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1、第二部分,第一章 基金会现场总线（FF）,基金会现场总线（FF）,Foundation Fieldbus由现场总线基金会(Fieldbus Foundation)组织开发，IEC61158标准。工作在生产现场，适应本质安全防爆的要求，通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。开放性、互操作性。,第1章 基金会现场总线（FF）,1.1 基金会现场总线的主要技术 1.2 FF通信模型1.4 FF通信栈,1.1 基金会现场总线的主要技术,1FF 总线的通信技术2标准化功能块(FB，Function Block)与功能块应用进程(FBAP，Function Block Application Proc
2、ess),3设备描述(DD，Device Description)与设备描述语言(DDL,Device Description Language)4现场总线通信控制器与仪表或工业控制计算机之间的接口技术5系统集成技术6系统测试技术,1FF 总线的通信技术,通信模型通信协议通信控制器芯片通信网络系统管理与网络有关的硬软件，如通信栈软件、被称之为圆卡的仪表用通信接口卡、FF与计算机的接口卡、各种网关、网桥、中继器等。,2.标准化功能块与功能块应用进程,FB，Function Block和FBAP，Function Block Application Process通用结构：把实现控制系统所需的各种
3、功能划分为功能模块，使其公共特征标准化。输入、输出、算法、事件、参数与块控制图，并把它们组成为可在某个现场设备中执行的应用进程。开放系统构架的基础，不同制造商产品的混合组态与调用。,3设备描述与设备描述语言,DD，Device Description现场总线设备的互操作性，支持标准的块功能操作。设备描述为控制系统理解来自现场设备的数据意义提供必需的信息，控制系统或主机对某个设备的驱动程序。,DDL,Device Description Language设备描述语言是一种用以进行设备描述的标准编程语言。采用设备描述编译器，把用DDL编写的设备描述源程序转化为机器可读的输出文件。,4现场总线通信控
4、制器与仪表或工业控制计算机之间的接口技术,在现场总线的产品开发中，常采用 OEM 集成方法构成新产品。己有多家供应商向市场提供 FF 集成通信控制芯片 通信栈软件 圆卡OEM(Original Equipment Manufacturer的缩写,按照字面意思,应翻译称原始设备制造商,指一家厂家根据另一家厂商的要求,为其生产产品和产品配件,亦称为定牌生产或授权贴牌生产),5系统集成技术,包括通信系统与控制系统的集成。网络通信系统组态、网络拓扑、配线、网络系统管理；控制系统组态；人机接口；系统管理维护。,6系统测试技术,通信系统的一致性与可互操作技术；总线监听分析技术；系统的功能、性能测试技术。在
5、测试基础上进一步开展对通信系统、自动化系统的综合指标评价。,一致性与可互操作性测试是为保证系统的开放性而采取的重要措施，一般要经授权的第三方认证机构作专门测试，验证符合统一的技术规范后，将测试结果交基金会登记注册，授予FF标志。对由具有FF标志的现场设备所组成的系统，还需进一步进行可互操作性测试和功能性能测试，以保证系统的正常运转，并达到所要求的性能指标。,总线监听分析用于测试判断总线上通信信号的流通状态，用于通信系统的调试、诊断与评价。对由现场总线设备构成的自动化系统，功能、性能测试技术还包括对其实现的各种控制系统功能的能力、指标参数的测试。,1.2 FF通信模型,1.四个层次 物理层 数据
6、链路层 应用层(总线访问层与总线报文规范子层)用户层,2.功能物理层：信号如何发送；数据链路层：如何在设备间共享网络和调度通信；应用层：在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式；用户层：组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能块、设备描述，实现网络管理、系统管理等。,在相应软硬件开发的过程中，往往把除去最下端的物理层和最上端的用户层之后的中间部分作为一个整体，统称为通信栈。这时，现场总线的通信参考模型可简单地视为三层。物理层、通信栈、用户层,图1-1 OSI与FF的通信模型,1.4 FF通信栈,第二部分 第一章复习题1.基金会现场总线的主要技术特点是什么？请加以说明。2.基金
7、会现场总线通信模型只具备ISO/OSI参考模型中的哪四层？它们各自的作用是什么？3.说明基金会现场总线数据链路层数据活动控制方法与工作过程。,第二部分,第二章 PROFIBUS现场总线,PROFIBUS概述,PROFlBUS(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、流程工业自动化和楼宇、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:1987年由德国SIEMENS公司等13家企业和5家研究机构联合开发；1989年成为德国工业标准DIN19245；1996年成为欧洲标准EN50170V.2
8、(PROFIBUS-FMS-DP);1998年PROFIBUS-PA被纳入EN50170V.2；1999年PROFIBUS成为国际标准IEC61158的组成部分(TYPEIII)；2001年成为中国的机械行业标准JB/T10308-3-2001。,PROFIBUS由以下三个兼容部分组成,PROFIBUS由以下三个兼容部分组成:1.PROFIBUS-DP:用于传感器和执行器级的高速数据传输，它以DIN19245的第一部分为基础，根据其所需要达到的目标对通信功能加以扩充，DP的传输速率可达12Mbit/s，一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环数据传输方式工作。,2.PA具有本质安全特性，它实现
9、了IEC1158-2规定的通信规程。PROFIBUS-PA是PROFIBUS的过程自动化解决方案，PA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4-20mA模拟信号传输技术。因此，PA尤其适用于石油、化工、冶金等行业的过程自动化控制系统。,3.PROFIBUS-FMS:解决车间一级通用性通信任务，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。由于它是完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换，因此它考虑的主要是系统的功能而不是系统响应时间，应用过程通常要求的是随机的信息交换(如改变设定参数等)。可用于大范围和
10、复杂的通信系统。,2.1 PROFIBUS的协议类型,PROFIBUS通信模型参照了ISO/OSI参考模型的第1层（物理层）和第2层（数据链路层），其中FMS还采用了第7层（应用层）,另外增加了用户层。PROFIBUSDP和PROFIBUSFMS的第1层和第2层相同，PROFIBUS-FMS有第7层，PROFIBUSDP无第7层。PROFIBUSPA有第1层和第2层，但与DP/FMS有区别，无第7层。,PROFIBUS通信模型,2.2 PROFIBUS的通信模型,2.2.1 物理层2.2.2 现场总线数据链路层2.2.3 应用层,2.2.1 物理层,1.DP/FMS(RS-485)的物理层2.
11、DP/FMS(光纤电缆)的物理层3.PA的物理层,2.2.1 物理层,1.DP/FMS(RS-485)的物理层屏蔽双绞电缆符合EIA RS-485标准(也称H2)总线段的两端各有一个终端器传输速率从9.6kbit/s到12Mbit/s可选,RS-485总线段的结构,（1）传输程序半双工、异步、无间隙同步NRZ（不归零）编码“1”RXD/TXD-P（Receive/Transmit-Data-P）线上的正电位，而在RXD/TXD-N线上则正相反。各报文的空闲（idle）状态对应于二进制“1”信号A线对应于RXD/TXD-N信号，而B线对应于RXD/TXD-P信号。,（2）总线连接国际性的PROF
12、IBUS标准EN50170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针头）。D型连接器的插座与总线站相连接，而D型连接器的插头与总线电缆相连接。,(3)总线终端器根据EIA RS-485标准，在数据线A和B两端均加接总线终端器。空闲状态：确定的空闲电位。可以由跳接器或开关来启动。传输速率大于1.5Mbit/s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。,（4）传输技术网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻；传输速率：9.6kbit/s12Mbit/s；介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（EMC）；站点数：每段32站（无中继
13、），127站（有中继）；插头连接：9针D型插头,（5）拓扑结构,2.DP/FMS(光纤电缆)的物理层PROFIBUS第1层的另一种类型是通过光纤导体中光的传输来传送数据。站之间的距离最大到15km。用玻璃或塑料纤维制成的光纤电缆可用作传输介质。玻璃光纤能处理的连接距离达到15km，而塑料光纤只能达到80m。,连接技术(1)OLM技术(Optical Link Module),(2)OLP技术(Optical Link Plug),（3）集成的光纤电缆连接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。（4）OBT（Optical Fiber Bus Terminal，光纤总
14、线终端）一个不带集成纤维光缆接头的PROFIBUS站或一个RS-485段可以通过OBT连接到一个光纤电路。,3.PA的物理层（1）数据传输非直流传输的位同步、曼彻斯特编码(也称H1编码)。数据的发送采用对总线系统的基本电流IB调节9mA的方法实现。,PROFIBUS-PA的数据传输,（2）总线连接（PA 总线段的结构）,（3）拓扑结构树型结构是典型的现场安装技术，现场分配器负责连接现场设备与主干总线，所有连接在现场总线上的设备通过现场分配器进行并行切换。,总线型结构：提供了与供电电路安装类似的沿现场总线电缆的连接点，现场总线电缆可通过现场设备连接成回路，其分支线也可连接一个或多个现场设备。,树
15、型与线型的组合结构：基于IEC61158-2传输技术总线段与基于RS485传输技术总线段可以通过DP/PA耦合器或链接器相连，耦合器使RS485信号和IEC61158-2信号相适配。,（4）IECl158-2传输技术特性：数据传输:数字式、位同步、曼彻斯特编码;传输速率:31.25kbit/s，电压式;数据可靠性:前同步信号，采用起始和终止界定符避免误差;电缆:双绞线，屏蔽式或非屏蔽式;,远程电源供电:可选附件，通过数据线;防爆型:能进行本征及非本征安全操作;拓扑:总线形或树形，或两者相组合;站数:每段最多32个，总数最多为126个;中继器:最多可扩展至4台。,本章复习题PROFIBUS由哪三
16、个兼容部分组成？各自应用的行业有哪些？PROFIBUS-PA、DP、FMS通信模型包括哪几层？PROFIBUS的报文格式有哪几种？数据链路层提供哪些数据服务？一类主站、二类主站包括哪些设备？,DP从站初始化包括哪些内容？PROFIBUS的总线存取控制机制是什么？PROFIBUS-DP的主要功能是什么？DP-V1和DP-V2主要实现了哪些功能？PROFInet采用何种方法满足自动化系统的实时通信？PROFInet的网络结构中主要包括哪些设备？怎样实现通信联系？,HART,HART,现在，在现场总线标准尚未完全取代420mA信号方式的过渡期，我们需要一种既支持新型智能仪表的数字信号又兼容传统的模拟
17、信号的过渡期协议，1986年Rosemount公司提出的HART协议就是最具代表性和普遍性的一种。,可寻址传感器数据通路（HART，Highway Addressable Remote Transducer）是在420mA的模拟信号上叠加FSK（Frequency Shift Keying，频移键控）数字信号，可以兼容模拟和数字2种信号。1993年成立了HART通信基金会HCF（HART Communication Foundation），随着越来越多公司的加盟，基于HART协议产品的增多，他的重要性得到了普遍的认同。,HART,Smart装置与HART协议 SmartSmart装置具有微处理
18、器它们除具有传统仪表的类似功能外还具有许多附加功能。为了使用这些附加特性Smart装置通常需要一个手持式通信器对仪表进行设置和控制。数字通信仪表与通信器可采用适当的串行通讯方式，而分开安装这种通讯是通过连接现场装置与中央控制室的两根导线完成的采用HART协议的Smart现场装置。允许模拟信号和数字信号同时一对导线上传送且不破坏模拟信号。附加信息数字通信允许在现场装置中保存附加信息，需要时再读取变送器可存储与系统管理相关的信息。,多点通信如果采用数字方式读取被测量就不再需要4mA20mA模拟信号了，此时可将多 台现场设备连接在一对导线上，分别读取变送器数据。这样做时每个设备都必须有唯一的地址，并
19、在主站发出的请求信息中应包含该地址信息，在多点方式时变送器模拟量输出被设置为4mA主要是为变送器供电，各个现场装置并联连接。,HART协议由Rosemount公司开发，且已向每个使用者开放。HART协议采用标准的Bell 202频移键控信号，以1200波特通信以低电平加载于4mA20mA模拟信号上。由于载波信号的平均值为零所以它对模拟信号没有影响。使用两种不同的频率1200Hz和2200Hz分别代表二进制的1和0。每个信息包含源地址、目的地址和一个用于检测传送信息正误的校验和。,HART,HART协议的分层 HART现场总线 使用国际标准化组织ISO规定的 开放式系统互联OSI七层模型中的第1
20、层，第2层和第7层，即物理层、数据链路层和应用层。（1）物理层规定了信号的传输方法、传输介质，HART支持模拟信号和数字信号在同一线路上传输，其通讯速率为：在420 mADC模拟信号上叠加FSK数字信号时为1 200 bs；用屏蔽双绞线单台距离可达3 000 m；而多台互连距离可达1500 m。采用双绞同轴电缆作为传输介质时，最大传输距离可达到1 500 m。,（2）数据链路层 规定了HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能，HART协议根据冗余检错码信息，采用自动重复请求发送机制，消除由于线路噪音或其他干扰引起的数据通讯错误，实现通讯数据无差错传送。数据链路层中的数据结构长度不固定
21、，最长25B，寻址范围015，当地址为0时，则处于420mA的DC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“突发式”。,（3）应用层 规定了3类命令：第1类是通用命令，通用命令是所有现场装置都配备的第2类是专用命令令，适用于遵守HART协议的大部分产品；第3类是特殊命令，适用于遵守HART协议的特殊产品。HART协议是一个开放的协议，对于厂家生产的具有特殊功能的产品，HART提供了设备描述语言DDL（Device Description Language）以确保互操作性。,HART命令分三组 通用命令通用命令是所有现场装置都配备的包括：1)读制造商码和
22、设备类型 2)读一次变量PV和单位 3)读当前输出和百分量程 4)读取多达4个预先定义的动态变量 5)读或写8字符标签16字符描述符日期 6)读或写32字符信息 7)读变送器量程单位阻尼时间常数 8)读传感器编号和极限 9)读或写最终安装数 10)写登录地址,常用命令 提供的功能是大部分但不是全部现场装置都配备的包括：1 读4个动态变量之一 2 写阻尼时间常数 3 写变送器量程 4 校准置零置间隔 5 设置固定的输出电流 6 执行自检 7 执行主站复位 8 调整PV零点 9 写PV单位 10 调整DAC零点于增益 11 写变换函数平方根/线性 12 写传感器编号 13 读或写动态变量用途,专用命令 提供分别对特殊的现场装置适用的功能包括：1读或写低流量截止值 2起动停止或取消累积器 3读或写密度校准系数 4选择一次变量 5读或写结构材料信息 6调整传感器校准值,
