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1、现场总线第1讲FieldbusControlSystemFCS 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0 0 绪论绪论0.1 0.1 微机测控技术主要研究对象微机测控技术主要研究对象 微机测控技术主要研究如何将检测与传感技术、计算机微机测控技术主要研究如何将检测与传感技术、计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程并设计出所需要的技术和自动控制理论应用于工业生产过程并设计出所需要的微机测控系统。微机测控系统。0.2 0.2 微机测控系统的组成与特点微机测控
2、系统的组成与特点0.2.1 0.2.1 微机测控系统的一般概念微机测控系统的一般概念 微机测控系统就是利用微型计算机来实现生产过程的自微机测控系统就是利用微型计算机来实现生产过程的自动测试与控制的动测试与控制的系统。系统。微机测控系统典型结构图微机测控系统的微机测控系统的工作原理工作原理可归纳为以下可归纳为以下3步：步：实实时时数数据据采采集集：通通过过测测量量变变送送装装置置完完成成被被控控量量的的瞬时值的检测和输入。瞬时值的检测和输入。实实时时控控制制决决策策：对对采采集集的的数数据据进进行行分分析析和和处处理理，按预定的控制策略决定采取何种控制行为。按预定的控制策略决定采取何种控制行为。
3、实时控制输出实时控制输出：根据控制决策，向执行机构发出：根据控制决策，向执行机构发出实时控制信号，完成系统控制任务。实时控制信号，完成系统控制任务。实时实时的含义是指信号的输入、计算、输出都要在一定的的含义是指信号的输入、计算、输出都要在一定的时间间隔内完成。时间间隔内完成。（软实时（软实时RTOSRTOS、硬实时、硬实时RTOSRTOS）在线在线是指：在微机测控系统中，生产过程与计算机直接是指：在微机测控系统中，生产过程与计算机直接连接并受计算机的控制，有时也称为联机方式。连接并受计算机的控制，有时也称为联机方式。0.2.20.2.2微机测控系统的组成微机测控系统的组成 微机测控系统主要由被
4、控对象、过程输入输出通道微机测控系统主要由被控对象、过程输入输出通道及计算机系统三部分组成。及计算机系统三部分组成。过程输入输出通道也叫生产过程通道，包括模拟量过程输入输出通道也叫生产过程通道，包括模拟量输入输出通道、数字量输入输出通道、测量变送、执行输入输出通道、数字量输入输出通道、测量变送、执行机构、电气开关等装置。机构、电气开关等装置。0.2.3 0.2.3 微机测控系统的微机测控系统的软件组成软件组成 系统软件系统软件（RTOS）应用软件应用软件（组态、先控）（组态、先控）0.2.4 0.2.4 微机测控系统的微机测控系统的特点特点灵活性灵活性（规模、复杂度）（规模、复杂度）适应性适应
5、性（嵌入式）（嵌入式）微机测控系统组成结构框图 0.3 0.3 微机测控系统的典型形式微机测控系统的典型形式 0.3.1 0.3.1 操作指导控制系统操作指导控制系统这种形式的系统属于开环系统，计算机按照一定的时间这种形式的系统属于开环系统，计算机按照一定的时间间隔对生产现场的参数进行采样、处理、显示、打印或报警，间隔对生产现场的参数进行采样、处理、显示、打印或报警，操作人员根据这些结果进行设定值的修改操作人员根据这些结果进行设定值的修改或必要的操作。或必要的操作。操作指导控制系统原理图 0.3.2 0.3.2 直接数字控制系统直接数字控制系统 直接数字控制（简称直接数字控制（简称DDCDDC
6、）系统的基本思想是：）系统的基本思想是：利用微型计算机对多个被控参数进行巡回检测，并与利用微型计算机对多个被控参数进行巡回检测，并与给定值比较，然后按照预定的控制规律进行计算，最给定值比较，然后按照预定的控制规律进行计算，最后发出控制信息完成对生产过程的控制，使被控参数后发出控制信息完成对生产过程的控制，使被控参数稳定在给定值上。稳定在给定值上。直接数字控制系直接数字控制系统是是计算机在工算机在工业生生产过程控制中最普遍的一种程控制中最普遍的一种应用方式。它要求用方式。它要求实时性好、可靠性高、适性好、可靠性高、适应性性强。直接数字控制系统原理框图 0.3.3 0.3.3 监督计算机控制系统监
7、督计算机控制系统 监督计算机控制（简称监督计算机控制（简称SCCSCC）系统的基本思想是：微）系统的基本思想是：微型计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描述生产型计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描述生产过程的数学模型，自动改变模拟调节器或过程的数学模型，自动改变模拟调节器或DDCDDC微型计算机微型计算机的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况。的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况。监督计算机控制系统原理框图a)SCC+模拟调节器系统 b)SCC+DCC系统 它它有两种不同的有两种不同的结构形式：一种是构形式：一种是SCC+模模拟控制器控制器，另一种是，另一种是SCC+DDC控制系
8、控制系统。它是操作指它是操作指导控制系控制系统和和DDC系系统的的综合和合和发展展，SCC系系统较DDC系系统更接近生更接近生产变化化实际情况，它不情况，它不仅可以可以进行定行定值控制，控制，还可以可以进行行顺序控制、最序控制、最优控制等。控制等。0.3.4 0.3.4 分散控制系统分散控制系统 分散控制系统（简称分散控制系统（简称DCSDCS）的基本思想是：利用分）的基本思想是：利用分散控制、集中操作、分而自制、综合协调的原则，将测散控制、集中操作、分而自制、综合协调的原则，将测控系统分为控系统分为分散过程控制级分散过程控制级、集中操作监控级集中操作监控级和和综合信综合信息管理级息管理级等三
9、级，构成一分级形式的分布式控制系统。等三级，构成一分级形式的分布式控制系统。分散控制系统原理框图 0.3.5 0.3.5 现场总线控制系统现场总线控制系统 现场总线控制系统（简称现场总线控制系统（简称FCSFCS）其结构模式为）其结构模式为“工工作站作站现场总线智能仪表现场总线智能仪表”二层结构，成本低、可靠二层结构，成本低、可靠性高，可实现真正的开放式互连系统结构。性高，可实现真正的开放式互连系统结构。FCS控制层原理图 1 现场总线的概述（FieldBusFieldBus）传统控制系统传统控制系统传统控制系统传统控制系统现场仪表现场仪表现场仪表现场仪表(I/O)(I/O)控制器控制器控制器
10、控制器一对一连接一对一连接一对一连接一对一连接420mA420mA010mA010mA24VDC24VDC8080年代开始年代开始年代开始年代开始智能现场设备普遍应用智能现场设备普遍应用智能现场设备普遍应用智能现场设备普遍应用a.a.a.a.包含包含包含包含CPUCPUCPUCPUb.b.b.b.能直接数字通信能直接数字通信能直接数字通信能直接数字通信c.c.c.c.具有很强的功能具有很强的功能具有很强的功能具有很强的功能例如，智能化变送器除了具有例如，智能化变送器除了具有例如，智能化变送器除了具有例如，智能化变送器除了具有常规意义上的信号测量和变送常规意义上的信号测量和变送常规意义上的信号测
11、量和变送常规意义上的信号测量和变送功能以外，往往它还具有自诊功能以外，往往它还具有自诊功能以外，往往它还具有自诊功能以外，往往它还具有自诊断、报警、在线标定甚至断、报警、在线标定甚至断、报警、在线标定甚至断、报警、在线标定甚至PIDPIDPIDPID运运运运算等功能算等功能算等功能算等功能智能现场设备与主机系智能现场设备与主机系智能现场设备与主机系智能现场设备与主机系统间待传输的信息量急统间待传输的信息量急统间待传输的信息量急统间待传输的信息量急剧增加。剧增加。剧增加。剧增加。现场总线技术的初始想法：现场总线技术的初始想法：现场总线技术的初始想法：现场总线技术的初始想法：设想全部或大部分现场设
12、备都设想全部或大部分现场设备都设想全部或大部分现场设备都设想全部或大部分现场设备都具有直接进行通信的能力，并具有直接进行通信的能力，并具有直接进行通信的能力，并具有直接进行通信的能力，并具有统一的通信协议，只需一具有统一的通信协议，只需一具有统一的通信协议，只需一具有统一的通信协议，只需一根通信电缆就可将分散的现场根通信电缆就可将分散的现场根通信电缆就可将分散的现场根通信电缆就可将分散的现场设备连接起来，完成对现场设设备连接起来，完成对现场设设备连接起来，完成对现场设设备连接起来，完成对现场设备的监控。备的监控。备的监控。备的监控。3C技术的发展技术的发展微机化仪器仪表的成熟和应用微机化仪器仪
13、表的成熟和应用1.1.现场总线概述现场总线概述 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点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之一，被誉为自动化领域的计算机局域网计算机局域网。它的。它的出现标志着工业控制技术领域又一个新时代的开出现标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始。始。现有的多数现场设备，为提高其性能价格比，现有的多数现场设备，为提高其性能价格比，在实现其内部操作时都采用了微处理器和数字化在实现其内部操作时都采用了微处理器和数字化元件，于是就提出了必须在这些领域的数字设备元件，于是就提出了必须在这些领域的数字设备之间实现数字通信的要求。采用现场总线的目的之间实现数
14、字通信的要求。采用现场总线的目的就是为了满足这种要求，为工业领域中的测量和就是为了满足这种要求，为工业领域中的测量和调节控制设备提供实现串行数字通信的手段。调节控制设备提供实现串行数字通信的手段。1.1.现场总线概述现场总线概述现场总线现场总线(Fieldbus)的概念：的概念：是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能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数字通信以及这些现场控制设
15、备和高级控制系统之间的信息传递问题之间的信息传递问题。主要用于：主要用于：制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中。系统中。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、双现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双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、多分支结构的向传输、多分支结构的向传输、多分支结构的向传输、多分支结构的通信网络通信网络通信网络通信网络。它的关键标志是能支持它的关键标志是能支持它的关键标志是能支持它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式
16、的双向、多节点、总线式的双向、多节点、总线式的双向、多节点、总线式的全数字全数字全数字全数字通讯通讯通讯通讯。网网络络节节点点包括包括IPCIPC、PLCPLC以及各种智能化的现场控制设备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通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享 网网络络体体系系通信总线在现场设备中的延伸通信总线在现场设备中的延伸 生产控制生产控制网络结构网络结构 位于位于的底层的底层 2.2.现场总线的发展现场总线的发展（1）早期的控制系统主要是）早期的控制系统主要是模拟仪表控制系统模拟仪表控制系统，设
17、备，设备之间传输的信号为之间传输的信号为15V或或420mA的直流模拟信号，的直流模拟信号，信号的精度较低，传输过程中易受干扰。信号的精度较低，传输过程中易受干扰。（2）出现以单片机、计算机和）出现以单片机、计算机和PLC为控制器的为控制器的集中数集中数字控制系统字控制系统，其内部传输的是数字信号，克服了模拟，其内部传输的是数字信号，克服了模拟仪表中信号精度较低的缺点，提高了抗干扰能力。整仪表中信号精度较低的缺点，提高了抗干扰能力。整个系统的可靠性低，风险高度集中。另外，当任务增个系统的可靠性低，风险高度集中。另外，当任务增加时会使系统性能下降。加时会使系统性能下降。（3）又出现以集中管理、分
18、散控制为核心思想的集散）又出现以集中管理、分散控制为核心思想的集散控制系统（控制系统（DCS），在），在20世纪末期逐步占据了主导地世纪末期逐步占据了主导地位。位。2.2.现场总线的发展现场总线的发展在在DCS中中管理与控制管理与控制相相分离分离，上位机用于集中监视，上位机用于集中监视管理功能，多台下位机下放分散到现场实现分布式控管理功能，多台下位机下放分散到现场实现分布式控制功能，上下位机之间以控制网络互联以实现相互之制功能，上下位机之间以控制网络互联以实现相互之间的信息传递，间的信息传递，克服了集中数字控制系统克服了集中数字控制系统对控制器的对控制器的处理能力和可靠性要求很高的处理能力和可
19、靠性要求很高的缺点缺点。由于不同的由于不同的DCS厂家出于垄断经营的目的而对其控厂家出于垄断经营的目的而对其控制通讯网络制通讯网络采用专用的封闭形式采用专用的封闭形式，不同厂家的，不同厂家的DCS系系统之间以及统之间以及DCS与上层的与上层的Intranet、Internet之间之间难以难以实现网络互联和信息共享实现网络互联和信息共享，因此，因此DCS系统实质上是一系统实质上是一种专用封闭的、不能互联的分布式控制系统，且种专用封闭的、不能互联的分布式控制系统，且DCS价格昂贵，用户对此提出了价格昂贵，用户对此提出了开放性开放性和降和降低成本低成本的迫切的迫切要求。要求。2.2.现场总线的发展现
20、场总线的发展（4）现场总线控制系统（）现场总线控制系统（FCS）正是顺应了上述的用户要求，采用）正是顺应了上述的用户要求，采用了现场总线这一开放的、可互连的网络技术将现场的各种控制器了现场总线这一开放的、可互连的网络技术将现场的各种控制器和仪表设备相互连接，把控制功能彻底下放到现场，降低了安装和仪表设备相互连接，把控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，成本和维护费用。因此，FCS系统实质上是一种系统实质上是一种开放开放的、可以的、可以互互连连的、的、低成本低成本的、的、彻底分散彻底分散的分布式控制系统。的分布式控制系统。1984年，年，美国仪表协会美国仪表协会（ISA）下属的
21、标准与实施工作组中的）下属的标准与实施工作组中的ISA/SP50开始制定现场总线标准；开始制定现场总线标准；1985年，年，国际电工委员会国际电工委员会决定决定由由ProwayWorkingGroup负责现场总线体系结构与标准的研究制负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；定工作；1986年，年，德国德国开始制定过程现场总线开始制定过程现场总线（ProcessFieldbus）标准，简称为）标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。与此同时，总线标准制定及其产品开发的序幕。与此同时，其他一些组织或其他一些组织或机构机构（如（如WorldFip
22、等）也开始从事现场总线标准的制定和研究。等）也开始从事现场总线标准的制定和研究。2.2.现场总线的发展现场总线的发展 现场总线技术起源于欧洲，目前以欧、美、现场总线技术起源于欧洲，目前以欧、美、日地区最为发达，世界上已出现过的总线种类近日地区最为发达，世界上已出现过的总线种类近200种。经过近种。经过近2020年的竞争和完善，目前较有生年的竞争和完善，目前较有生命力的有命力的有1010多种，并仍处于激烈的市场竞争之中。多种，并仍处于激烈的市场竞争之中。加之众多自动化仪表制造商在开发智能仪表通信加之众多自动化仪表制造商在开发智能仪表通信技术中已形成的不同特点，使得统一标准的制订技术中已形成的不同
23、特点，使得统一标准的制订困难重重。困难重重。由于较长时期没有统一标准，对用户影响最由于较长时期没有统一标准，对用户影响最大的就是难以把不同制造商生产的仪表集成在一大的就是难以把不同制造商生产的仪表集成在一个系统中。因此，现场总线在过程控制中实际应个系统中。因此，现场总线在过程控制中实际应用，一直延误到用，一直延误到2020世纪世纪9090年代后期才逐步实现。年代后期才逐步实现。1996 1996年到年到19981998年，国际性组织年，国际性组织FFFF（现场总线（现场总线基金会）和基金会）和PNOPNO（ProfibusProfibus国际组织）先后发布国际组织）先后发布了适于过程自动化的现
24、场总线标准了适于过程自动化的现场总线标准H1H1、H2(HSE)H2(HSE)和和Profibus-PA,H1Profibus-PA,H1和和PAPA都在实际工程中开始应用。都在实际工程中开始应用。19991999年底，包含年底，包含8 8种现场总线标准在内的国际标种现场总线标准在内的国际标准准IEC-61158IEC-61158开始生效，除开始生效，除H1H1、HSEHSE和和PAPA外，还有外，还有WorldFIPWorldFIP、InterbusInterbus、ControlNetControlNet、P-NETP-NET、SwiftNetSwiftNet等五种。等五种。诞生于不同领域
25、的总线技术往往对这一特定诞生于不同领域的总线技术往往对这一特定的领域的适用性就好一些。如的领域的适用性就好一些。如ProfibusProfibus较适合于较适合于工厂自动化，工厂自动化，CAN CAN适用于汽车工业，适用于汽车工业，FF FF总线总线（Foundation FieldbusFoundation Fieldbus）主要适用于过程控制，）主要适用于过程控制，LONLON适用于楼宇自动化等。适用于楼宇自动化等。2.现场总线的发展3.3.现场总线的结构现场总线的结构 按照国际标准化组织（按照国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互连（）制定的开放系统互连（OSI）参）参考模型建立的。将
26、七层简化成三层，分别由考模型建立的。将七层简化成三层，分别由OSI参考模型的第一层物理参考模型的第一层物理层，第二层数据链路层，第七层应用层组成，网络通信流量与差错控层，第二层数据链路层，第七层应用层组成，网络通信流量与差错控制由数据链路层完成。考虑现场总线的通信特点，有些现场总线还设制由数据链路层完成。考虑现场总线的通信特点，有些现场总线还设置了一个现场总线访问子层，如图所示置了一个现场总线访问子层，如图所示。工厂自动化信息网络分层结构：工厂管理级、车间监控级、现场设备级工厂自动化信息网络分层结构：工厂管理级、车间监控级、现场设备级 IBM CompatibleASCII PrinterPl
27、otterTower boxDataASCII PrinterASCII Printer工厂管理级工厂骨干网车间监控网车间监控级现场级网络现场设备级3.13.2现场总线的结构特点现场总线的结构特点IPC、PLCI/O子系统Ethernet/Highway FiledbusController/GetwayFiledbusDCSDCS实际上是实际上是“半分散半分散”、“半数字半数字”的系的系统统FCSFCS采用的是一个完全分散的控制方式采用的是一个完全分散的控制方式 现场总线控制系统兴起于现场总线控制系统兴起于现场总线控制系统兴起于现场总线控制系统兴起于9090年代，它采用现场总线作为系统的底层
28、控制网年代，它采用现场总线作为系统的底层控制网年代，它采用现场总线作为系统的底层控制网年代，它采用现场总线作为系统的底层控制网络，沟通生产过程现场仪表、控制设备及其与更高控制管理层次之间的联系，络，沟通生产过程现场仪表、控制设备及其与更高控制管理层次之间的联系，络，沟通生产过程现场仪表、控制设备及其与更高控制管理层次之间的联系，络，沟通生产过程现场仪表、控制设备及其与更高控制管理层次之间的联系，相互间可以直接进行数字通信，通常我们相互间可以直接进行数字通信，通常我们相互间可以直接进行数字通信，通常我们相互间可以直接进行数字通信，通常我们把把把把FCSFCS称为第五代控制系统称为第五代控制系统称
29、为第五代控制系统称为第五代控制系统。5050年代之前的气动仪表控制系统称作第一代年代之前的气动仪表控制系统称作第一代年代之前的气动仪表控制系统称作第一代年代之前的气动仪表控制系统称作第一代单元组合仪表为基础的常规仪表控制系统称为第二代单元组合仪表为基础的常规仪表控制系统称为第二代单元组合仪表为基础的常规仪表控制系统称为第二代单元组合仪表为基础的常规仪表控制系统称为第二代集中型计算机控制系统称为第三代集中型计算机控制系统称为第三代集中型计算机控制系统称为第三代集中型计算机控制系统称为第三代第四代控制系统是指第四代控制系统是指第四代控制系统是指第四代控制系统是指7070年代中期以后发展起来的年代中
30、期以后发展起来的年代中期以后发展起来的年代中期以后发展起来的DCSDCS作为新一代控制系统：作为新一代控制系统：作为新一代控制系统：作为新一代控制系统：一一一一 方方方方 面：面：面：面：FCSFCS突破了突破了突破了突破了DCSDCS采用专用通信网络的局限，采用了基于开采用专用通信网络的局限，采用了基于开采用专用通信网络的局限，采用了基于开采用专用通信网络的局限，采用了基于开放式、标准化的通信技术，克服了封闭系统所造成的缺陷；放式、标准化的通信技术，克服了封闭系统所造成的缺陷；放式、标准化的通信技术，克服了封闭系统所造成的缺陷；放式、标准化的通信技术，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面：另
31、一方面：另一方面：另一方面：FCSFCS进一步变革了进一步变革了进一步变革了进一步变革了DCSDCS中中中中“集散集散集散集散”系统结构，形成了全分系统结构，形成了全分系统结构，形成了全分系统结构，形成了全分布式系统构架，把控制功能彻底下放到现场。布式系统构架，把控制功能彻底下放到现场。布式系统构架，把控制功能彻底下放到现场。布式系统构架，把控制功能彻底下放到现场。需要提醒的是，需要提醒的是，需要提醒的是，需要提醒的是，DCSDCS以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应用，在目前的工业控制
32、领域内仍然扮演着极其重要的角色。用，在目前的工业控制领域内仍然扮演着极其重要的角色。用，在目前的工业控制领域内仍然扮演着极其重要的角色。用，在目前的工业控制领域内仍然扮演着极其重要的角色。(1)全数字化通信全数字化通信(2)开放型的互联网络开放型的互联网络(3)互可操作性与互用性互可操作性与互用性(4)现场设备的智能化现场设备的智能化(5)系统结构的高度分散性系统结构的高度分散性(6)对现场环境的适应性对现场环境的适应性 4 现场总线的技术特征 4 4.1 1 现场总线的现场总线的特点特点现场控制设备现场控制设备具有通信功能具有通信功能，便于构成工厂底，便于构成工厂底层控制网络。层控制网络。通
33、信标准通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。设备间具有互可操作性。功能块与结构的功能块与结构的规范化规范化使相同功能的设备间具使相同功能的设备间具有互换性。有互换性。控制功能控制功能下放到现场下放到现场，使控制系统结构具备高，使控制系统结构具备高度的分散性。度的分散性。4.2 现场总线的现场总线的优点优点现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；一对双绞线上可挂接多个控制设备，一对双绞线上可挂接多个控制设备，便于节省便于节省安装费
34、用；安装费用；节省维护开销；节省维护开销；提高了系统的可靠性；提高了系统的可靠性；为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。5.现场总线国际标准化概况基本情况基本情况现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但由于行业与段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但由于行业与段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但由于行业与段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和
35、企业集团受自身地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，致使现场总线的国际化标准工作进展缓利益的驱使，致使现场总线的国际化标准工作进展缓利益的驱使，致使现场总线的国际化标准工作进展缓利益的驱使，致使现场总线的国际化标准工作进展缓慢，至今尚未形成完整统一的国际标准。慢，至今尚未形成完整统一的国际标准。慢，至今尚未形成完整统一的国际标准。慢，至今尚未形成完整统一的国际标准。19991999年形成了一个由年形成了一个由8 8个类型组成的个类型组成的IEC61158IEC61158现场总线国际标
36、准现场总线国际标准 IEC 61158IEC 61158成了国际上制订时间最长、意见分歧最大的国际标准之一成了国际上制订时间最长、意见分歧最大的国际标准之一 IEC61158现场总线标准IEC61158IEC61158国际标准只是一种模式，国际标准只是一种模式，国际标准只是一种模式，国际标准只是一种模式，8 8种类型都是平等的种类型都是平等的种类型都是平等的种类型都是平等的各组织按照各组织按照各组织按照各组织按照IECIEC技术报告技术报告技术报告技术报告Type1Type1的框的框的框的框架组织各自的行规，但不改变各组架组织各自的行规，但不改变各组架组织各自的行规，但不改变各组架组织各自的行
37、规，但不改变各组织专有的织专有的织专有的织专有的行规（行规（行规（行规（ProfileProfile）。IECIEC标准的其中标准的其中标准的其中标准的其中Type2Type2Type8Type8需要需要需要需要对对对对Type1Type1提供接口，而标准本身不提供接口，而标准本身不提供接口，而标准本身不提供接口，而标准本身不要求要求要求要求Type2Type2Type8Type8之内提供接口，之内提供接口，之内提供接口，之内提供接口，用户在应用各类型时仍可使用各自用户在应用各类型时仍可使用各自用户在应用各类型时仍可使用各自用户在应用各类型时仍可使用各自的行规，其目的就是为了保护各自的行规，其
38、目的就是为了保护各自的行规，其目的就是为了保护各自的行规，其目的就是为了保护各自的利益。的利益。的利益。的利益。IEC 61158IEC 61158IEC 61158IEC 61158Type1Type1Type1Type1：IEC 61158IEC 61158IEC 61158IEC 61158技术报告技术报告技术报告技术报告Type2Type2Type2Type2：ControlNetControlNetControlNetControlNetType3Type3Type3Type3：Profibus Profibus Profibus Profibus Type4Type4Type4Ty
39、pe4：P P P PNetNetNetNetType5Type5Type5Type5：FF HSE FF HSE FF HSE FF HSE Type6Type6Type6Type6：SwiftNETSwiftNETSwiftNETSwiftNETType7Type7Type7Type7：WorldFIPWorldFIPWorldFIPWorldFIPType8Type8Type8Type8：InterbusInterbusInterbusInterbus以上以上以上以上8 8 8 8种总线采用完全不同的通信协议！种总线采用完全不同的通信协议！种总线采用完全不同的通信协议！种总线采用完全不同
40、的通信协议！现场总线标准现场总线标准:2003年年4月，月，IEC61158 Ed.3现场总线标准第现场总线标准第3版正版正式成为国际标准，规定式成为国际标准，规定10种类型的现场总线。种类型的现场总线。Type 1 TS61158现场总线现场总线Type 2 ControlNet和和Ethernet/IP现场总线现场总线Type 3 Profibus现场总线现场总线Type 4 P-NET现场总线现场总线Type 5 FF HSE现场总线现场总线Type 6 SwiftNet现场总线现场总线Type 7 World FIP现场总线现场总线Type 8 Interbus现场总线现场总线Type
41、 9 FF H1现场总线现场总线Type 10 PROFInet现场总线现场总线IEC 61158 Type1现场总线IEC 61158 Type1IEC 61158 Type1IEC 61158 Type1IEC 61158 Type1是是是是IECIECIECIEC推荐的现场总线标准推荐的现场总线标准推荐的现场总线标准推荐的现场总线标准 网网络络协协议议物理层物理层物理层物理层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层应用层应用层应用层应用层用户层用户层用户层用户层考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的考
42、虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的采用采用ISO/OSI的简化模型。的简化模型。物理层功功功功 能能能能物理层提供机械、电气、功能性和规程性功能物理层提供机械、电气、功能性和规程性功能物理层提供机械、电气、功能性和规程性功能物理层提供机械、电气、功能性和规程性功能 传输介质传输介质传输介质传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输有双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输有双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输有双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输 类类类类 型型型型 低速现场总线低速现场总线低速现场总线低速现场总线H H H H1 1 1 1高速现场总线高速现场总线高速现场总线高速现场总线H H H H
43、2 2 2 2传输速率为传输速率为传输速率为传输速率为31.25kbps31.25kbps31.25kbps31.25kbps主要用于现场级主要用于现场级主要用于现场级主要用于现场级它能够通过总线为现场仪表它能够通过总线为现场仪表它能够通过总线为现场仪表它能够通过总线为现场仪表供电，并支持带总钱供电设供电，并支持带总钱供电设供电，并支持带总钱供电设供电，并支持带总钱供电设备的本质安全。备的本质安全。备的本质安全。备的本质安全。H2H2H2H2总线主要面向过程控制级、远程总线主要面向过程控制级、远程总线主要面向过程控制级、远程总线主要面向过程控制级、远程I/OI/OI/OI/O和和和和其它高速数
44、据传输的应用，其传输速率为其它高速数据传输的应用，其传输速率为其它高速数据传输的应用，其传输速率为其它高速数据传输的应用，其传输速率为1Mbps1Mbps1Mbps1Mbps、2.5Mbps2.5Mbps2.5Mbps2.5Mbps和和和和100Mbps100Mbps100Mbps100Mbps。(HSE)接收数据链路层的数据，经加工变为电信号后进行发送（传输；将接收到的电信号进行相反处理，并将数据送交链路层。通常，采用曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码。01每个码均有一次跳变，这样就把一个码分成两半，以前半个码的值为准。每个码均有一次跳变，在每位开始的边界跳变为0，在每位开始的边界不跳变为1。数
45、据链路层 应用层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层负责实现负责实现负责实现负责实现链路活动调度链路活动调度链路活动调度链路活动调度，数据的接收发送，数据的接收发送，数据的接收发送，数据的接收发送，活动状态的响应，总线上各设备间的链路时间同步等。活动状态的响应，总线上各设备间的链路时间同步等。活动状态的响应，总线上各设备间的链路时间同步等。活动状态的响应，总线上各设备间的链路时间同步等。总线访问控制采用总线访问控制采用总线访问控制采用总线访问控制采用链路活动调度器链路活动调度器链路活动调度器链路活动调度器LASLASLASLAS方式，方式，方式，方式，LASLASLASLAS拥有总线上所有
46、拥有总线上所有拥有总线上所有拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。应用层应用层应用层应用层主要提供通信功能、主要提供通信功能、主要提供通信功能、主要提供通信功能、特殊功能以及管理控制功能。特殊功能以及管理控制功能。特殊功能以及管理控制功能。特殊功能以及管理控制功能。现场总线访问现场总线访问现场总线访问现场总线访问FASFASFASFAS现场总线报文规范现场总线报文规范现场总线报文规范现场总线报文规范FMSFMSFMSFM
47、S二子层构成二子层构成二子层构成二子层构成由由由由FAS FAS FAS FAS 提供提供提供提供发布者发布者发布者发布者/接收者接收者接收者接收者publisher/subscriberpublisher/subscriber模式模式模式模式客户客户客户客户/服务器服务器服务器服务器client/serverclient/server模式模式模式模式报告分发模式报告分发模式报告分发模式报告分发模式的报文传输服务的报文传输服务的报文传输服务的报文传输服务FMS FMS FMS FMS 提供提供提供提供对象字典对象字典对象字典对象字典ODODODOD服务、变量访问服务和事件服务等。为用户层提服务
48、、变量访问服务和事件服务等。为用户层提服务、变量访问服务和事件服务等。为用户层提服务、变量访问服务和事件服务等。为用户层提供服务。供服务。供服务。供服务。实现与数据链路层连接。实现与数据链路层连接。保证数据的完整性，决定何时与何节点对话。格式控制 目标地址 源地址 参数 数据 校验报文格式：校验一般采用CRC（循环冗余校验码）例子：假设待校验数据为M(X)=1101，生成多项式G(X)=X3+X1+1，求CRC。方法：模2运算。减法：相同数减为0；相异数减为1，不考虑借位。除法：相同位数比较，只要被除数的最高位为1，商1；相同位数比较，只要被除数的最高位为0，商0。计算过程：G(X)最高幂次方
49、为3，则K=3；M(X)=M(X)本身，后面跟K个0，即1101000用模2计算方法求:M(X)/G(X),得到的余数XXX(K位)即为CRC校验码。最终结果：M(X)XXX1101000101110111111110010111110101110101011001 注意：K位余数校验后的CRC码：1101001检验时：将上述结果除G(X)，余数为0，正确；余数不为0，错误。不同位发生的错误会使余数也不同。用户层用户层标准功能块标准功能块FBFB装置描述装置描述DDDD功能功能 标准规定标准规定3232种功能块，现场装置种功能块，现场装置使用这些功能块完成控制策略。使用这些功能块完成控制策略。
50、DDDD功能包括描述装置通信所需的功能包括描述装置通信所需的所有信息，并且与主站无关，所以所有信息，并且与主站无关，所以可使现场装置实现真正的互操作性可使现场装置实现真正的互操作性 管理层管理层PCPC网络服务器网络服务器操作站操作站网关网关网桥网桥PLCPLC等其等其它控制站它控制站Type1 FCSType1 FCS结构示意图结构示意图EthernetEthernetTCP/IPTCP/IPH H2 2（HSEHSE）H H1 1低速现场总线低速现场总线FFFFFFFF是是是是Type1Type1Type1Type1的一个子集。的一个子集。的一个子集。的一个子集。8种现场总线的简单比较种现