第13章现场总线数据通信系统

简述现场总线的概念
现场总线是指将各个传感器、执行器和控制设备连接到一个共享的通信线路上，在这个线路上进行数据传输和控制命令的通信系统。

现场总线可以将各个设备连接并集成在一个系统中，从而实现实时的数据交换和远程控制。

现场总线的主要特点包括：
1. 集成性：现场总线可以将各个设备连接在一起，形成一个集成的系统。

通过共享通信线路，各个设备可以实时地交换数据和命令，从而实现设备之间的协同工作。

2. 可扩展性：现场总线可以根据实际需求进行扩展和扩展，灵活调整系统规模。

新的设备可以很容易地添加到现有系统中，而不需要改变整个系统的结构。

3. 实时性：现场总线的设备可以通过共享的通信线路实时地交换数据和控制命令。

这使得系统具有较高的响应速度和实时性，能够满足对实时控制的要求。

4. 可靠性：现场总线通常会采用冗余和错误纠正技术，以提高系统的可靠性。

当某个设备发生故障时，其他设备可以接管其工作，保证系统的连续运行。

5. 易于维护：现场总线的连接和布线相对简单，维护成本低。

通过集成的系统管理软件，可以实时监控和管理整个系统，便于故障排除和维护。

现场总线广泛应用于工业自动化领域，如工厂自动化控制系统、楼宇自动化系统、交通信号控制系统等。

它提供了一种高效可靠的通信方式，实现了设备的集成和协同工作，提高了生产效率和系统的可靠性。

工业数据通信和控制网络（现场总线）现场总线技术现场总线控制系统（简称FCS）其结构模式为“工作站――现场总线智能仪表”二层结构，成本低、可靠性高，可实现真正的开放式互连系统结构。

操作站LANH2H1服务器H1现场总线现场设备124H1网桥H1H132现场设备H1现场总线现场总线FCS控制层32现场设备原理图控制系统应用图示例使用控制系统分布确定现场总线的接线H1现场总线#3网段控制室PCGreenLiquorStorageLT111LT112H1现场总线#2网段LT101Re-BurnedPurchasedLimeLimeDT109FT11019SC11124IP102IP104AIP104BCoolerSC11225SC1102320FT102AT10321TT104HeaterCV-101A/OAT106AT107AAT107BLT108SC10822H1现场总线#1网段TT105现场总线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。

它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。

网络节点网络体系包括IPC、PLC以及各种智能化的现场控制设备基于统一、规范的通信协议通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享位于生产控制的底层网络结构通信总线在现场设备中的延伸现场总线的发展1996年到1998年，国际性组织FF（现场总线基金会）和PNO（Profibus国际组织）先后发布了适于过程自动化的现场总线标准H1、H2（HSE）和Profibus-PA,H1和PA都在实际工程中开始应用。

1999年底，包含8种现场总线标准在内的国际标准IEC-61158开始生效，除H1、HSE和PA外，还有WorldFIP、Interbus、ControlNet、P-NET、SwiftNet等五种。

Profibus较适合于工厂自动化，CAN适用于汽车工业，FF总线(FoundationFieldbus)主要适用于过程控制现场总线的网络结构现场总线的星形网络结构现场总线的网络结构特点Ethernet/HighwayFiledbusIPC、PLC。

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术的发展和应用，遗憾的是，不同的DCS厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层Intranet、Internet信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系统且DCS造价昂贵。

工业现场总线体系介绍工业现场总线（Industrial Fieldbus）是一种用于工业控制领域的通讯系统技术，它能够实现多个设备之间的数据交换和通信。

工业现场总线系统是由若干个节点组成的，每个节点可以连接一个或多个设备，包括传感器、执行器、PLC（可编程逻辑控制器）等。

总线系统可以实现设备之间的数据传输、控制指令传达等功能。

总线系统的主要作用是使各个设备之间可以实现信息的共享和集成。

传统的控制系统往往需要大量的硬件设备和复杂的布线，而总线系统可以通过一个统一的总线将各个设备连接在一起，大大减少了系统的复杂性和成本。

此外，总线系统还具有灵活性和可扩展性强的特点，可以根据实际需求对系统进行调整和升级。

工业现场总线的发展可以追溯到20世纪80年代初，当时的西门子公司首先提出了一种用于连接PLC的域总线系统，即PROFIBUS。

随后，其他公司也相继推出了自己的总线系统，如施耐德电气的Modbus、ABB的FieldBus和Yokogawa的HART等。

总线系统通常由以下几个组成部分构成：总线介质、节点、传输协议和应用软件。

总线介质是指传输信号的媒介，可以是电缆、光纤或无线信号。

不同的总线系统使用不同的总线介质，如PROFIBUS使用双绞线，而FOUNDATION Fieldbus使用双绞线或光纤。

节点是总线系统中的每个设备，每个节点都有唯一的地址。

节点可以是传感器、执行器、PLC等，它们通过总线与其他设备进行通信和数据交换。

节点可以发送和接收数据，根据命令进行相应的操作。

传输协议是总线系统中节点之间通信的规范和约定。

传输协议定义了数据的格式、传输速率、错误检测和纠正等功能。

不同的总线系统使用不同的传输协议，如PROFIBUS使用RS-485作为物理层协议，而FOUNDATION Fieldbus使用HART作为物理层协议。

应用软件是用于配置和管理总线系统的软件。

应用软件可以用于设置节点的地址、数据采集和监控、故障诊断等功能。

什么是现场总线？随着计算机、控制、通信、网络等技术的发展，作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线（FieldBus）技术也得到了发展迅速、影响巨大，引起了工程技术界的普遍兴趣与重视，使计算机控制系统逐步从集散控制系统（DistributedControlSystem DCS）走向以现场总线位基础的分布式现场总线控制系统（FieldbusControlSystem,FC S），被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。

现场总线技术是20世纪80年代中期在国际上发展起来的一种工业控制技术。

通俗地讲，现场总线就是用在现场的总线技术，和计算机内部的总线概念一样，但是由于现场的特殊环境（如温度，安装条件，干扰等等），不同于计算机通常用于室内，为了区别，所以我们把这种总线称为现场总线。

现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。

现场总线被誉为自动化领域的计算机局域网1．1、现场总线的特点根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会(ISA)对现场总线的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向多节点、总线式的全数字通讯，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、造价低廉、维护成本低等特点。

国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求：（1）同一数据链上过程控制单元（PCU）、PLC等与数字1/0设备互连；（2）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；（3）通信媒体安装费用较低。

SP50委员会提出的两种现场总线结构模型是：●星型总线用短距离、廉价、低速率电缆取代模拟信号传输线●总线型总线数据传输距离长、速率高，采用点对点、点对多点和广播式通信方式2．2、现场总线技术特征现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有以下几项技术特征。

（1）现场设备已成为以微处理器为核心的数字化设备，彼此通过传输媒体（双绘线、同轴电缆或光纤）以总线拓扑相连；（2）网络数据通信采用基带传输（即数字数据数字传输），数据传输速率高（为Mbit/s或10Mbit/s级），实时性好，抗干扰能力强；（3）废气了集散控制系统（DCS）中的I/O控制站，将这一级功能分配给通信网络完成；（4）分散的功能模块，便于系统维护、管理与扩展，提高可靠性；（5）开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互连设备与控制级网络或管理信息级网络相连；（6）互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需要的网络。

一章1、现场总线：应用在生产现场，在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的技术。

2、现场总线技术特点：系统的开放性、互可操作性、通信的实时性和确定性、现场设备的智能与功能自治性、对现场环境的适应性。

3、现场总线的优越性：节省硬件数量与投资、节省安装费用、节省维护开销、用户具有系统集成主动权、提高系统的准确性与可靠性。

4、企业网络系统按功能结构划分为：企业资源规划层ERP、制造执行层MES、现场控制层FCS。

二章1、总线协议：总线上的设备如何使用总线的一套规划。

2、总线主设备：有能力在总线上发起通信的设备。

3、总线仲裁：对总线冲突的处理过程，根据某种裁决规则来确定下一个时刻具有总线占有权的设备。

有集中仲裁和分布式仲裁两种。

4、数据通信系统中，无线传输媒体：电磁波、红外线。

有线媒体：双绞线、电缆、电力线、光缆。

5、工业数据通信中常用数据传输速率9600b/s、31.25kb/s、500kb/s、1mb/s、2.5mb/s、10mb/s、100mb/s。

6、误码率pe：数字通信中二进制码元出现传输出错的概率。

用处：7、增加带宽w并不能无限制地是信道容量增大。

8、模拟数据编码：采用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0、1状态。

数字数据编码：用低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态。

9、模拟数据编码的三种编码方法：幅值键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK。

10、曼彻斯特编码定义：数据通信中最常用的一种基带信号编码。

好处：在一个位时间内，其中间点总有一次信号电平的变化，这一信号电平的变化可用来作为节点间的同步信息，无需另外传送同步信息。

11、串行传输：数据流以串行方式逐位地在一条信道上传输。

并行传输：将数据以成组的方式在两条以上的并行通道上传输。

12、同步传输和异步传输是指通信处理中使用时钟信号的不同方式。

13、同步原因：接收方为了能正确恢复位串序列，必须能正确区分出信号中的每一位，区分出每个字符的起始与结束位置，区分出报文帧的起始与结束位置。

现场总线的通信原理与应用1. 现场总线概述现场总线（Fieldbus）是工业自动化中常用的一种通信网络技术，它用于实现各种设备之间的通信与控制。

现场总线可以连接传感器、执行器、控制器等设备，将它们连接起来构成一个整个系统，并提供数据传输和控制命令的功能。

2. 现场总线的通信原理现场总线的通信原理是基于分布式控制系统（DCS）的概念，它采用集中式控制与分散式执行的方式来实现设备的通信和控制。

具体的通信原理如下：2.1 主从通信方式现场总线采用主从通信方式，其中总线主设备负责发送命令和接收数据，而从设备负责接收命令和发送数据。

这种方式使得总线能够灵活地控制设备，实现实时监测和控制。

2.2 数据传输方式现场总线的数据传输方式分为循环传输和报告传输两种。

循环传输是主设备周期性地向从设备发送数据，而报告传输是从设备在需要时向主设备发送数据。

2.3 数据帧格式现场总线的数据帧格式由头部、数据区和尾部组成。

头部包含地址信息和命令信息，数据区是实际的数据内容，尾部用于校验数据的完整性。

3. 现场总线的应用现场总线广泛应用于工业自动化领域，主要用于以下方面：3.1 数据采集与监测现场总线可以连接传感器，实时采集各种数据并传输到控制中心。

控制中心可以对数据进行监测和分析，从而实现对工艺过程的全面控制和调节。

3.2 控制与执行现场总线可以连接执行器，实现对设备的远程控制。

通过总线可以发送控制命令，实现对设备的启动、停止和调节等操作。

3.3 故障诊断与维护现场总线可以实时监测设备的运行状态，并将故障信息传输到控制中心。

控制中心可以通过总线对设备进行诊断和维护，提高故障的及时修复。

3.4 系统集成与扩展现场总线可以连接不同类型和厂家的设备，实现系统的集成和扩展。

通过总线可以将不同设备连接起来，构成一个完整的工业自动化系统。

4. 总结现场总线作为一种常用的工业自动化通信网络技术，具有灵活、可靠性高的特点。

它通过主从通信方式、循环传输和报告传输的数据传输方式，实现了设备之间的实时通信和控制。