成為新一輪研究熱點(diǎn)1.4現(xiàn)場總線的原理和幾種有影響的現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線的原理現(xiàn)場總線的實(shí)質(zhì)◆

現(xiàn)場總線的定義

★ISASP50（美國儀表協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)）中對現(xiàn)場總線的定義—現(xiàn)場總線是一種串行的數(shù)字?jǐn)?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(biāo)準(zhǔn)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◆

現(xiàn)場總線的協(xié)議—現(xiàn)場總線一般采用國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）協(xié)議，OSI協(xié)議是為計(jì)算機(jī)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(jìn)行通信的，那么不管它是不是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都可以使用該協(xié)議—各廠家在實(shí)際制定自己的通信協(xié)議時，往往依據(jù)側(cè)重點(diǎn)的不同，僅實(shí)現(xiàn)該7層協(xié)議的子集現(xiàn)場總線的原理◆

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?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，如總線型、環(huán)型、樹型、星型等現(xiàn)場總線的原理現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)

◆

現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是按照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(dá)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?fù)洌嚎偩€型、樹型、點(diǎn)對點(diǎn)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9－32V的直流供電電壓上現(xiàn)場總線的原理◆

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(jī)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◆

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(jìn)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(duì)列）

現(xiàn)場總線的原理◆

用戶層★規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)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ISO/OSI參考模型幾種典型的現(xiàn)場總線–ControlNet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(shí)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?biāo)的能力—可重復(fù)性：指數(shù)據(jù)的傳輸時間不受網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(yùn)動控制

ControlNetControlNet是基于生產(chǎn)者/消費(fèi)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(shí)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(dú)立性國際組織”控制網(wǎng)國際”（ControlNetInternational）負(fù)責(zé)管理，ControlNetInternational旨在維護(hù)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ControlNet◆ControlNet技術(shù)指標(biāo)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模:在無重復(fù)器情況下最多48個節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)長度:1000m(同軸電纜)@5Mb/s；1000m2個節(jié)點(diǎn)，250m48個節(jié)點(diǎn)；3000m(光纖)@5Mb/s；5000m(同軸電纜)@5Mb/s有重復(fù)器；超過30Km(光纖)有重復(fù)器通訊速率:可調(diào)總線拓?fù)?線性，樹型、星型、或三種混合尋址模式:對等、多主和主從；輪詢、循環(huán)或狀態(tài)改變系統(tǒng)特性:帶電插拔設(shè)備，確定性，可重復(fù)性，本安選擇，充分節(jié)點(diǎn)ID檢測，報文組幀ControlNet◆

ControlNet協(xié)議規(guī)范ControlNet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(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)的一些參考信息?！锢韺影▋蓚€子層：物理介質(zhì)附屬子層PMA（PhysicalMediumAttachment）和物理層信號子層PLS（PhysicalLayerSignalling）。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(jì)時器功能，以及與MAC（向上）和PMA子層的信息交換ControlNet數(shù)據(jù)鏈路層（DataLinkLayer）—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（NetworkUpdateTime）基礎(chǔ)上的。NUT以同步方式管理鏈路上的不同節(jié)點(diǎn)，如果網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)的NUT時間與當(dāng)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2～100ms—網(wǎng)絡(luò)的存取控制通過同時間域多點(diǎn)存?。–oncurrentTimeDomainMultipleAccess）的時間滑動算法實(shí)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(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)會控制整個網(wǎng)絡(luò)的通信，對于不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過指定不同的NUT來選擇網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓?jié)拍ControlNet網(wǎng)絡(luò)與傳輸層

—網(wǎng)絡(luò)與傳輸層的任務(wù)是建立和維護(hù)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(biāo)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(biāo)識符即可，而不必指明其它連接參數(shù)

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(kuò)展方法、新對象創(chuàng)建規(guī)范等ControlNet

設(shè)備描述

—通過定義每一類型設(shè)備的核心標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)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(fèi)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(jī)啟動器、軟啟動器、人機(jī)接口、啟動閥等

ControlNet生產(chǎn)者/消費(fèi)者通信模式—傳統(tǒng)的源/目的通信模式的優(yōu)點(diǎn)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(dāng)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)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須經(jīng)過多次才能實(shí)現(xiàn)，而且由于數(shù)據(jù)到達(dá)不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時間可能因網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)數(shù)目的不同而變化，不同節(jié)點(diǎn)之間的同步變得很困難—生產(chǎn)者/消費(fèi)者通信允許網(wǎng)絡(luò)上的不同節(jié)點(diǎn)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(biāo)識，根據(jù)具體的標(biāo)識，網(wǎng)絡(luò)上多個不同的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)通信的精確同步ControlNet(結(jié)束)◆

ControlNet的優(yōu)點(diǎn)：

★同一鏈路上滿足I/O數(shù)據(jù)、實(shí)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(hù)的簡單性

★網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)居于對等地位，可以從任意節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存取

★靈活的拓?fù)浣Y(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–DeviceNet設(shè)備層現(xiàn)場總線DeviceNet◆

DeviceNet是20世紀(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)、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)備的理想解決方案DeviceNetDeviceNet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(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)上的實(shí)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(jì)，目前由ODVA（OpenDeviceNetVendorsAssociation）致力于支持DeviceNet產(chǎn)品和規(guī)范的進(jìn)一步開發(fā)。此外，Rockwell，GE，ABB，Hitachi，Omron等公司也致力于DeviceNet的推廣

DeviceNet◆

DeviceNet的主要特點(diǎn)：

★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(fèi)者傳輸模型

★DeviceNet的直接通信距離最遠(yuǎn)為500m，通信速率最高可達(dá)500kb/s

★DeviceNet上可容納64個節(jié)點(diǎn)地址，每個節(jié)點(diǎn)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(dú)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(jì)，由外部供電設(shè)備與由總線供電的設(shè)備共享總線電纜DeviceNetDeviceNet協(xié)議規(guī)范—沿用了CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的總線網(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DeviceNet物理層和介質(zhì)—物理層規(guī)范定義了DeviceNet的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)元件，具體包括接地、粗纜和細(xì)纜混合結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)端接和電源分配—采用的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是干線－分支結(jié)構(gòu)—線纜包括（干線）和細(xì)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?fù)渚嚯x為500米，每個網(wǎng)絡(luò)段最大可達(dá)64個節(jié)點(diǎn)DeviceNet數(shù)據(jù)鏈路層

－遵循CAN協(xié)議規(guī)范，并由CAN控制器芯片實(shí)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(biāo)識符，每個節(jié)點(diǎn)根據(jù)標(biāo)識符確定是否接收這些幀－提供數(shù)據(jù)幀、出錯幀、遠(yuǎn)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(yàn)和其它校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率極低，有嚴(yán)重故障的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)擁有一個唯一的標(biāo)識符，這個標(biāo)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(diǎn)在競爭仲裁中為獲勝的一方DeviceNet報文傳送

—I/O報文：適用于實(shí)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之間的專用通信路徑，通常使用優(yōu)先級高的連接標(biāo)識符，通過一點(diǎn)或多點(diǎn)連接進(jìn)行信息交換，連接標(biāo)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(biāo)識符發(fā)送之前，報文的發(fā)送和接收設(shè)備都必須先進(jìn)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(fèi)者的地址—顯式的報文：適用于兩個設(shè)備間多用途的點(diǎn)對點(diǎn)報文傳遞，常用于節(jié)點(diǎn)的配置、問題診斷等，通常使用優(yōu)先級低的連接標(biāo)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信的時間間隔—狀態(tài)改變（ChangeofState）方式：適用于離散的設(shè)備，采用事件觸發(fā)方式，當(dāng)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(jìn)制位的值對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)上64個可能的節(jié)點(diǎn)，通過位的標(biāo)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(shí)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–基金會現(xiàn)場總線FF現(xiàn)場總線基金會是一個國際性的組織，有120多個成員，包括了全球主要的過程控制產(chǎn)品的供應(yīng)商，基金會成員生產(chǎn)的變送器、DCS系統(tǒng)、執(zhí)行器、流量儀表占世界市場的90％。FF是迫于用戶的壓力于1994年6月由ISP與WORLDFIP（北美）合并成立的現(xiàn)場總線基金會。ISP是可互操作系統(tǒng)協(xié)議（Interoperablesystemprotocol）的簡稱，它基于德國的PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)，成立于1992年9月，當(dāng)時有100多個公司參加，其中以儀表廠為多，由FisherRosemount公司牽頭。WORLDFIP是工廠儀表世界協(xié)議（WorldFactoryInstrumentationProtocol）的簡稱，它基于法國的FIP標(biāo)準(zhǔn)，由Honeywell公司牽頭，也有100多個公司參加，不少是PLC制造廠。幾種典型的現(xiàn)場總線–基金會現(xiàn)場總線FFFF總線（FieldbusFoundation）

◆

FF（現(xiàn)場總線基金會）是國際公認(rèn)的唯一不附屬于某企業(yè)的公正非商業(yè)化的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，其宗旨是制定統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，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_H2組成，其協(xié)議規(guī)范建立在OSI參考模型之上

FFH1低速現(xiàn)場總線

－31.25Kbps－2～32個設(shè)備/段－供電與通訊－本質(zhì)安全－雙絞線1900米（最大）－適用于過程設(shè)備的基層總線。H2高速現(xiàn)場總線

－1Mbps/2.5Mbps速率－可集成多達(dá)32條H1總線－冗余－雙絞線750m/500m。－支持PLC和加工工業(yè)設(shè)備

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(IEEE802.3)+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FF特點(diǎn)由于世界上一些大的儀表公司都參加了FF，因此FF開發(fā)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品在品種與性能上都能滿足過程控制的要求，而且使用方便，F(xiàn)F具有很好的可互操作性和可互換性，可互操作性就是來自同廠家的設(shè)備可以相互通訊并且可以在多廠家的環(huán)境中完成功能，可互換性就是來自不同廠家的設(shè)備在功能上可以用同類設(shè)備互換。

FFFF總線的優(yōu)點(diǎn)：—設(shè)備互操作性—改善的過程數(shù)據(jù)—對進(jìn)程更多的了解—提高工廠設(shè)備安全性能，滿足日益嚴(yán)格的控制設(shè)備安全要求—提供預(yù)測性維護(hù)能力—大大減少了網(wǎng)絡(luò)安裝費(fèi)用幾種典型的現(xiàn)場總線–ProfibusProfibus現(xiàn)場總線（ProcessFieldbus）◆

Profibus是德國20世紀(jì)90年代制定的國家工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)，即EN50170歐洲標(biāo)準(zhǔn)◆Profibus是一種不依賴于廠家的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，采用Profibus標(biāo)準(zhǔn)后，不同廠商所生產(chǎn)的設(shè)備不需對其接口進(jìn)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)Profibus◆針對不同的應(yīng)用場合，Profibus分為3個系列：

★

Profibus-DP（DecentralizedPeriphery）：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(dá)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)傳送方式工作.這是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速和便宜的通信總線，它的設(shè)計(jì)是專門為自動控制系統(tǒng)與分散的I/O設(shè)備級之間進(jìn)行通信使用的?？偩€周期一般小于10ms。

Profibus-DPProfibus

★

Profibus-PA（ProcessAutomation）：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4～20mA模擬信號傳輸技術(shù)是專門為過程自動化設(shè)計(jì)的，它可使傳感器和執(zhí)行器按在一根共用的總線上，甚至在本質(zhì)安全領(lǐng)域也可接上。根據(jù)IEC1158－2標(biāo)準(zhǔn)，PROFIBUS-PA用雙線進(jìn)行總線供電和數(shù)據(jù)通信。

Profibus-PAProfibus★

Profibus-FMS（FieldbusMessageSpecification）：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(jìn)行的循環(huán)和非循環(huán)的通信任務(wù).可用于大范圍和復(fù)雜的通訊?？偩€周期一般小于100ms。Profibus-FMSProfibus◆

Profibus協(xié)議規(guī)范：符合OSI參考模型Profibus

Profibus-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（FieldbusMessageSpecification，F(xiàn)MS）和低層接口（LowerLayerInterface，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(xì)說明設(shè)備行為Profibus-PA：PA的數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的Profibus-DP協(xié)議，根據(jù)IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)，支持本征安全性和總線供電ProfibusProfibus的物理層：提供三種類型的傳輸技術(shù)

—DP和FMS的RS485傳輸：采用屏蔽雙絞銅線，傳輸速率為9.6Kbit/s~12Mbit/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31.25Kbit/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

ProfibusProfibus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—LonWorksLonWorks現(xiàn)場總線（LocalOperatingNetworks）◆

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(shí)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(shí)現(xiàn)無縫集成LonWorksLonTalk通信協(xié)議是LonWorks技術(shù)的核心，它提供了OSI參考模型的全部7層服務(wù)，并固化于Neuron芯片

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(shí)現(xiàn)互聯(lián)， —支持總線型、環(huán)型、樹型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)LonWorks數(shù)據(jù)鏈路層—采用改進(jìn)的改進(jìn)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(diǎn)）、節(jié)點(diǎn)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LonWorks傳送層、會話層—四類報文服務(wù)：確認(rèn)、請求/響應(yīng)、重復(fù)/非確認(rèn)重復(fù)、非確認(rèn)—支持網(wǎng)絡(luò)認(rèn)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NeuronC語言在神經(jīng)元芯片中編程LonWorksLonWorks的神經(jīng)元芯片芯片內(nèi)有3個8位CPU，使用CMOSCLSI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LonTa