現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用1

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用主講：彭煥榮2005－9第一章現(xiàn)場(chǎng)總線概述1.1現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。是企業(yè)的底層數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，是連接微機(jī)化儀表的開(kāi)放系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線不僅僅是總線技術(shù)，更是一個(gè)系統(tǒng)技術(shù)1.1概述計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制，智能傳感器的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的取代，形成了一種先進(jìn)的工業(yè)測(cè)控技術(shù)－現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)。

現(xiàn)場(chǎng)總線是連接工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制系統(tǒng)之間的全數(shù)字化、雙向和多站點(diǎn)的串行通信網(wǎng)絡(luò)，從各類(lèi)變送器、傳感器、人－機(jī)接口裝置中獲取信息，通過(guò)控制器向執(zhí)行器傳送信息，構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)FCS(FieldbusControlSystem)1.1.1什么是現(xiàn)場(chǎng)總線定義：應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在計(jì)算機(jī)控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)。特點(diǎn)：1、傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器儀表微機(jī)化，具有數(shù)字計(jì)算、通信能力2、可用雙絞線作為總線，連接現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；特點(diǎn)：3、執(zhí)行公開(kāi)、規(guī)范的通信協(xié)議4、現(xiàn)場(chǎng)儀表、控制設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、信息交換，形成各種適應(yīng)實(shí)際需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的其它特點(diǎn)：1、全數(shù)字化通信2、1對(duì)N結(jié)構(gòu)3、可靠性高4、可控狀態(tài)5、互換性6、互操作性7、綜合功能8、分散控制9、統(tǒng)一組態(tài)10、開(kāi)發(fā)式系統(tǒng)1.1.2現(xiàn)場(chǎng)總線的體系結(jié)構(gòu)1、現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或生產(chǎn)設(shè)備，用于過(guò)程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互聯(lián)的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。2、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互聯(lián)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備指變送器、執(zhí)行器、服務(wù)器、網(wǎng)橋和輔助設(shè)備及監(jiān)控設(shè)備3、互操作性不同廠家的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的交互操作與互換，實(shí)現(xiàn)即接即用，用戶(hù)能自由集成FCS4、分散功能塊FCS廢棄DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場(chǎng)儀表，構(gòu)成虛擬控制站，統(tǒng)一組態(tài)，對(duì)所需控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制。5、通信線供電（如：I2C總線）6、開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，又可與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。統(tǒng)一組態(tài)，使不同廠家網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的FCS。1.1.4現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS一、FCS的組成組成特點(diǎn)：采用智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，能夠把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊和I/O模塊置于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，直接在現(xiàn)場(chǎng)完成應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信能力，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送儀表與執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號(hào)實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制組成：FCS組成數(shù)字信號(hào)代替模擬信號(hào)，1對(duì)N通信，通信電纜又對(duì)設(shè)備提供電源，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以外不再需要A/D-D/A轉(zhuǎn)換部件。FCS由控制系統(tǒng)軟件、測(cè)量系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和管理系統(tǒng)組成1、控制系統(tǒng)軟件包括監(jiān)控組態(tài)軟件、維護(hù)軟件、仿真軟件和設(shè)備管理軟件等步驟：1、選擇開(kāi)發(fā)組態(tài)軟件、控制操作人機(jī)接口軟件；2、組態(tài)軟件、完成功能塊間的連接；3、選定功能參數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)；4、在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集、處理數(shù)據(jù)、優(yōu)化控制、邏輯控制、監(jiān)控、顯示、輸出報(bào)表等2、測(cè)量系統(tǒng)多變量高性能的測(cè)量，使測(cè)量?jī)x表具有計(jì)算能力等更多功能3、設(shè)備管理系統(tǒng)提供自身及過(guò)程的診斷、管理、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和廠家提供的設(shè)備制造等信息4、計(jì)算機(jī)服務(wù)模式客戶(hù)－服務(wù)器模式5、數(shù)據(jù)庫(kù)有組織的、動(dòng)態(tài)的存儲(chǔ)大量有關(guān)數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序6、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件與軟件硬件含：系統(tǒng)管理主機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)及底層智能儀表軟件含：網(wǎng)絡(luò)操作軟件、服務(wù)器操作軟件、應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)庫(kù)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議等二、FCS的體系結(jié)構(gòu)1、現(xiàn)場(chǎng)總線與局域網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)了新的結(jié)構(gòu)體系，具有：決策自上而下，對(duì)下層充分授權(quán)，下層有靈活性，主動(dòng)決策各部門(mén)間有相容性、相互支持的群體目標(biāo)，可考慮不同部門(mén)間有交叉的功能性組織各層間相互通信聯(lián)系2、新體系結(jié)構(gòu)2包含：三層結(jié)構(gòu)：底層：設(shè)備層中間層：生產(chǎn)管理層上層：工廠管理層兩層網(wǎng)絡(luò)：底層：現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)層中間層：局域網(wǎng)絡(luò)層最底層是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（包括DCS、PLC和I/O設(shè)備），它們匯集的總線是現(xiàn)場(chǎng)總線。典型的FCS組成結(jié)構(gòu)三、現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的類(lèi)型可以是現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)制定的幾種類(lèi)型中的任意一種，每種類(lèi)型的物理設(shè)備都具有通信能力。5種設(shè)備類(lèi)型：1、臨時(shí)設(shè)備工作在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上，用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和排除設(shè)備故障2、靜態(tài)塊現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是一種包含功能塊應(yīng)用進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，所有的功能塊在靜態(tài)下被確定5種設(shè)備類(lèi)型：3、動(dòng)態(tài)塊現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有靜態(tài)塊現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備同樣的特性，但具有對(duì)功能塊動(dòng)態(tài)安裝和刪除的能力4、接口設(shè)備執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的接口功能5、顯示設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理的3個(gè)因素：1、包含智能多參數(shù)變送器和具有預(yù)維護(hù)、診斷的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備2、開(kāi)放的通信協(xié)議3、現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理軟件具有：完成設(shè)備整定、組態(tài)、診斷、預(yù)測(cè)維護(hù)、檢測(cè)，向維護(hù)人員提供有效精確的維護(hù)報(bào)告現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理圖示四、現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)：是一種控制網(wǎng)絡(luò)，直接面向生產(chǎn)過(guò)程，與Internet等信息網(wǎng)絡(luò)不同。要求：很高的實(shí)時(shí)性、可靠性、數(shù)據(jù)完整性和可用性。特點(diǎn)：1、對(duì)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)化，只包括ISO/OSI層模型中的三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層2、完成與上層工廠信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換、傳遞，綜合自動(dòng)化。統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線控制模型1、過(guò)程控制層PCS將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和智能儀器、設(shè)備互聯(lián)的實(shí)時(shí)控制通信網(wǎng)，遵循OSI通信協(xié)議。2、制造執(zhí)行層MES從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控、報(bào)警和趨勢(shì)分析3、企業(yè)資源規(guī)劃層ERP在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下構(gòu)建安全的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程用戶(hù)可實(shí)時(shí)查詢(xún)、監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程。五、通信模型與協(xié)議從應(yīng)用和信息角度看FSC結(jié)構(gòu)FCS結(jié)構(gòu)以應(yīng)用和信息視角為坐標(biāo)，構(gòu)成二維體系層次結(jié)構(gòu)。1.5.5通信模型與協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)總線為滿足實(shí)時(shí)性的要求將ISO/SIO參考模型七層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為三層體系結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。1、物理層定義了網(wǎng)絡(luò)信道與連接方式、傳輸媒體、傳輸速率、每條線路連接儀表的數(shù)量、最大傳輸距離、電源等。2、數(shù)據(jù)鏈路層（DDL)DDL定義了一系列服務(wù)于應(yīng)用層的功能和向下與物理層的服務(wù)，提供了媒體存取控制功能、信息傳輸?shù)牟铄e(cuò)檢驗(yàn)。DDL是現(xiàn)場(chǎng)總線的核心。所有連接到同一物理通道上的應(yīng)用進(jìn)程，都是通過(guò)DDL的實(shí)時(shí)管理來(lái)協(xié)調(diào)的。3、應(yīng)用層專(zhuān)門(mén)為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)裝置的控制和具體應(yīng)用而設(shè)計(jì)。為用戶(hù)提供一系列的服務(wù)，簡(jiǎn)化或?qū)崿F(xiàn)分布式控制系統(tǒng)中應(yīng)用進(jìn)程之間的通信，同時(shí)為分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)提供了應(yīng)用接口的操作標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)性。1.1.2

現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)造了網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)1.1.3幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線1、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FoundationFieldbus,ff)應(yīng)用領(lǐng)域以過(guò)程自動(dòng)化為主2、Profibus總線應(yīng)用領(lǐng)域：制造業(yè)自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化、電力、樓宇、鐵路交通3、LonWorks總線應(yīng)用領(lǐng)域：樓宇4、CAN總線應(yīng)用領(lǐng)域：汽車(chē)、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)等幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線5、WorldFIP總線應(yīng)用領(lǐng)域：過(guò)程自動(dòng)化、制造業(yè)自動(dòng)化、電力、樓宇等6、P-NET總線應(yīng)用領(lǐng)域：石化、能源、交通、輕工、建筑、環(huán)保和制造業(yè)等。7、HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道開(kāi)放協(xié)議特點(diǎn)：在模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信1.5以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)1.5.1企業(yè)信息系統(tǒng)的組成1.5.2企業(yè)信息系統(tǒng)的功能模型1.5.3企業(yè)信息系統(tǒng)的集成環(huán)境1.6MAP、TOP與現(xiàn)場(chǎng)總線1.6.1定義MAP：制造自動(dòng)化協(xié)議。ManufacturingAutomationProtocol.用于工業(yè)生產(chǎn)的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)通信系統(tǒng)，用于制造自動(dòng)化的局域網(wǎng)協(xié)議TOP（TechnicalandProtocal)適合辦公自動(dòng)化協(xié)議。與MAP相互補(bǔ)充與集成。1.6.2TOP/MAP/Fieldbus的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

(80年代）1.6.3LAN/Fieldbus（TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)）小結(jié)第2章網(wǎng)絡(luò)與通信基礎(chǔ)2.1總線的基本概念2.1.1總線的基本術(shù)語(yǔ)總線：遵循同一技術(shù)規(guī)范的連接與操作方式，傳輸信息或信號(hào)的公共路徑?？偩€段：一組設(shè)備通過(guò)總線連接在一起總線主設(shè)備：可以在總線上發(fā)起信息傳輸?shù)脑O(shè)備總線從設(shè)備：只能掛接在總線上，對(duì)總線信息接收、查詢(xún)的設(shè)備2.1.1總線的基本術(shù)語(yǔ)

1、控制連接在總線上的設(shè)備控制信號(hào)：

2、改變總線操作方式

3、表明地址和數(shù)據(jù)的含義總線協(xié)議：管理主從設(shè)備使用總線的一套規(guī)則報(bào)文（報(bào)文分組）：發(fā)送的數(shù)據(jù)與目的地址、源地址、控制信息按一定格式組成的數(shù)據(jù)單元。2.1.2總線操作的基本內(nèi)容總線操作：總線上命令者與響應(yīng)者間的連接數(shù)據(jù)傳送脫開(kāi)的操作序列數(shù)據(jù)傳送：“讀、寫(xiě)”數(shù)據(jù)操作讀：來(lái)自響應(yīng)者的數(shù)據(jù)寫(xiě)：向響應(yīng)者寫(xiě)數(shù)據(jù)通信請(qǐng)求

物理尋址：特定位置的從設(shè)備尋址邏輯尋址：指定存儲(chǔ)器單元的通用區(qū)廣播尋址：用于選擇多個(gè)響應(yīng)者2.1.2總線操作的基本內(nèi)容總線仲裁總線定時(shí)：用定時(shí)信號(hào)進(jìn)行同步，指明數(shù)據(jù)、地址信號(hào)什么時(shí)候有效出錯(cuò)檢測(cè)容錯(cuò)：重新分配地址、隔離故障多段總線操作：多段互連2.2通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.2.1通信系統(tǒng)的組成2.2節(jié)－－2.4節(jié)自學(xué)2.5介質(zhì)訪問(wèn)控制方式目的：解決同一時(shí)刻多個(gè)設(shè)備爭(zhēng)用傳輸設(shè)備。方法：1、隨機(jī)訪問(wèn)方式：常用CSNA/CD爭(zhēng)用總線技術(shù)2、控制訪問(wèn)方式：常用令牌總線、令牌環(huán)2.5.1CSMA/CD

（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)）特點(diǎn)：監(jiān)聽(tīng)總線狀態(tài)－先聽(tīng)后講。介質(zhì)空閑發(fā)送，介質(zhì)忙，等待一段時(shí)間后再試。三種CSMA堅(jiān)持退避算法1、不堅(jiān)持CSMA。介質(zhì)空閑，則發(fā)送，否則等待隨機(jī)時(shí)間，重試。2、1－堅(jiān)持CSMA。介質(zhì)空閑，則發(fā)送，介質(zhì)忙，繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)，直到介質(zhì)空閑，立即發(fā)送。3、P－堅(jiān)持CSMA。介質(zhì)空閑，以P的概率（隨機(jī)算法）發(fā)送，介質(zhì)忙，繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)，直到介質(zhì)空閑，立即發(fā)送。2.5.2令牌訪問(wèn)控制方式基本方式：按一定順序在各站點(diǎn)傳遞令牌，誰(shuí)得到令牌，誰(shuí)才有發(fā)報(bào)權(quán)。兩種令牌方式：1、令牌環(huán)方式2、令牌傳遞總線方式網(wǎng)上各工作站按一定順序形成邏輯環(huán)，首尾相連。第三章開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型3.1OSI((OpenSystemInterconnection)參考模型定義：實(shí)現(xiàn)開(kāi)放系統(tǒng)互連所建立的分層模型目的：為其它計(jì)算機(jī)互連提供共同的基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)框架，并為保持相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性和兼容性提供共同的參考。3.1.1OSI參考模型的結(jié)構(gòu)（共七層）3.1.2OSI參考模型的功能劃分(1)1－3層：LLF底層功能：通信傳送4－7層：HLF高層功能：通信處理

3.1.2OSI參考模型的功能劃分(2)第一層：物理層

提供同步、比特流在物理媒體上的傳輸手段。典型協(xié)議：EIA-232D等第二層：數(shù)據(jù)鏈路層

用于建立、維持或拆除鏈路連接，實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)傳輸?shù)湫蛥f(xié)議：OSI標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中的數(shù)據(jù)鏈路控制HDLC第三層：網(wǎng)絡(luò)層利用數(shù)據(jù)鏈路層功能，通過(guò)路由器和中繼器，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)之間的連接3.1.2OSI參考模型的功能劃分(3)第四層：傳輸層

完成開(kāi)放系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸控制、收發(fā)確認(rèn)、對(duì)第五－第七層大的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)一步提高可靠性第五層：會(huì)話層

依靠第四層以下的通信功能，使數(shù)據(jù)傳送功能在開(kāi)放系統(tǒng)間有效進(jìn)行。第六層：表示層

把應(yīng)用層提供的信息變換為能夠共同理解的形式：字符代碼、數(shù)據(jù)格式、控制信息格式、加密的統(tǒng)一表示。第七層：應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)應(yīng)用進(jìn)程之間的信息交換，OSI的最高層3.6OSI參考模型與現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型現(xiàn)場(chǎng)考慮到的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)：1、大量傳感器、控制器、執(zhí)行器零散分布在一個(gè)大范圍2、單個(gè)