现场总线知识点汇总

现场总线知识点汇总1.现场总线定义：（1）国际电工委员会IEC61158标准定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线。（2）应用在生产现场，在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信技术。2.现场总线技术是在20世纪80年代中期发展起来的，是计算机技术、通信技术、控制技术（即3C技术）发展汇集成的结合点，是信息技术、数字化、智能化网络发展到现场的结果。2.现场总线亦称为工业控制网络，已经成为控制网络技术的代名词。3.现场总线以测量控制设备作为网络节点，以双绞线等传输介质为纽带，把位于生产现场、具备了数字计算和数字通信能力的测量控制设备连接成网络系统，按公开、规范的通信协议，在多个测量控制设备之间、以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成适应各种应用需求的自动控制系统。（三要素：网络节点、传输介质、通信协议）4.与一般的电信网和一般的计算机网络相比，现场总线控制系统特别强调可靠性和实时性，现场总线的数据通信是以引发物质或能量的运动为最终目的。5.现场总线产生的背景和时代需求：处于企业生产过程底层的测量自动化系统，由于设备之间采用传统的一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自成体系的封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就要构建运行在生产现场、性能可靠、造价低廉的工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间、以及生产现场与外界的信息交换。现场总线作为现场设备之间互联的控制网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛僵局创造了条件。6.工业自动控制系统历史（1）20世纪50年代，模拟仪表控制系统（ACS）；（2）20世纪60年代，直接数字控制系统（DDC）；（3）20世纪70年代，集散控制系统（DCS）；（4）20世纪90年代，现场总线控制系统（FCS）。7.FCS特点：1）FCS的信号传输实现了全数字化2）FCS系统结构是全分散式3）FCS的现场设备具有互操作性4）FCS的技术和标准实现了全开放5）FCS的环境适应性与总线供电8.集散控制系统的不足：从结构上看，在系统的一个局部，或者子系统，基本上还是集中式控制，系统分散得不够彻底，集中式控制系统存在的问题没有从根本上得到解决。现场仍采用模拟信号，电缆较多，成本较高。各公司的DCS各有各的标准，不能实现互联。9.现场总线的发展现状：国际电工委员会/国际标准协会（IEC/ISA）自1984年起现场总线标准工作，但统一的标准至今仍未完成。1）技术原因。目前尚没有一种现场总线对所有应用领域在技术上都是最优的。2）利益驱动。导致自动化行业形成多种总线技术标准并存现状。现场总线的国际标准一直未能统一，真正实现开放性远未达到。将以太网应用于工业自动控制系统的呼声越来越高，也就是使得控制和管理系统中的信息无缝衔接，真正实现“一网到底”。工业以太网技术有望解决这一问题10.诞生于不同领域的总线技术往往对这一特定的领域的适用性就好一些。PROFIBUS适合于工厂自动化CAN适用于汽车工业FF总线适用于过程控制LonWorks适用于楼宇自动化SwiftNet适用于飞机制造P-NET适用于农业11.现场总线国际标准1）ISO11898和ISO11519ISO11898：道路交通工具（RoadVehicle）——数字信息交换（Interchangeofdigitalinformation）－用于高速通信（Forhigh-speedcommunication）的控制器局域网（CAN）；ISO11519：低速CAN和VAN的标准。2）IEC61158：FFH1、ControlNet、PROFIBUS、P-NET、FFHSE、SwiftNet、WorldFIP、Interbus。3）IEC62026：DeviceNet、AS-iIEC62026为低压开关设备和控制设备的现场总线。12.工业以太网定义应用于工业自动化领域的以太网技术以太网（Ethernet）由Xerox、DEC、Intel联合推出的局域网物理层与数据链路层规范。电子电气工程师协会在此基础上制定了局域网标准IEEE802.3，已成为信息网络的实际标准。工业以太网一般是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计、材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。13.工业以太网的优势1）应用广泛2）成本低廉3）通信速率高4）软硬件资源丰富5）可持续发展能力强6）易于实现管控一体化14.工业以太网存在的不足1）实时性问题2）可靠性问题3）安全性问题4）总线供电问题15.本质安全：指通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故的功能。16.现场总线特点：5个特点（见教材2~3页）17.现场总线的优点：5个优点（见教材3页）18.互操作性和互用性的定义（见教材2页）19.通信系统最主要的指标：有效性和可靠性有效性：传输信息的内容有多少；可靠性：接收信息的可靠程度。20.有效性指标：4个（熟悉概念）可靠性指标用误码率来衡量。21.比特率和波特率定义22.频率特性定义23.频谱和带宽定义24.为什么CAN总线在位速率为1Mbps时，传输距离只有40米？1）CAN总线要求发送器在发送每一位的同时，都要监视总线电平，用以确定是否发送器竞争发送权失败，是否总线发生了位错误，是否获得了应答。这都需要在1位时间内完成。1Mbps时，位时间是1微秒；2）已知铜导线中电信号的传播速度是光速的2/3，1微秒在可以在总线上跑200米，由于要做折返跑，所以总线距离不能超过100米；3）考虑到可靠采样以及需留下一定的信息处理时间的问题，一般采样点设在位时间的50%左右，所以最大传输距离还要减半，即为50米；4）还要考虑发送器延时、接收器延时，总线的最大传输距离还要打折扣，故定位40米。25.CAN总线报文传送由哪4种不同类型的帧表示和控制？答：数据帧携带数据由发送器至接收器；远程帧通过总线单元发送，以请求具有相同标识符的的数据帧；出错帧由检测出总线错误的任何单元发送；超载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。26.1）PCA82C250称作CAN收发器，位于CAN总线的物理层，是完成逻辑信号与电缆上物理信号的转换（双向转换）。2）CAN总线一般使用两根电缆进行信号传输，其名称分别为CAN_H和CAN_L。3）CAN收发器根据两根电缆之间的电压差来判断总线电平，这种传输方式称为“差分传输”。电缆上传输的电平信号只有两种可能，分别为显性电平和隐性电平，其中显性电平代表逻辑0，隐性电平代表逻辑1。4）CAN-bus发布了两个通信标准，即高速通信标准ISO11898（最高1Mbps）和低速通信标准ISO11519（最高125Kbps），这两个标准中差分电平的特性不相同（如表1-1所示）表1-1物理层ISO11898ISO11519-2电平显性隐性显性隐性CAN_H/V3.502.504.01.75CAN_L/V1.502.501.03.25电位差/V2.003.0-1.5从上图可知，这两个标准物理层不同，但在数据链路层是相同的。5）CAN_bus采用双绞线连接，并配合差分传输方式，可以有效抑制共模干扰。共模干扰是指信号线上干扰信号的幅度和相位都相同。6）PCA82C250有三种工作模式，即高速模式、准备模式和斜率模式，模式控制通过SR控制引脚完成。27.SJA1000支持两种不同的协议模式，即BasicCAN模式和PeliCAN模式。28、为什么在CAN总线的两端要加终端匹配电阻？终端电阻的阻值一般是多少？答：现场总线中数据的传输是以电信号的形式在电缆中传播的，而电信号对电缆的阻抗比较敏感，当阻抗不连续或发生突变时，就会发生电信号的反射。反射过程比较复杂，也有可能多次反射，反射的信号可能会混叠在正常信号上，引起电平的变化，导致数据传输出现错误。为了使电缆终点的阻抗保持连续而不发生突变，CAN_bus规定在电缆的两端或一端接入匹配电阻，即终端电阻。在CAN_bus中终端电阻一般为120欧姆。29、计算机网络基础知识计算机网络是现场总线技术的基础，熟悉计算机网络体系结构和拓扑结构，了解网络中每层的功能和网络节点的连接方式，为学习现场总线协议作准备。1）.计算机网络体系结构：计算机网络层次结构模型和各层协议的集合。2）.网络协议：为了进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。网络协议是计算机网络中不可缺少的组成部分。3）.网络协议包括三个要素：语法、语义和时序。（1）语法：用户数据和控制信息的结构和格式；（2）语义：需要发送何种控制信息，以及完成的动作以及所作出的响应；（3）时序：对事件实现顺序的详细说明。4）.国际标准化组织（ISO）提出了开放系统互连参考模型OSI-RM，该标准定义了网络互联的7层框架，实现了系统间的互联性、互操作性和可移植性。在这里“开放”是指遵循OSI标准的任何系统之间均可通信，“系统”是指各系统中与互联有关的部分。5）.OSI七层框架的层次划分原则如下：1）网络各节点都有相同的层次，相同的层次具有相同的功能；2）同一节点内相邻层次间通过接口通信；3）每一层使用下层提供的服务，并向上层提供服务；4）不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。30如何理解协议与服务的关系？（请查计算机网络教材）