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1、2019/5/26,山东科技大学,第八章 现代检测技术的发展,2019/5/26,山东科技大学,第八章 现代检测技术的发展,第一节 现场总线技术 第二节 虚拟仪器技术,2019/5/26,山东科技大学,第一节 现代总线技术,一、现场总线技术发展的背景 事实上，现场总线的产生和发展，与计算机在工业控制领域的应用密切相关。本世纪70年代中期，计算机技术、控制技术及通讯技术相继得到长足发展，于是出现了基于3C（计算机、通讯、控制）技术的集散控制系统（DCS）。集散控制系统实质上是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术
2、、通信技术和人机接口技术相互发展、渗透而产生的。典型的集散控制系统基本结构如图8-1所示。,2019/5/26,山东科技大学,2019/5/26,山东科技大学,然而DCS的缺点也是十分明显的。首先它是一种数字-模拟混合系统，DCS的现场仪表（变送器和执行器）仍然使用传统的模拟仪表，以DC420mA传递信号，通完控制站，随着测点的增加，所需控制电缆数势必随之增长；另外，大量测控信息必须通过控制站才能实现控制和管理，并没有实现真正意义上的集散控制，也就是说，没有将控制回路完全下放到生产现场的变送器或执行器上，只是实现可控制站的相对分散；三是价格贵，大中型DCS系统动辄上百万美元，使广大中小企业望而
3、却步。,2019/5/26,山东科技大学,20世纪80年代，随着通信网络技术、微型计算机上技术的发展，通用或专用的微处理器开始逐步进入测量与控制仪表，使之具有数字计算和数字通信能力。逐步放弃常规的420mA模拟信号传输标准，采用一定的媒体作为通信线路，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个设备之间，以及现场设备与远程监控计算机之间，实现全数字传输和信息交换，形成各种适应实际需要的控制系统成为一种趋势，现场总线控制系统FCS正是在这种背景下产生的。其基本结构如图所示8-2所示。图中现场总线的节点式现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、调节器、调节阀、步进电机、记录仪、条形阅读器等。,2019
4、/5/26,山东科技大学,2019/5/26,山东科技大学,二、现场总线的定义 现场总线是一种工业数据总线，它是自动化领域中计算机通信体系最低层的低成本网络。根据国际电工委员会（IEC）的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测试系统的数字式、双向传输多分支结构的通信网络”。 现场总线技术的基本内容包括：以串行通信方式取代传统的420mA的模拟信号；一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点链接支持低层的现场智能设备与高层的系统利用公用传输介质交换信息；现场总线技术的核心是它的通信协议，这些协议必须根据国际标准化组织ISO的计算机网络开放系统互连的OSI参考
5、模型来制定。,2019/5/26,山东科技大学,三、现场总线的特性,（1）开放性。开放是指相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。现场总线标准时公开的、一致的，对用户是透明的。不同厂家的设备或网络之间可以实现信息交换，用户可以根据自己的需要，使用来自不同厂家的产品，组成大小调整的、开放的互连系统。 （2）互可操作性与互换性。互可操作性是指互连的设备之间、系统之间可以相互通信或操作；而互换性则意味着不同厂家生产的性能类似的设备可以相互替换。 （3）设备智能化。全数字化通信的前提是设备具有数字信号处理能力，以微处理器为基础的现场总线设备，不仅能满足这一要求，而且能够实现各种功能，如滤波、
6、标度变换、报警、修正补偿、状态诊断以及自动控制等。 （4）彻底分散。现场总线构成一种全分布式控制系统，从根本上改变了集中与分散相结合的DCS机构。,2019/5/26,山东科技大学,（5）现场环境适应性。支持双绞线、同轴电缆、光缆、电力线和无线传输媒体；能实现两线制供电等，适应各种现场环境。 （6）系统可靠性。现场总线采用数字传送，避免了420mA模拟量传输所带来的问题。 （7）易于安装与维护。在FCS中，不同用途或地点的系统组合可分别进行测试和快速集成；增加现场设备只是简单地安装一个连接器到网络电缆上，而不是铺设新的电缆以及在控制设备上增加新的电路板。 四、现场总线的通讯标准 目前较流行的现
7、场总线通讯标准（或称通讯协议模式）主要有以下5种：CAN（控制局域网络）,LonWorks（局部操作网络）,PROFIBUS（过程现场总线）,HART（可寻址远程传感器高速公路）,FF（基金会现场总线）等。,2019/5/26,山东科技大学,（一）CAN（控制器局域网络）,控制器局域网络CAN（Controller Area Nerwork）是由德国Bosch公司从20世纪80年代初为解决现代汽车种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信协议，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。其发展目标是逐步用于其他工业领域控制的现场总线。它定义了网络互连模型的物理层、数据链
8、路层和应用层，其中，物理层符合国际标准化组织ISO11898标准。 CAN具有如下特性： （1）CAN的通信速率为5Kbps(10km),1Mbps(40m),节点数为110个，传输介质为双绞线或光缆等。,2019/5/26,山东科技大学,（2）CAN采用点对点，一点对多点及全局广播等几种方式发送和接受数据。 （3）CAN采用循环冗余校验CRC（Cyclic Redundancy Check）及其他检错措施，保证了极低的信息出错率。 （4）CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术。当两个节点同时向网络发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，优先级高的节点可不受影响地继续发送信息。因此，按节点类
9、型分成不同的优先级字节数为8个，可以满足不同的实时要求。 （5）CAN可实现全分布式多机系统，且无主、从机之分，每个节点均可主动发送报文，用此特点可以方便地构成多机备份系统。,2019/5/26,山东科技大学,（6）CAN节点具有自动关闭功能，当节点错误严重时，则自动切断与总线的联系，这样不影响总线的正常工作。 （7）CAN支持四类报文帧：数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。它采用短帧结构，每帧有效字节数为8个。这样，传输时间短，受干扰的概率低，具有较好的检错结果。 （8）CAN采用多主竞争式结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线和广播通信特点。信道访问方式为带优先级的CAMA/CD技术。采用位
10、填充的不归零制信号编码方式，其数据传输速率为1Mbit/s，最大传输距离为1000m。以位仲裁方式（11位标示码）确定数据块的优先级。,2019/5/26,山东科技大学,（二）LonWorks(局部操作网络),局部操作网络LonWorks是美国Echelon公司研制的，其设计成本低，具有通信与操作功能，主要应用于工业自动化、机械设备控制，是低层次工业网络最有希望的一种网络。LonWorks是集控制器和网络通信处理器为一体的芯片Neuron的串行总线，它是一种对等网络。 主要有如下特点： （1）LonWorks通信速率为78Kbps(2700m)、1.25Mbps(130m),字节数是32000
11、个,传输介质为双绞线、同轴电缆、光缆、电源线等。 （2）LonWorks采用LonTalk通信协议，该协议遵循国际标准化组织ISO定义的开放系统互连OSI（Open System Interconnection）全部7层模型。,2019/5/26,山东科技大学,（3）LonWorks的核心是Neuron（神经元）芯片（MC143150和MC143120）,内含3个8位的CPU：第一个CPU为介质访问控制处理器，实现LonTalk协议的第1层和第2层；第二个CPU为网络处理器，实现LonTalk协议的第3层和第6层；第三个CPU为应用处理器，实现LonTalk协议的第7层，执行用户代码及用户代码
12、所调用的操作系统服务程序。 （4）Neuron芯片的编程语言为Neuron C，它是从ANSI C派生出来的。 （5）LonTalk协议提供5种基本类型的报文服务：确认、非确认、请求/响应、重复、非确认重复。 （6）LonTalk协议的介质访问控制子层对CSMA作了改进，采用一种新的称为Predictive P-Persistent的CSMA，根据总线负载随机调整时间槽n(163)，在负载较轻时使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突的可能性最小化，从而使传输介质发挥它的最大传输容量。,2019/5/26,山东科技大学,（三）PROFIBUS(过程现场总线),过程现场总线Profibus是德
13、国1989年在DIN19245中公布的标准，2000年成为现场总线国际标准IEC61158 Type3。Profibus现场总线标准划分为Profibus-FMS，Profibus-DP和Profibus-PA三种不同协议类型。尽管这三个部分相互兼容，但它们应用的角度和针对的问题是不同的。 Profibus-FMS协议旨在解决车间级通用性任务，为用户提供强有力的通信服务功能选择，实现中等传输速度的周期性和非周期性数据传输，可用于一般自动化； Profibus-DP协议是专为现场级控制系统与分散I/O的高速通信而设计的，数据传输速率范围在9.6Kbps12Mbps之间，可用于大多数工业领域，适用
14、于分散的外围设备； Profibus-PA协议是为本质安全需要或总线供电的设备之间进行数据通信而设计的。,2019/5/26,山东科技大学,图8-3 Profibus现场总线网络结构,2019/5/26,山东科技大学,（四）HART（可寻址远程传感器数据通路）,HART是美国罗斯蒙特（Posemount）公司研制的。其协议可参照ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。 它主要有如下特性： （1）物理层：采用基于Bell 202通信标准的FSK技术，即在直流420mA模拟信号上叠加FSK数字信号，逻辑1为1200Hz,逻辑0为2200Hz，波特率为1200bit/s，调制信号为0.5mA
15、或Up-p=0.25V(250负载)。用屏蔽双绞线单台设备距离为3000m，而多台设备互连距离为1500m,2019/5/26,山东科技大学,（2）数据链路层：数据帧长度不固定，最长为25个字节。寻址为015，当地址为0时，由处于直流420mA与数字通信兼容状态；当地址为115时，则处于全数字通信状态。通信模式为“问答式”或“广播式”。 （3）应用层：应用层规定了三种命令：第一种式通用命令，适用于遵守HART协议的所有产品；第二种式普通命令，适用于遵守HART协议的大部分产品；第三种是特殊命令，适用于遵守HART协议的特殊产品。,2019/5/26,山东科技大学,（五）FF（现场总线基金会现场
16、总线）,现场总线基金会（Fieldbus Foundation,FF）是国际公认的唯一不附属于某企业的公正的非商业化的国际标准化组织。其宗旨是制订统一的现场总线国际标准，无需专利许可，可供任何人使用。它定义了网络互连模型中的物理层、数据链路层、应用层和用户层。 主要特性如下： （1）物理层：传输介质采用有线电缆、光纤、无线通信和双绞线。通过有线电缆传送信号定义了两种速率标准：H1和H2。H1为用于过程自动化的低速总线，波特率为31.25kbit/s，传输距离2001900m（取决于传输介质），总线供电，提供本质安全型；H2为用于制造自动化的高速总线，波特率为1.0(Mbit/s)/750m或2.5(Mbit/s)/500m。,2019/5/26,山东科技大学,（2）数据链路层：DLL低层（介质访问）功能有：基本设备不能主动发起通信，只能接受查询；链路主设备在得到令牌时可以发起一次通信；每个网段的链路主设备中有一个活动调节器，发起周期和非周期通信。DLL高层数据传输功能：无连接数据传输；发行数据定向连接传输，请求/响应数据定向连接传输。 （3）应用层：定义了
