工业数据通信和控制网络(现场总线)

现场总线技术现场总线控制系统(简称FCS)其结构模式为“工作站——现场总线 智能仪表”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。操作站

LA N

H2 H1 服务器 H1

现场总线

现 场 设 备 124 H1 网桥 H1 H1 32 现场设备 H1 现场总线 现场总线

FCS控制层32 现场设备

原理图

控制系统应用图示例

使用控制系统分布确定现场总线的接线

H1 现场总线 # 3 网段 控制室 PCGreen Liquor StorageLT 111 LT 112

H1 现场总线 # 2网段LT 101

Re-Burned Purchased Lime LimeDT 109 FT 110

19

SC 111 24 IP 102IP 104A IP 104B Cooler

SC 112 25

SC 110 23

20 FT 102 AT 103

21TT 104

Heater CV-101 A/O

AT 106

AT 107A

AT 107BLT 108 SC 108 22

H1 现场总线 # 1网段

TT 105

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 向传输、多分支结构的通信网络。 它的关键标志是能支持 双向、多节点、总线式的全数字通讯。

网 络 节 点 网 络 体 系

包括IPC、PLC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 通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享位于 生产控制 的底层网络结构

通信总线在现场设备中的延伸

现场总线的发展1996年到1998年，国际性组织FF(现场总线基金会)和 PNO(Profibus国际组织)先后发布了适于过程自动化的 现场总线标准H1、H2(HSE)和Profibus-PA,H1和PA都在实 际工程中开始应用。 1999年底，包含8种现场总线标准在内的国际标准IEC-6 1158开始生效，除H1、HSE和PA外，还有WorldFIP、Inter bus、ControlNet、P-NET、SwiftNet等五种。 Profibus较适合于工厂自动化， CAN适用于汽车工业， FF总线(Foundation Fieldbus)主要适用于过程控制

现场总线的网络结构

现场总线的星形网络结构

现场总线的网络结构特点Ethernet/Highway Filedbus

IPC、PLC……

Controller/Getway

I/O子系统Filedbus

……

……

DCS实际上是“半分散”、“半数字”的系统

FCS采用的是一个完全分散的控制方式

现场总线的技术特征(1) 全数字化通信 (2) 开放型的互联网络

(3) 互可操作性与互用性(4) 现场设备的智能化 (5) 系统结构的高度分散性 (6) 对现场环境的适应性

现场总线的特点 现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层 控制网络。 通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设 备间具有互可操作性。 功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有 互换性。 控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度 的分散性。

IEC61158现场总线标准IEC 61158Type1:IEC 61158技术报告★ Type2:ControlNet

※IEC 61158国际标准只是一种模 式，8种类型都是平等的 ※各组织按照IEC技术报告Type1

的 框架组织各自的行规，但不改变 各组织专有的行规(Profile) 。 ※IEC标准的其中Type2~Type8需 要对Type1提供接口，而标准本 身不要求Type2~Type8提供接口， 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 各自的利益。

Type3:Profibus ★Type4:P-Net

Type5:FF HSE ★Type6:SwiftNET Type7:WorldFIP Type8:Interbus

以上8种总线采用完全不同的通信协议！

控制网络要求 控制网络要求确定性和可重复性。确定性是指有限 制的延迟和有保证的传送，也就是说一个报文能在 可预测的时间周期内成功的发送出去。可重复性是 指网络的传输能力不受网络上节点的动态改变(增 加节点或者删除节点)和网络负载的改变而影响。 这正是普通局域网不适合作为控制网的原因。

现场总线通常采用以下二种技术来保证其实时性：一是简化技术。 简化网络结构，现场总线一般将网络形式简化成线 形； 简化通信模型，一般只利用了OSI/RM中的2~3层； 简化节点信息，通常简化到只有几字节。 经过以上简化，可以极大地提高通信传递速度。 二是采用网络管理技术来实现实时性，并保证其可预知性。 例如:采用主-从访问方式，只要限制网络的规模， 就可以将响应时间控制在指定的时间内。 总而言之，实时性要求是现场总线区别于一般计算机通信的主 要因素。改善现场总线的实时性，减少响应时间的 不确定性是现场总线的重要发展趋势。

网络结构计算机通信系统的结构是网络状的，节点间的通信路径是不固定的； 大部分现场总线的结构是线 状的，节点间的通信路径是比较固定的。

FB采用线状结构的原因在于： ① 容易实现对现场仪表的总线供电。 ② 容易实现本安防爆规范。如果线状结构的现场总线上某支路断开了以后， 这条支路就可能完全瘫痪，而一般的网络系统则 没有这种问题，信息还可以通过选择其它路由进 行传递。

现场总线网络模型(普遍性)ISO/OSI模型 现场总线模型 用户层(程序) 用户层

应用层

7

现场总线信息规范子层FMS 现场总线访问子层FAS

表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层

6 5 4 3 2 1 数据链路层 物理层 物理层 通信栈

基金会现场总线 FF -FF由FIP(WorldFip North American )和ISP(InterOperable Syst em Project ),在1994年合并而成。 -FF总线由低速FF_H1和高速FF_HSE组成。高速H2总线发展计划已 取消。 (1)FF_H1:以OSI参考模型为基础的四层结构模型，采用令牌总 线介质访问技术，用于工业产生现场设备连接。 (2)FF_HSE:则采用基于Ethernet(IEEE 802.3)+TCP/IP的六层 结构，主要用于制造业(离散控制)自动化以及

逻辑控制、批处理 和高级控制等场合。

二、基金会现场总线的通信模型1. 采用简化的ISO/OSI三层结构，即：物理层(PHL)、数据链路层 (DLL)、应用层(APL); 2. 与参考模型的不同点：制定了通行标准、对用户应用进行了独有 规范——加用户应用层(用户层),用于实现各厂商设备的独有 特性，提高各设备间的相互操作性； 3. 应用层设有两个子层——总线访问子层(FAS)、总线报文规范 子层(FMS)

物理层的功能1. 实现现场设备与物理总线的连接； 2. 为现场设备与传输媒体的连接提供机械电气接口； 3. 为现场设备对总线的收、法提供和平规范的物理信号(曼彻斯特 波形); 4. 应考虑电气隔离、信号滤波、设备供电等； 5. 一般使用双绞线、标明+、-表明接触上的极性；

H1网络设备-典型的接线盒 将分支连接至主干线 1个接线盒支持2/4/8/10和12 台设备 短路保护带故障指示 可选，内置/可拨码终端器 可插拔的分支接线接口 全球危险区域认证 密封式结构可以抵御环境影响 内置T型连接结构