现场总线技术及其应用new

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1、第十章现场总线技术及其应用杨根科上海交通大学自动化系2007年3月内容提要概述现场总线的原理和发展概况几种典型的现场总线典型控制网络体系结构小结1概述现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它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数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题，所以现场总线既是通信网络，又是自控网络概述（续）现场总线控制系统（FieldbusControlSystem,FCS）是由现场总线和现场设备组成的控制系统，这是继电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

2、控制系统DCS后的新一代控制系统概述（续）FCS对DCS的变革概述（续）◆FCS的信号传输实现了全数字化◆FCS的系统结构是全分散式，它废弃了DCS的输入／输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之◆FCS的现场设备具有互操作性◆FCS的通信网络为开放式互连网络，既可同层网络互连，也可与不同层网络互连，用户可极方便地共享网络数据库◆FCS的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用概述（续）现场总线的分类◆全功能数字网络—提供从物理层到用户层的所有功能，标准化工作比较完善◆传感器网络—以CAN（ControllerAreaNetwork）网络为

3、基础的现场总线◆数字信号串行线—最简单的数据总线，不提供应用层和用户层2现场总线的原理和发展概况现场总线的实质◆现场总线的定义★ISASP50（美国仪表协会标准）中对现场总线的定义—现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备（即场地级设备）之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系★国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF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式、双向传输、多分支结构的通信网络现场总线的原理和发展概况(2)★现场总线的本质含义—现场通信网络—现场设备互联—互操作性—分

4、散功能块—通信线供电—开放式互联网络现场总线的原理和发展概况()◆现场总线的协议—现场总线一般采用国际标准组织ISO的开放系统互联（OSI）协议，OSI协议是为计算机联网而制定的7层参考模型，只要网络中所有要处理的要素都是通过共同的路径进行通信的，那么不管它是不是计算机网络都可以使用该协议—各厂家在实际制定自己的通信协议时，往往依据侧重点的不同，仅实现该7层协议的子集现场总线的原理和发展概况()◆现场总线系统组成—从物理结构来看，现场总线系统有两个主要组成部分：现场设备和传输介质，其中现场设备由现场微处理芯片及外围电路构成，传输介质可以使用双绞线、同轴电缆、光

5、纤等—现场总线的拓扑结构有很多种，如总线型、环型、树型、星型等现场总线的原理和发展概况()现场总线的结构◆现场总线网络结构是按照OSI参考模型建立的，OSI参考模型共分7层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表达层和应用层，现场总线将上述7层简化为3层，分别由OSI参考模式的第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层组成，并增加了用户层现场总线的原理和发展概况()◆物理层－传输介质：铜导线、无线电和电缆－传输速率和距离：31.25Kbps,1900m（加中继延长)－网络拓扑：总线型、树型、点对点型—网络设备数量：一个通信段可连接32台设备，使用中断

6、器可接240台设备－支持总线供电：总线上既传送数字信号，又要为现场设备提供电源能量。数字信号以31.25Hz的频率调制到9－32V的直流供电电压上现场总线的原理和发展概况()◆数据链路层★规定了物理层与应用层之间的接口，并控制对传输介质的访问★现场总线网络存取控制方式有3种：－令牌传送：一个站必须持有令牌，才能开始一次对话，完成信息传送后即将令牌交还链路活动调度器LAS，LAS根据预先的组态或调度算法将令牌送交给下一个令牌申请者—立即响应：主战给一站一个机会来应答一次信息—申请令牌：一个站在每回答响应中允许立即发给令牌现场总线的原理和发展概况()◆应用层★提供

7、设备之间及网络要求的数据服务，对现场过程控制进行支持，为用户提供一个简单的接口★应用层由现场总线访问子层FAS和现场总线报文规范FMS组成：－FAS有3种功能：对象字典服务（读、写及修改对象描述）、变量访问服务（通过子索引访问每个对象中数组或记录变量）、时间服务（发布事件及报警的通知）－FMS有3种服务：出版广播数据，用户侦听广播并将其放入内部缓冲区；客户端发出请求，服务器发出应答；报告分发（源设备广播事件报告，接收设备侦听广播并将其放入内部队列）现场总线的原理和发展概况()◆用户层★规定标准的功能块供用户组态成系统★有10个基本功能块如AI、AO、DI、DO

8、、PID等，19个附加的算术功能块现场