基金会现场总线技术规程

『壹』 现场总线的主流总线

定义：
是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。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

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。
现场总线的优点
现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；
一对双绞线上可挂接多个控制设备， 便于节省安装费用；
节省维护开销；
提高了系统的可靠性；
为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。
现场总线技术的发展趋势
从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势：
一是寻求统一的现场总线国际标准
二是Instrial Ethernet走向工业控制网络
统一、开放的TCP/IP Ethernet是20多年来发展最成功的网络技术 ，过去一直认为，Ethernet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA技术（Ethernet for Process Automation）也取得了很大的进展。
随着FF HSE的成功开发以及PROFInet的推广应用，可以预见Ethernet技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。
工业以太网的发展
国际上形成的工业以太网技术的四大阵营：
主要用于离散制造控制系统的是：
Modbus-IDA工业以太网
Ethernet/IP工业以太网
PROFInet工业以太网
主要用于过程控制系统的是：
Foundation Fieldbus HSE工业以太网
随着科学技术的快速发展，过程控制领域在过去的两个世纪里发生了巨大的变革。150多年前出现的基于5－13psi的气动信号标准（PCS，Pneumatic Control System气动控制系统），标志着控制理论初步形成，但此时尚未有控制室的概念；20世纪50年代，随着基于0－10mA或4－20mA的电流模拟信号的模拟过程控制体系被提出并得到广泛的应用，标志了电气自动控制时代的到来，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础，设立控制室、控制功能分离的模式也一直沿用至今；20世纪70年代，随着数字计算机的介入，产生了“集中控制”的中央控制计算机系统，而信号传输系统大部分是依然沿用4－20mA的模拟信号，不久人们也发现了伴随着“集中控制”，该系统存在着易失控、可靠性低的缺点，并很快将其发展为分布式控制系统（DCS，Distributed Control System分布式控制系统）；微处理器的普遍应用和计算机可靠性的提高，使分布式控制系统得到了广泛的应用，由多台计算机和一些智能仪表以及智能部件实现的分布式控制是其最主要的特征，而数字传输信号也在逐步取代模拟传输信号。随着微处理器的快速发展和广泛的应用，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，产生了以微处理器为核心，使用集成电路代替常规电子线路，实施信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。设备之间彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更高的要求。由此，导致了现场总线的产生。
现场总线的实质和优点
1984年，现场总线的概念得到正式提出。IEC（International Electrotechnical Commission,国际电工委员会）对现场总线（Fieldbus）的定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。
不同的机构和不同的人可能对现场总线有着不同的定义，不过通常情况下，大家公认现场总线的本质体现在以下六个方面：
现场通信网络
用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。
现场设备互联
依据实际需要使用不同的传输介质把不同的现场设备或者现场仪表相互关联。
互操作性
用户可以根据自身的需求选择不同厂家或不同型号的产品构成所需的控制回路，从而可以自由地集成FCS。
分散功能块
FCS 废弃了DCS 的输入/输出单元和控制站, 把DCS 控制站的功能块分散地分配给现场仪表, 从而构成虚拟控制站，彻底地实现了分散控制。
通信线供电
通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量, 这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表, 与其配套的还有安全栅。
开放式互联网络
现场总线为开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。
从以上内容我们可以看到，现场总线体现了分布、开放、互联、高可靠性的特点，而这些正是DCS系统的缺点。DCS通常是一对一单独传送信号，其所采用的模拟信号精度低，易受干扰，位于操作室的操作员对模拟仪表往往难以调整参数和预测故障，处于“失控”状态，很多的仪表厂商自定标准，互换性差，仪表的功能也较单一，难以满足现代的要求，而且几乎所有的控制功能都位于控制站中。FCS则采取一对多双向传输信号，采用的数字信号精度高、可靠性强，设备也始终处于操作员的远程监控和可控状态，用户可以自由按需选择不同品牌种类的设备互联，智能仪表具有通信、控制和运算等丰富的功能，而且控制功能分散到各个智能仪表中去。由此我们可以看到FCS相对于DCS的巨大进步。
也正是由于FCS的以上特点使得其在设计、安装、投运到正常生产都具有很大的优越性：首先由于分散在前端的智能设备能执行较为复杂的任务，不再需要单独的控制器、计算单元等，节省了硬件投资和使用面积；FCS的接线较为简单，而且一条传输线可以挂接多了设备，大大节约了安装费用；由于现场控制设备往往具有自诊断功能，并能将故障信息发送至控制室，减轻了维护工作；同时，由于用户拥有高度的系统集成自主权，可以通过比较灵活选择合适的厂家产品；整体系统的可靠性和准确性也大为提高。这一切都帮助用户实现了减低安装、使用、维护的成本，最终达到增加利润的目的。
现场总线的现状
由于各个国家各个公司的利益之争，虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA）就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍未完成。很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。目前现场总线市场有着以下的特点：
多种现场总线并存
目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的FIP，英国的ERA，德国西门子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与ControlNet等等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有80％左右的市场。
各种总线都有其应用的领域
每种总线大都有其应用的领域，比如FF、PROFIBUS-PA适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域；LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet适用于楼宇、交通运输、农业等领域；DeviceNet、PROFIBUS-DP适用于加工制造业，而这些划分也不是绝对的，每种现场总线都力图将其应用领域扩大，彼此渗透。
每种现场总线都有其国际组织和支持背景
大多数的现场总线都有一个或几个大型跨国公司为背景并成立相应的国际组织，力图扩大自己的影响、得到更多的市场份额。比如PROFIBUS以Siemens公司为主要支持，并成立了PROFIBUS国际用户组织WorldFIP以Alstom公司为主要后台，成立了WorldFIP国际用户组织。
多种总线成为国家和地区标准
为了加强自己的竞争能力，很多总线都争取成为国家或者地区的标准，比如PROFIBUS已成为德国标准，WorldFIP已成为法国标准等。
设备制造商参与多个总线组织
为了扩大自己产品的使用范围，很多设备制造商往往参与不止一个甚至多个总线组织。
各个总线彼此协调共存
由于竞争激烈，而且还没有哪一种或几种总线能一统市场，很多重要企业都力图开发接口技术，使自己的总线能和其他总线相连，在国际标准中也出现了协调共存的局面。
工业自动化技术应用于各行各业，要求也千变万化，使用一种现场总线技术也很难满足所有行业的技术要求；现场总线不同于计算机网络，人们将会面对一个多种总线技术标准共存的现实世界。技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约；技术标准不仅是一个技术规范，也是一个商业利益的妥协产物。而现场总线的关键技术之一是彼此的互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。
主流现场总线简介
下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。
1基金会现场总线（FoundationFieldbus 简称FF）
这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。
基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。
CAN（ControllerAreaNetwork 控制器局域网）
最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M /1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。
Lonworks
它由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部7层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距离可达2700m（78Kbit/s），被誉为通用控制网络。Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron（神经元）的芯片中，并得以实现。采用Lonworks技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。
DeviceNet
DeviceNet是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案，有着开放的网络标准。DeviceNet具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DebiceNet基于CAN技术，传输率为125Kbit/s至500Kbit/s,每个网络的最大节点为64个，其通信模式为：生产者/客户（Procer/Consumer），采用多信道广播信息发送方式。位于DeviceNet网络上的设备可以自由连接或断开，不影响网上的其他设备，而且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet总线的组织结构是Open DeviceNet Vendor Association（开放式设备网络供应商协会，简称“ODVA”）。
5PROFIBUS
PROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型，服从IEC1158－2标准。PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m，在12Mbit/s小为200m，可采用中继器延长至10km，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点。
6HART
HART是Highway Addressable Remote Transcer的缩写，最早由Rosemount公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层，支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和，难以开发通用的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆的要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。
7CC-Link
CC-Link是Control&Communication Link（控制与通信链路系统）的缩写，在1996年11月，由三菱电机为主导的多家公司推出，其增长势头迅猛，在亚洲占有较大份额。在其系统中，可以将控制和信息数据同是以10Mbit/s高速传送至现场网络，具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题，同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。2005年7月CC-Link被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。
8WorldFIP
WorkdFIP的北美部分与ISP合并为FF以后，WorldFIP的欧洲部分仍保持独立，总部设在法国。其在欧洲市场占有重要地位，特别是在法国占有率大约为60%。WorldFIP的特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求，而且没有任何网关或网桥，用软件的办法来解决高速和低速的衔接。WorldFIP与FFHSE可以实现“透明联接”，并对FF的H1进行了技术拓展，如速率等。在与IEC61158第一类型的连接方面，WorldFIP做得最好，走在世界前列。
INTERBUS
INTERBUS是德国Phoenix公司推出的较早的现场总线，2000年2月成为国际标准IEC61158。INTERBUS采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。其采用集总帧型的数据环通信，具有低速度、高效率的特点，并严格保证了数据传输的同步性和周期性；该总线的实时性、抗干扰性和可维护性也非常出色。INTERBUS广泛地应用到汽车、烟草、仓储、造纸、包装、食品等工业，成为国际现场总线的领先者。
此外较有影响的现场总线还有丹麦公司Process-Data A/S 提出的P-Net，该总线主要应用于农业、林业、水利、食品等行业；SwiftNet现场总线主要使用在航空航天等领域，还有一些其他的现场总线这里就不再赘述了。
现场总线的发展和以太网
现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，几乎涵盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。它的出现和快速发展体现了控制领域对降低成本、提高可靠性、增强可维护性和提高数据采集的智能化的要求。现场总线技术的发展体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的不断发展和完善；另一个是高速现场总线技术的发展。而目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。从实际应用状况看，大多数现场总线，都能较好地实现速率要求较低的过程控制。因此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个市场。就目前而言，由于FF基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商，其全球影响力日益增加，但其在中国市场营销力度似乎不足，市场份额不是很高，LonWorks形成了全面的分工合作体系，在国内有一些实质性的进展，在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面，LonWorks则具有独特的优势。在离散制造加工领域，由于行业应用的特点和历史原因，Profibus和CAN经在这一领域形成了自己的优势，具有较强的竞争力。国内厂商的规模相对较小，研发能力较差，更多的是依赖技术供应商的支持，比较容易受现场总线技术供应商 (芯片制造商等)对国内的支持和市场推广力度的影响。而且，还有一个不可忽视的一点就是在构建自动化管理系统时，选择的上位机，比如组态软件对总线设备的支持程度，有些监控组态软件，比如紫金桥监控组态软件或者InTouch等对一些主流的总线设备比如Lonworks、PROFIBUS、CAN等有着良好的支持，通过DDE、OPC或者直接连接等方式进行通讯，采集数据。这样可以方便用户的选择，而一些组态软件则支持的种类较少，是用户选择的范围也随之减少。
由于目前自动化技术从单机控制发展到工厂自动化FA，发展到系统自动化。工厂自动化信息网络可分为以下三层结构：工厂管理级、车间监控级、现场设备级，而现场总线是工厂底层设备之间的通信网络。这里先介绍一下以太网，本文特指工业以太网，工业以太网是作为办公室自动化领域衍生的工业网络协议，按习惯主要指IEEE 802.3协议，如果进一步采用TCP/IP协议族，则采用“以太网+TCP/IP”来表示，其技术特点主要适合信息管理、信息处理系统，并在IT业得到了巨大的成功。在工厂管理级、车间监控级信息集成领域中，工业以太网已有不少成功的案例，在设备层对实时性没有严格要求场合也有许多应用。由于现场总线目前种类繁多，标准不一，很多人都希望以太网技术能介入设备低层，广泛取代现有现场总线技术，施耐德公司就是该想法的积极倡导者和实践者，目前已有一批工业级产品问世和实际应用。可是就目前而言，以太网还不能够真正解决实时性和确定性问题，大部分现场层仍然会首选现场总线技术。由于技术的局限和各个厂家的利益之争，这样一个多种工业总线技术并存，以太网技术不断渗透的现状还会维持一段时间。用户可以根据技术要求和实际情况来选择所需的解决方案。

『贰』 现场总线技术的图书目录

前言
第一章现场总线技术概述1
第一节自动控制系统的发展
及其体系结构1
第二节DCS的结构及其分类3
第三节现场总线控制系统5
第四节FCS与DCS的比较7
第五节现场总线技术的现状及其
发展前景9
思考题与习题10
第二章网络与数据通信基础11
第一节总线的基本概念与操作11
第二节通信系统简介14
第三节网络结构及传输介质19
第四节通信系统的协议模型23
第五节差错控制28
思考题与习题34
第三章PROFIBUS总线35
第一节PROFIBUS的通信模型和
协议类型35
第二节PROFIBUS的数据传输和
拓扑结构36
第三节PROFIBUS的总线存取
控制机制44
第四节PROFIBUS—DP技术简介45
第五节PROFIBUS—PA技术简介50
第六节PROFIBUS—FMS技术简介51
第七节PROFIBUS的应用52
思考题与习题54
第四章SIMATIC S7系统及其
组态软件55
第一节SIMATIC S7系统基础55
第二节SIMATIC S7系统设备56
第三节STEP7的功能和使用方法59
第四节用STEP7开发应用软件72
第五节SIMATIC S7的系统功能调用79
第六节连续数据量的I/O存取命令85
第七节PROFIBUS—DP的诊断功能89
第八节程序下载及调试98
思考题与习题101
第五章监控组态软件的功能
和使用102
第一节监控组态软件概述102
第二节WinCC的功能和使用方法107
第三节其他几种监控组态软件介绍150
思考题与习题156
第六章基于PC的自动化系统
及其软件157
第一节基于PC的自动化系统157
第二节WinAC软件的使用方法161
第三节其他几种基于PC的控制
软件介绍181
思考题与习题184
第七章SIMATIC S7?300/400PLC
的设计应用实例185
第一节PROFIBUS现场总线控制网络185
第二节基于PROFIBUS的三容水箱液
位控制系统设计186
第三节基于PROFIBUS的模拟锅炉
液位控制系统设计213
第四节基于PC的PLC控制电加热
炉系统设计与实现229
第八章基金会现场总线（FF）241
第一节FF的主要技术241
第二节FF通信模型243
第三节FF物理层246
第四节FF通信栈250
第五节FF现场仪表的功能模块260
第六节FF网络管理与系统管理266
第七节FF设备描述270
第八节FF组态与运行273
思考题与习题277
第九章LON和LonWorks技术278
第一节总体概述278
第二节LonTalk协议279
第三节神经元芯片287
第四节Neuron C编程299
思考题与习题307
第十章CAN总线308
第一节CAN总线的性能特点308
第二节CAN的技术规范308
第三节CAN总线的节点组成314
思考题与习题340
第十一章Interbus总线341
第一节Interbus现场总线概述341
第二节串行数据传输协议341
第三节Interbus现场总线传输方法的
构成和原理346
第四节Interbus复合式数据协议结构357
第五节Interbus的自动化控制系统362
思考题与习题364
参考文献365

『叁』 现场总线与通讯协议的关系

现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。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 。可以理解为多个设备之间数据的“高速公路”。但随应用环境不同，又有很多的不同类型的总线。其中应用最为广泛的如PowerBUS总线、485总线、CAN总线。
而通讯协议又称通信规程，是指通信双方对数据传送控制的一种约定。约定中包括对数据格式，同步方式，传送速度，传送步骤，检纠错方式以及控制字符定义等问题做 出统一规定，通信双方必须共同遵守，它也叫做链路控制规程。可以理解为“高速公路”中的“交通规则”。当然这种规则也是多种多样的，其中应用最为广泛如modbus协议。

『肆』 ff现场总线智能仪表

简介
基金会现场总线FF（Fieldbuse Foundation）以ISO/OSI开放系统互联模式为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。基金会现场总线的主要技术内容包括FF通信协议、用于完成开放互联模式中第2-7层通信协议的通信栈、用于描述设备特性、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典、用于实现测量、控制、工程量转换等功能的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。
编辑本段背景
基金会总线（FF，Foundation Fieldbus）是在过程自动化领域得到广泛支持和具有专有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fisher－Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的World FIP协议。屈于用户的压力，这两大集团于1994年 9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。由于这些公司是该领域现场自控设备发展方向的能力，因而由它们组成的基金会所颁布的现场总线规范具有一定的权威性。
编辑本段两种通信速率
基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31．25kbps，通信距离可达1900m（可加中继器延长），可支持总线供电防爆环境。H2的传输可为1Mbps和2．5Mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158－2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。
编辑本段主要技术内容
基金会现场总线的主要技术内容，包括FF通信协议、用于完成开放互连模型中第2～7层通信协议的通信栈（Communication Stack）?犛糜诿枋錾璞柑卣鳌⒉问?、属性及操作功能块；实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。1996年在芝加哥举行的ISA96展览会上，由现场总线基金组织实施，首次向世界展示了来自40多家厂商的70多种符合FF协议的产品并将这些分布在不同楼层展览大厅不同展台上的FF展品，用醒目的橙红色电缆，展现了基金会现场总线的基本概貌。

『伍』 基金会现场总线的应用场合有哪些

过程控制现场总线--工程、运行与维护 外国人写的，现场总线仪表工程应用类 非常实用 有电子扫描版下载 实体书得淘宝上买 PROFIBUS协议分析与系统应用/侯维岩/清华大学出版 DP的协议级学习必备 别的具体工程应用类 买本西门子的就够了

『陆』 现场总线控制系统的基金会现场总线

按照基金会总线组织的定义，FF总线是一种全数字、串行、双向传输的通信系统，是一种能连接现场各种现场仪表的信号传输系统，其最根本的特点是专门针对工业过程自动化而开发的，在满足要求苛刻的使用环境、本质安全、总线供电等方面都有完善的措施。为此，有人称FF总线为专门为过程控制设计的现场总线。
在FF协议标准中，FF分为低速H1总线和高速H2总线。H1主要针对过程自动化，传输速率31.25Kbps，传输距离可达1900m（可采用中继器延长），支持总线供电和本质安全防爆。高速总线协议H2主要用于制造自动化，传输速率分为1Mbps和2.5Mbps两种。但原来规划的H2高速总线标准现在已经被现场总线基金会所放弃，取而代之的是基于以太网的高速总线HSE。 为了实现通信系统的开放性，FF通信模型参考了OSI模型，如图4.2。
H1总线的通信模型包括物理层、数据链路层、应用层，并在其上增加了用户层。物理层采用了IEC61158-2的协议规范；数据链路层DLL规定如何在设备间共享网络和调度通信，通过链路活动调度器LAS来管理现场总线的访问；应用层则规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式。H1的应用层分为两个子层――总线访问子层FAS和总线报文规范子层FMS，功能块应用进程只使用FMS，FAS负责把FMS映射到DLL。用户层则用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能快、设备描述等。不过，数据链路层和应用层往往被看作为一个整体，统称为通信栈。
HSE采用了基于Ethernet和TCP/IP的六层协议结构的通信模型。其中，一～四层为标准的Internet协议；第五层是现场设备访问会话，为现场设备访问代理提供会话组织和同步服务；第七层是应用层，也划分为FMS和现场设备访问FDA二个子层，其中FDA的作用与H1的FAS相类似，也是基于虚拟通信关系为FMS提供通信服务。 H1总线的物理层根据IEC和ISA标准定义，符合ISA S50.02物理层标准、IEC1158-2物理层标准以及FF-816 31.25Kbps物理层行规规范。当物理层从通信栈接收报文时，对数据帧加上前导码和定界码，并对其实行数据编码，再经过发送驱动器把所产生的物理信号传送到总统的传输媒体上。相反，在接收信号时，需要进行反向解码。
现场总统采用曼彻斯特编码技术将数据编码加载到直流电压或电流上形成“同步串行信号”。前导码是一个8位的数字信号10101010，接收器采用这一信号同步其内部时钟。起始界定码和结束界定码标明了现场总线信息的起点和终点，长度均为8个时钟周期，二者都是由“0”、“1”、“N+”、“N－”按规定的顺序组成。
图4.5(a)表示了H1总线的配置思想，总线两端分别连接一个终端器，形成对31.25KHz信号的通带电路。发送设备产生的信号是31.25KHz、峰峰值为15～20mA的电流信号，如图(b)；传送给相当于50Ω的等效负载，产生一个调制在直流电源电压上的0.75～1V的峰峰电压，如图(c)。H1支持总线供电和非总线供电二种方式。
通信栈包括数据链路层DLL、现场总线访问子层FAS和现场总线报文规范FMS三部分。
DLL最主要的功能是对总线访问的调度，通过链路活动调度器LAS来管理总线的访问，每个总线段上有一个LAS。H1总线的通信分为受调度/周期性通信和非调度/非周期性通信二类。前者一般用于在设备间周期性地传送测量和控制数据，其优先级最高，其它操作只在受调度传输之间进行。
FAS子层处于FMS和DLL之间，它使用DLL的调度和非调度特点，为FMS和应用进程提供报文传递服务。FAS的协议机制可以划为三层：FAS服务协议机制、应用关系协议机制、DLL映射协议机制，它们之间及其与相邻层的关系如图4-6所示。FAS服务协议机制负责把发送信息转换为FAS的内部协议格式，并为该服务选择一个合适的应用关系协议机制。应用关系协议机制包括客户/服务器、报告分发和发布/接收三种由虚拟通信关系VCR来描述的服务类型，它们的区别主要在于FAS如何应用数据链路层进行报文传输。DLL映射协议机制是对下层即数据链路层的接口。它将来自应用关系协议机制的FAS内部协议格式转换成数据键路层DLL可接受的服务格式，并送给DLL，反之亦然。
FMS描述了用户应用所需要的通信服务、信息格式和建立报文所必需的协议行为。针对不同的对象类型，FMS定义了相应的FMS通信服务，用户应用可采用标准的报文格式集在现场总线上相互发送报文。
用户层定义了标准的基于模块的用户应用，使得设备与系统的集成与互操作更加易于实现。用户层由功能块和设备描述语言两个重要的部分组成。 PROFIBUS共包括PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA三个兼容系列，各系列的协议结构如图4.9所示。FMS定义了物理层、数据链路层和应用层和用户接口，物理层提供了光纤和RS485两种传输技术。DP定义了物理层、数据链路层和用户接口，其中的物理层和数据链路层与FMS中的定义完全相同，二者采用了相同的传输技术和统一的总线控制协议(报文格式)。PA主要应用于过程控制领域，相当于FF的H1总线，它可支持总线供电和本质安全，当使用分段耦合器，PA装置能很方便的连接到DP网络上。
PROFIBUS现场总线是世界上应用最广泛的现场总线技术之一，既适合于自动化系统与现场I/O单元的通信，也可用于直接连接带有接口的各种现场仪表及设备。DP和PA的完美结合使得PROFIBUS现场总线在结构和性能上优越于其它现场总线。 PROFIBUS提供了RS485传输、IEC1158－2传输和光纤传输三种类型。
RS-485传输用于PROFIBUS－DP/－FMS，其最大传输速率可达12Mbps，在不加中继的情况下，传输速率与总线长度的对应关系如下表所示：
数据IEC1158－2的传输技术用于PROFIBUS－PA，是一种位同步协议，通过±9mA对基本电流（约10mA）的调制，以31.25kbps的速率传输。
PROFIBUS系统要桥接更长的距离或在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体（塑料和玻璃）传输，光链路插头可以实现RS485信号和光纤导体信号的相互转换。 PROFIBUS总线包括的三个兼容系列均使用一致的总线存取协议，这是一种包括主站之间的令牌方式和主站与从站之间的主从方式的混合协议，如图4.10所示。
令牌环是所有主站的组织链，按照它们的地址构成逻辑环。在令牌环中，令牌在逻辑环中循环一周的最长时间是事先规定的，令牌需要在规定的时间内按照地址的升序在各主站中依次传递。
主从方式允许主站在得到总线存取令牌时与从站进行通信，每个主站均可向从站发送或索取信息。当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。在这段时间内，它可依照主从关系表与所有从站通信，也可依照主主关系表与所有主站通信。 基于IEC1158-2传输技术总线段与基于RS485传输技术总线段可以通过耦合装置相连，耦合器使二者信号相适配。每段通常配一个电源装置，电源装置经耦合器和PA总线为现场设备提供电源，这种供电方式可以限制PA总线段上的电流和电压。如果需要外接电源设备，必须用适当的隔离装置，将总线供电设备与外接电源设备连接在本质安全总线上，此时总线上的最大供电电压和最大供电电流均具有明确的规定。按防爆等级和总线供电装置，总线上的站点数量也将受到限制。
PROFIBUS的网络拓扑可以是总线型、树型和两种拓扑的混合。线型结构沿着总线电缆连接各个站点，树型结构允许现场设备并联地接在现场配电箱上。混合拓扑结构适合多数实际系统的要求，它可以使总线的结构和长度趋于最优。 我们知道，当前的工业网络已逐渐向高层IT系统的融合甚至通过Internet实现全球化联网的趋势发展，PROFINet正是体现了现场总线技术纵向集成的一种透明性理念。
为了保持与自动化系统较高层的一致性，PROFINet选用以太网作为通信媒介，一方面它可以把基于通用的PROFIBUS技术的系统无缝地集成到整个系统中，另一方面它也可以通过代理服务器实现PROFIBUS－DP及其它现场总线系统与PROFINet系统的简单集成。
在整个协议架构中，独立于制造商的工程设计系统对象ES-Object模型和开放的、面向对象的PROFINet运行期（runtime）模型是PROFINet定义的两个关键模型。
工程设计系统对象模型用于对多制造商工程设计方案做出规定，提供用户友好的PROFINet系统组态。运行期模型则以具有以太网标准机制的通信功能为基础，提供了一种优化的DCOM机制，作为用于硬实时通信应用领域的一种选择。
PROFINet部件以对象的形式出现，自动化解决方案包含在运行期进行通信的自动化对象中，即运行期自动化对象RT-AUTO。在工程设计领域，一旦无需对通信编程而只需进行很方便地组态，创建自动化解决方案就变得相当简单。
PROFINet为这些应用提供了两种集成方案，如图4.12。
如果现场总线的主站具备PROFINet的能力，这可通过将以太网接口和PROFINet运行期软件的端口直接集成到现场总线主站的CPU中。否则，PROFIBUS也可以通过代理服务器实现与PROFInet的集成。原则上其它的现场总线如：FF、Interbus等通常都可以这种方式集成到PROFINet领域。

『柒』 基金会现场总线的背景

基金会总线（FF，Foundation Fieldbus）是在过程自动化领域得到广泛支持和具有专有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fisher－Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的World FIP协议。屈于用户的压力，这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。由于这些公司是该领域现场自控设备发展方向的能力，因而由它们组成的基金会所颁布的现场总线规范具有一定的权威性。