第一章 现场总线概述

河海大学计算机与信息学院（常州）课程总结报告题目现场总线课程总结专业、学号授课班号学生姓名指导教师完成时间2011年12月28第一章：概述一、现场总线基本概念1、现场总线的基本概念（原始思想）：用一个开放的、互可操作的、多点的数字通信系统代替已使用很久的4~20mA 标准。

（4-20mA信号是国际通用标准信号，是连接仪表、变送设备、控制设备、计算机采样设备的一种标准。

与此相对应的信号有：0－10mA、0－5V、0－10V等）2、现场总线的由来：1、数据采集与处理系统；2、直接数字控制系统；3、监督计算机控制系统；4、集散控制系统；5、现场总线控制系统（Field Control System）。

二、现场总线的定义1、现场总线的定义：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、双向、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。

是一种用于底层工业控制和测量设备，如变送器（transducers）、执行器（actuators）和本地控制器（local controllers）之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。

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，现场总线一般应被看作是一个系统、一个网络或一个网络系统，它应用于现场测量和/或控制目的。

2、现场总线的特点(1）、开放性；（2）、互可操作性与互换性；（3）、现场设备的智能化与功能自治性；（4）、系统结构的高度分散性；（5）、对现场环境的适应性；（6）、系统可靠性；(7)、信息一致性；(8)、经济性；(9)、易于安装维护。

3、现场总线与计算机网络区别（1）实时性;（2）环境适应性和安全性;（3）额外开销;（4）逻辑链路控制形式;（5）通信要求;三、现场总线的现状按照国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互连（OSI）参考模型建立的。

1第一章现场总线技术概述2024定稿现场总线（Fieldbus）技术是一种用于自动化控制系统的通信协议和网络体系结构。

它通过在工厂设备和控制器之间建立数据通信通道，实现工业自动化过程中的传感器、执行器和控制器之间的信息交换。

现场总线技术的出现，使得工业自动化系统更加智能、可靠和高效。

现场总线技术的主要特点和优势之一是实时性。

与传统的串行通信方式相比，现场总线技术可以实现高速、实时的数据传输。

通过使用实时总线协议，传感器和执行器可以与控制器之间进行快速的数据交换，以满足对实时性要求较高的工业自动化过程。

现场总线技术的另一个特点是通信能力。

传感器和执行器通过现场总线可以实现双向的信息交换，即不仅可以将数据发送到控制器，还能够接收控制器发送的指令和参数。

这种通信能力使得工业自动化设备的配置和调试更加灵活和简化。

除了实时性和通信能力，现场总线技术还具有可扩展性和可靠性。

现场总线网络可以适应不同的工业环境和应用需求，通过添加或删除节点实现系统的可扩展。

同时，现场总线网络还具备冗余和故障恢复功能，能够快速检测和处理通信故障，提高工业自动化系统的可靠性和稳定性。

在现场总线技术中，常见的协议和网络体系结构包括Profibus、CANopen、DeviceNet、Modbus等。

每种协议和网络结构都有其特点和适用领域，可以根据具体的工业自动化需求选择合适的协议和网络结构。

总之，现场总线技术是工业自动化领域中的一种重要通信协议和网络体系结构。

它通过实现传感器、执行器和控制器之间的信息交换，使得工
厂设备和系统能够实现高速、实时的数据传输，提高工业自动化系统的智能性、可靠性和效率。

现场总线课后答案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。

现场总线（PROFIBUS）技术简介第一章：现场总线技术及PROFIBUS1.1 现场总线技术的由来1.1.1 CIMS体系结构及工业数据结构的层次划分根据工厂管理、生产过程及功能要求，CIMS体系结构可分为5层，即工厂级、车间级、单元级、工作站级和现场级。

简化的CIMS则分为3层，即工厂级、车间级和现场级。

在一个现代化工厂环境中，在大规模的工业生产过程控制中，工业数据结构同样分为这三个层次，与简化的网络层次相对应。

如图1-1所示。

图1-1：简化的CIMS网络体系结构1.1.2 现场级与车间级自动化监控及信息集成是工厂自动化及CIMS不可缺少的重要部分。

现场级与车间级自动化监控及信息集成系统主要完成底层设备单机控制、连机控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备运行、生产数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级MIS系统数据库提供数据。

同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。

因此，现场级与车间级监控及信息集成系统是实现工厂自动化及CIMS系统的基础。

1.1.3 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统（包括：基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统），其主要特点之一是，现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I/O点对设备的一个测控点）所谓I/O接线方式，信号传递4-20mA（传送模拟量信息）或24VDC（传送开关量信息）信号。

如图1-2所示：图1-2：传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统1.1.4 系统主要缺点（1）信息集成能力不强：控制器与现场设备之间靠I/O连线连接，传送4-20mA模拟量信号或24VDC 等开关量信号，并以此监控现场设备。

这样，控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及故障纪录等数据很难得到。

底层数据不全、信息集成能力不强，不能完全满足CIMS系统对底层数据的要求。

题目与解答第一章现场总线概述1简述FCS的主要技术特点和优点是什么？（FCS名词解释见34背页）（1）现场总线系统(FCS)的技术特点：①系统的开放性。

相关标准的公开、一致性，通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统具备互可操作性与互用性。

不同生产厂家性能类似的设备可实现互换性。

互可操作性：实现互联设备间的信息传输；互用性：不同厂家性能类似设备可实现互换性。

②现场设备的智能化与功能自治性。

仅靠现场总线设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备运行状态。

包括传感测量、补偿计算、数据处理与控制等③系统的实时性与确定性。

测控任务具有严格的时序和实时性要求，否则可能造成控制系统的灾难性后果。

这也要求通信机制能够保证时间发布和数据传输的实时性。

④现场环境的适应性。

现场总线是专为生产现场环境设计的，支持多种传输介质，具有较强的抗干扰能力，满足本质安全防爆等各种环境要求。

⑤采用成熟先进技术、系统结构的高度分散性。

设备描述语言DDL、技术等。

现场总线可构成全分散性控制系统，简化了系统结构，提高了可靠性。

（2）现场总线的优点：由于现场总线具有以上突出的特点，它使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行以及检修维护，都体现出巨大的优越性。

①节省系统投资、安装费用和维护费用。

②设计、组态、安装、调试简便，系统维护、设备更换和系统扩充方便。

③用户具有高度的系统集成主动权，系统易于重构。

④提高了控制系统的安全性、可靠性和准确性。

⑤完善了企业信息系统，为实现企业综合自动化提供了基础。

2为什么说Fieldbus是底层控制网络Infranet（从Fieldbus的结构特点分析说明）。

（1）•现场总线将单个分散的现场设备变成网络节点，相互之间连接成可以互通信息、共同完成测量控制任务的网络控制系统。

•每个节点实际上是一个智能设备，能够独立完成从控制、检测，到运算、显示、报警等多种任务。

（2）现场总线是低层控制网络Infranet(或者3（3）)• Infranet（Infrastructure Network），使工厂底层网络系统的底层现场设备之间以及生产现场与外界能够实现信息交换，满足企业综合自动化的发展需要。

第一章现场总线概述一、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。

二、IEC对现场总线的定义：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。

它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式，新型全分布式的控制系统。

三、经历了几代控制系统第一代控制系统：以20世纪50年代前的气动信号控制系统PCS为主；第二代控制系统：把4～20mA等电动模拟信号控制系统；第三代控制系统：把数字计算机集中式控制系统称为第三代;第四代控制系统：把70年代中期以来的集散式控制系统DCS(Distributed Control System)称作第四代。

四、现场总线的本质含义主要表现在以下6个方面：1、现场通信网络：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信网络2、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联，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。

3、互操作性，4、分散功能块，5、通信线供电，6、开放式互联网络。

五、现场总线的特点与优点：1，结构特点：现场总线控制系统（FCS）打破了传统控制系统的（DCS）的结构形式。

FCS: 一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号；DCS: 一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号。

1），系统的开放性；2），互可操作性与互用性；3），现场设备的智能化与功能自治性；4），系统结构的高度分散性；5），对现场环境的适应性。

3，优点：1）节省硬件数量与投资；2）节省安装费用；3）节约维护开销；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。

六、基金会现场总线(FF)，CAN，DeviceNet，LonWorks，PROFIBUS，HART，INTERBUS，CC-Link，ControlNet，WorldFIP，P-Net，SwiftNet．第二章数据通信系统与网络互联一、总线的基本术语：1，总线与总线段。

第1章现场总线概述现场总线技术是当今世界各国关注的热点课题。

它是计算机技术、通信技术、网络技术以及自动控制技术不断发展的结果。

由于现场总线采用的现场仪表以网络协议开放、节点独立工作、信息传输全数字化的双向通信，所以代替了传统的0-10mA和4-20mA的模拟信号传输，实现了控制系统的全数字化。

这种以现场总线为基础的全数字控制系统将是21世纪自动控制系统的主流系统。

自20世纪80年代开始，世界各主要的自动化仪器仪表厂商和公司都投入了大量的人力物力财力进行开发研究，形成了各具特点的现场总线标准。

研制开发现场总线标准的目的是形成统一的工业标准，但实际情况是很多企业集团出于自身利益的考虑开发了自成系统的现场总线标准。

目前流行的现场总线标准有十几种之多。

本书在简单介绍十多种有影响的现场总线的基础上，重点介绍Profibus、CAN总线、LonWorks和工业以太网的原理及应用。

1.1 现场总线概念就现场总线一词的含义而言，现场是指工作环境处于过程设备底层一端，而总线则意味着须遵循同一技术规范的连线系统，意味着这些遵守同一技术规范的各设备之间可实现互连和互操作。

现场总线技术就是将微处理器芯片嵌入到位于控制现场的检测仪表和执行机构中，使这些设备都具有了智能化的运算和通信能力，成为能独立承担各种检测、控制和通信任务的网络节点。

采用可进行简单连接的双绞线等传输途径作为总线，把多个测量控制设备连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，使得位于现场的多个测量控制设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，从而形成了各种适应实际需要的新型的自动控制系统。

1.1.1 现场总线的定义现场总线的定义有多种说法，下面给出2 种有代表性的定义:1. 现场总线是以网络为基础的全分布式控制系统，是工业设备自动控制的一种计算机局域网络。

它依靠具有检测、控制、通信功能的微控制器组成的数字化仪表设备在现场实现彻底的分散控制，并以这些分散在现场的测量、控制设备作为网络节点，以总线形式连接起来，形成了现场总线控制系统。