第1章现场总线概述.ppt

1、第一章 现场总线概述,现场总线简介 现场总线的发展背景与趋势 现场总线的特点与优点 几种有影响的现场总线技术,什么是现场总线,现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题，所以现场总线既是通信网络，又是自控网络,1.1.1 什么是现场总线,根据国际电工委员会61158标准定义,现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线. 现场总线是用于现场仪表与控制室系统之间的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统。 现

2、场总线控制系统是建立在现场总线技术基础上的网络结构扁平化，具有开放性、可互操作性、常规控制功能彻底分散、有统一的控制策略组态方法的新一代的分散型控制系统。,什么是现场总线,从名词定义来讲，现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。而现场总线标准规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。数据的传输介质可以是电线电缆、光缆、电话线、无线电等等。 通俗地讲，现场总线是用在现场的总线技术。传统控制系统的接线方式是一种并联接线方式，从PLC控制各个电器元件，对应每一个元件有一个I/O口，两者之间需用两根线进行连接，作为控制和/

3、或电源。当PLC所控制的电器元件数量达到数十个甚至数百个时，整个系统的接线就显得十分复杂，容易搞错，施工和维护都十分不便。为此，人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起，用一根导线来连接所有设备，所有的数据和信号都在这根线上流通，同时设备之间的控制和通信可任意设置。因而这根线自然而然地称为了总线，就如计算机内部的总线概念一样。由于控制对象都在工矿现场，不同于计算机通常用于室内，所以这种总线被称为现场的总线，简称现场总线。,1.1.1 什么是现场总线,现场总线是应用在生产现场、连接智能现场设备和自动化测量控制系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络,双向 多节点 开放标准 全数字 自动化领域的计

4、算机局域网,现场总线在企业信息网络中的位置,企业信息网络的功能层次：现场总线是底层通信控制网络,现场总线是底层通信控制网络,位于生产控制现场和网络结构的底层 现场总线是低带宽的控制网络 它与上层的Internet、企业内部网Intranet相连 构成企业综合自动化的通信网络平台,FCS是新一代控制系统,基地式仪表控制系统 单元组合式模拟仪表控制系统 集中式数字控制系统 集散控制系统DCS、PLC 现场总线系统,1. 30年代初期：分散控制方式 直接作用式气动控制器； 控制装置安装在被控过程附近，每个回路有单独控制器； 运行人员分布在全厂各处； 适用于规模不太大、工艺过程不太复杂的企业。,控制系

5、统的发展史,控制系统的发展史,典型的连续控制闭环控制系统框图,2. 30年代末期：集中控制 中央控制室，信息远距离传输问题； 变送器、执行器和控制器分离：变送器、执行器安装在现场，控制器在中央控制室； 优点：运行人员可获得整个的生产信息，便于协调控制； 注意：控制仪表和运行人员在地理上的集中，控制器分别完成各控制任务，故障影响不大运行管理的集中，仍然分散控制； 采用气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组件组装式仪表。,控制系统的发展史,控制系统的发展史,控制系统的发展史,3. 50年代末60年代初：集中控制方式 计算机用于生产过程直接数字控制，造价高，一台计算机控制全厂的生产过程，整个系统控制

6、任务的集中。 特点：控制集中、管理集中 缺点：受硬件水平限制，计算机可靠性低，一旦发生故障，全厂生产瘫痪。,集中控制系统,4. 70年代:分布控制方式 分析集中控制的失败，提出了分布式控制系统的概念； 把控制功能分散在不同的计算机中完成，采用通信技术实现各部分之间的联系和协调 特点：控制分散、管理集中,控制系统的发展史,分 布 式 控 制 系 统,以微处理器作为核心的集中分散控制系统，利用4C技术，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的新型控制系统。 又称集散控制系统（Total Distributed Control System，TDCS） 。 主要特点：集中管理、分散控制。,5.

7、现场总线控制系统,现场总线(IEC)定义：安装载制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。 现场总线控制系统（Fieldbus Control System：FCS）是采用现场总线作为通信系统的分布式控制系统。,现场总线控制系统实现了真正的分散控制,现场总线控制系统将使控制得到最终的分散，在FCS中各种现场设备有足够的自主性，它们彼此之间互相通信，完全可以把各种控制功能分散到各种现场设备中，实现真正的分散控制。从而使DCS系统中原有的操作管理站发挥上位机的功能，执行对整个系统的优化、信息管理和调度工作。,总结： 控制系统的发展历史 1. 30年代初

8、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：现场总线控制 （管控一体化）,各阶段测控仪表能力指数,现场总线控制系统,（Fieldbus Control System, FCS）是由现场总线和现场设备组成的控制系统，这是继电式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS后的新一代控制系统,FCS对DCS的变革,FCS的信号传输实现了全数字化 FCS的系统结构是全分散式，它废弃了

9、DCS的输入输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之 FCS的现场设备具有互操作性 FCS的通信网络为开放式互连网络，既可同层网络互连，也可与不同层网络互连，用户可极方便地共享网络数据库 FCS的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用,与一般通信技术的区别,一般通信技术只是能实现信息的传输 现场总线是一种控制系统框架 一种全新的控制系统结构，即： 现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System)代替传统控制系统DCS 现场总线还包括网络上的所有设备能够进行信息互访与互换 总线上的设备之间能够进行互操作和系统集成,现场总线控制系统FCS,采用开放式数

10、字通信网络 突破DCS中的专用通信网络结构 网络集成的测量控制系统 单个分散的测量控制设备变成网络节点 现场总线为纽带 构成共同完成任务的网络系统与控制系统 实现现场测量控制设备之间的信息共享,现场总线是开放的测控网络,现场总线是开放的测控网络,现场总线系统被誉为自控领域的局域网，工厂的底层网，是自动化领域的通信、网络技术 现场总线是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信息,测控网络特点,适应工业应用环境 特点 实时性强 可靠性高 安全性好 多为短帧传送,现场总线的特殊功能,经济、安全、可靠地传输信息 正确使用所传信息 及时处理所传信息,经济、安全、可靠地传输信息,经济性 信息、电源同时传

11、输 介质廉价 安全性 解决防爆问题 可靠性 电磁、气候、机械环境适应性,正确使用所传信息,可互操作性：不同厂家的设备相互理解所传信息,及时处理所传信息,信息处理现场化，避免信息在网络上过多传输,现场总线的特殊要求实时性好,传输速度 传输延迟大小 响应时间 对突发事件的处理能力 系统巡回时间 系统总体控制周期,传输速度快,指单位时间内传输的信息 通常以每秒钟传输的位数，即bps（bits per second）表示 不同的现场总线传输速率不一样 看主要的应用场合 如FF H1用于连续、慢变化过程变量与控制信号的传输，为31.25Kbps HSE则应用于大量信息流传输、响应速度要求很高的场合，为1

12、00Mbps或更高,响应时间短，突发事件及时处理,决定于仪表或执行器中断控制能力 决定于信息在通信协议各层次之间的传输时间 等待网络空闲时间 避免网络上信息碰撞的时间,巡回时间短,简化技术 简化通信模型 简化信息内容 简化信息格式 其他技术 网络管理 数据链路调度技术 巡回时间确定、可预知,现场总线的网络结构,线状（总线、菊花链型）、星型、树型 以线状结构居多,星型结构,线状结构优点：,解决供电比较容易 可解决防爆：网状结构中线缆越长，储能元件就月多 可舍去协议中与路径有关有层次，有利于改进实时性,线状结构缺点,一条总线断会导致整个支路瘫痪,现场总线的技术要求,通信技术 网络技术 计算机技术

13、仪表智能化技术 自动控制技术 以上技术的综合产物,1.2 现场总线的技术特点与优点,1.2.1 FCS的结构特点,DCS,FCS,1.2.2 现场总线系统的技术特点,全数字通信 多分支结构 系统的开放性 互可操作性和互用性 现场设备的智能化与功能自治性 系统结构的高度分散性 对现场环境的高度适应性,全数字通信,抗干扰能力和鲁棒性都比较高，传输精度也得到显著提高 信号的检错、纠错机制得以实现 可进行多参数传输，消除了模拟信号的传输瓶颈 现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何智能设备，如中央控制器等。,

14、设备状态可控,操作员在控制室即可了解现场设备或现场仪表的工作状况 可对现场设备进行工艺参数调整、零点量程调校、组态信息调整等 通过对现场设备状态趋势分析预测故障 发生故障时能及时找到故障点，及时替换新的设备，即：现场设备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和可维护性。,一对多的总线型结构,现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线型、星型、树形等多种形式，以总线型为主。 传统控制系统中设备的连接都是一对一的 布线简单，工程安装周期缩短、维护也很方便 很强的系统扩展性 主机能自动识别设备的增加或删减 无需架设新的线缆 无需系统停机,互换与互可操作,不同设备间，除了能实现信息互访外

15、，还能理解信息的含义，并能根据信息要求进行操作 不同厂家的相同类型的设备可以互相替换 可统一组态，无需专用的驱动程序 解决了设备的垄断性和产品故障处理的时效性 为系统集成的自主性提供了产品保障 用户可选择性价比高的产品,现场设备的智能化和综合功能,测量，包括多变量测量与处理 多参数补偿 工程量处理 设备自诊断 设备状态的控制 控制算法可在现场设备中实现 根据远程命令进行仪表调校 集多种功能于一身，一表多用,分散控制,由网络构成控制系统 信号的测量、控制算法、控制信号的输出等全部在现场实现，无需主机参与 实现了完全分散,开放式系统,通信协议完全公开，任何人、任何单位均可采用 不同厂家的设备遵守相

16、同的技术规范 不同厂家的设备可实现信息互访（即互操作） 用户可按需要，选用不同厂家的现场总线设备 不同设备之间可实现资源共享 与其他网络（如互联网）相联，可实现网络与数据库共享,对环境的高度适应,专为现场环境设计 可支持多种传输介质 双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等 可两线制供电 支持本质安全与防爆,1.2.3 现场总线带来的益处,节省硬件数量与投资 节省安装费用 节省维护开销 用户具有系统集成自主权 提高了系统的准确性和可靠性,用户具有系统集成的主动权,无需专用的驱动程序 不必为传输协议的不兼容而一筹莫展 不必为接口的不公开而担心系统的扩展和集成 不必被某一品牌的产品所“框死”

17、 可以选择性价比高、服务质量好的产品 用户是真正的“上帝”，拥有真正的选择主动权,1.3 现场总线的产生与发展趋势,现场总线技术产生的背景,现场总线技术产生于二十世纪八十年代 P-NET产生于1983年 Profibus产生于1984年 FF于1994年由WorldFIP（北美部分）与ISp联合而成 . 是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求 开放性 通用性 可靠性 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础 国内起步较晚，但在积极追赶,现场总线的产生,结构简单； 信号传输标准统一。,性能提高，成本增加； 单向模拟传输方式未变。,现场总线的产生,双向数字传输方式： 传输精度高； 功能强，成本低； 协议

18、不统一，无法互换。,成为控制领域的研究方向,现场总线研究开发之热始于20世纪90年代中期 信息时代各项技术发展对测控系统提出的要求 计算机技术 网络与通信技术 自动控制技术 网络化、信息化给自控技术的发展提供的机遇 各国投入巨额资金与人力在开发这一技术，形成了企业、国家、国际标准 欧洲、北美、亚洲、中国,现场总线标准各种各样,现场总线百花齐放 由于刚开始没有一个统一的国际标准，各企业和企业集团相继开发自己的总线产品，制定现场总线标准 据不完全统计，目前市场上形形式式的现场总线有200多种 号称为开放标准的也有二、三十种 现场总线国际标准IEC61158包含了10种类型 IEC1158原技术规范

19、、FF、HSE、P-NET、PROFIBUS、ProfiNet、ControlNet、Swiftbus、Interbus、WorldFIP,现场总线国际组织的演变历史,现场总线的发展过程中充满了竞争,现场总线的发展过程中充满了竞争 经济因素：每种总线都有一个或多个公司且是大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关 原先投入较大的现场总线技术不甘轻言放弃 政治因素：总线之间的竞争还涉及国家、地区之间的竞争 1998年前，现场总线以制定单一国际标准为目的 FF成为最优可能成为国际标准的总线 FF成为国际标准的努力受到多方阻力 最后通过妥协，现场总线技术出现了协调共存、共同发展的局面,市场上

20、主要的现场总线标准,P-NET PROFIBUS WorldFIP Foundation Fieldbus（包括HSE） ControlNet Interbus SwiftNet AS-I CC-Link 还有HART、Lonworks、Modbus.,主要的现场总线比较,多总线并存的发展现状,现场总线多种多样 现场总线近期内难以统一 IEC61158包含了10种类型 其他总线：HART、ASI、CAN、Lonworks、 形成了多种现场总线并存的局面 由市场决定哪种总线领导市场 如以FF（包括H1、HSE）和PROFIBUS（包括Profibus-DP、ProfiNet等）在过程控制领域的市

21、场越来越大 工业以太网成为新一轮研究热点,1.4现场总线的原理和几种有影响的现场总线技术,现场总线的原理,现场总线的实质 现场总线的定义 ISA SP50（美国仪表协会标准）中对现场总线的定义 现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备（即场地级设备）之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系 国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络,现场总线的原理,现场总线的本质含义 现场通信网络 现场设备互联 互操作性 分散功能块 通信线供电 开放式互联网络

22、,现场总线的原理, 现场总线的协议 现场总线一般采用国际标准组织ISO的开放系统互联（OSI）协议，OSI协议是为计算机联网而制定的7层参考模型，只要网络中所有要处理的要素都是通过共同的路径进行通信的，那么不管它是不是计算机网络都可以使用该协议 各厂家在实际制定自己的通信协议时，往往依据侧重点的不同，仅实现该7层协议的子集,现场总线的原理, 现场总线系统组成 从物理结构来看，现场总线系统有两个主要组成部分：现场设备和传输介质，其中现场设备由现场微处理芯片及外围电路构成，传输介质可以使用双绞线、同轴电缆、光纤等 现场总线的拓扑结构有很多种，如总线型、环型、树型、星型等,现场总线的原理,现场总线的

23、结构 现场总线网络结构是按照OSI参考模型建立的，OSI参考模型共分7层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表达层和应用层，现场总线将上述7层简化为3层，分别由OSI参考模式的第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层组成，并增加了用户层,现场总线的原理,物理层 传输介质：铜导线、无线电和电缆 传输速率和距离：31.25Kbps, 1900m（加中继延长) 网络拓扑：总线型、树型、点对点型 网络设备数量：一个通信段可连接32台设备，使用中断器可接240台设备 支持总线供电：总线上既传送数字信号，又要为现场设备提供电源能量。数字信号以31.25Hz的频率调制到932V的直流供电电压上

24、,现场总线的原理, 数据链路层 规定了物理层与应用层之间的接口，并控制对传输介质的访问 现场总线网络存取控制方式有3种： 令牌传送：一个站必须持有令牌，才能开始一次对话，完成信息传送后即将令牌交还链路活动调度器LAS，LAS根据预先的组态或调度算法将令牌送交给下一个令牌申请者 立即响应：主战给一站一个机会来应答一次信息 申请令牌：一个站在每回答响应中允许立即发给令牌,现场总线的原理, 应用层 提供设备之间及网络要求的数据服务，对现场过程控制进行支持，为用户提供一个简单的接口 应用层由现场总线访问子层FAS和现场总线报文规范FMS组成： FAS有3种功能：对象字典服务（读、写及修改对象描述）、变

25、量访问服务（通过子索引访问每个对象中数组或记录变量）、时间服务（发布事件及报警的通知） FMS有3种服务：出版广播数据，用户侦听广播并将其放入内部缓冲区；客户端发出请求，服务器发出应答；报告分发（源设备广播事件报告，接收设备侦听广播并将其放入内部队列）,现场总线的原理, 用户层 规定标准的功能块供用户组态成系统 有10个基本功能块如AI、AO、DI、DO、PID等，19个附加的算术功能块,ISO/OSI参考模型,几种典型的现场总线 ControlNet,控制层现场总线ControlNet ControlNet是近年来推出的一种新的面向控制层的实时性现场总线网络，它提供如下功能： 在同一物理介质

26、链路上提供时间关键性 I/O数据和报文数据，包括程序的上载/下载，组态数据和端到端的报文传递等通信支持 对于连续和离散过程控制应用场合，均具有高度确定性和可重复性功能 确定性：预见数据何时能够可靠传输到目标的能力 可重复性：指数据的传输时间不受网络节点添加/删除情况或网络繁忙状况影响而保持恒定的能力 它作为ControlLogix的通信背板，构成新一代控制器，能同时完成逻辑、过程、拖动和运动控制,ControlNet,ControlNet是基于生产者/消费者模式的网络，它允许在同一链路上有多个控制器并存，支持输入数据或端到端信息的多路发送 ControlNet非常适用于一些控制关系有复杂关联、

27、要求控制信息同步、协调实时控制、数据传输速度要求较高的应用场合 ControlNet是开放的现场总线，由独立性国际组织”控制网国际”（ControlNet International）负责管理， ControlNet International旨在维护和发行ControlNet技术规范，管理成员单位的共同的市场推广工作，同时提供各个厂商产品之间的一致性和互操作性测试服务，保证ControlNet的开放性,ControlNet, ControlNet 技术指标 网络规模 : 在无重复器情况下最多 48 个节点。 网络长度 : 1000m ( 同轴电缆 ) 5Mb/s ； 1000m 2 个节点，

28、 250 m 48 个节点； 3000m ( 光纤 ) 5Mb/s ； 5000m ( 同轴电缆 ) 5Mb/s 有重复器；超过 30Km ( 光纤 ) 有重复器 通讯速率 : 可调 总线拓扑 : 线性，树型、星型、或三种混合 寻址模式 : 对等、多主和主从；轮询、循环或状态改变 系统特性 : 带电插拔设备，确定性，可重复性，本安选择，充分节点 ID 检测，报文组帧,ControlNet, ControlNet协议规范,ControlNet,物理层与介质 物理层和介质部分的规范规定了同轴电缆和光缆介质标准与设计的一些参考信息。 物理层包括两个子层：物理介质附属子层PMA（Physical Me

29、dium Attachment）和物理层信号子层PLS（Physical Layer Signalling）。PMA子层包含了发送和接收总线信号必须的电路，而PLS子层执行位表示和计时器功能，以及与MAC（向上）和PMA子层的信息交换,ControlNet,数据链路层（Data Link Layer） 数据链路层的首要任务是管理介质的存取权。DLL协议是建立在一个固定长度、不断重复的网络刷新时间NUT（Network Update Time）基础上的。NUT以同步方式管理链路上的不同节点，如果网络上的节点的NUT时间与当前链路上的NUT时间不一致，它就不能获得在链路上的数据传输权。不同的链路可

30、能有不同的NUT值，NUT可以在组态过程中确定，取值范围为2100ms 网络的存取控制通过同时间域多点存取（Concurrent Time Domain Multiple Access）的时间滑动算法实现。网络传输时间被分割成不断重复的网络传输时间，通过调节在一个时间段内不同节点传输数据的机会控制整个网络的通信，对于不同的网络节点，通过指定不同的NUT来选择网络传输的节拍,ControlNet,网络与传输层 网络与传输层的任务是建立和维护连接。连接的概念类似于电话线路，这样一条逻辑上的通信连接可能跨越了多个不同类型的链路，但对于通信双方而言，这个连接是固定的、一致的。每个连接都被赋予一个连接标

31、识，代表与之相连的通信资源，在通信过程中，只需指出连接的标识符即可，而不必指明其它连接参数,ControlNet,数据管理层 这部分协议定义了数据类型规范的文法、数据类型取值范围以及不同数据类型适用的操作 对象模型 对象的建模代表了网络设备的可见的行为，这部分协议的内容包括：对象建模和术语、对象编址、对象模型、对象规范格式和规则、对象规范扩展方法、新对象创建规范等,ControlNet,设备描述 通过定义每一类型设备的核心标准，可以实现不同厂商相似设备间互操作性和互换性。一般说来，相似设备具有大致相同的行为，产生/消费相同的数据集，包含相似的可组态参数集。相似设备间这些信息的正式定义就称为设备

32、描述 ControlNet协议中已经定义的设备描述包括：条形码扫描器、PLC、位置控制器、秤、信息显示器、交直流驱动、伺服驱动、接触器、电机启动器、软启动器、人机接口、启动阀等,ControlNet,生产者/消费者通信模式 传统的源/目的通信模式的优点是通信的内容和形式都十分明确，在传送的报文中都包含了明确的源和地址信息，但是在这种模式下，当同一数据源上的数据向网络上其它多个节点发送数据时，必须经过多次才能实现，而且由于数据到达不同网络节点的时间可能因网络上节点数目的不同而变化，不同节点之间的同步变得很困难 生产者/消费者通信允许网络上的不同节点同时存取同一个源的数据，在这种模式下，每个数据被

33、分配一个唯一的标识，根据具体的标识，网络上多个不同的节点可以接收来自同一发送者的数据。数据经过同样的时间传送到不同的节点，可以实现通信的精确同步,ControlNet (结束), ControlNet的优点： 同一链路上满足I/O数据、实时互锁、端到端报文传输和编程/组态信息等应用的多样的通信要求 是确定性的、可重复的控制网络，适合离散控制和过程控制 同一链路上允许多个控制器同时并存 输入数据和端到端信息的多路发送支持 可选的介质冗余和本征安全 安装和维护的简单性 网络上节点居于对等地位，可以从任意节点实现网络存取 灵活的拓扑结构（总线型、树型、星型等）和介质选择（同轴电缆、光纤和其它）,几种

34、典型的现场总线 DeviceNet,设备层现场总线DeviceNet DeviceNet是20世纪90年代中期发展起来的一种基于CAN技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络。它通过一根电缆将PLC、传感器、光电开关、操作员终端、电动机、轴承座、变频器和软启动器等现场智能设备连接起来，是分布式控制系统减少现场I/O接口和布线树立、将控制功能下载到现场设备的理想解决方案,DeviceNet,DeviceNet不仅可以作为设备级的网络，还可以作为控制级的网络，通过DeviceNet提供的服务还可以实现以太网上的实时控制。较之其它的一些现场总线， DeviceNet不仅可以接入更多、

35、更复杂的设备，还可以为上层提供更多的信息和服务 DeviceNet最初由Rockwell公司设计，目前由ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）致力于支持DeviceNet产品和规范的进一步开发。此外，Rockwell， GE，ABB，Hitachi，Omron等公司也致力于DeviceNet的推广,DeviceNet, DeviceNet的主要特点： 采用基于CAN的多主方式工作 逐位仲裁模式的优先级对等通信建立了用于数据传输的生产者/消费者传输模型 DeviceNet的直接通信距离最远为500m，通信速率最高可达500kb/s DeviceNet上可

36、容纳64个节点地址，每个节点支持的I/O数量无限制 采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低，检错效果好 通信介质为独立双绞总线，信号与电源承载于同一电缆 支持设备的热插拔，无需网络断电 DeviceNet的接入设备可选择光隔离设计，由外部供电设备与由总线供电的设备共享总线电缆,DeviceNet,DeviceNet协议规范 沿用了CAN协议标准所规定的总线网络的物理层和数据链路层，定义了不同的报文格式、总线访问仲裁规则及故障检测和故障隔离的方法,DeviceNet,物理层和介质 物理层规范定义了DeviceNet的总线拓扑结构以及网络元件，具体包括接地、粗缆和细缆混合结构、网络端接和电源分配

37、 采用的典型拓扑结构是干线分支结构 线缆包括（干线）和细缆（分支线），总线线缆采用五线制电缆，包括了2条信号线，2条24V电源线和一条屏蔽线，支持总线供电 设备连接可选用开放/封装端头两种 提供125/250/500Kbps三种可选的通讯波特率，最大拓扑距离为500米，每个网络段最大可达64个节点,DeviceNet,数据链路层 遵循CAN协议规范，并由CAN控制器芯片实现 CAN是基于广播方式的协议，支持多主形式传输。传输的帧被分配一个标识符，每个节点根据标识符确定是否接收这些帧 提供数据帧、出错帧、远程帧和过载帧等多种帧格式，数据帧每帧信息都有CRC校验和其它校验措施，数据传输误码率极低，

38、有严重故障的节点可自动从网络上切除 采用非破坏性逐位仲裁的方法解决共享介质总线访问冲突问题。网络上每个节点拥有一个唯一的标识符，这个标识符的值决定了仲裁中优先级的大小，优先级值小的节点在竞争仲裁中为获胜的一方,DeviceNet,报文传送 I/O报文：适用于实时性要求较高和面向控制的数据，它提供了在报文发送过程和多个报文接收过程之间的专用通信路径，通常使用优先级高的连接标识符，通过一点或多点连接进行信息交换，连接标识符提供了I/O报文的相关信息，在I/O报文利用连接标识符发送之前，报文的发送和接收设备都必须先进行设定，设定的内容包括源和目的对象的属性，以及数据生产者和消费者的地址 显式的报文：

39、适用于两个设备间多用途的点对点报文传递，常用于节点的配置、问题诊断等，通常使用优先级低的连接标识符，并且该报文的相关信息包含在显式报文数据帧的数据场中,DeviceNet,数据通信方式 循环（Cyclic）方式：适用于一些模拟设备，可以根据设备的信号发生的速度，灵活设定循环进行数据通信的时间间隔 状态改变（Change of State）方式：适用于离散的设备，采用事件触发方式，当设备状态发生改变时才发生通信 选通（Strobed）方式：利用8B的报文广播，64个二进制位的值对应网络上64个可能的节点，通过位的标识，指定要求响应的从设备 查询（Polled）方式：I/O报文直接依次发送到各个从

40、设备,DeviceNet,应用层 DeviceNet使用了对象的概念来描述应用层的协议，对象模型提供了组成和实现DeviceNet产品构成元件的属性、服务和行为,几种典型的现场总线基金会现场总线FF,现场总线基金会是一个国际性的组织，有120多个成员，包括了全球主要的过程控制产品的供应商，基金会成员生产的变送器、DCS系统、执行器、流量仪表占世界市场的90。 FF是迫于用户的压力于1994年6月由ISP与WORLDFIP（北美）合并成立的现场总线基金会。 ISP是可互操作系统协议（Interoperable system protocol）的简称，它基于德国的PROFIBUS标准，成立于199

41、2年9月，当时有100多个公司参加，其中以仪表厂为多，由Fisher Rosemount公司牵头。WORLDFIP是工厂仪表世界协议（World Factory Instrumentation Protocol）的简称，它基于法国的FIP标准，由Honeywell公司牵头，也有100多个公司参加，不少是PLC制造厂。,几种典型的现场总线基金会现场总线FF,FF总线（Fieldbus Foundation） FF（现场总线基金会）是国际公认的唯一不附属于某企业的公正非商业化的国际标准化组织，其宗旨是制定统一的现场总线国际标准，无专利许可要求，可供任何人使用 FF总线由低速FF_H1和高速FF_H

42、2组成，其协议规范建立在OSI参考模型之上,FF,H1低速现场总线 31.25Kbps 232个设备/段 供电与通讯 本质安全 双绞线1900米（最大） 适用于过程设备的基层总线。 H2高速现场总线 1Mbps/2.5Mbps速率 可集成多达32条H1总线 冗余 双绞线750m/500m。 支持PLC和加工工业设备,FF, FF_H1：以OSI参考模型为基础的四层结构模型，采用令牌总线介质访问技术，用于工业生产现场设备连接 FF_HSE：采用基于Ethernet(IEEE 802.3)+TCP/IP的六层结构，主要用于制造业（离散控制）自动化以及逻辑控制、批处理和高级控制等场合,FF特点,由于

43、世界上一些大的仪表公司都参加了FF，因此FF开发的现场总线产品在品种与性能上都能满足过程控制的要求，而且使用方便，FF具有很好的可互操作性和可互换性，可互操作性就是来自同厂家的设备可以相互通讯并且可以在多厂家的环境中完成功能，可互换性就是来自不同厂家的设备在功能上可以用同类设备互换。,FF,FF总线的优点： 设备互操作性 改善的过程数据 对进程更多的了解 提高工厂设备安全性能，满足日益严格的控制设备安全要求 提供预测性维护能力 大大减少了网络安装费用,几种典型的现场总线Profibus,Profibus现场总线（Process Fieldbus） Profibus是德国20世纪90年代制定的国

44、家工业现场总线协议标准，其应用领域包括加工制造、过程和建筑自动化，如今已成为国际化的开放式现场总线标准，即EN50170欧洲标准 Profibus是一种不依赖于厂家的开放式现场总线标准，采用Profibus标准后，不同厂商所生产的设备不需对其接口进行特别调整就可通信。Profibus为多主从结构，可方便地构成集中式、集散式和分布式控制系统,Profibus, 针对不同的应用场合，Profibus分为3个系列： Profibus-DP（Decentralized Periphery）：用于传感器和执行器级的高速数据传输，传输速率可达12Mb/s，一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环数据传送方

45、式工作.这是一种经过优化的高速和便宜的通信总线，它的设计是专门为自动控制系统与分散的I/O设备级之间进行通信使用的。总线周期一般小于10ms。,Profibus-DP,Profibus, Profibus-PA（Process Automation）：用于安全性要求较高的场合，它具有本质安全特性，是Profibus的过程自动化解决方案，将自动化系统和过程控制系统与现场设备连接起来，代替了420mA模拟信号传输技术是专门为过程自动化设计的，它可使传感器和执行器按在一根共用的总线上，甚至在本质安全领域也可接上。根据IEC11582标准，PROFIBUS-PA用双线进行总线供电和数据通信。,Prof

46、ibus-PA,Profibus, Profibus-FMS（ Fieldbus Message Specification ）：用于车间级智能主站间通用的通信，它提供了大量的通信服务，用以完成以中等传输速度进行的循环和非循环的通信任务.可用于大范围和复杂的通讯。总线周期一般小于100ms。,Profibus-FMS,Profibus, Profibus协议规范：符合OSI参考模型,Profibus,Profibus-FMS：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范（Fieldbus Message Specification，FMS）和低层接口（Lower Layer Interfa

47、ce，LLI） FMS：向用户提供了可选用的通信服务 LLI：协调通信关系，提供第二层访问接口 Profibus-DP：定义了第一、二层和用户接口，用户接口规定了设备可调用的应用功能，并详细说明设备行为 Profibus-PA：PA的数据传输采用扩展的Profibus-DP协议，根据IEC1158-2标准，支持本征安全性和总线供电,Profibus,Profibus的物理层：提供三种类型的传输技术 DP和FMS的RS485传输：采用屏蔽双绞铜线，传输速率为9.6K bit/s12M bit/s，每分段32个站（不带中继），可多到127个站（带中继） PA的IEC1158-2传输：支持本征安全和

48、总线供电，传送数据以31.25K bit/s调制供电电压，采用藕合器将IEC1158-2与RS-485连接 光纤FO：在电磁干扰很大的环境下应用，采用专用总线插头转换RS-485信号和光纤导体信号,Profibus,Profibus的数据链路层 DP、FMS、PA的数据链路层相同 采用主从结构，主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从传送方式,几种典型的现场总线 LonWorks,LonWorks现场总线（Local Operating Networks） LonWorks是1991年美国Echelon公司推出的通用总线，它提供了完整的端到端的控制系统解决方案，可同时应用在装置级、设备

49、级、工厂级等任何一层总线中，并提供实现开放性互操作控制系统所需的所有组件，使控制网络可以方便地与现有的数据网络实现无缝集成,LonWorks,LonTalk通信协议是LonWorks技术的核心，它提供了OSI参考模型的全部7层服务，并固化于Neuron芯片,LonWorks,物理层 支持多种传输介质，不同的介质通过路由器实现互联， 支持总线型、环型、树型等拓扑结构,LonWorks,数据链路层 采用改进的改进的带预测的CSMA/CD算法，减少冲突的出现，提高传输效率 支持优先级 网络层 网络地址采用域（255个子网）、子网（127个节点）、节点三层结构支持大网 每个神经元芯片有唯一的48位ID地址,LonWorks,传送层、会话层 四类报文服务：确认、请求/响应、重复/非确认重复、非确认 支持网络认证 表示层 采用网络变量作表示层数据，简化分布式应用的编程 应用层 用Neuron C语言在神经元芯片中编程,LonWorks,LonWorks的神经元芯片 芯片内有3 个8位CPU，使用CMOS CLSI 技术高度集成，集采集、控制于一体： 第