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1于劲松检测与自动化工程系yujs@buaa.edu.cn新主楼E902计算机测控技术第八单元现场总线技术2报告提要一、什么是现场总线二、现场总线的产生与发展三、现场总线的技术特点与优点四、几种现场总线标准介绍五、现场总线的选择3总线：传送信息的公共通路，是计算机和测控系统的重要组成部分。测控系统总线介绍总线分类•传送数据方式：串行总线和并行总线•应用场合：芯片总线、板内总线、机箱总线、设备互连总线、现场总线等4测控系统总线介绍•用途：全局总线和本地总线•标准化程度：标准和非标准（专用）总线•总线传送信息类型：地址总线、数据总线、控制总线、电源总线、模拟信号总线及标准信号总线等。5测控系统总线介绍•为什么要采用总线？可大大简化系统结构，增加系统的开发性、兼容性、可靠性和可维护性，易于标准化和组织规模生产，从而降低系统造价。6测控系统总线介绍1.测控系统机箱底板总线指组成测控系统各种机箱的底板总线，如STD，CAMAC，ISA，Fastbus，VXI，CompactPCI，PXI等2.测控机箱与计算机的互连总线独立于计算机的测控机箱或机柜需用总线与计算机连接。分为并行（SCSI，MXI等）和串行总线（RS232C，RS485，USB，IEEE1394等）。7测控系统总线介绍3.测控现场总线指计算机网络与生产过程专用网络，或工业控制网络与生产现场基层的自动化测控设备之间传送信息的公共通路。8一、什么是现场总线（FieldBus）9什么是现场总线•现场总线是应用在生产现场、连接智能现场设备和自动化测量控制系统的串行、数字式、双向传输、多分支结构的通信网络•或者，现场总线是以单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。10什么是现场总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成能相互沟通信息，共同完成测控任务的网络11现场总线是通信网络•位于生产控制现场和网络结构的底层•现场总线是低带宽的控制网络•它与上层的Internet、企业内部网Intranet相连•构成企业综合自动化的通信网络平台12现场总线是通信网络13与一般通信技术的区别•一般通信技术只是能实现信息的传输•现场总线是一种控制系统框架一种全新的控制系统结构，即：•现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem)代替传统控制系统DCS现场总线还包括网络上的所有设备能够进行信息互访与互换总线上的设备之间能够进行互操作和系统集成14现场总线控制系统FCS•采用开放式数字通信网络–突破DCS中的专用通信网络结构•网络集成的测量控制系统–单个分散的测量控制设备变成网络节点–现场总线为纽带–构成共同完成任务的网络系统与控制系统–实现现场测量控制设备之间的信息共享15二、现场总线的产生与发展现状16现场总线技术产生的背景•现场总线技术产生于20世纪80年代•是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求–开放性–通用性–可靠性•智能仪表为现场总线的出现奠定了基础17现场总线的产生4～20mA智能仪表（70年代末）V/ID/AA/D放大调理微处理器传感信号•结构简单•信号传输标准统一4～20mA模拟仪表V/I放大调理传感信号•性能提高，成本增加•单向模拟传输方式未变18现场总线的产生通信信号具有双向通信功能的智能仪表A/D放大调理微处理器传感信号通信接口现场总线标准化（20世纪80年代中期）双向数字传输方式：—传输精度高—功能强，成本低—协议不统一，无法互换19现场总线成为测控领域重要发展方向•现场总线研究开发之热始于20世纪90年代中期•信息时代各项技术发展对测控系统提出的要求–计算机技术–网络与通信技术–自动控制技术•网络化、信息化给测控技术的发展提供的机遇•各国投入巨额资金与人力在开发这一技术，形成了企业、国家、国际标准–欧洲、北美、亚洲、中国20目前现场总线标准种类繁多•现场总线百花齐放–由于刚开始没有一个统一的国际标准，各企业和企业集团相继开发自己的总线产品，制定现场总线标准–据不完全统计，目前市场上形形式式的现场总线有200多种–号称为开放标准的也有二、三十种•现场总线国际标准IEC61158包含了10种类型–IEC1158原技术规范、FF、HSE、P-NET、PROFIBUS、ProfiNet、ControlNet、Swiftbus、Interbus、WorldFIP2011-05-1321多总线并存的发展现状•现场总线多种多样•现场总线近期内难以统一–IEC61158包含了10种类型–其他总线：HART、ASI、CAN、Lonworks、……•形成了多种现场总线并存的局面•由市场决定哪种总线领导市场–如以FF（包括H1、HSE）和PROFIBUS（包括Profibus-DP、ProfiNet等）在过程控制领域的市场越来越大•工业以太网成为新一轮研究热点22三、现场总线的技术特点与优点2011-05-1323传统集散控制系统结构242.1FCS的结构特点252.2现场总线与计算机网络•随着商用计算机领域的局域通信逐步被以太网（Ethernet）垄断，过程控制领域中上层的通信也逐步统一到以太网和快速以太网。由于因特网的快速发展，人们通过因特网访问控制系统，进行远程诊断、维护和服务的愿望越来越强烈，因此TCP／IP协议也进入过程控制领域。•两大趋势：1）现场有越来越多的信息需要往上送2）计算机网络技术向工业现场延伸26现场总线与计算机网络技术的区别•虽然计算机通信技术不断地融入现场总线技术，但是计算机网络不会取代现场总线。因为现场总线与一般计算机网络通信在功能、要求和结构上有所不同。•功能上的区别：–计算机网络通讯要求可靠传递信息–现场总线：①经济、安全、可靠地传递信息②现场信息的共享与互操作③及时处理所传信息27现场总线与计算机网络技术的区别•技术要求的区别–计算机网络通讯要求传输速度快；–现场总线要求响应速度快，即强调实时性。包括：（1）传输速度快；（2）响应时间短；（3）巡回时间短。–现场总线为实现响应速度快，往往采用（1）简化网络结构、简化网络通讯协议；（2）网络管理和数据链路调度相结合来实现实时性。28现场总线与计算机网络技术的区别•结构上的区别–计算机网络（如Internet）结构是网络状的，从一点到另外一点的通信路径可以是不固定的。–大部分现场总线的结构是线状的，虽然现场总线的拓扑结构可以是总线型、星形、环形、树形等；但在大多数现场总线中，从一点到另外一点的通信路径是比较固定的。29现场总线与计算机网络技术的区别–线状结构的优点是：①解决网络供电比较容易；②解决本安防爆比较容易；③使通信协议中可以舍去与路径有关的几层，有利于改善实时性。–线状结构的缺点：它的主要缺点是当一条总线支路的电缆断了，这条支路就瘫痪了。302.3现场总线系统的技术特点•全数字通信•多分支结构•系统的开放性•互可操作性和互用性•现场设备的智能化与功能自治性•系统结构的高度分散性•对现场环境的高度适应性31四、几种主要现场总线标准324.1CAN（ControllerAreaNetwork）总线•CAN总线是德国BOSCH公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议•是交通运载工具电气系统中应用较广的总线•现在向过程工业，机械工业，机器人，数控机床，传感器等方面发展•1993年11月，ISO正式颁布CAN为国际标准ISO11898•支持CAN协议的公司有Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、Honeywell等公司CAN总线的概念•CAN（ControllerAreaNetwork）即控制器局域网，可以归属于工业现场总线的范畴，是目前国际上应用最广泛的开放式现场总线之一。•与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，它在汽车领域上的应用最为广泛，世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、volkswagen(大众)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。•由于CAN总线的特点，其应用范围目前已不仅局限于汽车行业，已经在自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域中得到了广泛应用。34CAN总线的主要特点•通信速率：5kb/s（10km），1Mb/s（40m)•采用点对点、点对多点及全局广播多种通信方式•每个节点均可以主动向其它节点发送数据，是多主总线，可以方便地构成多机备份系统•采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当发生冲突时，优先级低的节点停止发送35CAN总线的主要特点•支持四种报文帧：数据帧、远程帧、出错帧和超载帧，每帧有效字节数为8个•采用循环冗余校验及其它检错措施，保证较低的信息出错率•网络上节点严重错误时，具有自动关闭总线的功能•用数据块编码方式代替传统的站地址编码方式•不支持本质安全、总线供电CAN总线的同步设计•硬同步–硬同步只在总线空闲时通过一个下降沿（帧起始）来完成，此时不管有没有相位误差，所有节点的位时间重新开始。强迫引起硬同步的跳变沿位于重新开始的位时间的同步段之内。•重同步–在消息帧的随后位中，每当有从“隐性位”到“显性位”的跳变，并且该跳变落在了同步段之外，就会引起一次重同步。重同步机制可以根据跳变沿增长或者缩短位时间以调整采样点的位置，保证正确采样。CAN的位仲裁技术•要对数据进行实时处理，就必须将数据快速传送，这就要求数据的物理传输通路有较高的速度。在几个站同时需要发送数据时，要求快速地进行总线分配。•CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。CAN的位仲裁技术•只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报文。如果2个或2个以上的单元同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。通过使用识别符的位形式仲裁可以解决这个冲突。仲裁的机制确保信息和时间均不会损失。当具有相同识别符的数据帧和远程帧同时初始化时，数据帧优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个单元可以继续发送。如果发送的是一“隐性”电平而监控视到一“显性”电平，那么该单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。CAN的位仲裁技术站3报文站1报文站2报文01111110000报文标识符01001100000010011100001丢掉0100110000001001110000101001100000丢掉跟踪平板车平板车EPEC2024（主控制器）转向角度传感器悬挂角度传感器行走手柄/开关压力传感器方向盘油门执行器各类指示灯发动机系统HMIEPEC2023（从控制器2）EPEC2023（从控制器1）1，2支点转向和悬挂3，4支点转向和悬挂汽车电子CAN总线在车辆中的应用由于CAN总线具有较强的纠错能力,支持差分收发,适合高干扰环境,并具有较远的传输距离,因此,CAN协议对于许多领域的分布式测控都很有吸引力.目前汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN：1)用于动力系统的高速CAN，速率达500kbs主要连接对象是发动机控制器，变速箱，ABS控制器，安全气囊控制器等，控制与汽车行驶直接相关CAN总线在车辆中的应用2)用于车身系统的低速CAN，速率是100kbs主要连接和控制汽车内部照明、灯光系统、空调、组合仪表及其它辅助电器等。两总线间设计有“网关”，以实现在各个CAN之间的资源共享。45•LonWorks的发布：1992年，美国埃施朗(Echelon)公司。•是一种具有强劲实力的现场总线技术，通讯速率从300bps至15Mbps，直接通信距离可达到2.7km（78kbps，双绞线），支持双绞线、电缆、光纤、电源线等多种通信介质，被誉为通用控制网络。4.2LonWorks（LocalO