现场总线技术综述 现场总线（Fieldbus）: 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。
一、企业网络信息集成系统 • 企业资源规划层 • 制造执行层 • 过程控制层
一、企业网络信息集成系统 （图 1 -2） 监控室 办公室 在家或 在路上 厂房 系统设备室 r
现场总线与上层网络的互联 • 采用专用网关 • 将现场总线网卡和以太网卡置入同一台PC • WEB服务器置入PLC或现场控制设备内
现场总线与局域网的区别 • 现场总线主要用于对生产、生活设备的控制；一般局域网 用于办公、多媒体通信 • 不同技术特点：控制网，高度实时性、安全性、可靠性， 数据传输量小；局域网相反 • 现场总线为全数字通信，具有开放式、全分布、互操作等 特点 • 具有越来越紧密联系
二、现场总线的技术特点 80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动 化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为 厂数字通信 网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次 之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控 制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综 合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致 自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后 在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的 作环境 处于过程设备的底层，作为 厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、 容错能力强、安全性好、成本低的特点：具有一定的时间确定性和较高的实 时性要求, 还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。 由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速 数据通信网的特色
一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS——现场总 线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一 代，把4～ 20 m. A等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集 中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统 DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方 面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标 准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集 中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功 能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系 统最显著的特征。
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，但至今尚未形成完整统 一的国际标准。其中有较强实力和影响的有: Foundation Fieldbus（FF）、Lon. Works、Profibus、HART、CAN、 Dupline等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了 自己的优势。本课程将在简要描述现场总线技术特点的基 础，紧扣系统的可靠性、实用性等，介绍现场总线网络结构、 体系结构等关键技术及目前较为流行的几种有实力的现场总 线技术的现状。
1、系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不 同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开 发者就是要致力于建立统一的 厂底层网络的开放系统。这 里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共 识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其 它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统 必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用 户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小 随意的系统。 2、互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实 现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，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、现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、 补偿计算、 程量处理与控制等功能分散到现场设备中完 成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时 诊断设备的运行状态。 4、系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完 成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分 布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与 分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了 可靠性。 5、对现场环境的适应性。 作在现场设备前端，作为 厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境 作而设计 的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电 力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与 通信，并可满足本质安全防爆要求等。
现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的 简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其 检修维护，都体现出优越性。 1、节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在 设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计 算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制 器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、 隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用 控PC机作为 操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减 少，还可减少控制室的占地面积。
2、节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由 于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、 端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的 作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设 新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也 减少了设计、安装的 作量。据有关典型试验 程的测算资 料，可节约安装费用 60%以上。 3、节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简 单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关诊断维护信息送 往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息， 以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停 时间， 同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护 作量。
4、用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选 择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品 牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不 兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权 完全掌握在用户手中。 5、提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备 的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测 量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结 构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强：减少了 信号的往返传输，提高了系统的 作可靠性。此外，由于它 的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重 构等优点。
回顾 • 现场总线？ • Fieldbus • 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。 • 企业网络信息集成系统 • 企业资源规划层、制造执行 层、过程控制层 • 现场总线与局域网的区别 • 1、应用环境不同2、不同技 术特点 • 现场总线与上层网络的互联 • 1、2、3、 监控室 办公室 在家或 在路上 厂房 系统设备室
回顾 • 80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动 化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为 厂数 字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高 控制管理层次之间的联系。 • 第五代控制系统（1、2、3、4、5） • 现场总线技术特点 • 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 • 优点： • 1、节省硬件数量与投资2、节省安装费用 3、节省维护开销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
三、现场总线网络的实现 • 现场总线的基础是数字通信，通信则必须 有协议，从这个意义上说，现场总线就是 一个定义了硬件借口和通信协议的标准。 • ISO OSI： 7层 • 现场总线多数采用了1、2、7层，并增设用 户层。
现场总线网络的实现 • 1、物理层：定义信号的编码与传送方式、传送介 质、接口的电气及机械特性、信号传输速率等。 • 2、数据链路层：加强物理层传输原始比特的功能， 使之对网络上层显现出一条无错线路。 • 3、应用层： 为用户应用提供接口，功能是进行 现场设备数据的传送及现场总线变量的访问。 • 4、用户层：定义了从现场装置中读、写信息和向 网络中其他装置分派信息的方法 ，即规定了供用 户组态的标准“功能模块”（特性描述、参数设定、 相互连接的方法一致）。
四、现场总线的现状 1、多种总线共存 现场总线国际标准IEC 61158中采用了8种类型： FF的H 1； Control. Net; Profi. Bus; P-Net; FF的HSE; Swift. Net; World. FIP; INTERBUS
四、现场总线的现状 市场还有其他一些现场总线。 据统计世界市场对各种现场总线的需求的实际额为：过程自动 化 15%（FF、PROFIBUS-PA、World. FIP），医药领域 18% （ FF、PROFIBUS-PA、World. FIP），加 制造 15%，交通运输 15%（PROFIBUS-DP、 Device. Net） ，航空、国防 34%（ PROFIBUS-FMS、 Lon. Works、 Device. Net 、Control. Net ） ， 农业（未统计，P-NET、CAN、PROFIBUS-PA/DP、 Device. Net、Control. Net），楼宇（未统计，Lon. Works 、 PROFIBUS-PA/DP、Device. Net）
• • 2、各种总线各有其应用领域 3、各种总线各有其国际组织 4、每种总线均有其支持背景 5、设备制造商参加多个总线组织 6、多种总线均作为国家和地区标准 7、协调共存 8、 业以太网引入 业领域
五、现场总线技术展望与发展趋势 1、发展现场总线技术已成为 业自动化领域广为注的 焦点课题，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破 了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程 。 2、具有发展前景的现场总线技术有： 智能仪表与网络设备开发的软硬件技术 ; 组态技术，包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等; 网络管理技术（网络管理软件、网络数据操作与传输） ; 人机接口、软件技术; 现场总线系统集成技术 。
3、自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向 前，这一发展趋势是肯定的。 4、在从现在起的未来 10年内，可能出现几大总线标准 共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通 过路由网关互连实现信息共享的局面。 5、在连续过程自动化领域内，今后10年内，FF、 PROFIBUS-PA总线将成为主流发展趋势，Lon. Works将成为 有力的竞争对手，HART作为过渡性产品也能有一定的市场。 这 3种技术是从这一领域的 业需求出发，其用户层的各种 功能是专业连续过程设计的，而且充分考虑到连续 业的使 用环境，如支持总线供电，可满足本质安全防爆要求等。
四、典型现场总线简介 1、基金会现场总线，即Foudation. Fieldbus, 简称FF，这是在 过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其 前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、 横河、ABB、西门子等80家公司制订ISP协议和以Honeywell 公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的Word. FIP协议。 屈于用户的压力，这两大集团于1994年 9月合并，成立了现场 总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以 ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路 层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了 用户层。
基金会现场总线分低速H 1和高速H 2两种通信速率。H 1 的传输速率为 31. 25 Kbps, 通信距离可达 1900 m (可加中继器 延长), 可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H 2的传输 速率为 1 Mbps和 2. 5 Mbps两种，其通信距离为 750 m和 500 m。物理传输介质可支持比绞线、光缆和无线发射，协 议符合IEC 1158 -2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯 特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变，或是负跳 变。正跳变代表 0，负跳变代表 1，从而使串行数据位流中具 有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。接收方既 可根据跳变的极性来判断数据的“ 1”、“ 0”状态，也可根据数 据的中心位置精确定位。
为满足用户需要，Honeywell、Ronan等公司已开发出 可完成物理层和部分数据链路层协议的专用芯片，许多仪表 公司已开发出符合FF协议的产品，1总线已通过ａ测试和β 测试，完成了由 13个不同厂商提供设备而组成的FF现场总 线 厂试验系统。2总线标准也已经形成。 1996年 10月，在芝加哥举行的ISA 96展览会上，由现场 总线基金会组织实施，向世界展示了来自 40多家厂商的70多 种符合FF协议的产品，并将这些分布在不同楼层展览大厅不 同展台上的FF展品，用醒目的橙红色电缆，互连为七段现场 总线演示系统，各展台现场设备之间可实地进行现场互操 作，展现了基金会现场总线的成就与技术实力。
2、CAN CAN是控制网络Control. Area. Network的简称，最早由德 国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的 数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际 标准，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等 公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。 CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型 基础上的，不过，其模型结构只有3层，只取OSI底层的物理 层、数据链路层和顶上层的应用层。其信号传输介质为双绞 线，通信速率最高可达 1 Mbps/40 m，直接传输距离最远可 达 1 0 km/5 kbps，可挂接设备最多可达 110个。
CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为 8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误 时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总 线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。 CAN支持多主方式 作，网络上任何节点均在任意时刻 主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局 广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个 节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输 数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线 冲突。 已有多家公司开发生产了符合CAN协议的通信芯片，如 Intel公司的 82 52 7，Motorola公司MC 68 HC 908 AZ 60 Z， Philips公司的 SJA 1000等。还有插在PC机上的CAN总线 接口卡，具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等 优点。
3、Device. Net • Devicenet是 90年代中期发展起来的一种基于CAN（ Controller Area Network）技术的通信网络，最初由 美国Rockwell公司开发应用。 • Devicenet是一种低成本的通讯总线。它将 业设备 （如：限位开关，光电传感器，阀组，马达启动器， 过程传感器，条形码读取器，变频驱动器，面板显示 器和操作员接口）连接到网络，从而消除了昂贵的 硬接线成本。直接互连性改善了设备间的通讯，并同 时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接 线I/O接口很难实现的。
Device. Net • Devicenet是一个开放的网络标准。规范和协议 都是开放的，供货商将设备连接到系统时，无 需为硬件，软件或授权付费。任何对Device. Net 技术感兴趣的组织或个人都可以从开放式 Decice. Net供货商协会（ODVA）获得 Device. Net规范，并可以加入ODVA，参加对 Device. Net规范进行增补的技术 作组。 • Devicenet的许多特性沿袭于CAN
4、Lon Works Lon. Works是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是 由美国Ecelon公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同 倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型 的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网 络变量把网络通信设计简化为参数设置，通讯速率从300 bps 至 1. 5 Mbps不等，直接通信距离可达到 2700 m（78 kbps，双 绞线），支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电 源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为 通用控制网络。
Lon. Works技术所采用的Lon. Talk协议被封装在称之为 Neuron的芯片中并得以实现。集成芯片中有3个 8位CPU； 一个用于完成开放互连模型中第 1～ 2层的功能，称为媒体 访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理 ; 第二个用于 完成第 3～ 6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理 的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量、网 络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等; 第三个是应用 处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储 信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲 区和应用缓冲区。如Motorola公司生产的神经元集成芯片 MC 143120 E 2就包含了2 KRAM和2 KEEPROM。
Lon. Works技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本（每片价格约 5～ 9美元)，而芯片的低成本又返过来促进了Lon. Works技术的推广应， 形成了良好循环，据Ecelon公司的有关资料，到 1996年 7月，已生产出 500万片神经元芯片。 Lon. Works公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用Lon. Works技术 和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有2600多家公司在不 同程度上卷入了Lon. Works技术： 1000多家公司已经推出了Lon. Works产 品，并进一步组织起Lon. Work互操作协会，开发推广Lon. Works技术与产 品。它被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、 运输设备、 业过程控制等行业。为支持Lon. Works与其它协议和网络之 间的互连与互操作，该公司正在开发各种网关，以便将Lon. Works与以太 网、FF、Modbus、Device. Net、Profibus、Serplex等互连为系统。
另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面， Lon. Works神经元芯片也具有独特的优势。Lon. Works技术已 经被美国暖通 程师协会ASRE定为建筑自动化协议BACnet 的一个标准。根据刚刚收到的消息，美国消费电子制造商协 会已经通过决议，以Lon. Works技术为基础制定了EIA-709标 准。 这样，Lon. Works已经建立了一套从协议开发、芯片设 计、芯片制造、控制模块开发制造、OEM控制产品、最终控 制产品、分销、系统集成等一系列完整的开发、制造、推广、 应用体系结构，吸引了数万家企业参与到这项 作中来，这 对于一种技术的推广、应用有很大的促进作用。
回顾 • • • ISO OSI： 7层 1、2、7层，并增设用户层。 现场总线现状: 12345678 现场总线国际标准IEC 61158： FF的H 1；Control. Net; Profi. Bus; P-Net; FF的 HSE; Swift. Net; World. FIP; INTERBUS
回顾：典型现场总线简介 • • • FF: 基金会现场总线，即Foudation. Fieldbus ISP+ Word. FIP 物理层、数据链路层、应用层、用户层。 H 1： 31. 25 Kbps, 1900 m ，可支持总线供电，可支持本质安全 H 2： 1 Mbps/2. 5 Mbps，750 m/500 m，传输信号采用曼彻斯特 编码， CAN：控制网络Control. Area. Network 最早应用于汽车行业，现广泛应用在离散控制领域 物理层、数据链路层、应用层 1 Mbps/40 m，最远可达 1 0 km/5 kbps，可挂接设备最多可达 110个 短帧结构，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力，支持 多主方式 通信芯片
回顾：典型现场总线简介 • • • Device. Net： 基于CAN 它将 业设备 限位开关，光电传感器，阀组，马达启动器，过程传感器，条形码读 取器，变频驱动器，面板显示器等 设备级诊断功能 Lon. Works： Ecelon公司 ７层结构 从300 bps至 1. 5 Mbps，直接通信距离可达到 2700 m（78 kbps，双绞 线） 支持本安防爆 Lon. Talk协议，Neuron芯片，3个 8位CPU，媒体访问控制处理器＼网 络处理器＼应用处理器 美国暖通 程师协会ASRE定为建筑自动化协议BACnet • 的一个标准。美国消费电子制造商协会：EIA-709标准。
5、Profibus是作为德国国家标准DIN 19245和欧洲标准pr. EN 50170的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模型。由Profibus Dp、Profibus -FMS、Profibus-PA组成了Profibus系列。DP型用 于分散外设间的高速传输，适合于加 自动化领域的应用。FMS意为 现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关 等一般自动化，而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从 IEC 1158 -2标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、 研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层，由这 两部分形成了其标准第一部分的子集，DP型隐去了3～ 7层，而增加 了直接数据连接拟合作为用户接口，FMS型只隐去第 3～ 6层，采用了 应用层，作为标准的第二部分。PA型的标准目前还处于制定过程之 中，其传输技术遵从IEC 1158 -2 (1 )标准，可实现总线供电与本质安 全防爆。
Porfibus支持主—从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几 种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。对多主站 系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一 个事先规定的时间内拥有总线控制权，并事先规定好令牌在各主站中 循环一周的最长时间。 按Profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行 方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主—从方式，向从站发 送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播 (不要 求应答 ), 或有选择地向一组站点广播。 Profibus的传输速率为 9. 6 K～ 12 Mbps，最大传输距离为 1200 m， 1. 5 Mbps时为 400 m，可用中继器延长至 10 km。其传输介质可以是双 绞线，也可以是光缆，最多可挂接 127个站点。
6、HART是Highway Addressable Remote Transduer的缩 写。最早由Rosemout公司开发并得到 80多家著名仪表公司 的支持，于1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可 寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟 信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变 过程中 业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期 具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。 HART通信模型由 3层组成 : 物理层、数据链路层和应用 层。物理层采用FSK（Frequency Shift Keying）技术在 4～ 20 m. A模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用Bell 202 国际标准; 数据传输速率为 1200 bps, 逻辑“ 0”的信号频率为 2200 Hz，逻辑“ 1”的信号传输频率为 1200 Hz。
数据链路层用于按HART通信协议规则建立HART信息 格式。其信息构成包括开头码、显示终端与现场设备地址、 字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等。其 数据字节结构为 1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位，1 个终止位。应用层的作用在于使HART指令付诸实现，即把 通信状态转换成相应的信息。它规定了一系列命令; 按命令方 式 作。它有 3类命令，第一类称为通用命令，这是所有设 备理解、执行的命令; 第二类称为一般行为命令，它所提供的 功能可以在许多现场设备 (尽管不是全部 )中实现，这类命令 包括最常用的现场设备的功能库; 第三类称为特殊设备命令， 以便在某些设备中实现特殊功能，这类命既可以在基金会中 开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场 设备中通常可发现同时存在这 3类命令。
HART支持点对点主从应答方式和多点广播方式。按应 答应方式 作时的数据更新速率为 2～ 3次/ｓ, 按广播方式 作时的数据更新速率为 3～ 4次 /ｓ, 它还可支持两个通信主设 备。总线上可挂设备数多达 15个，每个现场设备可有256个 变量，每个信息最大可含 4个变量。最大传输距离 3000 m， HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用 这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管 理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用 DDL技术，来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开 发专用接口。但由于这种模拟数字混信号制，导致难以开发 出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用总 线供电，可满足本安防爆要求。
7、其他 • INTERBUS ：德国Phoenix；汽车、烟草、 仓储等行业； 1、2、7； INTERBUS CLUB • CC-LINK：日本三菱；汽车等行业；符合 亚洲人思维；CLPA • Control. Net: 美国Rockwell；交通运输、汽 车、冶金、石油化 等行业；控制网国际 组织CI • World FIP、P-Net、Swift. Net、AS-i……
Foundation Fieldbus FF 时间分布 确定的通信 用户层 (功能块) High Speed HSE 控制功能分布到现场设备 用于互操作的 DD 与 行规文件 高速数据通信总线为 HSE Link Device Slow Speed H 1
PROFIBUS FIELDBUS PROFIBUS 简单、快速通信机制 通信冗余支持(高速 DP) 用于互操作的 GSD 与行规文件 FISCO 认证标准用于 IS 标准设计 高速数据总线支持RS 485 或 F/O技术 Ethernet MCC High Speed DP Coupler Melody Slow Speed H 1 Generic Diagram
各总线应用层分析 TCP IP/Ethernet Fast FF Plant/office systems Systems, PLC’s, multiplexers Intelligent field devices Fast FF, High speed PROFIBUS, Control. Net FF, PROFIBUS PA, World. FIP, P-Net, LON, Control. Net CAN, Device. Net, SDS, ASI-bus, Interbus-S Sensors, simple switches etc.
ABB 过程自动化 总线市场定位 • Foundation Fieldbus 标准 – H 1 用于过程自动化仪表 – HSE 用于高速通信设备 • Profibus PA & DP 标准 – PA 用于过程自动化仪表 – DP 用于高速通信设备 • Lon. Works - 厂电气设备 – LV MCC (INSUM 2 gateway to DP-MODBUS) – MV, HV MCC
现场总线策略 支持. . . • 您选择的现场总线协议 • 统一的编程体系 • 广泛自由的产品选择 • 系统全局数据一致性 • 资产优化管理 • 完善的网络结构 Your fieldbus Vantage Point
Field. IT 全方位的标准总线智 能设备 Actuators Temperature Flow Level Pressure Positioners Valves Controllers Recorders
Field. IT - 设备总览 HART PROFIBUS PA Temperature: TF 02, 202 Flow: Mag XE/XM, Vortex, Swirl, V/A, Ultra Sonic, Mass. Meter 1210, TRIOMASS Pressure: Temperature: TF 12, 212 Flow: P- DP: 600 -T, AF 800 Multivariable MV 2000 T Actuator: Modulating Contrac Remote I/O: S 900 -Ex Positioner: TZID-Fcomp. P- DP: 600 -T, AF 800 Multi variable MV 2000 T COPA XE/XM, Vortex, Swirl, TRIO MASS FIELDBUS FOUNDATION Flow: COPAXE/XM, MAG XE, Vortex, Swirl, TRIO MASS Pressure: Temperature: TF 12, 202 Flow: COPA-XE, VORTEX VT 1000, Mass Meter 1210 Pressure Level Actuators on/off: Contrac modulating: Ontrac P- DP: 600 -T Multi-variable MV 2000 T Multi Barrier: MB 204 Remote I/O: S 900 -Ex Multi Barrier: MB 204 Positioner: TZID-F Controllers/Recorders: PH: TB 82 PH Configuration tools: Hand Terminal HTT 04 PC based: SMART VISION PROFIBUS DP Configuration tool: PC based: SMART VISION Protronic, Digitric, Point Master, Line Master Configuration tool PC based: SMART VISION Positioner: TZID-F Configuration tool: AC 800 F control builder SMART VISION
ABB 现场总线技术 • 标准 Profi. Bus 设备组态 – GSD 文件 – 模板技术
使用GSD -files组态 Digi. Tool Digi. Vis Device specific Data in GSD-Files Controller Profibus-DP Profibus-PA
标准 Profi. Bus 设备的组态 • 导入 设备GSD 文件 • 选择设备使用的功能块及模块 • 进行I/O 编辑 • 对照手册选择输入、输出、诊测变量 • 设备非周期参数的设定
PROFIBUS 在线设 备诊测 • 现场总线与 设备的诊测 • 远程设定设 备地址 • 查询扫描新 • 设备 显示总线扫 描周期
Profi. Bus 设备在线参数设定 • 传感器参数定义 • 传感器功能块参数定义 • 传感器仿真功能定义
Profi. Bus 组态摸板技术 • 提供标准用户参数对话框 • 提供标准用户操作面板
模板技术支持所有标准 Profi. Bus 设备 • 摸板技术支持大量第 3方设备 • 形成标准摸板库
(2) 多种设备配套组态 具软件… ? 用户必须熟悉使用各自 具软件 n 不能实现流程化 作 n 无一致的质量保证 n Stand alone tool n tool 1
(3) 大量信息传输… Optimize. IT Engineer. IT Operate. IT 07 诊测 维护 校验 现场设备 Field. IT 组态 参数设定 在线调试 操作 监控 信号报警处理 过程变量值 时间同步功能 变量状态信息 • 大量数据交换 • 复杂的编程要求 Control. IT
解决方案: FDT/DTM Engineer. IT FDT Field Device Tool The user interface is the same DTM Device Type Manager nfor all devices nfor all suppliers nfor all protocols
对照 MS-Office 环境: 安装一台打印机 Microsoft Windows Novell Netware. . . Printer 驱动 厂自动化领域: 现场设备的组态安装 Profibus Foundation Fieldbus. . . Device 驱动
目前CBF 已支持 FDT/DTM 组态 Field Device Tool HART Device Type Managers HART CBF
基于总线技术带来的优势 % 总成本 n 调试阶段: 使用远程操作进行 设备测试与维护 n 安装阶段: 传统 4 -20 m. A 调试 简单的布线与机柜设计 n 7% 26% 14% 25% Saving 安装 设计阶段 现场总线 P&ID 流程图设计简化 3% 17% 设计 11% 简化设计文档 n 厂运行 节省大量电源及EEx i隔离器 节省大量控制柜车间及电缆费用 53% 厂运行 =100% Source: Mc. Dermott Engineering 减少项目整体费用 44% =75%
数据通信技术基础与网络互联 数据通信技术 基本概念 1. 总线的基本术语 （1）总线：传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接 与操作方式；总线段：一组设备通过总线连接在一起。 （2）总线主设备：Bus Master，命令者 （3）总线从设备：Bus Slaver，基本设备 （4）控制信号：三种类型。控制连在总线上的设备；改变总线操作的 方式；表明地址和数据的含义 （5）总线协议：管理主从设备使用总线的一套规则（PROTOCOL）
2、总线操作的基本内容 （1）总线操作：命令者与响应者之间的“连接-数据传送-脱开” （2）总线传送：命令者与响应者之间的数据传递；“读”、“写”操作。 （3）通信请求：某一设备向另一设备发出的请求信号。 （4）寻 址：命令者与一个或多个从设备建立起连接的操作方式；物 理寻址、逻辑寻址、广播寻址 （5）总线仲裁：解决冲突，裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备 （6）总线定时：总线操作用“定时”信号进行同步，用于指明总线上的数 据和地址在什么时刻是有效的 （7）出错检测 （8）容错
通信系统的组成 • • 通信系统是传输信息所需的一切设备的综合 信息源、信息接收者、发送设备、接收设备、传输介质 单向数字通信系统： 信息源→编码→调制→传输介质→解调→译码→接收者
数据编码 • • • 码元是传输数据的基本单位； 二元码； 数据编码是指通信系统中以何种物理信号的方式来表达数据； 模拟数据编码：用模拟信号的幅度、频率、相位表达数据； 数字数据编码：用高低电平的矩形脉冲信号表达数据 基带传输：采用数字数据，在基本不改变数据信号频率的情况下，直 接传输数据信号的传输方式 • 单极性码，双极性码 • 归零码，非归零码 • 差分码：用电平的变化与否在代表“ 1”和“ 0”
回顾 • • • PROFIBUS: SIMENS Dp、FMS、PA（可支持总线供电，可支持本质安全） 1、2、7 9. 6 K～ 12 Mbps，1200 m，1. 5 Mbps时为 400 m，127个站点； 主—从系统、纯主站系统、多主多从混合系统 令牌 HART： Highway Addressable Remote Transduer， Rosemout 1、2、7 过渡形，FSK（Frequency Shift Keying）， 4～ 20 m. A模拟信号上迭 加一个频率信号 • 15个站点；最大传输距离 3000 m；可支持总线供电，可满足本安防爆。 • 其他： • INTERBUS 、CC-LINK、Control. Net、World FIP、P-Net、Swift. Net、 AS-i……
回顾：基于总线技术带来的优势 % 总成本 n 调试阶段: 使用远程操作进行 设备测试与维护 n 安装阶段: 传统 4 -20 m. A 调试 简单的布线与机柜设计 n 7% 26% 14% 25% Saving 安装 设计阶段 现场总线 P&ID 流程图设计简化 3% 17% 设计 11% 简化设计文档 n 厂运行 节省大量电源及EEx i隔离器 节省大量控制柜车间及电缆费用 53% 厂运行 =100% Source: Mc. Dermott Engineering 减少项目整体费用 44% =75%
回顾 基本概念 • 1. 总线的基本术语 • 总线、总线主设备、总线从设备、控制信号、总线协议 • 2、总线操作的基本内容 • 总线操作、总线传送、通信请求、寻址、总线仲裁、总线定时、出错 检测、容错 通信系统的组成 • 信息源→编码→调制→传输介质→解调→译码→接收者 • 数据编码：指通信系统中以何种物理信号的方式来表达数据； • 码元是传输数据的基本单位； • 二元码； • 模拟数据编码；数字数据编码 • 基带传输；单极性码，双极性码；归零码，非归零码；差分码
数据编码 • • 曼彻斯特编码 基带信号编码 内置时钟信号，可自同步 每位（比特）传输时间为等间隔时间段，传输时，时间段前半部分传 输反码，后半部分传输原码
通信系统的性能指标 • 1、有效性指标：传输速率、频带利用率、协议效率、通 信效率 • 2、可靠性指标：误码率 • 3、信道频率特性 • 4、介质带宽 • 5、信道容量：某种传输介质单位时间内所能传输的最大 比特数 • 6、信噪比
局域网及其拓扑结构 • 将地理位置不同且具有独立功能的多个计算机系统， 通过通信设备和线路将它们连接起来，有功能完善的网 络软件（网络协议、信息交换 方式、控制程序和网络操 作系统）实现网络资源（硬件、软件、信息）的共享， 这样的系统称为计算机网络。 • 一个互连的自主的计算机设备集合体。 • 拓扑结构是指网络中节点的连接形式
局域网及其拓扑结构 网络结构：可分为星形、总线形、环形、树形等结 构 中心节点 总线形网络结构 环形网络结构 星形网络结构 树形网络结构
网络传输介质是通信网络传输信息的物理媒介，也称为“ 通信媒体”。 点对点连接时：一条传输链路两端连接两个通信节 点，发送设备通过适当硬件接口（编码和信号变换等） 把信号（模拟或数字的）注入到传输介质中去；接收设 备则以相反的过程从另一端取出信号。 广播方式连接时：同一条传输链路上连接了多台通 信设备，任何一台设备发送的信号都可能被别的设备所 接收。
网络传输介质 用于DCS计算机局域网的主要传输介质有：双绞线、同轴电缆 • 和光纤 • 双绞线：由两根绝缘铜导线组成，一对线作为一条通信链路， 通常，一定数量的这样的双绞线捆成一电缆，外面包着硬的保护性 护套。单个双绞线的两个导线绞扭，可 减少双绞线之间的电磁干扰。 RJ 45接口。单段最大传输距离 100米
• 双绞线常见的有3类线，5类线和超5类线，以及最新的6 类线，前者线径细而后者线径粗，型号如下： • 1）三类线：用于语音传输及最高传输速率为 10 Mbps的 数据传输。 • 2）五类线：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量 的绝缘材料，用于语音传输和最高传输速率为 10 Mbps 的数据传输，是最常用的以太网电缆。 • 3）超五类线：超5类具有衰减小，串扰少，并且性能得 到很大提高。超5类线主要用于千兆位以太网 1000 Mbps ）。 • 4）六类线：它提供 2倍于超五类的带宽。六类布线的传 输性能远远高于超五类标准，最适用于传输速率高于 1 Gbps的应用。
网络传输介质 同轴电缆：分内、外两个导体组成，外导体，是一个空心圆柱 形导体，它包裹着一个内心线导体。两者之间是绝缘材料。同轴电 缆的这种结构，使它具有高带宽和极好的噪声抑制特性。
• 基带同轴电缆 (如 50Ω同轴电缆 )用于基带传输。 • 宽带同轴电缆 (如75Ω电视天线电缆)用于宽带传输。 • 从外形和性能上说，又分为粗缆和细缆。 • 同轴电缆的数据传输速率、传输距离、可支持的节 点数、抗干扰等性能优于双绞线，成本也高于双绞 线，但低于光纤。 • 单段最大距离：细缆185米，粗缆500米 • 接口：细缆，T型头；粗缆，AUI
网络传输介质 光纤：即光导纤维的简称。由内外两种折射率不同的 材料构成，内层折射率高，外层折射率低，通过光的全 反射进行传输。有多模光纤与单模光纤之分。 光收发器：将光信号转成电信号，光端机。 光端盒：一个连接光缆线路和尾纤的盒子
• 单模，多模光纤 • 单模光纤仅能传输一个模式，而多模光纤能传输多个 模式。 • 单段最大距离：单模，传输 4000多米； 1000 -2000米。
介质访问控制技术 各个站通过网络传送信息的基本关系，就是源（发 送）站将信息送上网络，然后目的（接收）站从网络读 取信息。为了迅速正确地实现这些对网络的存取访问过 程，要有合理的存取控制方法。 为解决同一时间多个设备争用传输介质则需要介质 访问技术 常用的方法有：轮询（Poll)、令牌传送（Token Passing）、带有碰撞检测的载波侦听多重访问（ CSMA/CD）。
1、轮询（Poll) 它是由主站向其他站逐个查询，根据查询 到站的应答信息，确定该站是否要发信，并确 定是否让其发信。这一站发送我按信息后通知 主站，再继续查询。 适用于集中控制的网络（星形网、树形网、 总线网），在DCS中称为 1对N的控制方式。
2、令牌传送（Token Passing） • 采用令牌传送技术的有环形网或在逻辑序列 上将节点连接成环的总线网。 • 通信响应时间具有确定性，实时性好，系统 总的信息吞吐量大。 • 令牌传送为N对N通信中最好的
2、令牌传送（Token Passing） • 作原理：环上有一个称为令牌的信息包沿环中各 节点依次传送。该令牌有空、忙两个状态，在网络启动 时，由指定节点产生一个空令牌送到网上传送。对要传 送信息的节点，都要在令牌传到自己并判断为空时，才 能把令牌置成忙，并发送含有数据、源地址、目的地址、 检错码的信息包，然后发送到网上，目的站读取该信息 包后，仍然转发该包，再回到发送站时，才撤消该包， 并把令牌置成空，并将它传给下一节点。 • 如果令牌丢失或信息包在环上无限制循环，则由指 定的监视节点向网中注入一个新令牌或将信息包撤消
3、碰撞检测的载波侦听多重访问（CSMA/CD） • 网络上的各个站共享一条传输线，就有可能发生传输线 上的信息“碰撞”，这种竞争必须用一定策略消解。 • 首先是载波侦听多重访问，即：“先听后讲”，先进行侦 听，判断空闲发送数据，然后等待应答信号。 • 但仍然有可能发生碰撞，那么还需要加上“边听边说”（ CD）。即在发数据的同时，继续对线路进行侦听。当发 现听和说的内容不一致时，立即停止发送数据，而改发 堵塞信号。等待一定时间后，再重复一边上述过程。 • 竞争发送，广播式传输、载波侦听、碰撞检测、等待时 机、再试发送。
特点： • 优点：算法简单、成本低、可靠性高，负 荷轻时延迟少，而总吞吐量也较好，负荷 重时也能 作。 • 缺点：通信延迟不确定；为检测碰撞，要 求在总线上任何位置，各站发出信号的幅 度差别不能大，这在有时会增加技术难度 • 适合突发性通信。以太网（Ethernet）常用。
计算机网络构成 • • • 主机（HOST，可带终端） 节点 通信链路 节点与通信链路统称为通信子网 主机、终端等统称为资源子网 D A C B
计算机局域网 • • 计算机网络按照覆盖地域范围的不同分为： 广域网（远程网）：数公里以上 局域网（局部网）：几米至几千米 （分布式多处理机：几米以内）
回顾 • 曼彻斯特编码 • 通信系统的性能指标： • 有效性指标、可靠性指标、信道频率特性、介质带宽、信 道容量、信噪比 • 局域网 • 将地理位置不同且具有独立功能的多个计算机系统，通过 通信设备和线路将它们连接起来，有功能完善的网络软件 （网络协议、信息交换 方式、控制程序和网络操作系统） 实现网络资源（硬件、软件、信息）的共享，这样的系统 称为计算机网络。 • 局域网拓扑结构 • 网络传输介质：点对点、广播方式、双绞线、同轴电缆、 光纤
回顾 • 介质访问控制技术 • 轮询（Poll)、令牌传送（Token Passing）、带有碰撞检 测的载波侦听多重访问（CSMA/CD） • 计算机网络构成 • 通信子网 • 资源子网 • 计算机局域网 • 广域网（远程网）、局域网（局部网）、（分布式多处理 机：几米以内）
现场控制网络 • 现场总线又称现场控制网络，特殊计算机网络，是用于完 成自动化任务的网络。特殊性表现在： • 设备类型：具有计算及通信能力的测控设备，性能较低 • 信息类型：信息量低、传输速率低、数据帧短、实时性高、 可靠性高 • 网络执行任务：连接现场测控装置 • 作环境
现场控制网络的实时性 • 现场控制网络不同于通用计算机网络的最大特 点在于实时性要求，即网络需要现场通讯实时 性的要求，在确定的时限内完成信息的传送。 这里所说的“确定”的时限是指，无论在何种情 况下，信息传送都能在这个时限内完成，而这 个时限则是根据被控制过程的实时性要求确定 的 。
同步通信和异步通信 （1）异步通信: 每次传送一个字符（5 -8比特），每个字符前面加 1位起 始位（“ 0”），后面加 1位校验位和1 -2位停止位（“ 1”），不传送字符 时连续传送“ 1”。接受器根据“ 1”到“ 0”的跳变识别起始位，确定有新 的字符发送时，启动定时器。 （2）同步通信：同步通信是比异步通信更有效的通信方式，在字符之间 不加起始位、校验位和停止位等，而成块（数据祯）的传送字符或比 特流。
单 通信和双 通信 （1）单 通信：数据只能沿单一方向进行发送或接收。为了保证数据正 确接收提供是否重发的信息，还要有一个反向的应答信号。 （2）双 通信 半双 通信：数据可沿两个方向交替传送，但同一时刻只能沿一个方向 传送，两个方向的应答信号使用同一信道，因此要有控制 信号流向的设备。(RS 485) 全双 通信：在两个方向上的数据和应答信号均可同时传输，有四条独 立的信道(RS 422) 数据 A 数据 B A B 应答 应答 应答 （a） （b） （c）
数据传送中的差错控制 差错 噪声 白噪声：分子热运动引起，随机错误 冲击噪声：电磁干扰引起，突发错误 例如： 发送端码元序列：C=01001101011 接收端码元序列：R=0110001 错误码元序列：E=C R = 00101011010（” 1”表示错误， ” 0”表示正 确） 突发错误的特点：某一码元出错与其前后码元有相关性，往往使错误成串 密集的产生。成串的突发错误中第一个错误位到最后一个错误位之间的长 度（中间可以有不错的位）称为突发长度。 采取屏蔽措施，选择合理的调制方法（如调相）提高信噪比等，可以 大大降低但不能完全消除差错。目前一般通讯电路中，传输率为 6002400 bps之间，误码率为 10 -4 -10 -6，高速传输的误码率为 10 -2 -10 -4，对DCS 系统的传输，误码率要求低于10 -9。 数据通信中为实现无差错传送而使用的技术称为差错控制—应用抗干扰码 和纠错。
1、抗干扰编码的基本思想 人们交谈时，有时并没有听懂对方讲话的每个字、每个名，但是却能 够懂得对方讲话的含义，因为语言中的字与字、名与名之间存在着相关性 和规律性。抗干扰编码就是基于这种思想，使原来不带规律性或规律性不 强的信息序列I，变换为带上规律性或使其规律性加强的序列C。接收端在 接收时，可利用这种规律性进行检验（解码），从而发现错误，告诉发送 端重发，或自行纠正错误。在具体编码时，就是在原始序列I的后面，以一 定的规则加入一些冗余码元。加入的冗余码元称监督码元或校验码元。因 此，用抗干扰编码的方法提高数据传输系统的可靠性是以牺牲有效性作代 价的。 检错码：指能检查出差错的码。 纠错码：不仅能发现差错而且能自动纠正差错的码。
2、差错控制的基本方式 （1）自动纠错： 方式：发送端发送能够纠错的码，接收端收到这些码后，通过纠错码译 码器不仅能自动的发现错误，而且能自动的纠正传输中的错误， 然后再把已纠正的数据（或信息）送给接收端，称为前向纠错， 简称FEC。 优点：不需贮存和反馈信道，能用于单向通信，适合不延迟实时通信系统。 缺点：编码必须与信道的噪声干扰情况紧密对应，要求附加的监督码元 多，传输效率低，解码设备复杂。 （2）检错重发： 方式：发送端发送能检测差错的码，接收端检验传输中有无差错产生， 并把检验结果经反馈信道送回到发送端，发送端根据反馈信息把 接收端认为有错信息再次发送，直到接收端判定无错为止。称为 反馈重发纠错，简称ARQ。 优点：比自动纠错能力强，编码与信道的噪声干扰情况无关，要求附加 的监督码元少，传输效率低，解码设备简单。 缺点：需贮存器和反馈信道，只能用于双向通信，有时需要多次重发，实 时性不强，而且不论错误多少，一有错就要反馈重发，效率低。 （3）自动纠错与检错重发结合的混合纠错方式
3、检错码（纠错码） （2）循环冗余码：计算机网络和DCS中主要应用的抗干扰 码。 A ：线性码, r个校验码元的每一个都是该码字中某些信 息码元的模 2和, 即按照线性关系相加, 这样组成的长度 为n=k+r的码, 称为线性码. 表示为（ n，k）. 例如（7，3），三个信息码元C 6 C 5 C 4 ，四个校验码元 C 3 C 2 C 1 C 0，可按以下线性关系求得 C 3 = C 6 C 4 C 2 = C 6 C 5 C 4 C 1 = C 6 C 5 一致检验方程组 C 0 = C 5 C 4 封闭性: 许用码字对应位模 2相加, 仍为许用码字.
3、检错码（纠错码） B ：循环码, (n, k)线性码, V=(V 0, V 1, V 2, …, VN-1), 各位循 环右移, 仍为许用码字. 码多项式V(x): 把码字V的各位看作是一个多项式的系数, 而 X的幂次指出每一系数在码字中所处的位置, 即: V(x)=Vn－1 xn－1+Vn－2 xn－2+…+V 0 可以证明存在g(x): 在 (n, k) 循环码中，每个码多项式 C(x) 都是 g(x) 的倍式；而每个为 g(x) 倍式且次数小于或等于 (n－1) 的多项式，必是一个码多项式。 生成多项式g(x): V(x)=m(x)*g(x)
3、检错码（纠错码） 系统码, 每一个码字的前K位为信息位, 后面n-k位为校验位 C: 系统循环码的生成, 用m个数据位对应的码多项式乘以x的(nk)次幂后, 再除以生成多项式g(x)(模 2运算), 把所得余式对 应的码字和数据码接在一起. 例: m=101, g(x)=1+x 2 3 +x 4 +x 6 则: m(x)=1+x 2 , 乘以x 4, 得到 x + x 4 , 除以g(x), 得余式: 6 4 x+1, 及码多项式V(X)=x +x + x +1 V=1010011
3、检错码（纠错码） • D: 循环码检错. 发送端把码字发送出去, 接受端把收到的信 息所对应的码多项式除以同一个生成多项式, 若能整除则 无差错. (n, k)循环码可以检查出: • 全部单错, 全部双错, 全部奇数个错 • 全部不大于r位的突发错(r=n-k) -(r-1) • (1 -2 )*100%的r+1位突发错 -r • (1 -2 )*100%的多于r+1位突发错
3、检错码（纠错码） • D: 循环码检错. • 常用循环冗余玛的生成多项式; 12 11 3 2 • CRC-12=X +X +X +1 16 15 2 16 12 • CRC-16= X +X +X +1 5 • CRC-CCITT= X +X +X +1 • DCS 常用 16位的CRC码
例 • 不同编码位数发送天气预报的纠错情况 • 从表中可知，情形 1用 1个bit表示两种状态，没有冗余状态，因此没有 任何检、纠错能力；情形 2用 2个bit表示两种状态11（晴）、00（雨） ，常把11、00称为许用码字，还有两种不被使用的状态01、10称为 禁用码字，当许用码字错一位，就变成禁用码字，因此可以判断有一 位错了，但还是不知道到底哪位错了；情形 3用 3个bit表示两个许用 码字 111（晴）、000（雨），因此还有6个禁用码字，此时当发生一 位错码时，例如111错成 110，不仅可以检测错误，而且根据最大似 然法可以纠正错误；当发生两位错码时，例如000错成 101，仍然可 以检测出有错误.
多路复用技术 • 多路复 用技术：利用一个物理信道同时传 输多个信号，提高信道利用率。 • 1、频分多路复用（FDM），使用几种不同 的载波频率调制多个信号 形成每条信道上 占有一定带宽且互不重叠、有一定频段间 隔的多条信道。 • 电话线通信和宽带网常用。
多路复用技术 • 2、时分多路复用（TDM），将传输线的使 用时间划分为若干周期，每一周期再划分 为与信道数n相对应的n个时间片，每一时 间片中传输对应序号的信号。 • 基带网常用。
信息交换技术 • 什么是交换呢：交换就是按某种方式动态地 分配传输线路资源。 • 为什么要采用交换技术：提高线路利用率， 节省线路投资 • 实现交换的方法主要有: 电路交换, 报文交换, 分组交换
1、电路交换（Circuit Switching) • 线路(电路)交换(Circuit Switching)方式, 就是通 过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的 通信线路. • 线路交换方式的通信包括三种状态: • (1)线路建立: 在传输任何数据前, 必须建立端到端 的物理连接. • (2)数据传送 • (3)线路拆除: 某个数据传送结束后, 要结束连接.
1、电路交换（Circuit Switching) • 特点: • 建立连接的时间长; • 一旦建立连接就独占线路, 线路利用率低，通讯 负荷重时，易造成堵塞。 • 建立连接后, 传输延迟小。 • 因为计算机数据具有突发性的特点, 真正传输数 据的时间不到 10%. ，浪费较大。
2、报文交换（Message Switching) • 不需要在两站之间建立专用的物理信道，而是 把待发送的信息分割成一份份的报文，在报文 的头尾加上源地址、目的地址、报文序号以及 校验码等。然后将整个报文(Message)作为一个 整体一起发送，. 从网络上的一个节点传送到另 一个节点，直到目的地。在交换过程中, 交换设 备将接收到的报文先存储, 实施差错校验和路由 选择（即路径选择），然后在信道空闲时转发 出去。
2、报文交换（Message Switching) • 特点: • 报文可以分时共享一条信道，并且可以将一个 报文发送到多个目的站，信道利用率高。 • 报文大小不一，造成存储管理复杂，报文经常 在链路各节点排队，延长了报文到达目的站的 时间，尤其长报文的延时更大，可达几十秒甚 至几小时。 • 出错后整个报文全部重发，进一步加重网络通 讯负担.
3、分组交换（Packet Switching) • 分组交换又叫包交换，将报文划分为若干个大 小相等，长度更短的信息包或分组(Packet)，以 此为单位进行，进行存储转发. 数据传输前不需 要建立一条端到端的通路——也是"无连接的"。
3、分组交换（Packet Switching) • 特点: • 与报文交换相似，信道利用率高。对转发结点 的存储要求较低, 可以用内存来缓冲分组——速 度快; • 报文模式单一，易存储易转发，总体延时比报 文交换小。 • 有强大的纠错机制，流量控制和路由选择功能， 各分组可通过不同路径传输，灵活，容错性好。 • 通信负荷重时，电路交换网会发生堵塞，而分 组交换只是延长
4、其它交换技术 • (1)利用数字语音插空技术(DSI, Digital Speech Interpolation)能提高线路交换的传 输能力. • (2)帧中继(Frame Relay)是对目前广泛使用 的X. 25分组交换通信协议的简化和改进. • (3)异步传输模式(ATM, Asynchronous Transfer Mode) 又称为信元交换，是电路交 换与分组交换技术的结合。
回顾 • • • 现场控制网络（实时性） 异步、同步通信 单双 通信 差错控制 多路复用技术 信息交换技术
网络互联 • 1、基本概念 • 网络互联是将分布在不同地理位置的网络、网络设备连接 起来，构成更大规模的网络系统，以实现网络的（数据） 资源共享。 • 相互连接的网络可以是同种类型的网络，也可以是运行不 同网络协议的异型系统。 • 网络互联不改变原有子网内的各项特性 • 要求将因连接对原有网络的影响减至最小 • 2、网络互联规范 • IEEE 802委员会（局域网标准委员会） • IEEE 802. 1 - IEEE 802. 11
网络互联 • 3、网络互联和操作系统 • 局域网操作系统是实现计算机与网络连接的重要软件。其通过 网卡驱动程序与网卡通信实现介质访问控制和物理层协议，能 很好解决异型网络互联问题。 • 4、现场控制网络互联 • 现场控制网络通过网络互联实现不同网段之间的网络间接与数 据交互，包括在不同传输介质、不同速率、不同通信协议的网 络之间实现互联。 • 对一条总线段容许的通信节点有严格限制，同种总线的网段采 用中继器或网桥实现连接，不同种总线采用网关。
通信网络协议 • 通信网络: 共享资源(传输信息) • 网络标准化: 异构问题, 系统互连 • 1978 ISO OSI(开放系统互连模型 The Reference Model of Open System Interconnection) • “开放”并不是指对特定系统实现具体的互联技术或手 段，而是对标准的认同，一个系统是开放系统，是指 它可以与实际上任意遵守相同标准的其他系统互联通 信。
通信网络协议 • 1、协议组成 • 句法：即数据和控制信息的结构 • 语法：即一组要发送的控制信息，要执行的动作，或要 返回的响应； • 时标：即时间执行次序的规约
通信网络协议 • 2、协议分层 • 通信网络联系复杂，则协议的实现也复杂困难。为此需 进行协议分层。 • 协议分层：将复杂协议分解成一些简单成分，再逐步复 合或扩展。 • 优点 • 简化协议软件的描述、开发和调试过程； • 允许对某一层进行修改，但不影响其他各层； • 使协议管理简化，并可逐步扩展；
通信网络协议 • 3、通信网络协议的发展 • ISO：开放系统互连参考模型OSI，70年代； • IEC：PROWAY协议，75年，相当于OSI下面两层 • IEEE：局部网络标准协议， 81年，相当于OSI下面 两层 • 通用汽车：MAP（Manufacturing Automation Protocol）协议 80年代
开放系统互连参考模型OSI • OSI为七层结构：物理层、链路层、网络层、传送层、 会话层、表示层、应用层。 • 分层原则： • 根据不同层次的抽象分层 • 必须有不同层的抽象时，才设立一个层次 • 每一层的功能要恰当定义，适于国际标准化 • 每两层间接口的确定，以通过该接口的信息流量最少 为原则。 • 层次应该足够多，以避免不同的功能混杂在同一层中， 但也不能太多。
开放系统互连参考模型OSI 数据 数据 S 1 S 2 H 7 数据 7应用 H 7 数据 H 6 H 7 数据 6表示 H 6 H 7 数据 H 5 H 6 H 7 数据 5会话 H 5 H 6 H 7 数据 H 4 H 5 H 6 H 7 数据 4传送 H 4 H 5 H 6 H 7 数据 H 3 H 4 H 5 H 6 H 7 数据 3网络 H 3 H 4 H 5 H 6 H 7 数据 H 2 H 3 H 4 H 5 H 6 H 7 数据 T 2 2链路 H 2 H 3 H 4 H 5 H 6 H 7 数据 T 2 1物理 H 2 H 3 H 4 H 5 H 6 H 7 数据 T 2 通信线路
1、物理层（Physical Layer) 它是通信网上各设备之间的物理接口，直接把数据位信息从一台设备传 送到另一台设备。目前常用串行通信接口有RS-232 C、RS-422 A，RS-485。 物理层协议 机械特性：连接器的规格及其安装 电气特性：传输线上数字信号的电压高低、传输距离和速率 功能特性：连接器各插脚的功能 过程特性：规定信号之间的时序关系，正确发送或接收数据 TXD RS 232 C 1 2 RXD GND 3 4 5 6 7 8 9
2、数据链路层（Data Link Layer) 数据链路层负责将传送的数据按帧结构格式化，组织成 帧，实现差错控制和介质访问控制，实现对物理层的管理。 （1）面向字符的协议 1968，典型为IBM推出的BISYNC（Binary Synchronous Communication SYN ETX SOH 报头 STX 内容 BCC ETB
（2）面向位的协议 代表性： 1977, ISO提出的高级数据链路控制协议HDLC （High-level Data Link Control) HDLC每帧 6个字段，含义如下： 1) 标志F：指明一个帧的开始或结束，也兼作同步字符，是一个 8位序列 01111110，在整个帧中具有唯一性。 1) 站地址A：指明接收本帧信息的目的站地址。 2) 控制段C：指明帧的类型、序列号、命令、响应类别等控制信息。 3) 信息段I：传送用户的数据信息，其长度是可变的。 4) CRC校验段：它是站地址段、控制段、信息段数字的函数，采用 16位 CRC校验。
HDLC帧结构 8位 8位 8位 >=0位 16位 8位 起始标志 F 站地址 A 控 制 C 信 息 I 校 验 CRC 起始标志 F 1 控 信息帧 制 段 监视帧 结 无编号 构 帧 2 0 3 4 N(s) 5 P/F 1 0 S S P/F 1 1 M M P/F 6 7 8 N(r) MMM
3、网络层（Network Layer) 功能：进行信息包的路径选择和链路的协调管理，防止 链路的死锁和堵塞。 如果信息包只在单个网络内传送，这一层不必存在。 向传送层提供的服务方法： 虚电路方法：类似于电路交换技术。 数据报方法：类似于报文交换技术。
4、传送层（Transport Layer) 功能：为会话层提供可靠而透明的端----端传送服务， 使信息传送无差错。 如果各个站中有多个任务在并行运行，传送层可建 立多个网络层连接。使信息分流，也可进行逻辑上的多 路复用，提高网络层连接利用率，从而提高网络信息吞 吐量。从某种意义上说, 传送层使会话层不受硬件技术变 化的影响. 5、会话层(Session Layer) 提供用户进程之间的一次会话。目的在于通过进程 之间连接的建立和调节，使得连接双方的交换活动变得 容易，
6、表示层(Presentation Layer) 功能：实现用户与服务之间的翻译与转换。完备的 表示层协议可以使异种机、异种操作系统、异种数据库和 异种进程进行通信而不存在“语言”障碍。 7、应用层（Application Layer) 功能：为用户进程通信执行面向应用的任务，包括 必要的监督和管理，分为应用支持活动、应用管理活动和 系统管理活动。 应用层协议为每个应用进程提供合适的信息服务。 协议中，包括功能独立和可并发执行的应用支持模块。
网络互联设备 • 中继器（REPEATOR）：在物理层通过复制位信号延伸 网段长度 • 网桥（BRIDGE）：在数据链路层中在局域网间转发、存 储数据帧 • 路由器（ROUTER）：在网络层中在不同网络间转发存储 分组信号 • 网关（GATEWAY）：在传输层及传输层以上进行协议转 换，提供更高层次的接口
回顾 • 网络互联 • 是将分布在不同地理位置的网络、网络设备连接起来，构 成更大规模的网络系统，以实现网络的（数据）资源共享。 • 网络互联规范、网络互联和操作系统、现场控制网络互联 • • • 通信网络协议 协议组成 协议分层 分层原则 网络互联设备
回顾 • ISO OSI • 七层 数据 数据 S 1 S 2 H 7 数据 7应用 H 7 数据 H 6 H 7 数据 6表示 H 6 H 7 数据 H 5 H 6 H 7 数据 5会话 H 5 H 6 H 7 数据 H 4 H 5 H 6 H 7 数据 4传送 H 4 H 5 H 6 H 7 数据 H 3 H 4 H 5 H 6 H 7 数据 3网络 H 3 H 4 H 5 H 6 H 7 数据 H 2 H 3 H 4 H 5 H 6 H 7 数据 T 2 2链路 H 2 H 3 H 4 H 5 H 6 H 7 数据 T 2 1物理 H 2 H 3 H 4 H 5 H 6 H 7 数据 T 2 通信线路
串行通信基础 • 在串行通信中, 参与通信的两台或多台设备通常共享一条物 理通路. 发送者依次逐位发送一串数据信号, 按一定的约定 规则为接收者所接收. • 其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别使用 于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。 • 由于串行端口通常只是规定了物理层的接口规范，所以为 确保每次传送的数据报文能准确到达目的地，必须在通信 连接上采取相应措施。
串行传送的特点 • ① 在一根传输线上即传送数据又传送联络信号。 • ② 有固定的数据传输协议。 • ③ 线上的通信信号一般不是TTL电平，因此与CPU通信必 需进行电平转换。 • ④ 传送信息的速率要求双方约定。
串行通信数据格式
连接握手 • 通信帧的起始位可以引起接收方的注意, 但发送方 确认接收方是否已经做好了准备. 利用连接握手, 可 以使收发双方确认已经建立了连接关系, 接收方已 经做好准备, 可以进入数据收发状态. • 连接握手过程是指发送方在发送一个数据块之前 使用一个特定的握手信号来引起接收者的注意, 表 明要发送数据, 接收者则通过握手信号回应发送者, 说明它已经做好了接收数据的准备.
确认 • 接收者为表明数据已经收到向发送者回复 信息的过程. • 不是必须
RS-232 C • 25（9）信号线 • 2#（3#）TXD：发送数据（输出）。 • 3#（2#）RXD：接收数据（输入）。 • 4#（7#）RTS：请求发送数据（输出）。 • 5#（8#）CTS：允许发送数据（输入）。 • 6#（6#）DSR：数据设备准备好（输入）。 • 20#（4#）DTR：数据终端准备好（输出）。 • 8#（1#）DCD： 数据信号检测, 表明双方已经连接(输入). • 22#（9#）RI：对方收到振铃时状态（输入）。 • 7#（5#）GND：地脚。
信号线的连接
电气特性 • • 速率20 K bit/s以内，距离 15米以内 ± 12 V标准脉冲，负逻辑 EIA-RS-232 C电平：逻辑 1 – 5~-15 v 逻辑 0 +5~+15 v TTL电平：逻辑 1 +2~+5 v 逻辑 0 0 v 232 C/TTL电平转换器：MC 1488/MC 1489 （需+15、-15 v）、 MAX 232 （需+5 v）
• • • RS-485 二线：AA` BB` AA`与BB`压差 2500 - 200 m. V为逻辑 1。 -2500 - -200 m. V为逻辑 0。 -200 - 200 m. V 为高阻。 专用RS-485/TTL转换芯片。 MAX 485 MAX 1487 RS-485特点： 传输速率高：距离 15 M时 10 MB/S（232 C 最快 20 KB/S）。 传输距离远：速率100 KB/S 时 1200 M（232 C最远 15 M）。 抗干扰强。 能实现多点对多点通信：目 前最大可达 256对。
PROFIBUS现场总线
PROFIBUS现场总线（一）
1 PROFIBUS概述 • PROFIBUS（Process Fieldbus的缩写）是一种国 际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线 标准。它广泛应用于制造业自动化、流程 业自动 化和楼宇、交通、电力等其他自动化领域。 • PROFIBUS技术的发展经历了如下过程： Ø 1987年由德国SIEMENS公司等13家企业和5家研究 机构联合开发； Ø 1989年成为德国 业标准DIN 19245； Ø 1996年成为欧洲标准EN 50170 V. 2（PROFIBUSFMS-DP）；
Ø 1998年PROFIBUS-PA被纳入EN 50170 V. 2； Ø 1999年PROFIBUS成为国际标准IEC 61158 的组成部分（TYPE III）； Ø 2001年成为中国的机械行业标准JB/T 10308. 3 -2001。
• PROFIBUS由以下三个兼容部分组成： Ø PROFIBUS-DP：用于传感器和执行器级的 高速数据传输， DP的传输速率可达 12 Mbps，一般构成单主站系统，主站、从 站间采用循环数据传输方式 作。 Ø 它的设计旨在用于设备一级的高速数据传输。 在这一级，中央控制器（如PLC/PC）通过 高速串行线同分散的现场设备(如I/O、驱动 器、阀门等）进行通信，同这些分散的的 设备进行数据交换多数是周期性的。
Ø PROFIBUS-PA：是PROFIBUS的过程自动化 解决方案，PA具有本质安全特性，它实现了 IEC 1158 -2规定的通信规程。 Ø PROFIBUS-PAPA将自动化系统和过程控制 系统与现场设备，如压力、温度和液位变送 器等连接起来，代替了4~20 m. A模拟信号传输 技术，大大提高了系统功能和安全可靠性， PA适用于石油、化 、冶金等行业的过程自 动化控制系统。
Ø PROFIBUS-FMS：它的设计是旨在解决车间 一级通用性通信任务，可用于大范围和复杂 的通信系统。 Ø FMS提供大量的通信服务, 用以完成以中等传 输速率进行的循环和非循环的通信任务.
2 PROFIBUS的协议结构 • PROFIBUS的协议结构如图 1所示。 DP设备行规 基本功能 扩展功能 DP用户接口 直接数据链路映 象程序（DDLM） 第 3 -6层 第 1层 （物理层） FMS设备行规 应用层接口 （ALI） 基本功能 扩展功能 DP用户接口 直接数据链路映 象程序（DDLM） 应用层 现场总线报文规 （FMS） 第 7层 （应用层） 第 2层 （数据链路层） PA设备行规 未使用 数据链路层 现场总线数据链 路层（FDL） 物理层 （RS-485/LWL） 图 1 PROFIBUS的协议结构 IEC接口 IEC 1158 -2
• PROFIBUS协议采用了ISO/OSI模型中的第 1层、第 2层以及必要时还采用第 7层。 • PROFIBUS提供了三种通信协议类型：DP、FMS和 PA。
2. 1 PROFIBUS-DP • PROFIBUS-DP使用了第 1层、第 2层和用户接口层。 第 3到 7层未使用，这种精简的结构确保高速数据传 输。直接数据链路映象程序（DDLM）提供对第 2层 的访问。在用户接口中规定了PROFIBUS-DP设备 的应用功能，以及各种类型的系统和设备的行为特 性。 • 这种为高速传输用户数据而优化的PROFIBUS协议 特别适用于可编程控制器与现场级分散I/O设备之间 的通信。
2. 2 PROFIBUS-FMS • PROFIBUS-FMS使用了第 1层、第 2层和第 7层。 • FMS处理单元级（PLC和PC）的数据通信。功能强 大的FMS服务可在广泛的应用领域内使用，并为解 决复杂通信任务提供了很大的灵活性。 • PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS使用相同的传输 技术和总线存取协议。因此，它们可以在同一根电 缆上同时运行。
2. 3 PROFIBUS-PA • PROFIBUS-PA使用扩展的PROFIBUS-DP协议进 行数据传输。此外，它执行规定现场设备特性的PA 设备行规。传输技术依据IEC 1158 -2标准，确保本 质安全和通过总线对现场设备供电。 • PROFIBUS-PA是为过程自动化 程中的高速、可 靠的通信要求而特别设计的。用PROFIBUS-PA可 以把传感器和执行器连接到通常的现场总线（段） 上，即使在防爆区域的传感器和执行器也可如此。
3 PROFIBUS的通信模型 6. 3. 1 物理层 • 1．DP/FMS（RS-485）的物理层 Ø PROFIBUS的物理层（第 1层）实现对称的数据传 输，符合EIA RS-485标准（也称为H 2）。一个总 线段内的导线是屏蔽双绞电缆，段的两端各有一个 终端器，如图 2所示。 Ø 传输速率从9. 6 kbps到 12 Mbps可选，所选用的波特 率适用于连接到总线（段）上的所有设备。
VP(6) 390Ω RS-485段 390Ω B 220Ω A 390Ω DGND(5) … 最多 32个站 图 2 RS-485总线段的结构 n（1）传输程序 Ø用于PROFIBUS RS-485的传输程序是以半双 、 异步、无间隙同步为基础的。数据的发送用NRZ（ 不归零）编码，即 1个字符帧为 11位（bit），如图 3 所示。
MSB 20 位含义 0 b 1 LSB 27 b 2 b 3 LSB最低有效位 起始位 （“ 0”信号） b 4 b 5 b 6 信息位 （“ 0”或“ 1”信号） b 7 b 8 p 1 停止位 MSB最高有效位 （“ 1”信号） 奇偶校验位 （“ 0”或“ 1”信号） 图 3 PROFIBUS UART 数据帧 Ø 在传输期间，二进制“ 1”对应于RXD/TXD-P（ Receive/Transmit-Data-P）线上的正电位，而在 RXD/TXD-N线上则相反。各报文间的空闲（idle） 状态对应于二进制“ 1”信号，如图 4所示。
B导线 二进制信号 1 0 1 A导线 图 4 用NRZ传输时的信号形状 Ø 两根PROFIBUS数据线也常称之为A线和B线。A线 对应于RXD/TXD-N信号，而B线则对应于RXD/TXD -P信号。 • （2）总线连接 Ø 国际性的PROFIBUS标准EN 50170推荐使用 9针D 型连接器用于总线站与总线的相互连接。9针D型连 接器如图 5所示。
1 2 6 3 7 5 4 8 9 图 5 9针D型连接器 • 9针D型连接器的针脚分配如表 1所示。 表 1 9针D型连接器的针脚分配 针脚号 信号名称 设计含义 1 SHIELD 屏蔽或功能地 2 M 24 24 V输出电压的地（辅助电源） 3 RXD/TXD-P① 接收/发送数据－正，B线 4 CNTR-P 方向控制信号P 5 DGND① 数据基准电位（地） 6 VP① 供电电压－正 7 P 24 正 24 V输出电压（辅助电源） 8 RXD/TXD-N① 接收/发送数据－负，A线 9 CMTR-N 方向控制信号N 注：① 该类信号是强制性的，它们必须使用。
• （3）总线终端器 Ø 根据EIA RS-485标准，在数据线A和B的两端均加 接总线终端器。 Ø 当总线系统运行的传输速率大于1. 5 Mbps时，由于 所连接站的电容性负载而引起导线反射，因此必须 使用附加有轴向电感的总线连接插头，如图 6 -6所示。
B 总线导线 A L 1 110 n. H VP(6) L 2 110 n. H 390Ω L 3 110 n. H L 4 110 n. H 220Ω Tx. D/Rx. D-N(8) Tx. D/Rx. D-P(3) 390Ω DGND(5) 总线驱动器 站 图 6 传输速率大于1. 5 Mbps的连接结构
• 2．DP/FMS（光纤电缆）的物理层 Ø PROFIBUS第 1层的另一种类型是以PNO（ PROFIBUS用户组织）的导则“用于PROFIBUS的 光纤传输技术，版本 1. 1，1993年 7月版”为基础的， 它通过光纤导体中光的传输来传送数据。 • 为了把总线站连接到光纤导体，有几种连接技术可 以使用。 • （1）OLM技术（Optical Link Module） Ø 类似于RS-485的中继器，OLM（光链路模块）有两 个功能隔离的电气通道，并根据不同的模型占有一 个或两个光通道。
• （2）OLP技术（Optical Link Plug） Ø OLP（光链路插头）可将很简单的被动站（从站） 用一个单光纤电缆环连接。OLP由总线站供电而不 需要它们自备电源。 Ø （3）集成的光纤电缆连接 Ø 使用集成在设备中的光纤接口将PROFIBUS节点与 光纤电缆直接连接。 • 3．PA的物理层 Ø PROFIBUS-PA采用符合IEC 1158 -2标准的传输技 术。这种技术确保本质安全并通过总线直接给现场 设备供电。
3. 2 现场总线数据链路层 • 根据OSI参考模型，数据链路层规定总线存取控制、 数据安全性以及传输协议和报文的处理。在 PROFIBUS中，数据链路层（第 2层）称为FDL层 （现场总线数据链路层）。 • 第 2层提供的数据服务如下： Ø ① 发送数据需应答（SDA）。此服务允许用户给单 个远程站发送数据。如果有错，将重复数据传输。 Ø ② 发送数据无需应答（SDN）。此服务允许用户给 单个远程站、多个远程站（群播）或同时给全部远 程站（广播）发送数据，不需要任何确认。
Ø ③ 发送和请求数据需回答（SRD）。此服务允许用 户给单个远程站发送数据，同时请求此远程站回答 数据。如果有错误，将重复数据传输。 Ø ④ 循环地发送和请求数据需回答（CSRD）。此服 务允许用户循环地给远程站发送数据，同时请求此 远程站回答数据。 • PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA各使用第 2层服务 的子集。例如，PROFIBUS-DP只使用SRD和SDN 服务。
3. 3 应用层 • PROFIBUS的应用层由FMS接口（现场总线报文规 范）和LLI接口（低层接口）组成。在不同的应用中， 具体需要的功能范围必须与具体应用相适应，这些 适应性定义称为行规。行规提供了设备的可互换性， 保证不同厂商生产的设备具有相同的通信功能。 Ø 1．PROFIBUS-FMS行规 • FMS行规确保由不同制造商生产的同类设备具有同 样的通信功能。目前已制定了如下的FMS行规：
Ø 控制器间的通信（3. 002）：此通信行规定义了用于 可编程控制（PLC）之间通信的FMS服务。根据控 制器的类型，对每台控制器所支持的服务、参数和 数据类型作了具体规定。 Ø 楼宇自动化行规（3. 001）：这一行规提供了一个特 定的分支和服务，作为楼宇自动化中的公共基础。 该行规对楼宇自动化系统使用FMS进行监视、闭环 和开环控制、操作控制、报警处理及系统档案管理 作了描述。 Ø 低压开关设备（3. 032）：它是一个面向行业的FMS 应用行规，它具体说明了通过FMS在通信过程中低 压开关设备的应用行为。
Ø 2．PROFIBUS-DP行规 • 目前已制定了如下的DP行规： Ø NC/RC行规（3. 052）：该行规介绍了人们怎样通过 PROFIBUS-DP对操作机床和装配机器人进行控制。 Ø 编码器行规（3. 062）：本行规介绍了回转式、转角 式和线性编码器与PROFIBUS-DP的连接，这些编码 器带有单转或多转分辨率。 Ø 变速传动行规（3. 071）：传动技术设备的主要生产 厂商共同制订了PROFIDRIVE行规。 Ø 操作员控制和过程监视行规（HMI）：HMI行规具体 说明了通过PROFIBUS-DP把这些设备与更高一级自 动化部件的连接，此行规使用了扩展的PROFIBUSDP的功能来进行通信。
Ø 3．PROFIBUS-PA行规 • PA行规的任务是选用各种类型现场设备真正需要的 通信功能，并提供这些设备功能和设备行为的一切必 要规范，也包括适用于各种类型设备的组态信息的设 备数据单。对所有通用的测量变送器和其他被选类型 的设备作了具体规定，这些设备如： Ø 压力、液位、温度和流量用测量变送器； Ø 数字量输入和输出； Ø 模拟量输入和输出； Ø 阀门； Ø 定位器。 Ø 每台设备将提供PROFIBUS-PA行规所规定的各项参 数。
Скачать презентацию 现场总线技术综述 现场总线 Fieldbus 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 一 企业网络信息集成系统
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