目录
1 概论 (2)
1.1 现场总线的概述 (2)
1.2 现场总线的产生和发展 (2)
1.3 现场总线的特点 (4)
1.3.1 现场总线系统的技术特点 (4)
1.3.2 现场总线系统的优势 (5)
1.4 几种常见现场总线 (6)
1.4.1 Lon Works (6)
1.4.2 CAN (6)
1.4.3 HART (7)
1.4.4 PROFIBUS (8)
2 HART (8)
2.1 HART总线概述 (8)
2.2 HART的协议结构 (9)
2.3 HART现场总线协议的技术特点 (11)
3 HART智能电动执行机构整体设计 (11)
3.1 设计人物分析及技术目标 (12)
3.2 电动执行机构整体设计方案 (12)
3.3 执行机构整体硬件设计方案 (13)
3.4 执行机构整体软件设计方案 (13)
4 HART智能电动执行机构硬件设计 (16)
4.1 硬件优化措施 (16)
4.2 硬件优化设计方案 (17)
5 HART智能电动执行机构软件设计 (17)
5.1 仪表控制软件模块 (18)
5.2 HART通信协议模块 (19)
6 总结 (21)
参考文献 (21)
1 概论
1.1 现场总线的概述
现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它在制造业、流程工业、楼宇等方面的自动化系统中有着广泛的应用前景。[1]现场总线作为一种先进的工业控制技术，将当今网络通信与管理的观念带入工业控制领域。把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，将它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统和控制系统，它是工厂的底层控制网络。
国际IEC1158标准定义：现场总线是一种互连现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协议。也就是说，现场总线是控制系统中底层的通信网络，具有双向数字传输功能，在控制系统中允许智能现场装置全数字化、多变量、双向、多节点，并通过一条物理媒体相互交换信息。
现场总线技术的核心是它的通信协议，这些协议必须根据与国际标准化组织ISO的计算机网络开放系统互连的OSI参考模型来判定，它是一种开放的七层网络协议标准，多数现场技术只使用其中的第1、第2和第7层协议。[2]
1.2 现场总线的产生和发展
控制论的创始人Norbet Wiener说，“如果一门科学是真正具有生命力的，它的引人兴趣的中心就必须而且应该随着岁月而转移。”自动控制技术的历史，就是从简单形式到复杂形式，从局部自动化到全局自动化，从低级智能化到高级智能化的发展过程。
现场总线控制系统是在自动检测控制技术和计算机网络技术飞速发展的推动下形成的，它是现代计算机技术和通信技术和检测控制技术的集成，人们称之为3C（Computer Communication Control）技术。
现场总线控制系统（FCS, Fieldbus Control System）是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、数字计算机集中控制系统和集散式控制系统（DCS，Distributed Control System）后的新一代控制系统。FCS 是信息数字化、控制功能分散化、开放式可互操作的工业自动化控制系统，同时也是智能化、数字化、网络化向生产过程现场的发展。现代工业控制思想的核心是“分散控制，集中监控”，使得“危险分散，控制分散”。现场总线控制系统吧控制彻底的下放到现场，由现场的智能仪表完成诸如数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等大部分功能，只有一些现场仪表无法完成的高级控制功能才有上位机完成，而且现场节点之间可以相互通信实现互操作，现场节点也可以把自己的诊断数据传给上位机，有益于设备管理 [3]。
在发达国家，现场总线技术从20世纪80年代开始出现并被逐步推广，现在已经被广泛接受和使用。2002年欧洲有40%自动化工程项目采用了现场总线控制系统。在国内，现场总线首先用在外国公司在华投资的生产线，如外资汽车生产企业的生产线大多用到了现场总线技术，后来啤酒灌装、烟草加工、机械装配、产品包装等生产线也大量使用现场总线。此外，市政工程、楼宇、智能化小区建设也开始使用现场总线。可以预见，随着现场总线技术发展及其在工业自动化领域的不断深入，传统的DCS必将被FCS所全面取代。
现场总线技术的推广虽然只有短短二三十年，但其技术的先进性已经带到了工业界的广泛认可，其良好的应用前景和广阔的市场受到诸如Siemens、Motorola、Honeywell等诸多世界大公司的高度重视。就国内而言，自二十世纪末以来，现场总线技术的研究开始进入起步阶段，1997年5月中国现场总线（FF）专业委员会建立，并筹建FF现场总线产品认证中心；同年7月中国现场总线（Profibus）专业委员会组建，同时开始筹建现场总线（Profibus）产品演示及认证实验室。此后，包括清华大学、浙江大学在内的许多高校、科研院先后建立自己的现场总线实验室，用于现场总线控制技术的教学实践与研究开发。2001年11月，国家发展计划委员会在《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南（2001年度）》中将现场总线技术及其智能仪表的研究、开发及推广应用列为优先发展的高科技重点领域之一。
作为新一代的过程控制系统，现场总线控制系统无疑具有十分广阔的发展前景。它的出现，必将对控制领域产生深刻的变革，并对社会生产力的发展起到极大的促进作用。对于我国这样的发展中国家而言，其意义更为重大。必须抓住有利条件，积极开展对现场总线控制系统的跟踪研究，用于尝试这项先进技术，尽早提高我国企业自动化水平。[4]
现场总线的发展趋势主要体现在以下四个方面：
（1）现场总线的标准化工作。目前，中国的现场总线技术及产品的开发工作已经起步，应积极按照IEC的标准开展工作。
（2）现场总线逐渐转向工业以太网。市场和技术发展需要统一标准的现场总线，整合了Ethernet和TCP/IP技术的现场总线是今后发展的主流体系和应用热点。
（3）在今后一段时间内多种现场总线既相互竞争又相互共存，同时多种现场总线也可共存于同一个控制系统中。
（4）管控一体化。从现场控制层到管理层全面的无缝信息集成（即管控一体化）能给企业带来整体效应。
1.3 现场总线的特点
1.3.1 现场总线系统的技术特点
（1）系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，不同厂家设备之间可进行互连并实现信息交换。现场总线的开发者就是要致力于建立统一的现场设备层网络的开放系统。这里“开放”是指相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统可以与任何遵守相同标准的其他设备或系统相连。
（2）互操作性和互用性。互操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实现点对点、一点对多点的数字通信。互用性意味着不同生产厂家性能类似的设备可进行互换、互用。
（3）现场设备的智能化和功能自治性。将系统的传感测量、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，并完成自动控制的基本功能，随时诊断设备的运行状况。
（4）系统结构的高度分散性。现场总线构成一种新的分布式控制系统的体系结构，简化了系统结构，提高了可靠性。
（5）对现场环境的适应性。现场总线是专为现场环境下工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，采用两线制实现供电与通信，并可满足安全防爆等要求。
1.3.2 现场总线系统的优势
（1）减少了常规信号变换和处理装置。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传感控制报警和计算能力，因而可减少变送器的数量，不再需要独立的调节器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而减少了常规信号变换和处理装置，并可减少控制室的占地面积。
（2）减少了系统电缆和安装费用。现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少。由于现场总线设备有极性自动识别功能，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近接连在原有的电缆上，既节省了投资，又减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料声明，可节约安装费用60％以上。
（3）便于系统维护和进一步扩展。由于现场控制设备具有自我诊断和简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行、诊断和维护信息。现场总线系统可以预测性提前报告故障，便于早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间。用户可以根据需要自由选择不同厂商的设备，可避免因先期选择某一商家的产品而使其他设备的选择范围受到限制的情况。这样，在系统集成过程中用户占主动地位，可以分批分期地实现系统的扩展。
（4）提高了系统的准确性和可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，
与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传输误差。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，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化、功能模块化，因而还具有设备简单、易于重构等优点。
1.4 几种常见现场总线
1.4.1 Lon Works
Lon Works是又一具有强劲实力的现场总线技术。它是由美国Echelon公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO／OSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，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300bps至1．5Mbps 不等，直接通信距离可达2700m(78kbps，双绞线)。支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。
Lon Works技术所采用的Lon Talk协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中而得以实现。集成芯片中有3个8位CPU，一个用于完成开放互连模型中第1和第2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理。第二个用于完成第3～6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等。第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。[5] 1.4.2 CAN
CAN是控制局域网络(Control Area Network)的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO 国际标准组织制订为国际标准。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达1Mbps／40m，直接传输距离最远可达10km ／5kbps。可挂接设备数最多可达110个。 CAN的信号传输采用短帧结构，每一
帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。
CAN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他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134ms内得到传输。
CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”[6]。
CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；报文标识符可达2032种(CAN2.0A)，而扩展标准(CAN2.0B)的报文标识符几乎不受限制。采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。 CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。
1.4.3 HART
HART是Highway Addressable Remote Transducer的缩写。最早由Rosemount 公司开发并得到八十多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。
它规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令：第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备(尽管不是全部)中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。[7]
1.4.4 PROFIBUS
PROFIBUS是德国国家标准DINl9245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA组成了PROFIBUS系列。DP型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范，PROFIBUS-FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IECll58—2标准[8]。
该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层。FMS还采用了应用层。传输速率为9，6kbps～12Mbps，最大传输距离在12Mbps时为lOOm，1．5Mhps时为400m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。最多可挂接127个站点。可实现总线供电与本质安全防爆。
2 HART
2.1 HART总线概述
现代工业生产中存在着多种不同的主机和现场设备，要想很好地使用他们，完善的通讯协议是必须的。H ART协议最初是由美国Rose mou nt公司开发，已应用了多年。H ART协议使用FSK技术，在4~20mA信号过程量上叠加一个频率信号，成功地把模拟信号和数字信号双向同时通讯，而不互相干扰。HA RT协议参照了国际标准化组织的开放性互连模型，使用OSI标准的物理层、数据链路层、应用层。HAR T协议规定了传输的物理形式、消息结构、数据格式和一系列操作命令，是一种主从协议。当通讯模式为“问答式”的时候，一个现场设备只做出被要求的应答。HART协议允许系统中存在2个主机（比如说，一个用于系统控制，另一个用于H ART通信的手操仪），如果不需要模拟信号，多点系统中的一对电缆线上最多可以连接15个从设备[9]。
2.2 HART的协议结构
HART采用OSI的物理层、数据链路层和应用层。HART协议层次结构如图1：
图1 HART协议层次结构
（1）物理层
如图2，物理层规定了信号的传输方法、设备阻抗和传输介质。采用Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4～20mA模拟信号上叠加一个频率数字信号进行双向数字通信。数字信号的幅度为0 . 5 m A ，数据传输率为1200bps，1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”。
图2
（2）数据链路层
数据链路层规定HART协议帧的格式，可寻址范围0～15，“0”时，处于4～20mA及数字信号点对点模式，现场仪表与两个数字通信主设备（也称作通信设备或主设备）之间采用特定的串行通信，主设备包括PC机或控制室系统和手持通信器。单站操作中，主变量（过程变量）可以以模拟形式输出，也可以以数字通信方式读出，以数字方式读出时，轮询地址始终为0。也就是说，单站模式时数字信号和4～20mA模拟信号同时有效。
“1～15”处于全数字通信状态，工作在点对多点模式，通信模式有“问答”式、“突发”式(点对点、自动连续地发送信息)。按问答方式工作时的数据更新速率为2～3次／s，按突发方式工作时的数据更新速率为3～4次／s。
在本质安全要求下，只使用一个电源，至多能连接15台现场仪表，每个现场设备可有256个变量，每个信息最大可包含4个变量。这就是所谓的多点（多站）操作模式。这种工作方式尤其适用于远程监控，如管道系统和油罐储存场地。
采用多点模式，4～20mA的模拟输出信号不再有效（输出设在4mA使功耗最小，主要是为变送器供电，各个现场装置并联连接），系统以数字通信方式依次
读取并联到一对传输线上的多台现场仪表的测量值（或其它数据）。如果以这种方式构成控制系统，可以显著地降低现场布线的费用和减少主设备输入接口电路，这对于控制系统有重要价值。
HART协议根据冗余检错码信息，采用自动重复请求发送机制，消除由于线路噪声或其他干扰引起的数据误码，实现数据无差错传送。能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求。
HART协议的帧格式以8位为一个字节进行编码，对每个字节加上一个起始位、一个奇偶校验位和一个停止位以串行方式进行传输。通常采用UART（通用异步接收/发送器）来完成字节的传输。由于数据的有无和长短不恒定，所以HART 数据的长度不能超过25个字节。[10]
（3）应用层
在应用层规定了三类命令：（1）通用命令，所有遵循HART协议的智能设备都能理解、执行该命令；（2）一般行为命令，对大多数智能设备适用；（3）特殊设备命令，只在某些具体设备中实现特殊功能。
2.3 HART现场总线协议的技术特点
HART现场总线技术特点如下：
（1）兼有模拟仪表性能和数字通信性能；
（2）支持多点数字通信；
（3）允许“问答式”及成组通信方式；
（4）通用的报文结构；
（5）采用设备描述语言DDL描述设备特性，并编成设备描述字典，主设备运用DDL技术理解设备参数，不需开发专用接口；
（6）可以利用总线供电，满足本质安全防爆要求；
（7）可组成双主设备系统。[11]
3 HART智能电动执行机构整体设计
智能电动执行机构是机电一体化产品，将电动执行器与调节阀装配于一体，
能直接应用于各种燃油、燃气、窑炉温度控制的调节仪表配套使用（亦不可带阀位反馈），具有控制平稳，阀位精度高，惰走量小，密封性能好的优点。
3.1 设计人物分析及技术目标
（1）设计任务分析：设计HART智能电动执行机构的主要任务是要完成执行器对电机的控制以及实现HART协议中从设备（执行器）与控制系统的通信。基于这个原理，其硬件和软件部分的主要任务可划分为仪表控制部分和HART通信部分。
（2）预期达到的技术目标：完成符合HART协议智能电动执行机构的研究与开发。
3.2 电动执行机构整体设计方案
智能电动执行机构总体设计分为硬件设计和软件设计。硬件设计主要是开发仪表控制电路来实现执行机构的电机控制，同时开发HART通信电路完成通信功能。软件设计主要是开发仪表控制程序实现信号采集及电机控制等功能，并根据HART协议开发HART通信程序实现执行机构和上位机之间的通信，整体设计结构如图3所示。
图3 HART智能执行机构总体结构图
3.3 执行机构整体硬件设计方案
硬件上按照功能不同将整个硬件部分划分为三个部分：接线端子、位置反馈及电源卡和仪表控制及通信卡。其中仪表控制及通信卡和位置反馈及电源卡为电路设计的核心部分。
在硬件设计中，仪表控制功能和通信功能公用一块CPU，采用美国Atmel公司的AT89S8252芯片，此芯片具有内部的EEPROM，并具有在线编程功能。仪表、通信卡中的仪表控制电路部分实现了原执行机构中伺服放大器的主要功能，即实现了电机控制阀门开关的功能；HART通信电路部分主要采用Smar公司的JA T2012芯片，实现HART信号的调制、解调功能及与上位机通信的功能。硬件设计方案结构如图4。
图4 执行机构硬件结构图
3.4 执行机构整体软件设计方案
软件由两个部分组成：主控程序和通信程序。软件设计方案结构如图5所示。
图5 执行器软件结构图
仪表控制程序包括主程序和采样机中断控制程序。主程序主要实现初始化、参数设定、故障处理和看门狗复位几种功能，如图6所示。仪表的信号采样的控制部分通过定时器T0中断程序来实现。为采样和控制定时器设立了两个软件定时器，T0作为两个定时器的工作脉冲。控制部分是根据偏差控制的原理，利用调节器输入信号与位置反馈输入信号的偏差，实时反映控制信号的变化并做出相应的开阀或关阀处理，实现工业现场实时控制。
图6 主程序流程图
HART通信程序包括通信程序和指令程序。通信程序包括串口中断、载波监听、信号的接收与发送等程序，指令程序中包括执行机构与上位机的通信中所使用的通用命令、常用命令和专用命令。通信部分以HART协议为主要理论依据，通过串行口中断来实现执行机构与控制系统之间的通信。在串口中断服务子程序中可实现HART命令的接受和发送，并且使通信部分符合HART协议标准。[12]
4 HART智能电动执行机构硬件设计
主要介绍HART智能电动执行机构硬件的设计方案，如图7所示。
图7 系统硬件结构
硬件最初的设计方案是使用双CPU分别实现仪表控制和HART通信功能，并按照功能不同设计成两块电路板。但在设计过程中，考虑到执行器的电路板面积比变速器的圆卡面积要大，可以将仪表控制和HART通信部分放在一块电路板上实现，因此对原设计方案做了优化处理，即采用单CPU方式。这样既可以简化电路设计，也可以降低成本。
4.1 硬件优化措施
（1）双CPU变为单CPU；
（2）合并硬件电路板；
（3）简化面板设计；
（4）用软件来判断故障情况；
（5）增加滤波电路；
（6）改用AC/DC器件供电。
4.2 硬件优化设计方案
HART智能电动执行几个的硬件设计采用独立的供电方式，而不是总线供电方式，可不考虑低功耗元件的选用问题。硬件部分分为两块板：仪表通信板和电源位置板。仪表、通信板按功能不同可分为七大部分：CPU及附属电路、参数设定及报警显示、模拟量输入及滤波、电机控制逻辑电路、通信解调及接收、通信调制及发送和通信载波监听电路，如图8所示。
图8 仪表、通信卡结构图
5 HART智能电动执行机构软件设计
HART智能执行机构的软件部分在在结构上采用模块化设计，总体上可分为仪表控制软件模块和HART通信软件模块。
5.1 仪表控制软件模块
因为仪表控制软件所完成的主要任务是实现实时数据采集、状态量参数设置、工程量转换、电流运算、电机控制、执行机构就地操作及显示等功能，会大量占用CPU的运行时间，因此把数据采集和电机控制与其他的功能分开进行，即：将状态量参数设置、故障处理、启动通信发送及看门狗复位在仪表控制软件主程序流程中运行；数据采集和电机控制通过定时器TIMERO中断来实现。定时器T0 作为仪表控制软件部分的采样和控制定时器，根据采用和控制的时间来设定T0的时间常数，由T0中断处理程序设置采样和控制更新标志，周期性地刷新过程变量。
仪表控制软件模块包括：主程序；信号采样及控制程序；信号滤波及数据处理程序；开关量输入及面板参数设定；故障处理及安全保障程序；电机控制程序；电制动中断程序；T0 中断控制程序。
信号采样及控制流程如图9所示：
图9 信号采样及控制流程图
5.2 HART通信协议模块
HART通信协议模块所完成的任务主要是主设备（如控制系统、手持器）和执行机构的可靠通信，解释执行主设备的请求命令，并返回执行结果及执行机构的工作状态，要求CPU对外部请求通信事件实时响应，因此以串口中断的方式执行HART通信软件模块。TIMER1作为HART通信软件部分的定时器，根据HART通信时间来设定T1的时间常数，有T1中断处理程序处理通信超时问题。
HART通信软件模块包括：INTI中断服务程序；串口中断服务程序；通信发送程序；通信接收程序；HART命令执行程序；T1中断服务程序。T1中断服务程
场总线的两种有代表性的定义。 (l)ISA SP50中对现场总线的定义。现场总线是一种串行的数字数据通讯链路，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。 这里的现场设备指最底层的控制监测、执行和计算设备，包括传感器、控制器、智能阀门、微处理器和内存等各种类型的仪表产品。 (2)根据国际电工委员会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、多分支结构的通讯网路。现场总线的本质含义表现在以下6个方面： a)现场通讯网路：用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通讯网路。 b)现场设备互连：现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等，并可根据需要因地制宜地选择不同类型的传输介质。 c)互操作性：现场设备或现场仪表种类繁多，没有任何一家制造商可以提供一个工厂所需的全部现场设备，所以，互相连接不同制造商的产品是不可避免的。用户不希望为选用不同的产品而在硬件或软件上花很大气力，而希望选用各制造商性能价格比最优的产品，并将其集成在一起，实现“即接即用；用户希望对不同品牌的现场设备统一组态，构成他所需要的控制回路。这些就是现场总线设备互操作性的含义。现场设备互连是基本的要求，只有实现互操作性，用户才能自由地集成FCS。 d)分散功能块：FCS废弃了DCS的输入／输出单元和控制站,把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。例如，流量变送器不仅具有流量信号变换、
DeviceNet 现场总线协议讲解
Devicenet 简介: DeviceNet 是由美国 Rockwell 公司在 CAN 基础 上推出的一种低成本的通信链接， 是一种低端网络系统。 它将基 本工业设备连接到网络，从而避免了昂贵和繁琐的硬接线。 DeviceNet 是一种简单的网络解决方案，在提供多供货商同类部 件间的可互换性的同量， 减少了配线和安装工业自动化设备的成 本和时间。DeviceNet 的直接互连性不仅改善了设备间的通信， 而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能。 现场总线系统的结构和技术特点 1. 现场总线的历史和发展 现场总线是 20 世纪 80 年代中期在国际上发展起来的。 随着 微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧下降， 计算机与 计算机网络系统得到迅速发展， 而处于生产过程底层的测控自动 化系统，采用一对一联机，用电压、电流的模拟信号进行测量控 制， 或采用自封闭式的集散系统， 难以实现设备之间以及系统与 外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整 个企业的信息集成， 要实施综合自动化， 就必须设计出一种能在 工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通讯系统，形成工 厂底层网络， 完成现场自动化设备之间的多点数字通讯， 实现底
层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。 现场总线就是 在这种实际需求的驱动下应运产生的。 它作为过程自动化、 制造 自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络， 沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络 之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。 由于标准实质上并未统一， 所以对现场总线的定义也是各有 各的定义。下面给出的是现场总线的两种有代表性的定义。 (l) ISA SP50 中对现场总线的定义。现场总线是一种串行的 数字数据通讯链路，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。 这里的现场设备指最底层的控制监测、 执行和计算设备， 包 括传感器、控制器、智能阀门、微处理器和内存等各种类型的仪 表产品。 (2)根据国际电工委员会 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、 多分支结构的通讯网路。 现场总线的本质含义表现在以 下 6 个方面： a)现场通讯网路： 用于过程以及制造自动化的现场设备或现 场仪表互连的通讯网路。 b)现场设备互连：现场设备或现场仪表是指传感器、变送器
FF现场总线及应用实例 l.FF 现场总线特点 基金会现场总线(Foundation Fieldbus)通常称为FF 现场总线，它分为HI 和四两级总线。HI 采用符合IEC 61158-2 标准的现场总线物理层;H2 则采用高速以太网为其物理层。 HI 现场总线物理层的主要电气特性如下:采用位同步数字化传输方式;传 输波特率为31. 25kb/s;驱动电压9~32VDC;信号电流土如lA.;电缆型式屏蔽双绞线;接线拓扑结构可采用线型、树型、星型或者符合型;电缆长度小于等于1900m(无中继器时);分支电缆的长度30~12Om;挂界设备数量小于等于32 台(无中继器时);可用中继器小于等于4 台;适用防爆方法有本质安全防爆方法等。 HI 现场总线在一根屏蔽双绞线电缆上完成对多台现场仪表的供电和双向数字通信。控制系统所配备的HI 网卡通常只负责与现场仪表的双向通信。而总线的供电则需由专门的FF 配电器完成。HI 总线以段为单位，每块HI 网卡 有两个端口，每个端口连接一个段，而每一段需配一台FF 配电器。总线的两 端还需各配一个终端电阻，以消除高频信号的回声。 2.基于FF 现场总线的球团竖炉控制系统 根据FF 总线系统体系结构，结合竖炉造球生产的工艺特点，将竖炉造 球控制系统结构设计如下，如图10-2 所示。 整个系统由配料烘干电气控制系统、造球筛分电气控制系统、竖炉本体 电气控制系统、成品运输电气控制系统和过程检测(仪表)控制系统等子系统组成。过程检测(仪表〉控制系统包括若干HI 子系统，采用总线拓扑结构，通过HSEJHl 网关与网络集线器连接;系统中的各电气控制系统由NCS-300OFF 分布
现场总线技术及其应用研究 中文摘要: 现场总线技术自70年代诞生至今，由于它在多方面的优越性，得到大范围的推广，导致了自动控制领域的一场革命。本文从多个方面介绍了现场总线技术的种类、现状、应用领域及前景。 现场总线FF（Field Bus）的概念起源于70年代，当时主要考虑将操作室的现场信号和到控制仪器的控制信号由一组总线以数字信号形式传送，不必每个信号都用一组信号线。随着仪表智能化和通讯数字化技术的发展，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，由全数字现场控制系统代替数字与模拟分散型控制系统已成为工业化控制系统发展的必然趋势。 现场总线已经发展成为集计算机网络、通信技术、现场控制、生产管理等内容为一体的现场总线控制系统FCS（Field-bus Control System）。它将通信线一直延伸到生产现场生产设备，用于过程和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络，将传统的DCS 三层网络结构变成两层网络结构，降低了成本，提高了可靠性，实现了控制管理一体化的结构体系。 关键词：现场总线技术、自动控制、发展趋势
第一章绪论 现场总线（Fieldbus）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。 现场总线控制系统（FCS）是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替4－20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录）的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。控制专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。 第二章现场总线技术概述 2.1现场总线的定义： 目前，公认的现场总线技术概念描述如下：现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。其中，"生产过程"包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。 2.2 现场总线技术产生的意义 （1）现场总线（Fieldbus）技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。 （2）传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的、4-20mA/24VDC信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的"信息孤岛"，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。 （3）基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络，构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。 第三章现场总线的种类 从20世纪90年代以后，现场总线技术得到了迅猛发展，出现了群雄并起、百家争鸣的局面。目前已开发出有40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、
Lonworks 总线及其应用
2008-2-27 17:03:00 来源：
一、现场总线 现场总线是 20 世纪 80 年代中期在国际上发展起来的。 随着微处理器与计算机功能的不断增强和价 格的降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展。现场总线可实现整个企业的信息集成，实施综合自 动化，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产 现场与外界的信息交换。现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点 数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 迄今为止，比较成熟的并且比较有影响力的现场总线则有以下几种类型： 1.FF，2.Profibus，3.CAN，4.Lonworks，5.Devicenet，6.Interbus，7.WorldFIP，8.Swiftnet，9.P-net， https://www.doczj.com/doc/1e11884914.html,-link，11.AS-i，12.controllnet。 由于现场总线系统打破了传统控制系统采用的按控制回路要求， 设备一对一的分别进行连线的结构 形式。把原先 DCS 系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块放入现场设备，加上现场设备具有 通信能力，因而控制系统功能能够不依赖控制室中的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底 的分散控制。 现场总线系统在技术上具有以下特点： (1)系统具有开放性和互用性 通信协议遵从相同的标准，设备之间可以实现信息交换，用户可按自己的需要，把不同供应商的产 品组成开放互连的系统。 系统间、 设备间可以进行信息交换， 不同生产厂家的性能类似的设备可以互换。 (2)系统功能自治性 系统将传感测量、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，现场设备可以完成 自动控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行状况。 (3)系统具有分散性 现场总线构成的是一种全分散的控制系统结构，简化了系统结构，提高了可靠性。 (4)系统具有对环境的适应性 现场总线支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采 用两线制实现供电和通信，并可以满足安全防爆的要求。 由于现场总线结构简化，不再需要 DCS 系统的信号调理、转换隔离等功能单元及其复杂的接线， 节省了硬件数量和投资。简单的连线设计，节省了安装费用。设备具有自诊断与简单故障处理能力，减 少了维护工作量。设备的互换性、智能化、数字化提高了系统的准确性和可靠性。还具有设计简单，易 于重构等优点。 下面本文对 Lonworks 总线和其技术特点及原理进行详细阐述： 1. Lonworks 总线及 Lonworks 系统特点 Lonworks 是由美国 Echelon 公司于 20 世纪 90 年代初推出的现场总线， 它采用 ISO/OSI 模型的全部 7 层通讯协议， 这是在现场总线中唯一提供全部服务的现场总线， 在工业控制系统中可同时应用在 Sensor Bus、Device Bus、Field Bus 等任何一层总线中。它除了具有上面说提到的现场总线的公共的特点外， 另外，在一个 Lonworks 控制网络中，智能控制设备(节点)使用同一个通信协议与网络中的其它节点通
现场总线技术综述 一.概述 现场总线控制系统技术是20 世纪80 年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术。现场总线控制系统（FCS）的出现引起了传统的PLC 和DCS控制系统基本结构的革命性变化。现场总线系统技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。更重要的是从原来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络选择设备。尤其是20世纪90 年代现场总线控制系统技术逐渐进入中国以来，结合Internet 和Intranet 的迅猛发展，现场总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。现场总线控制系统技术已成为工业控制领域中的一个热点。 1.现场总线的特点 现场总线技术实际上是采用串行数据传输和连接方式代替传统的并联信号传输和连接方式的方法，它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的数据传输，同时在保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性。一般的现场总线具有以下几个特点：（1）布线简单（2）开放性（3）实时性（4）可靠性2.现场总线的优点 由于现场总线以上的特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计，安装，投运到正常生产运行以及检修维护，都体现出优越性。 1.节省硬件数量与投资， 2.节省安装费用 3.节省维护开销 4.用户具有高度的系统集成主动权 5.提高了系统的准确性与可靠性 3.现场总线的应用领域 目前现场总线技术的应用主要集中在冶金、电力、水处理、乳品饮料、烟草、水泥、石化、矿山以及OEM用户等各个行业，同时还有道路无人监控、楼宇自动化、智能家居等新技术领域。
二．现场总线的标准 1.IEC61158的制定 1984年IEC提出现场总线国际标准的草案。1993年才通过了物理层的标准IEC1158-2,并且在数据链路层的投票过程中几经反复。 发展61158现场总线的本意是“排他的和联合的”，各自独立的“现场总线”将给用户带来许多头疼的技术问题，牺牲的是用户的利益。在现场总线领域里，德国派（ISP，Interoperable System Project,可互操作系统规划,是一个以Profibus 为基础制定的现场总线国际组织)和法国派（WORLD FIP）的对持十分激烈，互不相让，以至于IEC无法通过国际标准。1994年6月在国际上要求联合强烈的呼声和用户的压力下，ISP 和World FIP成立了FF(Fieldbus Foundation,现场总线基金会), 推出了FF现场总线。IEC投票的文本就是以FF为蓝本的方案。这是现场总线发展的主流方向。 由于FF的目标是致力于建立统一的国际标准，它的成立实质上意味着工业界将摒弃ISP（含PROFIBUS）和WORLD FIP。它的成立导致了德国派ISP 立即解散；法国派（WORLD FIP）已经明确表示不反对IEC的方案，并且可以友好地与IEC方案互联，甚至提出了与FF“无缝连接”方案；而剩下的德国派PROFIBUS因为与FF的方案和技术途径不同，过渡将是非常困难，因此强烈反对IEC方案以保住市场份额。但是PROFIBUS提出的技术理由仅仅是一些支节问题，于是一些评论认为它是出于商业利益的驱动去反对FF，国际上的现场总线之争已经演变成为PROFIBUS的德国派与以FF为代表的“联合派”竞争。有趣的是工业国家的大公司往往“脚踏几条船”加入各种现场总线以获得更多的商业 利益，如最能说明问题的是最主要的反对者西门子公司（PROFIBUS主要成员）也参加了FF。这种具有特殊意义事实已经说明了PROFIBUS要与FF对抗在技术上处于明显的劣势。 在现场总线国际标准IEC61158中，采用了一带七的类型，即： 类型1 原IEC61158技术报告（即FF －H1） 类型2 Control Net（美国Rockwell）公司支持 类型3 Profibus（德国SIEMENS公司支持） 类型4 P-Net（丹麦Process Data公司支持）
现场总线及通讯协议 现场总线的现状和未来发展 一、引言 计算机控制系统的发展在经历了基地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以及集散控制系统（DCS）后，今后将朝着现场总线控制系统的方向发展。现场总线(field bus)是指现场仪表和数字控制系统输入输出之间的全数字化、双向、多站的通讯系统。 二、现场总线的产生 纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大外因的推动下占领市场的主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生也不例外。 1、模拟仪表控制系统 模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。 2、集中式数字控制系统 集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。采用单片机、PLC、SLC 或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。集中式数字控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制机时的选择上可以统一调度和安排；不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。 3、集散控制系统（DCS） 集散控制系统（DCS）于八、九十年代占主导地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。在集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技
前言：近年来，各种现场总线技术在愈来愈多的工业现场得到良好的应用，国外多家知名自动化厂商相继推出了现场总线类产品，为了适应工业自动化产品技术发展的需要，满足众多客户现场总线应用需求，台达也推出了CANopen总线产品，支持台达全系列自动化产品，同时支持自定义设备，可以支持其他厂商产品接入CANopen现场总线。 本项目就是利用台达CANopen总线和台达其他自动化产品整合应用，基于CANopen现场总线通讯协议，达到高速通讯响应的控制要求。
控制系统技术方案配置：详见下表 序号 元件名称 型号规格 数量（台） 备注 1 人机界面 DOP-AE10THTD 1 10.4”
2 PLC主机 DVP28SV11R 1 16K Step 3 CANopen主站DVPCOPM-SL 1 SV左侧高速扩展 4 CANopen从站 IFD9503 5 CANopen/Modbus 5 变频器 VFD007B21A
750W，单相220V 6 变频器 VFD007M21A 3 750W，单相220V 7 变频器 VFD004S21A 1 400W，单相220V
上述表格仅列举出技术方案主要元器件，此外还包括121Ω终端电阻以及其他通讯连接电缆等辅助器件，此处均不予赘述。 控制系统原理框图简要介绍： 采用CANopen现场总线作为通讯介质，主要为了实现多从站大量数据高速通信响应和提高通讯稳定性，和传统Modbus通讯协议比较，CANopen总线通讯协议有质的飞跃，数据通讯不再受到Modbus轮
询方式的制约，大大提高了主从站之间的大量数据通讯响应速度和稳定性。 人机界面通过RS485和主站28SV PLC连接，28SV左侧高速并行接口连接CANopen总线主站模块DVPCOPM-SL，5台CANopen 总线从站模块IFD9503分别连接5台台达变频器，系统实现人机输入频率和启停命令，实时显示变频器输出频率、电流、电压等参数数
竭诚为您提供优质文档/双击可除 fieldbus协议 篇一：几种主要现场总线协议的特点 几种主要现场总线协议的特点 绿洲驿站20xx-3-119:36:35 现场总线在发展的最初，各个公司都提出自己的现场总线的协议，如ab公司的 devicenet,tuRck公司的sensoplex,honeywell公司的sds，phoenix公司的interbus-s，以及seriplex,asi等。经过十几年的发展，现场总线的协议逐渐趋于统一，针对制造业自动化，devicenet在北美和日本用的比较普遍，pRoFibus-dp在欧洲用的比较普遍。针对过程自动化，pRoFibus-pa和FoundationFieldbus占据大部分市场。其他的总线协议如asi、interbus-s、sensoplex在某些特殊的领域也有一些市场，下面分别介绍各种总线的一些特点。 1、pRoFibus，最快的总线，世界范围的标准。 pRoFibus是在1987年，由德国科技部集中了13家公司和5家科研机构的力量，按照iso/osi参照模型制订的现场总线的德国国家标准。最近，在欧洲通过投票，成为欧洲的
标准en50170。主要由拥有400多个公司成员的pRoFibus用户组织（pno）进行管理。 pRoFibus由三部分组成，即pRoFibus-Fms，pRoFibus-dp 及pRoFibus-pa。其中，Fms主要用于非控制信息的传输，pa主要用于过程自动化的信号采集及控制。pRoFibus-dp是制造业自动化主要应用的协议内容，是满足用户快速通讯的最佳方案，每秒可传输12兆位。扫描1000个i/o点的时间少于1ms。 pRoFibus是世界范围的标准，取得了很大的成功：至少1，000，000套设备投入运行，超过600家成员公司，超过1100种pRoFibus产品。 2、devicenet通用型、低价位的总线 devicenet（设备网）是一种低价位的总线，它可连接自动化生产系统中广泛的工业设备。在制造业领域，设备网遍及全球，尤其是北美和日本。最初是由ab公司设计，现在已经发展成为一种开放式的现场总线的协议，其管理组织odVa由全球多家公司组成，提供设备网的产品，支持设备网规范的进一步开发。devicenet能够降低设备的安装费用和时间。控制系统中的接近开关、光电开关和阀门等可通过电缆、插件、站等产品进行长距离通讯。并且能够提高设备级的诊断能力。相对于pRoFibus-dp，devicenet具有更强大的通讯功能，支持除了主-从方式之外的，多种通讯方式，
现场总线综述 设计题目：现场总线技术的现状及其发展前景学院名称：电子与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化 姓名：+++ 班级：电气112 班 学号：11401170236 指导教师：邱雪娜 2014 年11 月17 日
现场总线技术的现状及其发展前景 +++ （宁波工程学院，电子与信息工程学院，浙江宁波 315000） 摘要：现场总线技术是自动化领域里的一项新技术。本文阐述了现场总线技术的产生与发展及各类现场总线技术的历史、现状及特点,最后展望了该技术的未来发展趋势。 关键词：现场总线；产生与发展；特点；发展趋势 Present situation and development prospect of Fieldbus Technology LI Gensheng （School of Electron and Information Engineering, Ningbo University of Technology, Ningbo 315000 , China） Abstract: The fieldbus technology is a new technology in automatization. This paper expounds the origin and development of fieldbus technology and all kinds of history, present situation and characteristics of field bus technology, the future development trend of this technology are discussed. Key words：f ieldbus; generation and development; characteristic; the development trend 引言 现场总线控制系统技术自70年代诞生至今，由于它在减少系统线缆，简化系统安装、维护和管理，降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性引起人们的广泛注意，得到大范围的推广，导致了自动控制领域的一场革命。随着计算机技术的发展，现场总线技术不断向数字化、微型化、个性化，专用化发展。现场总线技术的市场不断扩大，前景广阔。 1 现场总线的定义与特点 1.1现场总线技术的定义 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/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。 1.2现场总线的特点 现场总线技术实际上是采用串行数据传输和连接方式代替传统的并联信号传输和连接方式的方法，它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的数据传输，同时在保证传输实时
DeviceNet 现场总线协议讲解 Devicenet 简介: DeviceNet 是由美国Rockwell 公司在CAN 基础上推出的一种低成本的通信链接，是一种低端网络系统。它将基本工业设备连接到网络，从而避免了昂贵和繁琐的硬接线。DeviceNet 是一种简单的网络解决方案，在提供多供货商同类部件间的可互换性的同量，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。DeviceNet 的直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能。现场总线系统的结构和技术特点 1. 现场总线的历史和发展 现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧下降，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一联机，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就
必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通讯系统，形成工
厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通讯，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运产生的。它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。 由于标准实质上并未统一，所以对现场总线的定义也是各有各的定义。下面给出的是现场总线的两种有代表性的定义。 （l） ISA SP50 中对现场总线的定义。现场总线是一种串行的数字数据通讯链路，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。 这里的现场设备指最底层的控制监测、执行和计算设备， 包括传感器、控制器、智能阀门、微处理器和内存等各种类型的仪表产品。 （2）根据国际电工委员会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、多分支结构的通讯网路。现场总线的本质含义表现在以下6 个方面： a）现场通讯网路：用于过程以及制造自动化的现场设备或
现场总线技术在电力自动化中的应用 1、概述 现场总线（Fieldbus）是当前自动化领域的热门话题，被誉为自动化领域的计算机局域网。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，随着工业电网的日益复杂，人们对电网的安全要求也越来越高，现场总线控制技术作为一门新兴的控制技术必将取代过去的控制方式而应用在电力自动化中。 2、现场总线 现场总线是80年代末、90年代初国际上形成的，用于生产现场、在微机化测量控制设备之间的实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 现场总线系统FCS称为第五代控制系统，人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DSC系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。
2.1 特点 现场总线技术是计算机，网络通讯、超大规模集成电路、仪表和测试、过程控制和生产管理等现代高科技迅猛发展的综合产物，因此现场总线的内涵现在已远远不是指这一根通讯线或一种通讯标准。现场总线的控制系统在精度、可靠性、经济性等许多方面都要比传统的控制系统要优越得多，其主要特点如下。 A 系统的开放性。 传统的控制系统是个自我封闭的系统，一般只能通过工作站的串口或并口对外通讯。在ＦＣＳ中, 工作站同时靠挂于现场总线和局域网两层网络，通过后者可以与其它计算机系统或网络进行高速信息交换，以实现资源共享。另外，现场总线的技术标准是对所有制造商和用户公开的，没有专利许可要求，实行技术共享。它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 B 可操作性与互用性 不同厂家生产的DCS产品不能互换，要想更新技术和设备，只能全部更换。FCS可实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
现场总线概述 现场总线控制系统技术是20 世纪80 年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术。现场总线控制系统（FCS）的出现引起了传统的PLC和DCS控制系统基本结构的革命性变化。现场总线系统技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。更重要的是从原来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络选择设备。尤其是20世纪90 年代现场总线控制系统技术逐渐进入中国以来，结合Internet 和Intranet 的迅猛发展，现场总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。现场总线控制系统技术已成为工业控制领域中的一个热点。 1 现场总线的发展 计算机控制系统的早期，采用一台小型机控制几十条控制回路，目的是降低每条回路的成本。但由于计算机的故障将导致所有控制回路失效，所以后来发展成分布式控制（DCS），即由多台微机进行数据采集和控制，微机间用局域网（LAN）连接起来成为一个统一系统。DCS沿用了二十多年，其优点和缺点均充分显露。最主要的问题仍然是可靠性：一台微机坏了，该微机管辖下的所有功能都失效；一块AD板上的模/数转换器坏了，该板上的所有通道（8或16个）全部失效。曾有过采用双机双I/O等冗余设计，但这又增加了成本，增加了系统的复杂性。为了克服系统可靠性、成本和复杂性之间的矛盾，更为了适应广大用户要求的系统开放性、互操作性要求，实现控制系统的网络化，一种新型控制技术──现场总线控制系统（FCS）正迅速发展起来。 1.1 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/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。
工业现场总线协议解析 工业网络通常采用现场总线协议，通过实时和可靠的分布式控制功能来连接生产车间中的仪器仪表和机械设备，比较容易并且可靠的控制所实现的系统。现场总线标准应用非常广泛，大量已经安装的设备都采用了现场总线。但是，大部分这些现场总线标准都是基于(已有的)串行通信协议标准(与RS485或者RS232相似)，没有充分发挥应用广泛的以太网技术的优势。 随着系统复杂程度的增加，大部分现场总线难以满足平台通用性和系统性能的要求。这促使设备生产商转向采用基于以太网的通信技术，实现高性能、低成本和很好的通用性。很多现场总线标准都已经集成到工业以太网协议中，采用很少的控制功能，实现实时通信和工业互联，同时保护了在现场总线软件和已有设备上的投入。 控制区域网(CAN)是一种广播、差分串行总线标准，工作在干扰较大的电力机械(噪声)环境中。CANopen建立在自动化应用CAN (例如，数据链路层和物理层)基础上，能够实现百分之百的数据完整性，而采用以太网无法满足这一要求。 DeviceNet是设备级网络，为工业自动化提供可靠、高效的数据处理功能。ControlNet是一种实时、确定性、可重
构的控制层网络，适用于数据和消息的高速传送。DeviceNet 和ControlNet的应用层基于公共工业协议(CIP)层，它也用于Ethernet/IP中。这些协议目前由独立开放设备供应商协会(ODV A)管理。 LonWorks是用于开发照明和HV AC等自动化/控制应用的流行协议标准。LonWorks网络设备可使用各种介质，包括双绞线、电源线、以太网、光纤和RF等。 Modbus是为可编程逻辑控制器(PLC)应用开发的免版税开放串行通信协议。Modbus支持很多设备连接在同一网络上，例如监控以及数据采集(SCADA)系统中管理计算机和远端单元(RTU)的连接等。Modbus基本结构由Modbus/IDA进行管理，这一自动设备独立用户和供应商组织希望能够推动这一协议标准的广泛应用。 过程现场总线(PROFIBUS)是一种现场总线协议。对于分散外围设备和过程自动化(DP和PA)这两种PROFIBUS，在分散生产和过程控制中，PROFIBUS DP一般通过中央控制器对传感器和激励器进行控制。应用较少的PA主要用于监视测量设备。经过多年的应用，PROFIBUS在生产和过程自动化方面都得到了广泛认可。Profibus国际组织(PI)不断完善并推进PROFIBUS技术的应用。 串行实时通信系统(SERCOS)接口为运动控制、数字伺服驱动和输入/输出(I/O)设备提供标准、实时、高性能通信链接。
LonWorks现场总线及应用实例 LonWorks 是美国Echelon 公司推出的现场总线技术，它采用Lon Talk 协议，封装在Neuron 神经元芯片。Neuron 芯片上集成了3 个CPU，其中一个CPU 作为控制器，可以处理现场I/O，另两个CPU 处理网络通信，因此LonWorks 的最大优势是网络处理能力。它采用ISO/OSI 模型的全部7 层通信 协议及面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置， 其通信速率范围为3kb/s~1. 5Mb/s，直接通信距离可达2. 7 阳。LonWorks 的物理层可以使用多种介质，如EIA485、双绞线、无线电，红外线，等等。使用双 绞线时最高传输速率为1. 25M 胁，最大传输距离为1. 2km，一个网中可以有255 个网段，每个双绞线网段可连接64 个节点;1..onWorks 网上的每个控制节 点，称为LON 节点或1..onWorks 智能设备，它包括一块神经元芯片(Neuron)、 收发器、νo 网络通信接口及电源等功能块，LonWorks 网由多个节点组成， 节点通过收发器接入网络总线。1.LonWorks 特点 LonWorks 是唯一涵盖全部3 个层次(Sensor Bus、Device Bus 和Field Bus)，符合ISO/OSI7 层参考模型的现场总线技术。在一个多种层次的现场总线产品 并存竞争的现实环境下，LonWorks 兼收并蓄，成为连接过去、包容现在、面 向未来的工业总线技术。 LonWor ks 技术的核心是以固件形式实现7 层通信协议，遵循元中心控 制的真正分散模式;结点应用程序编写简易，开发系统完备;实行开放结构，具 备良好的互操作性;另外，还有网关可方便构成局域网，甚至与Internet 相连， 实现远程预览现场设备数据的应用。 LonWorks 技术在楼宇自控系统中的技术上的优势是显而易见的: (1)直接互联性。不同品牌、功能的DDC 组成一个统一控制网络协同工
常熟理工学院电气与自动化工程学院 《现场总线技术》课程论文题目：现场总线协议及应用 姓名： 学号： 班级： 指导教师： 日期：
1.现场总线的概念 根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会（ISA）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，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。它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。现场总线技术以其鲜明的特点和优点很快进入各个领域 2.现场总线控制系统的结构及其特点 国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求：同一数据链路上过程控制单元（PCU）、 PLC等与数字1/ O设备互连；现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取，它是一种串行的数字数据通讯链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（即现场级设备）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。现场总线控制系统主要包括一些实际应用的设备，如PLC、扫描器、电源、输入输出站、终端电阻等。现场总线控制模式具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点，是工业自动化发展的趋势。目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，较著名的有基金年现场总线FF、CAN现场总线、PROFIBUS现场总线、HART现场总线、LONWORKS现场总线等。 3.现场总线协议 （1）基金会总线（FF) FF现场总线基金会是一个国际性的组织，其目标是建立单一的、开放的、可互操作的现场总线国际标准。该总线使用框架式以太网（Shelf Ethernet）技术，传输速率从100Mbps到1Gbps或更高。完全支持IEC 61158现场总线的各项功能，并允许基于以太网的装置通过一种连接装置与H1装置相连接。连接到一个连接装置上的H1装置无须主系统的干予就可以进行对等层通信。连接到一个连接装置上的H1装置同样无须主系统的干预也可以与另一个连接装置上的H1装置直接进行通信。 石油、天然气、石油化工、化工领域的项目数占FF总线全部项目数的44.9%，说明石化领域目前是FF总线最主要的应用领域。
现场总线习题答案 作者：张磊 第一章现场总线技术概述 1.自动控制系统的发展经历了哪几个阶段？ 大致经历了四个发展阶段，具体如下：20世纪50年代以前是模拟仪表控制系统；直接数字控制系统；70年代中期出现集散控制系统；90年代后期现场总线控制系统。 2.DCS控制系统的结构包括哪几部分？ 包括三部分：分散过程控制装置部分，操作管理装置部分，通信系统部分 3.现场总线的基本定义？ 现场总线(Fieldbus)：是用于过程自动化或制造自动化中的，实现智能化现场设备（例如，变送器、执行器、控制器)与高层设备(例如主机、网关、人机接口设备)之间互联的，全数字、串行、双向的通信系统。 5. 现场总线控制系统的技术特点。 1.开放性； 2.全数字化； 3.双向通信； 4.互可操作性与互用性； 5.现场设备的智能化与功能自治性 6.系统结构的高度分散性 7.对现场环境的适应性 6. FCS相对于DCS具有哪些优越性？ 1．FCS实现全数字化通信2．FCS实现彻底的全分散式控制3．FCS实现不同厂商产品互联、互操作4．FCS增强系统的可靠性、可维护性5．FCS降低系统工程成本 7. 分析现场总线的现状，展望其发展前景。 第二章数据通信基础与网络互联 1.何谓现场总线的主设备、从设备？ 可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”，又称命令者。不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备(bus slaver)，也称基本设备。
2.总线操作过程的内容是什么？ 总线上命令者与响应者之间的连结→数据传送→脱开，这一操作序列称为一次总线“交易”(transaction)，或者叫做一次总线操作。 3.寻址方式有几种？物理寻址逻辑寻址广播寻址 4.通信系统由哪几部分组成?各自具有什么功能? 通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。它一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输媒介几部分组成。 信息源和接收者是信息的产生者和使用者 发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。 传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。它可以是无线的，也可以是有线的(包括光纤)。有线和无线均有多种传输媒介，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。 接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。 5.通信方式按照信息的传输方向分为哪几种? 单工(simplex)方式；半双工(Half duplex)方式；全双工(Full duplex)方式 6.通信的传输模式分为哪几种? 基带传输载波（带）传输宽带传输异步转移模式ATM 7.在载带传输中有哪几种常用的数据表示方法？ 调幅方式、调频方式、调幅方式 8.在数据通讯系统中，通常采用哪几种数据交换方式? 线路交换方式报文交换方式报文分组交换方式 9.比较通信系统中的几种拓扑结构。 星型结构：在星形拓扑中，每个站通过点-点连接到中央节点，任何两站之间通信都通过中