现场总线控制技术

1、计算机测控系统计算机测控系统李江全李江全石河子大学机电学院电气工程系石河子大学机电学院电气工程系2008年年12月月 现场总线控制技术现场总线控制技术现场总线概述现场总线概述 按照按照IECIEC和现场总线基金会和现场总线基金会FFFF的定义：的定义：现场总线是连接现场总线是连接智能现场设备和各类自动化系统的数字式、双向传输、多智能现场设备和各类自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。分支结构的通信网络。 现场总线是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开现场总线是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的通信总线。采用现场放式、数字化、双向串行、多节点的

2、通信总线。采用现场总线技术可实现一种具有开放式、数字化和网络化结构的总线技术可实现一种具有开放式、数字化和网络化结构的新型计算机控制系统，即现场总线控制系统（新型计算机控制系统，即现场总线控制系统（FCSFCS，Field Field Control SystemControl System）。通俗地说，）。通俗地说，FCSFCS将构成自动化系统的各将构成自动化系统的各种传感器、执行机构及控制器通过现场控制网络联系起来，种传感器、执行机构及控制器通过现场控制网络联系起来，通过网络上的信息传输完成传统系统中需要硬件连接才能通过网络上的信息传输完成传统系统中需要硬件连接才能传递的信号，并完成各设备

3、的协调，实现自动化控制。传递的信号，并完成各设备的协调，实现自动化控制。现场总线的产生现场总线的产生 现场总线是连接智能现场设备和各类自动化系统的数现场总线是连接智能现场设备和各类自动化系统的数字式、双向传输、多节点、多分支结构的通信网络。现场字式、双向传输、多节点、多分支结构的通信网络。现场总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一个全分布总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一个全分布式的控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总式的控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步线上作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自

4、动化控制信息系统，具有基本控制、补偿计算、参构成自动化控制信息系统，具有基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化等综合自数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化等综合自动化功能。因此，现场总线技术综合了智能传感器、自动动化功能。因此，现场总线技术综合了智能传感器、自动控制、计算机、数字通信、网络技术等方面的内容。控制、计算机、数字通信、网络技术等方面的内容。 现场总线控制系统的结构现场总线控制系统的结构 一个按现场总线技术构造的计算机监控系统如图8-1所示。现场总线系统有两个主要部分组成：一是现场智能设备，二是系统的传输介质。现场智能设备由微处理器以及外围电路构成；现

5、场总线系统使用最多的传输介质是双绞线。 现场总线的体系结构特点现场总线的体系结构特点1现场通信网络现场通信网络 用于过程及制造自动化的现场设备或现场办公仪表互连用于过程及制造自动化的现场设备或现场办公仪表互连的通信网络。的通信网络。 现场总线是生产过程控制的底层控制网络，它们与生现场总线是生产过程控制的底层控制网络，它们与生产过程现场设备直接连接，一方面将现场测量控制设备互产过程现场设备直接连接，一方面将现场测量控制设备互连为通信网络，实现不同网段、不同现场通信设备间的信连为通信网络，实现不同网段、不同现场通信设备间的信息共享；同时又将现场运行的各种信息传送到远离现场的息共享；同时又将现场运行

6、的各种信息传送到远离现场的控制器，并进一步实现与操作终端、上层控制管理网络的控制器，并进一步实现与操作终端、上层控制管理网络的连接和信息共享。在把一个现场设备的运行参数、状态以连接和信息共享。在把一个现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送往控制室的同时，又将各种控制、维护、及故障信息等送往控制室的同时，又将各种控制、维护、组态命令，乃至现场设备的工作电源等送往各相关的现场组态命令，乃至现场设备的工作电源等送往各相关的现场设备，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控设备，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。制管理层次之间的联系。 2现场设备互连现场设备互连

7、现场设备或现场仪表是指传感器、变送现场设备或现场仪表是指传感器、变送器、执行器、服务器和网桥、辅助设备、监器、执行器、服务器和网桥、辅助设备、监控设备等。这些设备通过一对传输线互连。控设备等。这些设备通过一对传输线互连。传输线可使用双绞线、同轴电缆、光纤、射传输线可使用双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等，也可以无线传输。频、红外线、电力线等，也可以无线传输。 3系统的开放性系统的开放性 现场总线为开放式互连网络，既可与同层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。开放式互网络互连，也可与不同层网络互连。开放式互连网络还体现在网络数据库共享，通过网络对连网络

8、还体现在网络数据库共享，通过网络对现场设备和功能模块统一组态，使不同厂家的现场设备和功能模块统一组态，使不同厂家的网络及设备融为一体，构成统一的网络及设备融为一体，构成统一的FCSFCS。 3系统的开放性系统的开放性 在现场总线控制系统中，将传感器测量、补偿计算、工程在现场总线控制系统中，将传感器测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，现场设备既可完量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，现场设备既可完成自动控制的基本功能，又可随时诊断设备的运行状态。废弃成自动控制的基本功能，又可随时诊断设备的运行状态。废弃了集散控制系统的输入输出单元和控制站，把集散控制系统控了集散控制系

9、统的输入输出单元和控制站，把集散控制系统控制站的功能分散地分配到现场设备。制站的功能分散地分配到现场设备。 例如，通过采用现场总线技术，一个流量变送器不仅具有例如，通过采用现场总线技术，一个流量变送器不仅具有流量信号的变换、补偿和累加等功能，而且还有流量信号的变换、补偿和累加等功能，而且还有PIDPID控制或其控制或其他高级控制的功能，也就是说，现场总线技术真正将信号的采他高级控制的功能，也就是说，现场总线技术真正将信号的采集、处理、控制、驱动等功能放在了现场，用户可灵活选用各集、处理、控制、驱动等功能放在了现场，用户可灵活选用各种功能模块构成所需控制系统，真正实现了分散控制。种功能模块构成所

10、需控制系统，真正实现了分散控制。 5互操作性互操作性 由于现场设备或现场仪表的种类繁多，没有任何一家制由于现场设备或现场仪表的种类繁多，没有任何一家制造商可以提供一个工厂所需的全部设备，所以互相连接不同造商可以提供一个工厂所需的全部设备，所以互相连接不同制造商的产品是不可避免的。用户或开发者并不希望为选用制造商的产品是不可避免的。用户或开发者并不希望为选用不同制造商的产品而在硬件和软件上付出太多的代价，而是不同制造商的产品而在硬件和软件上付出太多的代价，而是希望将属于不同制造商的同时其性能价格比最高的产品集成希望将属于不同制造商的同时其性能价格比最高的产品集成在一起，并实现在一起，并实现“即接

11、即用即接即用”。所谓。所谓“互操作性互操作性”不仅仅是不仅仅是指属于不同制造商的产品之间能够相互传送数据，更为重要指属于不同制造商的产品之间能够相互传送数据，更为重要的是这些设备能够的是这些设备能够”理解理解”所接收数据的含义，并做出正确所接收数据的含义，并做出正确的响应。当然，用户还希望能对不同的设备进行统一组态，的响应。当然，用户还希望能对不同的设备进行统一组态，构成所需的控制系统。只有这样才能真正将现场设备集成。构成所需的控制系统。只有这样才能真正将现场设备集成。 6通信线供电通信线供电 在现场总线控制系统中，本身就要求连接线尽可能在现场总线控制系统中，本身就要求连接线尽可能的少，因此，

12、最好采用通信线供电方式，即允许现的少，因此，最好采用通信线供电方式，即允许现场仪表直接从通信线上获取能量。场仪表直接从通信线上获取能量。 现场总线是专为现场环境而设计的，可支持多种现场总线是专为现场环境而设计的，可支持多种通信线路媒介，具有较强的抗干扰能力，并可满足通信线路媒介，具有较强的抗干扰能力，并可满足本质安全防爆要求。这种供电方式可用于本质安全本质安全防爆要求。这种供电方式可用于本质安全环境的低功耗现场仪表。环境的低功耗现场仪表。 现场总线控制系统的优点现场总线控制系统的优点 1）一对）一对N结构结构 所谓所谓1对对N结构是指结构是指1对传输线，连对传输线，连N台现场设备，台现场设备，

13、双向传输多个信号。由于一对双绞线或一条电缆上可双向传输多个信号。由于一对双绞线或一条电缆上可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。这种结构使得接线简单、工程周期短、安装费用低、这种结构使得接线简单、工程周期短、安装费用低、维护容易。当需要增加现场控制设备时，无需增加新维护容易。当需要增加现场控制设备时，无需增加新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，减少了现场接的电缆，可就近连接在原有的电缆上，减少了现场接线，既节省了投资，也减少了设计、安装工作量。

14、线，既节省了投资，也减少了设计、安装工作量。 2）节省硬件与投资）节省硬件与投资 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种检测、控制、报警和计算等功能，因直接执行多种检测、控制、报警和计算等功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要集散控制系统的信号调理、计算单元等，也不再需要集散控制系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用于转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用于工控工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，机作为操作站，从而节省了一大笔

15、硬件投资，并可减少控制室的占地面积。并可减少控制室的占地面积。 3）准确性和可靠性高）准确性和可靠性高 现场总线设备的智能化、数字化以及设备间数现场总线设备的智能化、数字化以及设备间数字信号传输，使系统具有很高的抗干扰能力，极大字信号传输，使系统具有很高的抗干扰能力，极大地提高了系统的测控精度。同时，由于系统的结构地提高了系统的测控精度。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 4）状态可控）状态可控 由于现场设备具有了一定的智能性，不

16、仅能由于现场设备具有了一定的智能性，不仅能够提供测量参数的信息，还能提供自身工作状态够提供测量参数的信息，还能提供自身工作状态的信息。操作员在控制室内既可了解现场设备或的信息。操作员在控制室内既可了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对其进行多次调整，现场仪表的工作状况，也能对其进行多次调整，还可预测或寻找故障，系统始终处于操作员的远还可预测或寻找故障，系统始终处于操作员的远程监视与控制之下，提高了系统的可靠性、可控程监视与控制之下，提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。性和可维护性。 5）互换性强）互换性强 用户可以自由地选择不同制造商所提供的性能用户可以自由地选择不同制造商所提供的性能价格

17、比最优的现场设备或现场仪表，并可将不同品价格比最优的现场设备或现场仪表，并可将不同品牌的仪表互连。即使某台仪表出现故障，换上其它牌的仪表互连。即使某台仪表出现故障，换上其它品牌的同类仪表可照常工作，实现品牌的同类仪表可照常工作，实现“即接即用即接即用”。使系统集成变得更加方便、快捷，也使得用户拥有使系统集成变得更加方便、快捷，也使得用户拥有更大的集成自主权。更大的集成自主权。 6）互操作性好）互操作性好 用户可把不同制造厂家的现场仪表或设备用户可把不同制造厂家的现场仪表或设备集成在一起，进行统一组态，构成所需的控制集成在一起，进行统一组态，构成所需的控制系统。现场仪表或设备间可以方便地进行相互

18、系统。现场仪表或设备间可以方便地进行相互通信、沟通和操作控制。用户不必为集成不同通信、沟通和操作控制。用户不必为集成不同品牌的产品而在硬件或软件上花费额外的力气，品牌的产品而在硬件或软件上花费额外的力气，或增加额外投资或增加额外投资。 7）具有综合功能）具有综合功能 现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能，实现了一表多用，不仅方便了用户，制和运算功能，实现了一表多用，不仅方便了用户，也降低了成本。也降低了成本。 8）可实现分散控制）可实现分散控制 由于控制站功能分散在现场仪表中，通过现场由于控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表构成的控制

19、回路，实现了彻底的分散控制，提仪表构成的控制回路，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。高了系统的可靠性、自治性和灵活性。 9）可实现统一组态）可实现统一组态 由于现场设备或现场仪表都引入了功由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念，所有制造厂家都使用相同的能块的概念，所有制造厂家都使用相同的功能块，并统一组态方法。这样就使组态功能块，并统一组态方法。这样就使组态过程变得非常简单、轻松，不会因为现场过程变得非常简单、轻松，不会因为现场设备或仪表种类不同，而有新的组态方法。设备或仪表种类不同，而有新的组态方法。10）开放性好）开放性好 现场总线为开放式互连网络，所有现场总线

20、为开放式互连网络，所有技术和标准均是公开的，所有制造商都技术和标准均是公开的，所有制造商都必须遵循。这样，用户可以自由集成不必须遵循。这样，用户可以自由集成不同制造商的通信网络，既可与同层网络同制造商的通信网络，既可与同层网络互连，也可与上层或下层网络互连。另互连，也可与上层或下层网络互连。另外，用户可方便地共享网络数据库。外，用户可方便地共享网络数据库。 现场总线标准现场总线标准 1FF 现场总线基金会现场总线基金会FIT（Foundation Field Bus）是惟一不附）是惟一不附属于任何企业的非商业性的国际标准化组织。其宗旨是制定单属于任何企业的非商业性的国际标准化组织。其宗旨是制定

21、单一的国际现场总线标准。一的国际现场总线标准。FF标准具有以下特点：根据标准具有以下特点：根据ISO/OSI的模型共设有物理层、数据链路层和应用层。除此之外，还增的模型共设有物理层、数据链路层和应用层。除此之外，还增加了用户层。其中，物理层分为两种：加了用户层。其中，物理层分为两种：H1为低速总线，主要用为低速总线，主要用于过程自动化。波特率为于过程自动化。波特率为31.25kb/s，最大传输距离为，最大传输距离为1900m，提供总线供电和本质安全型；提供总线供电和本质安全型；H2为高速总线，主要用于制造自为高速总线，主要用于制造自动化，波特率为动化，波特率为1Mb/s（750m）或）或2.5

22、 Mb/s（500m）。其物理）。其物理传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤和无线等。传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤和无线等。 2PROFIBUS 过程现场总线过程现场总线PROFIBUSPROFIBUS是德国标准。是德国标准。19911991年在年在DINI9245DINI9245中公布了此标准。中公布了此标准。PROFIBUSPROFIBUS有几种改进型，分别用于不同的有几种改进型，分别用于不同的场合。其中，场合。其中，PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA用于过程自动化，通过总线供电，用于过程自动化，通过总线供电，提供本质安全，可用于危险防爆区域。提供本质安全，可用于危险防爆区域。P

23、ROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS用于纺用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化领织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化领域。域。PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP用于加工自动化。用于加工自动化。PROFIBUSPROFIBUS的协议是开放的协议是开放的，可以由第三方来生产的，可以由第三方来生产PROFIBUSPROFIBUS的产品。的产品。PROFIBUSPROFIBUS的传输的传输速率为速率为9.6kb/s9.6kb/s12Mb/s12Mb/s，最大传输距离在，最大传输距离在9.6kb/s9.6kb/s时为时为1000m1000m，1.5M

24、b/s1.5Mb/s时为时为200m200m。其传输介质为双绞线、光缆，最。其传输介质为双绞线、光缆，最多可挂接多可挂接127127个站点。个站点。3LonWorks LonWorksLonWorks现场总线技术是近几年异军突起的一种现场现场总线技术是近几年异军突起的一种现场总线技术标准，由美国总线技术标准，由美国EchelonEchelon公司开发，简称公司开发，简称LONLON。LONLON真真正做到了开放性、互操作性、多通信介质、多数据传输速正做到了开放性、互操作性、多通信介质、多数据传输速率、多网络结构、多网络拓扑。率、多网络结构、多网络拓扑。LONLON的一个突出特点是提供的一个突出

25、特点是提供了一整套从硬件到软件的完整技术。其核心技术了一整套从硬件到软件的完整技术。其核心技术NeuronNeuron芯芯片，固化了片，固化了LONTalkLONTalk通信协议，而该通信协议完全支持通信协议，而该通信协议完全支持ISOISO的的OSIOSI七层协议。通过网络变量把网络通信设计简化为参数七层协议。通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从设置，其通信速率从300b/s300b/s至至15Mb/s15Mb/s不等，直接通信距离不等，直接通信距离可达到可达到2700m2700m（78kb/s78kb/s），支持双绞线、同轴电缆、光纤、），支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频

26、、红外线、电源线等多种通信介质，被誉为通用控制射频、红外线、电源线等多种通信介质，被誉为通用控制网络。网络。4HART HARTHART（Highway addressable Remote TransducerHighway addressable Remote Transducer）协）协议为可寻址远程传感器数据通路通信协议。它最早由议为可寻址远程传感器数据通路通信协议。它最早由RosemountRosemount公司开发并得到公司开发并得到8080多家著名仪表公司的支持和加多家著名仪表公司的支持和加盟，于盟，于19631963年成立了年成立了HARTHART通信基金会。通信基金会。HAR

27、THART通信模型由通信模型由3 3层层组成：物理层、数据链路层和应用层。物理层采用组成：物理层、数据链路层和应用层。物理层采用FSKFSK技术技术在在4 420mA20mA模拟信号上迭加一个频率信号。数据传输速率为模拟信号上迭加一个频率信号。数据传输速率为1200bit/s1200bit/s，逻辑，逻辑“0 0”的信号频率为的信号频率为2200Hz2200Hz，逻辑，逻辑“1 1”的的信号传输频率为信号传输频率为1200Hz1200Hz，最大传输距离，最大传输距离3000m3000m。它是输入模。它是输入模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产

28、品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争力，得到了较快发展。的过渡时期具有较强的市场竞争力，得到了较快发展。CAN总线测控技术总线测控技术 CAN总线是控制器局域网（总线是控制器局域网（Control Area Network）总）总线的简称，最早是德国线的简称，最早是德国BOSCH公司从公司从20世纪世纪80年代初为解年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间数据交换而开发决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间数据交换而开发的一种串行数据通信协议。由于其本身的特点，其应用范的一种串行数据通信协议。由于其本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、围目前已不再局

29、限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。由于其高性能、高可靠性及独特的设计，感器等领域发展。由于其高性能、高可靠性及独特的设计，CAN已成为国际标准化组织已成为国际标准化组织ISO11898标准，被公认为是最标准，被公认为是最有前途的现场总线之一。有前途的现场总线之一。 CAN总线的技术特点总线的技术特点 1 1）通信距离远。）通信距离远。CANCAN通信速率最高可达通信速率最高可达1Mbps/40m1Mbps/40m，直接通信，直接通信距离最远可达距离最远可达10km10km（速

30、率小于（速率小于5Kbps5Kbps）。传输介质可为双绞线、）。传输介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，具有较强的抗干扰能力。同轴电缆或光纤，具有较强的抗干扰能力。2 2）CANCAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而无主、从之分，通信方动地向网络上其它节点发送信息，而无主、从之分，通信方式灵活且无需节点信息。利用这一特点，可方便地构成多机式灵活且无需节点信息。利用这一特点，可方便地构成多机备用系统。备用系统。3 3）CANCAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网络上发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，向网络上发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续发送信息。而优先级高的节点可不受影响地继续发送信息。CANCAN是按节点是按节点类型分成不同的优先级，可以满足不同的实际要求，高优先类型分成不同的优先级，可以满足不同的实际要求，高优先级的数据最多可在级的数据最多可在134134s s内得到传输。内得到传输。4 4）C