现场总线

一，工业总线三种基本类型*传感器级总线，即485总线网络*设备级总线，即HART总线网络*现场总线，即FieldBus现场总线网络现场总线定义：现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网现场总线分为以下几种：下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。

1、基金会现场总线（FoundationFieldbus 简称FF）这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。

该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。

基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。

FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。

后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。

FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。

2、CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域网）最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。

CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。

CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。

CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M /1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。

已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。

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。

1、什么是现场总线？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的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。

现场总线一般是指一种用于连接现场设备，如传感器（sensors）、执行器以及像PLC、调节器（regulators）、驱动控制器等现场控制器的网络。

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。

现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（现场设备）之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备（车间级设备）之间的联系。

现场总线是连接控制系统中现场装置的双向数字通信网络；现场总线是从控制室连结到现场设备的双向全数字通信总线。

现场总线是用于过程自动化和制造自动化（最底层）的现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。

现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。

由此网络构成的系统称为现场总线控制系统。

2、现场总线的结构特点是什么？现场总线系统中，各现场设备分别作为总线上的网络节点，设备之间采用网络式连接是现场总线系统在结构上最显著的特征之一。

（1）系统的开放性开放系统是指通信协议公开，不同制造商提供的设备之间可实现网络互连与信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。

（2）互可操作性与互用性互可操作性，是指网络中互连设备间的信息传送与交换，可实行点对点，一点对多点的数字通信。

而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。

（3）通信的实时性与确定性现场总线系统的基本任务是实现测量控制。

现场总线系统中的媒体访问机制、通信模式、网络管理与调度方式等都将保证通信的实时性、有效性与确定性。

（4）现场设备的智能化与功能自治性智能主要体现在现场设备的数字计算与数字通信能力上。

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。

总线基本概念部分1、现场总线的概念P1：现场总线是一种应用于生产现场,在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。

2、现场总线的5个发展阶段P2：》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》集散控制系统DCS》现场总线控制系统FCS3、现场总线分类P3：(目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。

高速现场总线主要应用于控制网内的互连,连接控制计算机、PLC 等智能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接,它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。

) 传感器总线和设备总线统称为现场总线；按通信帧的长短，把数据传输总线分为：传感器总线,设备总线和现场总线；ASI总线，传感器总线，位级数据总线；CAN总线，设备总线，字节级数据总线；ControlNet，PROFIBUS，Foundation Fieldbus总线，现场总线，数据块级数据总线；4、现场总线的技术特点P8:•1.系统的开放性•2.可操作性与互用性•3.现场设备的智能化与功能自治性•5。

对现场环境的适应性5、现场总线的优势与劣势P9：优势：1.节省硬件数量与投资；2。

节省安装费用;3.节约维护开销；3.用户具有高度的系统集成主动权；4.提高了系统的准确性与可靠性劣势：网络通信中数据包的传输延迟，通信系统的瞬时错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等，都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，是的控制系统的分析和综合变得更复杂，使控制系统的性能受到负面影响。

6、总线操作、总线仲裁概念P15总线操作：总线上数据发送者与接受者之间的连接-〉数据传送—〉脱开这一操作序列成为一次总线操作。

这里的连接指在相同或不同设备内，通信对象之间的逻辑绑定。

连接完成之后通信报文的发送与接收过程，或者数据的读写操作过程，称为数据传送.而脱开则指完成一次或多次总线操作后，断开发送者与接受者之间的连接关系，放弃对总线的占有权。

现场总线的概念
现场总线（Fieldbus）是一种用于工业自动化领域的通信协议，它用于在现场设备（如传感器、执行器、变送器等）和控制系统（如PLC、DCS、FCS等）之间进行数字通信。

现场总线是一种开放式、数字化、双向通信系统，它允许不同的设备之间进行实时通信和数据交换。

这些设备通常位于工厂的现场，用于监测和控制生产过程中的各种参数，如温度、压力、流量等。

现场总线的特点包括：
1.开放式：现场总线是一种开放式通信协议，允许不同的设备之
间进行通信，不受厂商和技术的限制。

2.数字化：现场总线采用数字信号进行通信，相比传统的模拟信
号具有更高的精度和稳定性。

3.双向通信：现场总线支持双向通信，即设备之间可以进行数据
交换和相互控制。

4.实时性：现场总线具有较高的实时性，能够满足工业自动化领
域的实时监测和控制要求。

5.可靠性：现场总线具有较强的抗干扰能力，能够在恶劣的工作
环境下稳定运行。

常见的现场总线协议包括Modbus、Profinet、CAN总线、HART等。

这些协议各有特点，适用于不同的应用场景。

在选择现场总线时，需要根据实际需求和应用场景进行综合考虑。

第五章现场总线(Field Bus)§5.1 概述一、现场总线的定义与发展与发展：：安装在生产过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置间的数字式装置间的数字式、、串行和多点通信的数据总线串行和多点通信的数据总线。

1. 初始想法初始想法：：现场设备智能化2. 关键问题关键问题：：统一标准3. DCS FCS传统DCS 结构:二、现场总线的特点和优点（1）实时性实时性：：具有较高的数据传输率具有较高的数据传输率，，合理分配总线资源合理分配总线资源，，每个节点都能及时收发信息（2）互操作性互操作性：：实现互连设备间实现互连设备间、、系统间的信息传送与沟通（3）互换性互换性：：要求不同制造商生产的性能类似的设备可进行互换（4）开放性开放性：：协议公开协议公开，，不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换（5）现场设备的智能化与功能自治性（6）经济性经济性：：节点价格低节点价格低，，传输介质较廉价传输介质较廉价，，减少线缆（7）安全性安全性：：解决防爆问题（8）可靠性可靠性：：解决环境适应性问题解决环境适应性问题，，具有较强的抗干扰能力使得控制系统的设计使得控制系统的设计、、安装安装、、投运投运、、正常生产运行及检修维护都得到了优化现场总线仪表是指连接在现场总线上的各种仪表或设备或设备，，按功能可分为六类按功能可分为六类：：–变送器类变送器类：：压力变送器压力变送器、、温度变送器等温度变送器等；；–执行器类执行器类：：气动执行器气动执行器、、电动执行器等电动执行器等；；–转换器类转换器类：：现场总线/电流转换器电流转换器、、现场总线/气压转换器等换器等；；–接口类接口类：：计算机和控制器与现场总线之间的接口仪表或设备或设备；；–电源类电源类：：现场总线仪表供电电源现场总线仪表供电电源；；–附件类附件类：：总线连接器(网桥)、终端器终端器、、中继器等中继器等。

现场总线仪表的特点:全数字性全数字性；；精度高精度高；；抗干扰能力强抗干扰能力强；；内嵌控制功能内嵌控制功能；；高速通信；多变量测量和传输多变量测量和传输；；系统综合成本低系统综合成本低；；真正的可互操作性；真正的分散控制本质安全型(Intrinsic safety)仪表又叫安全火花型仪表又叫安全火花型仪表。

CAN 是Controller Area Network 的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。

在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。

由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。

为适应―减少线束的数量‖、―通过多个LAN，进行大量数据的高速通信‖的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。

此后，CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。

现在，CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。

它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。

CAN属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。

较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言, 基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：首先,CAN控制器工作于多主方式,网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,且CAN协议废除了站地址编码,而代之以对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强,并且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和系统的灵活性。

而利用RS-485只能构成主从式结构系统,通信方式也只能以主站轮询的方式进行,系统的实时性、可靠性较差;其次,CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CAN L与物理总线相连,而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANL端只能是低电平或悬浮状态。