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1、XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 1现场总线技术大全 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 2What is Fieldbus?XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNI
2、VERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 3现场总线控制系统组成现场总线控制系统组成XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 4DCSDCS控制系统与控制系统与FCSFCS控制系统的对比控制系统的对比XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 5典型现场总线控制系统典型现场总线控制系统System302System302XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JI
3、AOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 6现场总线仪表现场总线仪表XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 7第七章：现场总线控制系统第七章：现场总线控制系统主要讲解内容主要讲解内容 一、现场总线技术的发展 二、基金会现场总线通信技术 三、基金会现场总线技术的应用 四、典型现场总线控制系统XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 8一、现场总线技术的发展一、
4、现场总线技术的发展XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 9Definition of FieldbusXIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 10Technological ParadigmsXIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 11仪表智能化是实现仪表网络化的基础仪表智能化是实现仪表网络
5、化的基础支持支持FF H1FF H1协议的智能型温度变送器的硬件结构协议的智能型温度变送器的硬件结构 XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 12支持支持HARTHART协议的智能型温度变送器的硬件结构协议的智能型温度变送器的硬件结构 XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 13开放系统互连（开放系统互连（OSIOSI）参考模型参考模型 ISO/OSI参考模型是国际标准化组织ISO为实现把开放
6、系统（即为了与其它系统通信而相互开放的系统）连接起来，而于1978年建立起来的分层模型，1983年成为正式国际标准（ISO7498）。ISO/OSI参考模型提供了概念性和功能性结构，该模型将开放系统的通信功能划分为七个层次，即物物理理层层、数数据据链链路路层层、网网络络层层、传传输输层层、会会话话层层、表表示示层层与与应应用用层层，如图所示。其中，13层用于网网络络链链接接，47层提供从源到目标“端端到到端端”的、与网络无关的传输服务。由于27层大都由软件来实现，因此通常称作“通信栈通信栈”。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会
7、现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 14开放系统互连（开放系统互连（OSIOSI）参考模型参考模型 XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 15OSIOSI七层模型七层模型 OSI模型分层的原则是每层应当实现一个定义明确定义明确的功能，每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标准，各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量。物理层物理层提供有关同步和比特流在物理媒体上的传输手段。数据链路层数据链路层用于点到点或点到多点间建立、维持和拆除链路连接，实现无差错数据传输的功能，其中包括差错控制、
8、数据成帧、同步等控制。网络层网络层规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议，其主要功能是利用数据链路层所提供的相邻节点间的无差错数据传输功能，通过路由选择路由选择和中继功能中继功能，实现两个系统之间的连接。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 16OSIOSI七层模型七层模型 传输层传输层提供从源到目标“端到端端到端”的通信控制，是寻求数据通信的应用软件与外部网络的接口，其基本功能是从会话层接收数据，并且在必要时把它分成较小的数据单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误。通常，会话
9、层每请求建立一个传输连接，传输层就依据信息吞吐量，为其建立（或复用）一个或创建多个网络连接。从某种意义上讲，传输层使会话层不受硬件技术变化的影响。会话层会话层允许不同机器上的用户建立会话关系，并提供了对某些应用有用的增强服务会话，其主要功能是根据在应用进程之间的约定，按照正确的顺序收、发数据，进行各种形式的会话。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 17OSIOSI七层模型七层模型 会话层会话层允许不同机器上的用户建立会话关系，并提供了对某些应用有用的增强服务会话，其主要功能是根据在应用进程
10、之间的约定，按照正确的顺序收、发数据，进行各种形式的会话。表表示示层层的主要功能是把应用层提供的信息变换为能够共同理解的形式，提供字符代码、数据格式、控制信息格式、加密等的统一表示。表示层仅对应用层信息内容的形式进行变换，而不改变其内容本身。应应用用层层是OSI参考模型的最高层，其功能是实现应用进程（如用户程序、终端操作员等）之间的信息交换，涉及诸如文件传输、分布式数据库操作、远程控制等之类的应用系统管理任务。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 18OSIOSI七层模型七层模型 在通信参考
11、模型中，最重要的概念是服服务务、协协议议及接接口口。服服务务定义了上下相邻两层之间的关系，其中，下层是服务提供者，上层为服务用户。某一层的接接口口告诉上面的进程如何访问它，它定义需要什么参数以及预期结果形式。同层对等实体之间的数据交换则要遵守一定的通信规则，即相关层的协议，协协议议是定义关于交换帧、分组或报文的格式及意义的一组规则。每一层中，依照协议，实现服务功能的软件或硬件通常称作通通信信实实体体（entity）,不同机器上同一层的实体称作对对等等实实体体.完整的应用过程则由提供不同级别服务的实体以及实体之间的信息传输组成。其中，上下层之间的传输由上层向下层提出服务请求，下层作出确认；或下层
12、将信息通知上层，上层作出应答来完成。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 19HART HART 通信技术通信技术 HART（Highway Addressable Remote Transducer）即：可寻址远程变送器数据高速可寻址远程变送器数据高速公路公路 。HART协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案，在一条电缆上可以同时传递420mA 模拟信号和数字信号。HART 在提供现场总线的好处时，保留对现有420mA系统的兼容性。HARTHART协议以协议以ISO/OSIISO/OSI模型
13、为参照，使用其中模型为参照，使用其中的的1 1、2 2、7 7三层，三层，各层功能分别介绍如下：XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 20HARTHART协议物理层协议物理层 物理层规定HART通信采用标准的BELL 202频移键控（FSK）信号，以低电平加载于420mA模拟信号上，使用两种不同的频率，即1200HZ和2200HZ分别代表逻辑“1”和“0”，如图所示。由于正弦信号的平均值为零，所以它对模拟信号没有影响，这是HART通信标准重要的优点之一。HART信号要被智能设备检出，必须具有
14、0.25V以上的峰-峰值电平，因此两线制智能设备与电源之间至少要有250以上的电阻，以免这一信号被电源的低阻抗所短路。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 21HART=HART=模拟模拟 +数字通讯数字通讯XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 22HART=HART=模拟模拟 +数字通讯数字通讯XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSIT
15、Y基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 23HARTHART协议数据链路层协议数据链路层XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 24HARTHART协议数据应用层协议数据应用层 HART应用层规定了HART命令，智能设备从这些命令中辨识对方信息的含义。这些命令分为三类：通通用用命命令令（Universal Commands）；普普 通通 应应 用用 命命 令令（Common-Practice Commands）及专专用用命命令令（Device-Specific Commands）。第第
16、一一类类命命令令是通用的，对所有遵从HART协议的智能设备都适用。例如，读制造厂名及产品型号、读过程变量及单位等。第第二二类类命命令令对大多数智能设备都适用，但不要求完全一样。适用于常用的操作，如写时间常数、量程标定等。第三类命令第三类命令是针对各种具体设备的特殊性而设立的，因而，它不要求统一。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 25HARTHART通信设备的接线图通信设备的接线图XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线
17、技术基金会现场总线技术课堂讲义 26HARTHART通信设备的接线图通信设备的接线图XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 27HARTHART的两种通信模式的两种通信模式一、一、HART HART 主主/从（从（Master/SlaveMaster/Slave）或或“问答式问答式”通通讯讯(正常正常HART HART 模式模式)：XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 28HARTHART的
18、两种通信模式的两种通信模式二、一些设备支持二、一些设备支持HART“HART“成组（成组（BurstBurst）通讯通讯”模模式式(可选可选)：XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 29HARTHART协议的多站连接方式协议的多站连接方式 HART 协议也支持在一个配置为多挂接的网络中在一条线对上连接多个设备，如图6。在多挂接应用中，通讯限定于数字主/从方式。流经每一个从设备的电流固定在一个用于驱动该设备的最小值(通常为4mA)，而与过程毫无关系。XIXIAN JIAOTONG UNIVER
19、SITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 30现场总线国际标准现场总线国际标准XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 31现场总线国际标准现场总线国际标准 目前，在八种国际现场总线通信协议标准（IEC 61158）中，基金会现场总线就占有两个标准，即低速现场总线“F F H 1”及高速现场总线“FF H SE”。其中，前者于 1996年发表，是专为过程控制开发的，用于取代 420m A 模拟信号传输标准，支持总线供电和本质安全，符合 IE
20、C物理层国际标准（IEC61158-2）。FF-HSE标准于 2000年发布，是与 FF H 1配套的，主要用于工业实时网络中的主设备间通信数据量较大或对响应时间有苛刻要求的场合，如断续生产的制造业，以及上位监控一级。F FF F H H 1 1与与F FF F H H S SE E统统称称为为“基基金金会会现现场场总总线线”。下面重点介绍 FF H 1的基本通信原理及其应用。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 32二、基金会现场总线通信技术二、基金会现场总线通信技术 基基金金会会现现场场
21、总总线线（简简称称“FFFF总总线线”）是目前最具发展前景，最具竞争力的现场总线之一，它的前身是以Fisher-RosemountFisher-Rosemount公司为首，联合80家公司制定的ISP协议和以HoneywellHoneywell公司为首，联合欧洲150家公司制定的WorldFIP协议，两大集团于1994年合并，成立“现现场场总总线线基基金金会会（Fieldbus Fieldbus FoundationFoundation）”，并致力于开发统一的现场总线标准。截止目前，现场总线基金会已拥有一百多个成员，这包括世界上最主要的自动化设备供应商，如AB、ABB、Yokogawa、Hone
22、ywell、Smar、FUJI Electric等等。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 33基金会现场总线通信技术基金会现场总线通信技术 基金会现场总线同样采用了简化的ISO/OSI参考模型，具有典型的三层结构，即物理层（物理层（PHLPHL）、数据链路层数据链路层（DLLDLL）以及应用层（应用层（APLAPL），后两者统称为“通信栈”。此外，与ISO/OSI参考模型不同的是，基金会现场总线不仅基金会现场总线不仅指定了通信标准，而且还对使用总线通信的用户应用进行指定了通信标准，而且还对
23、使用总线通信的用户应用进行了规范，形成了独有的用户应用层（了规范，形成了独有的用户应用层（User Application User Application LayerLayer），），简称用户层。简称用户层。虽然这会使协议规范内容变得复杂，但却为不同厂商设备间的可相互操作性带来了方便，并使各厂产品的独有功能在用户层上更易于实现。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 341.1.基金会现场总线基本网络模型基金会现场总线基本网络模型 XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN J
24、IAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 35基金会现场总线模型基金会现场总线模型 XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 36基金会现场总线模型基金会现场总线模型 下面来看用户数据是如何在基金会现场总线上进行传输的。在同层对等实体间交换的数据单元，被称为“协协议议数数据据单单元元（PDUPDU）”。一个PDU内包含一个可选数据项，称为“服服务务数数据据单单元元（SDUSDU）”，该SDU即是紧邻上一层的PDU。一个用户数据在总线上传输时，其首先从发送方
25、应用实体向下穿过称为“虚虚拟拟通通信信关关系系（VCRVCR）”的的通通信信通通道道进入传输导线，其间每过一层都要附加称为“协协议议控控制制信信息息（PCIPCI）”的层控制信息。当该报文到达接收站点后，向上穿过VCRs最终到达接收方用户应用。其间每过一层，都要依据PCI完成一定的操作，并将本层PCI从数据报文中除去。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 37 FF H1 FF H1 各层协议数据的生成各层协议数据的生成 XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTO
26、NG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 38基金会现场总线模型基金会现场总线模型XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 39基金会现场总线模型基金会现场总线模型 一个现场总线设备拥有许多虚拟通信关系VCR，这样它可以在同一时间与多个设备或应用进行通信，不同VCR根据在应用层中指定的“索引号（Index）”来识别。其它设备则依据在数据链路层中指定的数据链路地址（DL_地址）来区分VCR。一个VCR采用一个队列（先进先出内存区）或缓冲区来存放报文信息。网络组态通过网
27、络管理将正确的索引号（Index）及DL_地址信息设置给VCR。以上勾勒出了现场总线数据通信的大致轮廓，下面的讲解将围绕基金会现场总线的协议展开，首首先先介介绍绍物物理理层层协协议议规规范范，这这部部分分内内容容对对于于现现场场总总线线系系统统的的搭搭建建具具有有直直接接的的指指导导意意义义。随随后后将将讲讲解解通通信信栈栈的的具具体体内内容容，即即基基金金会会现现场场总总线线的的基基本本通通信信原原理理，这这些些知知识识有有助助于于加加深深了了解解基基金金会会现现场场总总线线通通信信是是如如何何支支撑撑功功能能块块应应用用的的。最最后后介介绍绍用用户户应应用层，该层直接涉及到现场总线技术的工
28、程应用用层，该层直接涉及到现场总线技术的工程应用。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 40 2.基金会现场总线物理层规范基金会现场总线物理层规范 物理层接收来自通信栈的由“0”和“1”组成的数据信息，将其转换为电的或光的物理信号（信号编码），并传送到现场总线的传输媒体上（线路驱动）；反之，把来自总线传输媒体的物理电或光信号转换为数据信息（信号解码），送往数据链路层转换工作包括添加添加或去除前导码、帧前定界码及帧结束码，或去除前导码、帧前定界码及帧结束码，如下图所示物理层涉及到传输线、信号、
29、波形、电压及所有与电和光相关的属性。现场总线信号采用熟知的曼彻斯特编码技术曼彻斯特编码技术，其在一个bit时间段的中间时刻将数据编码为电压的变化，换句话说，每个时钟周期被分成两半，用前半周期为低电平、后半周期为高电平形成的脉冲正跳变来表示0；用前半周期为高电平、后半周期为低电平形成的脉冲负跳变来表示1。这样处理，其优点是编码信号中将同时包含数据与时优点是编码信号中将同时包含数据与时钟信息，使接收端可从所接收到的信号中提取时钟信号钟信息，使接收端可从所接收到的信号中提取时钟信号；另外，信号信号无直流分量，因而可用变压器进行电气隔离无直流分量，因而可用变压器进行电气隔离。由于此种数据编码产生的串行
30、数据流中隐含了同步时钟信号，因而属于“同步串行通信同步串行通信”，传输效率高。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 41 现场总线数据信号的编码及波形现场总线数据信号的编码及波形 XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 42现场总线数据信号的编码及波形现场总线数据信号的编码及波形 前前导导码码为置于通信信号最前端而特别规定的8位单字节数字信号：10101010，用于接收方内部时钟与接收到的现
31、场总线信号的同步。当采用中继器时，前导码可以多于一个字节。帧帧前前定定界界码码和帧帧结结束束码码用作帧边界标志，这两个字段内使用的是模拟编码而非0和1，其中使用了特殊的N+N+（Non-Data Non-Data PlusPlus）和N-N-（Non-Non-Data Data MinusMinus）码码，它们在每个时钟周期的中间不会发生跳变，因而它们不会偶然出现在数据当中，仅供接收器用来识别物理层服务数据单元（PHL SDU）即数据链路层协议数据单元（DL PDU）的开始和结束标志，以使物理层可以发送DL PDU中任意“0”和“1”的组合。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITY
32、AN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 43现场总线设备网络接线图现场总线设备网络接线图XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 44现场总线设备网络接线图现场总线设备网络接线图 阻抗匹配器可无源实现（由50电阻与5mH的电感串联组成）或通过阻抗控制电路有源实现；在每一现场总线段的两端需要两个线路终端阻抗匹配器每个终端器每个终端器由由100100电阻和一个电容串联组成，形成对电阻和一个电容串联组成，形成对31.2531.25kHzkHz频率频率信
33、号的带通电路信号的带通电路终端器应安装在主干电缆的两端尽头，跨接在两根信号线之间如下图所示，这样配置使得其等效阻抗为5050。总之，H1物理层实现了现场仪表与上位系统间的低速、本安、总线供电的接口标准。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 45现场总线物理层规范现场总线物理层规范现场总线数据信号发送的等价电路及信号波形现场总线数据信号发送的等价电路及信号波形 XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课
34、堂讲义 46安全火花防爆系统安全火花防爆系统 构成一个安全火花防爆系统的充分和必要的条件是构成一个安全火花防爆系统的充分和必要的条件是:1)1)在危险现场使用的仪表必须是安全火花型的在危险现场使用的仪表必须是安全火花型的 2)2)现场仪表与非危险场所现场仪表与非危险场所(包括控制室包括控制室)之间的电路连之间的电路连接必须经过防爆栅。接必须经过防爆栅。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 47安全火花防爆系统安全火花防爆系统 安全火花仪表是从电路设计开始就考虑防爆，把电路安全火花仪表是从电路
35、设计开始就考虑防爆，把电路在短路、开断及误操作等各种状态下可能发生的火花都限在短路、开断及误操作等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火能量之下，是从爆炸发生的根本原制在爆炸性气体的点火能量之下，是从爆炸发生的根本原因上采取措施解决防爆问题的，因上采取措施解决防爆问题的，因而被认为可以和气动、液动仪表一样列入本质安全防爆仪表之内。防爆栅又称安全保持器，是一种对送往现场的电压和防爆栅又称安全保持器，是一种对送往现场的电压和电流进行严格限制的单元，可保证各种事故状态下进入现电流进行严格限制的单元，可保证各种事故状态下进入现场的电功率在安全的范围之内，因而是组成安全火花系统场的电功率在安全
36、的范围之内，因而是组成安全火花系统必不可少的环节必不可少的环节。只有这样，才能保证事故状况下，现场仪表自身不产生危险火花，从危险现场以外也不引入危险火花。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 48两线制力平衡式压力变送器两线制力平衡式压力变送器XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 49安全火花型防爆仪表安全火花型防爆仪表XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTO
37、NG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 50基金会本安现场总线系统基金会本安现场总线系统XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 51基金会本安现场总线系统基金会本安现场总线系统齐纳式防爆栅典型电路齐纳式防爆栅典型电路：XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 52基金会本安现场总线系统基金会本安现场总线系统隔离式防爆隔离式防爆栅栅（I.S.Galvanic Iso
38、lator）：）：XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 533.现场总线数据链路层现场总线数据链路层 在自动化领域，对等实体之间主要包括两类数据交换：1.1.时间响应特性要求高的实时过程变量时间响应特性要求高的实时过程变量 过程变量直接影响着受控系统，其数据长度有限，但实时性要求高，如各种检测变量，控制器输入/输出数据等；过程变量又分为可预测的周期性变量可预测的周期性变量及不可预测的异步不可预测的异步事件变量事件变量两种,前者发生的时刻为控制应用准确预知，要周期性进行传输；后者通常为诸如报警
39、，故障提醒等发生时刻不可预测的非周期性事件信息。2.2.非实时性参数（非实时性参数（Parameters）或消息报文（或消息报文（Messages）一般参数或消息报文允许长度较长，实时性要求不高，主要涉及高层的组态功能、程序上载/下载及参数设定，对等实体发送消息等。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 54总线仲裁器集中调度的方法总线仲裁器集中调度的方法XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义
40、 55总线仲裁器集中调度的方法（续）总线仲裁器集中调度的方法（续）XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 56令牌循环访问控制方式令牌循环访问控制方式XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 57令牌循环访问控制方式（续）令牌循环访问控制方式（续）XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 58基金
41、会现场总线采用的方法基金会现场总线采用的方法XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 59基金会现场总线采用的方法（续）基金会现场总线采用的方法（续）XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 60基金会现场总线采用的方法（续）基金会现场总线采用的方法（续）XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 6
42、1基金会现场总线采用的方法（续）基金会现场总线采用的方法（续）XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 62现场总线数据链路层现场总线数据链路层 基金会现场总线基金会现场总线(FF H1)数据链路层根据工业现场仪表在测量测量、控制控制与系统维护系统维护等方面的应用要求，将集中调度集中调度式通信（式通信（WorldFip）与令牌循环的通信控制方式令牌循环的通信控制方式(Profibus)有机结合起来，使得网络节点设备间的通信能够最有效地使用总线带宽，既可保证周期性变量的准确定时传输，同既可保证周期
43、性变量的准确定时传输，同时又通过令牌循环调度机制赋予每一节点设备在定周期传时又通过令牌循环调度机制赋予每一节点设备在定周期传输的间隙时间内自主通信的权利，保证了整个现场网络的输的间隙时间内自主通信的权利，保证了整个现场网络的实时性。实时性。数据链路层涉及到数据、地址、优先级、介质访问控制以及其它与报文传输有关的信息。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 63现场总线数据链路层现场总线数据链路层 周期变量的集中调度以及通信令牌的发放等均由称为“链路活动调度器链路活动调度器”（Link Acti
44、ve SchedulerLink Active Scheduler，简简称：称：LASLAS）的现场设备统一管理，所谓所谓“链路活动调度链路活动调度器器”是指现场总线网段内对链路活动进行集中调度管理是指现场总线网段内对链路活动进行集中调度管理的现场设备。的现场设备。这里，强调“链路（Link）”是由于一个现场总线网络可能包含许多个网段即链路，它们通过网桥互连。每个链路都拥有自己的活动调度器负责独立管理相关的网络通信。而“活动（Active）”意指在一个链路内可能有一个以上设备有能力成为LAS，但此刻只能有一个设备实际承担调度器的角色（即处于“活动”状态）。XIXIAN JIAOTONG UNI
45、VERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 64现场总线数据链路层现场总线数据链路层 “调度器（Scheduler）”则严格依据事先定义好的调度表在规定的时刻触发受调度的通信；并根据下次受调度通信启动之前是否有足够长的时间，来决定是否将令牌发送给另一设备，以实现非调度的自由通信；或者进行一些其它的链路管理活动如探测新的节点设备等。依据现场设备在基金会现场总线内可能承担的角色不同，可将现场设备分为三类，即基基本本设设备备、链链路路主主设设备备(Link Master，简简称称“LM”)以及网网桥桥。凡有能力成为LAS的设备均称为链链路路
46、主主设设备备,均有机会充当LAS。网网桥桥属于网络链接设备，除具有LM的功能外，主要用于网段链接。凡没有能力成为LAS的设备称作基本设备基本设备.XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 65现场总线数据链路层现场总线数据链路层 在数据链路层中，实体间的通信靠数数据据链链路路地地址址(DL_address)来标识数数据据链链路路地地址址由由三三个个部部分分组组成成：即即链链路路域域(Link，双双字字节节)，节节点点域域(Node,单单字字节节)，以以及及选选择择器器域域(Selector，单单
47、字字节节)。当报文传送要跨越网桥到达其它链路时，链路需要用链接域来标识当在本链路内部通信时，此链接域可以省略。选择器域是设备内部用来标识上层虚拟通信关系（VCR）的单字节地址，当两通信实体间的VCR相连时，用显示在该域内的数据链路连接端点（简称作“DLCEP”）来标识当一个VCR未与任何其它VCR相连，但可自由发送或接收报文时，用该域内的数据链路服务访问点（简称作“DLSAP”）来标识DLCEP与DLSAP有不同的地址区间有好多数据链路地址保留用作特殊用途例如，设备共享通用DLSAP地址用于接收报警信息。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERS
48、ITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 66现场总线数据链路层现场总线数据链路层XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 67现场总线数据链路层地址现场总线数据链路层地址数据链路层数据链路地址数据链路地址(DL_address)：XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 68现场总线数据链路层地址现场总线数据链路层地址 默默认认地地址址是保留给正等待节点地址分配的现场设备使用的非访问节
49、点地址，借此可避免与现场运行设备地址的冲突；同时，等待链路活动调度器将它送入网络，即从LAS获得分配的节点地址。临临时时设设备备使用的地址又又称称作作访访问问地地址址，临时设备通过此地址接入总线网络，并一直保留在这一地址上，对已运行在网络上的现场设备进行组态。XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 69受调度的通信过程受调度的通信过程XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 70非调度自由通信非
50、调度自由通信XIXIAN JIAOTONG UNIVERSITYAN JIAOTONG UNIVERSITY基金会现场总线技术基金会现场总线技术课堂讲义 71优先级的动态管理优先级的动态管理 LAS通过更新优先级来控制报文的传输优先级分为三级:最高最高(UrgentUrgent，6464字节字节)、一般一般(NormalNormal，128128字节字节)以及 最低最低(Time-availableTime-available，256256字节字节)前两者被认为是响应时间要求高的(Time-criticalTime-critical)优先级在LAS调度中，根据调度时间表发送的强制数据报文（即C