作者：中国石油天然气集团公司人事部
出版社：石油工业出版社
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仪表维修技师培训教程：全2册试读：
内容提要本书为《中国石油高技能人才培训丛书》中的一本，分上、下两册。上册讲述了大型机组控制技术；执行器的结构、测试、安装、设计及故障分析；集散控制系统的配置、编程；可编程控制系统及其应用程序。下册讲述了现场总线控制系统的结构、特征；安全仪表系统的安全等级、应用程序；数据采集与监控系统及其应用；控制系统通信网络组成、特点及应用实例；先进控制技术的概念及工业应用；企业管理信息系统的组成、功能及应用。
本书主要用于仪表维修技师的培训，也可供工程技术人员参考。
图书在版编目（CIP）数据
仪表维修技师培训教程：全2册／中国石油天然气集团公司人事部编.北京：石油工业出版社，2011.12（中国石油高技能人才培训丛书）
ISBN 978-7-5021-8595-4
Ⅰ．仪…
Ⅱ．中…
Ⅲ．仪表－维修－技术培训－教材
Ⅳ．TH707
中国版本图书馆CIP数据核字（2011）第157404号
出版发行：石油工业出版社（北京安定门外安华里2区1号 100011）网 址：www.petropub.com.cn编辑部：（010）64523582 发行部：（010）64523620
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2011年12月第1版 2011年12月第1次印刷
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为加快高技能人才知识更新，提升高技能人才职业素养、专业知识水平和解决生产实际问题的能力，进一步发挥高端带动作用，在总结“十一五”技师、高级技师跨企业、跨区域开展脱产集中培训的基础上，中国石油天然气集团公司人事部依托承担集团公司技师培训项目的培训机构，组织专家力量，历时一年多时间，将教学讲义、专家讲座、现场经验及学员技术交流成果资料加以系统整理、归纳、提炼，开发出首批15个职业（工种）高技能人才培训系列教材，由石油工业出版社陆续出版。
本套教材在内容选择上，突出新知识、新技术、新材料、新工艺等“四新”技术介绍，重视工艺原理、操作规程、核心技术、关键技能、故障处理、典型案例、系统集成技术、相关专业联系等方面的知识和技能，以及综合技能与创新能力的知识介绍，力求体现“特、深，专、实”的特点，追求理论知识体系的通俗易懂和工作实践经验的总结提炼。
本套教材是集团公司加快适用于高技能人才现代培训技术和特色教材开发的有益尝试，适合于已取得技师、高级技师职业资格的人员自学提高、研修培训、传承技艺使用，也适合后备高技能人才超前储备知识使用，同时，也为现场技术人员和培训机构提供了一套实践参考用书。《仪表维修技师培训教程》由中国石油辽阳石化机电仪培训中心组织编写，雷军任主编，参加编写的人员有金大勇、郑文革、李志峰、段立国、冯恩辉、汪春竹、王虎威、刘忠鹏、赵鑫、蒋国亮、荣小晶、于宏恩、崔高斌、郑友海、马鑫、韩广涛，参加审定的人员有中国石油炼油与化工分公司赵俊松、钟艳阳；大庆石化公司李迎涛、董佩峰；独山子石化公司彭守泉；大连石化公司张军；东北炼化抚顺工程建设公司张凤光、邓树伟等。
由于编者水平有限，书中错误、疏漏之处在所难免，请广大读者提出宝贵意见。编者2011年10月第五章 现场总线控制系统第一节 概 述
现场总线（Fieldbus）是顺应智能现场仪表而发展起来的一种开放型的数字通信技术，其发展的初衷是用数字通信代替4～20mA模拟传输技术，把数字通信网络延伸到工业过程现场。随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录）的发展，这种开放型的工厂底层控制网络构造了新一代的网络集成式全分布计算机控制系统，即现场总线控制系统（Fieldbus Control System，简称FCS）。
现场总线控制系统兴起于20世纪90年代，它采用现场总线作为系统的底层控制网络，沟通生产过程中现场仪表、控制设备及其与更高控制管理层之间的联系，相互间可以直接进行数字通信。作为新一代控制系统，一方面FCS突破了DCS采用专用通信网络的局限，采用了基于开放式、标准化的通信技术，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面FCS进一步变革了DCS中“集散”系统结构，形成了全分布式系统构架，把控制功能彻底下放到现场。需要提醒的是，DCS以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应用，在目前的工业控制领域内仍然扮演着极其重要的角色。第二节 现场总线一、现场总线的概念
在传统的计算机控制系统中，现场层设备与控制器之间采用一对一的（一个I/O点对应于设备的一个测控点）连接方式，传输信号采用4～20mA等的模拟量信号或24VDC的开关量信号。根据IEC和美国仪表协会ISA的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。
简而言之，现场总线将把全厂范围内的最基础的现场控制设备变成网络节点连接起来，与控制系统实现全数字化通信。它给自动化领域带来的变化是把自控系统与设备带到了信息网络的时代，把企业信息沟通的覆盖范围延伸到了工业现场。因此，现场总线可以认为是通信总线在现场设备中的延伸。
现场总线顺应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的方向发展，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注，被认为是21世纪自动控制系统的基础。它的出现和应用将使传统的自动控制系统产生一系列重大变革，例如，变革传统的信号标准、通信标准、系统标准；变革现有自动控制系统的体系结构、产品结构；变革惯用的设计、安装、调试、维护方法等。二、现场总线的结构特点
现场总线控制系统打破了传统计算机控制系统的结构形式。在如图5-1所示的传统计算机控制系统中，广泛使用了模拟仪表系统中的传感器、变送器和执行机构等现场仪表设备。现场仪表和位于控制室的控制器之间均采用一对一的物理连接，一只现场仪表需要由一对传输线来单向传送一个模拟信号，所有这些输入或输出的模拟量信号都要通过I/O组件进行信号转换。
现场总线系统的拓扑结构则更为简单，如图5-2所示。由于采用数字信号传输取代模拟信号传输，现场总线允许在一条通信线缆上挂接多个现场设备，而不再需要A/D、D/A等I/O组件。当需要增加现场控制设备时，现场仪表可就近连接在原有的通信线上，无需增设其他组件，与传统的一对一连接方式相比，现场总线可节省大量的线缆、桥架和连接件。此外，现场总线在为总线上的现场设备传送数字信号的同时，还可以为总线上的现场仪表提供电源，这不仅可以简化系统的结构，更主要的是它可以满足工业生产现场的本质安全防爆要求。图5-1 传统计算机控制系统结构示意图图5-2 现场总线控制系统结构示意图
从结构上看，DCS实际上是“半分散”、“半数字”的系统，而FCS采用的是一个完全分散的控制方式。在一般的FCS系统中，遵循特定现场总线协议的现场仪表可以组成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各个现场仪表中，各种控制设备本身能够进行相互通信，从而减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于执行复杂的高层次的控制算法。对于简单的控制应用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器，操作站直接与现场仪表相连，构成分布式控制系统。三、现场总线的技术特征（一）全数字化通信
在现场总线控制系统中，现场信号都保持着数字特性，所有现场控制设备采用全数字化通信。许多总线在通信介质、信息检验、信息纠错、重复地址检测等方面都有严格的规定，从而确保总线通信能快速、完全可靠的进行。（二）开放型的互联网络
开放的概念主要是指通信协议公开，也就是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其他设备或系统相连。现场总线就是要致力于建立一个开放型的工厂底层网络。（三）互操作性与互用性
互操作性的含义是指来自不同制造厂的现场设备可以互相通信、统一组态，构成所需的控制系统；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。由于现场总线强调遵循公开统一的技术标准，因而有条件实现这种可能。用户可以根据性能、价格选用不同厂商的产品，通过网络对现场设备统一组态，把不同产品集成在同一个系统内，并可在同功能的产品之间进行相互替换，使用户具有了系统集成的主动权。（四）现场设备的智能化
现场总线仪表本身具有自诊断功能，它可以处理各种参数、运行状态及故障信息，系统可以随时掌握现场设备的运行状态，这在传统模拟仪表中是做不到的。（五）系统结构的高度分散性
数字、双向传输方式使得现场总线仪表可以摆脱传统仪表功能单一的制约，可以在一个仪表中集成多种功能，甚至做成集检测、运算、控制于一体的变送控制器，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，构成一种全分布式控制系统的体系结构。
总之，开放性、分散性与数字通信是现场总线系统最显著的特征，FCS更好地体现了“信息集中，控制分散”的思想。首先，FCS系统具有高度的分散性，它可以由现场设备组成自治的控制回路，现场仪表或设备具有高度的智能化和功能自主性，可完成控制的基本功能，也使其可靠性得到提高。其次，FCS具有开放性，而开放性又决定了它具有互操作性和互用性。另外，由于结构上的改变，使用FCS可以减少大量的隔离器、端子柜、I/O接口和信号传输电缆，这可以简化系统安装、维护和管理，降低系统的投资和运行成本。四、现场总线国际标准化概况
现场总线技术自20世纪90年代初开始发展以来，一直是世界各国关注和发展的热点，目前具有一定规模的现场总线已有数十种之多。为了开发应用以及争夺市场的需要，世界各国所采用的技术路线基本上都是在开发研究的过程中同步制订了各自的国家标准（或协会标准），同时力求将自己的协议标准转化成各区域标准化组织的标准。
由于现场总线是以开放的、全数字化的双向多变量通信代替传统的模拟传输技术，因此现场总线标准化是该领域的重点课题。国际电工委员会、国际标准化组织、各大公司及世界各国的标准化组织对于现场总线的标准化工作都给予了极大的关注，现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，致使现场总线的标准化工作进展缓慢，直至1999年形成了一个由八个类型组成的IEC61158现场总线国际标准。图5-3 IEC61158采用的八种类型
IEC61158包括的八个组成部分分别是：IEC61158原先的技术报告、ControlNet、PROFIBUS、P-Net、FF-HSE、SwiftNet、WorldFIP和Interbus，如图5-3所示。IEC61158国际标准只是一种模式，它既不改变原IEC技术报告的内容，也不改变各组织专有的行规，各组织按照IEC技术报告Type1的框架组织各自的行规。IEC标准的八种类型都是平等的，其中Type 2～Type8需要对Type1提供接口，而标准本身不要求在Type2～Type8之内提供接口，用户在应用各类型时仍可使用各自的行规，其目的就是为了保护各自的利益。
除此之外，还相继出现了HART、FF、PROFIBUS等总线协议，在以后的章节中将分别介绍。第三节 常用数据总线一、HART总线
1986年，Rosemount公司开发了HART（Highway Addressable Remote Transducer）协议，应用于智能变送器。经过不断地开发并使之用于其他设备，1989年HART发展成为一种开放的协议，1990年成立了HART用户集团，HART用户集团的成员1990年有13家，到1993年已经发展为79家，于是，1993年7月成立了HART通信基金会（HART Communication Foundation-HCF），同时Fisher-Rosemount将HART协议的所有权转让给了HCF。HCF是一个独立的、非盈利的组织，负责推广HART协议在工业中的应用并满足HART用户的需要，它的唯一任务就是协调、推动并支持HART技术在世界范围的应用。
HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备，描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。（一）基本功能
HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成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。
HART协议基于Bell202电话通信标准，使用了FSK（Frequency Shift Keying）技术，在4～20mA信号过程测量模拟信号上叠加了频率信号，它成功地使模拟信号与数字双向通信能同时进行，而不相互干扰。HART还可在一根双绞线上以全数字的方式通信，支持15个现场设备的多站网络，并且能对现场仪表的各项特性进行清楚的描述。（二）网络构成
HART网络应用原理如图5-4所示。HART设备可以组态成两种网络形式。图5-4 HART网络应用原理（1）点对点模式（图5-5）。在这种模式下，传统的4～20mA信号传送一个过程变量，附加的过程变量、组态参数和其他设备数据使用HART协议通过数字信号转送。4～20mA的模拟信号不会受到HART信号的影响，可用于正常的控制。而由HART传送的附加的数字信号有利于指导操作和对设备的调试、维护与诊断。（2）多站模式（图5-6）。这种模式只需要一对导线就可连接多达15个现场设备，所有的过程变量都是以数字的形式传送，流经每个设备的电流都被固定在最小的值上（通常为4mA）。
HART协议被认为是事实上的工业标准，但它本身并不算现场总线，只能说是现场总线的雏形，是一种过渡性协议。它的不足之处是速度较慢（1200bps），而一台智能设备要么选用“成组”方式，要么在“主—从”方式中充当从设备回答主设备的询问，它不像一台现场总线设备既可作从设备，又可作主设备。由于目前使用4～20mA标准的现场仪表大量存在，所以，现场总线进入工业应用之后，HART仍会应用很多年。图5-5 HART应用于点对点模式图5-6 HART应用于多站模式（三）特点与优势
模拟信号带有过程控制信息，同时，数字信号允许双向通信。动态控制回路更灵活、有效和安全。（1）因为HART协议能同时进行模拟和数字通信，因此，在与智能化现场仪表通信时还可使用模拟表、记录仪及控制器。（2）支持多主站数字通信：在一根双绞线上可同时连接几个智能化仪表，可节省接线费用。（3）物理层技术规范。HART是用于为过程控制设备提供可寻址远程通信服务的。HART提供相对低的带宽和中等响应时间的通信，用于扩展传统的4～20mA的模拟传输，其典型应用包括远程过程变量查询、参数设定和对话。
为说明方便，通常根据OSI七层通信模型将其通信设备分为数据链路层及物理层。但就硬件与软件而言，层与层之间并不一定要有明确的界限。按层划分可看作按功能区分，数据链路层需要物理层的特殊服务，这些服务可通过不同的方式来实现。
数据链路层说明了基本的HART协议，而物理层则规定了信号的传输方式、信号电压、设备阻抗和传输介质等。通常情况下，物理层以双绞线为介质，它或是单独提供数字通信，或是在完成4～20mA模拟信号传输的同时进行数字通信（1500m）。图5-7所示为HART网络物理层结构关系。图5-7 HART网络物理层结构关系
HART数据的传输是传统4～20mA信号传输的一种扩展。它在低频的4～20mA电流上叠加了一高频电流，两种信号共享硬件，但在频率上是分开的。
HART能辨认三种不同的设备，其中最基本的是现场设备，它能对主设备发出的命令做出响应。现场设备还可进一步分为从设备（slave device）及成组模式设备（burst-mode device）。第二种设备是基本主设备，它是与现场设备进行通信的主要设备。一个过程控制器单元是使用一个或多个基本主设备的例子。第三种设备是副主设备，它是链路的临时使用者。手持通信器便是一例。其他的HART通信方式，如租用电话线及射频，允许进行远距离通信，但需满足其他的特殊要求。
HART的通信物理层规范提供了建立和使用HART网络和设备的基本信息，这些信息用来提供HART设备间的互操作性，在各种条件下提供可接受的通信，减小与4～20mA信号之间的窜扰。（四）应用前景
HART通信的应用通常有三种方式，最普通的是用手持通信终端（HHT）与现场智能仪表进行通信。通常，HHT供仪表维护人员使用，不适合于工艺操作人员经常使用。HHT完全用手操作，无法自编程序对智能仪表进行自动操作，这种方式简单，但不够方便灵活。
为克服上述不足，市场上出现了一些带HART通信功能的控制室仪表，如Arocom公司的壁挂式仪表MID，它可与多台HART仪表进行通信并组态，实现罐区、加热炉等小规模控制系统。
第三种方式是与PC机或DCS操作站进行通信。这是一种功能丰富、使用灵活的方案，但它会涉及接口硬件和通信软件问题，特别是这种应用带有系统性质，以使它与整个系统成为有机的整体。在DCS上增加HART功能被认为是一种较勉强的方式，因为HART通信传输的信息大多为仪表维护及管理信息，挤占DCS的操作站不太合适。而在PC机上增加HART通信功能及相应软件构成的设备管理系统（EMS）则较受欢迎。
由于HART仪表与原4～20mA标准的仪表具有兼容性，HART仪表的开发与应用发展迅速，特别是在设备改造中受到欢迎。尽管HART通信被认为是一种过渡性的标准，但其发展之快令人注目。
HART协议与FF等协议相比，较为简单，而且由于速度慢及低功耗的要求，其数据链路层及应用层一般均由软件实现。物理层应用原有的Bell202调制解调器。这使得一些小型企业独立地开发一些专用HART设备成为可能。总线供电的HART仪表对低功耗的要求较为苛刻，要求其从总线吸取的电流不大于4mA，在供电电压为24V时其总功耗仅约100mW。因此，总线供电的HART仪表应用前景十分广阔。二、FF总线
FF总线是基金会现场总线的简称，前身是可操作系统协议ISP和世界工厂仪表协议WorldFIP标准。
FF总线是一种全数字的、串行的、双向传输的通信系统，是一种能连接现场各种传感器、控制器、执行单元的信号传输系统。FF总线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。FF采用了标准功能块和DDL设备描述技术，确保不同厂家的产品有良好的互换性和互操作性。为此，有人称FF总线是专门为过程控制设计的现场总线。12
在起初的FF协议标准中，FF分为低速H总线和高速H总线。低1速总线协议H主要用于过程自动化，其传输速率为31.25kbps，传输距离可达1900m，可采用中继器延长传输距离，并可支持总线供电，1支持本质安全防爆环境。H协议标准已于1996年发表，目前已经进2入实用阶段。高速总线协议H主要用于制造自动化，传输速率分为1Mbps和2.5Mbps两种，通信距离分别为750m和500m。但原来规划2的H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EtherNet的高速总线技术规范HSE。（一）基本功能
FF总线的核心功能是实现现场总线信号的数字通信。为了实现通信系统的开放性，其通信模型参考了IS0/OSI参考模型，并在此基础上根据自动化系统的特点进行演变后得到的，如图5-8所示。1
H总线的通信模型以IS0/OSI开放系统模型为基础，采用了物理层、数据链路层、应用层，并在其上增加了用户层，各厂家的产品在用户层的基础上实现。
HSE充分利用了低成本和成熟可用的以太网技术，以太网作为高速主干网，传输速率为100Mbps到1Gbps，或以更高的速度运行，主要用于复杂控制、子系统集成、数据服务器的组网等。HSE和Hl两个1l网络都符合IEC61158标准，HSE支持所有的H总线的功能，支持H设1备通过链接设备接口与基于以太网设备的连接。与链接设备连接的Hl设备之间可以进行点对点通信，一个链接上的H设备还可以直接与另1一个链接上的H设备通信，无需主机的干涉。此外，HSE现场设备支持标准的FOUNDATION功能模块，例如，AI，AO和PID以及一些新的、具体应用于离散控制和I/O子系统集成的“柔性功能模块”FFB。图5-8 FF通信模型
FF现场总线的网络拓扑比较灵活，如图5-9所示，通常包括点对点型拓扑、总线型拓扑、菊花链型拓扑、树型拓扑以及多种拓扑组合在一起构成的混合型结构。其中，总线型和树型拓扑在工程中使用较多。图5-9 基金会现场总线常见的网络拓扑
在总线型结构中，现场总线设备通过一段称为支线的电缆连接到总线段上，支线长度一般小于120m。它适应于现场设备物理分布比较分散、设备密度较低的应用场合，分支上现场设备的拆装对其他设备不会产生影响。
在树型结构中，现场总线上的设备都是被独立连接到公共的接线盒、端子、仪表板或I/O卡。它适应于现场设备局部比较集中的应用场合。树型结构还必须考虑支线的最大长度。（二）网络构成1
类似于OSI模型中的报文形成过程，H总线协议数据经过模型中1的每一层都会加上或去除附加的控制信息，图5-10表示出了H总线报文信息的整个形成过程，各层上传输的数据以八位字节为单位，括弧中数字表示字节数。如用户要将数据通过现场总线发往其他设备，首先在用户层形成用户数据，并把它们送往总线报文规范层处理，每帧最多可发送251个字节的用户数据信息；用户数据信息在FAS、FMS、DLL各层分别加上各层的协议控制信息，在数据链路层加上帧校验信息后，送往物理层将数据打包，在帧前、帧后分别加上起始和结束定界码，并在起始定界码之前再加上用于时钟同步的前导码。信息帧形成之后，还要通过物理层转换为符合规范的物理信号，在网络系统的管理控制下，发送到现场总线网段上。1图5-10 H总线协议数据的构成（三）FF总线协议
物理层用于实现现场物理设备与总线之间的连接，为现场设备与通信传输媒体的连接提供机械和电气接口，为现场设备对总线的发送或接收提供合乎规范的物理信号：接收来自数据链路层的信息，把它转换为物理信号，并传送到现场总线的传输媒体上，起到发送驱动器的作用；反之，把来自总线传输媒体的物理信号转换为信息送往数据链路层，起到接收器的作用。
FF现场总线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物理信号，该信号被称为“同步串行信号”，这是因为在串行数据流中包含了同步时钟信息。如图5-11所示，现场总线信号由数据与时钟信号混合形成。现场总线信号接收器把在一个时钟周期cT中间的正跳变作为逻辑“0”，负跳变作为逻辑“1”。图5-11 曼彻斯特编码三、PROFIBUS现场总线
PROFIBUS是在1987年由SIEMENS等13家企业和5家研究机构联合研制开发的开放式现场总线标准，共包括PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA三个兼容系列。1989年该协议被批准成为德国标准DINl9245（PROFIBUS-FMS/-DP），经应用完善后于1996年3月被欧洲电工委员会批准列为欧洲标准EN50170（PROFIBUS-FMS/-DP）。1998年PROFIBUS-PA批准纳入EN50170（PROFIBUS-FMS/-DP/-PA），1999年PROFIBUS成为国际标准IEC61158的组成部分。（一）技术特征
1．协议结构
PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以七层开放式系统互联网络作为参考模型的，各系列的协议结构如图5-12所示。图5-12 PROFIBUS协议结构
PROFIBUS-FMS定义了物理层、数据链路层和应用层用户接口，3～6层未加描述。FMS协议中的物理层提供了光纤和RS485两种传输技术，数据链路层完成总线的存取控制并保证数据的可靠性，应用层定义了低层接口LLl和现场总线信息规范FMS。
PROFIBUS-DP定义了物理层、数据链路层和用户接口，3～7层未加描述。DP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（光纤或RS485传输）和统一的总线控制协议（报文格式），直接数据链路映像DDLM为用户接口的数据链路层之间的信息交换提供了方便。
PROFIBUS-PA主要应用于过程控制领域，可以把测量变送器、阀门、执行机构用同一根总线连接起来。PROFIBUS-PA数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议，只是在上层增加了描述现场设备行为的PA行规。
PROFIBUS现场总线是世界上应用最广泛的现场总线技术之一，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他现场总线。PROFIBUS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变送器、执行器、传动装置和其他现场仪表及设备，对现场信号进行采集和监控，并且用一对双绞线替代了传统的大量的传输电缆，大大节省了电缆的费用，也相应节省了施工调试以及系统投运后的维护时间和费用。
2．数据传输技术
现场总线系统的应用在很大程度上取决于选择哪种传输技术。除了传输可靠性、传输速率、传输距离等通用的要求以外，考虑一些使用的灵活性及其他一些机电因素也十分重要。例如，当应用于过程自动化时，特别是涉及本质安全防爆的应用场合，数据和电源在同一根总线上传输就很有必要。由于单一的传输技术不可能满足所有要求，因此PROFIBUS提供了RS-485传输、IEC61158—2传输和光纤传输三种类型。
1）RS-485传输技术
RS-485传输用于PROFIBUS-DP/-FMS，总线电缆在EN50170标准中规定为A型双绞铜芯电缆，其最大允许的长度与数据传输速率是直接相关的。RS-485传输技术的基本特征、A型导线的特性参数以及传输速率与总线长度的关系分别见表5-1、表5-2、表5-3。表5-1 RS-485传输的基本特征表5-2 A型导线的特性参数表5-3 传输速率与总线长度的关系
若使用EN50170标准规定的A型电缆，需要在总线的两个终端匹配终端电阻，以保证总线的空载状态电位。总线终端电阻如图5-13所示。图5-13 A型导线的终端电阻
按照EN50170标准，PROFIBUS的总线连接器是九针SUB D型插p头，每个站点必须保证提供V（＋5V）和GND到针脚5和6，这样总线可以用终端电阻终止。图5-14为有进入和引出数据线，并集成终端电阻的九针连接器示意图。图5-14 总线连接器的结构示意图
在一个PROFIBUS系统中最大可连接126个站，总线系统分为若干个段，每个分段最多可以连接32个站（主站和从站），每段的头尾都需要一个永久有源的总线连接器，标准的总线连接器用一个开关来控制终端电阻。如果总线上超过32个站点，各个总线分支段之间用中继器（线路放大器）连接，中继器也计数为其中的一个站点。作为被动的总线站，中继器的作用是保证能明确识别与之连接站点之间所交换的数据。如果PROFIBUS总线要覆盖更长的距离，中间可建立连接段，如图5-15所示。连接段内不挂接任何站点，一般情况下，建议使用的中继器不超过三个。图5-15 总线的连接
为了在高电磁辐射环境下获得良好的抗干扰性能，可以使用带屏蔽的数据传输电缆。屏蔽电缆两端的屏蔽编织线或屏蔽箔必须与保护接地线连接，并通过尽可能大面积的屏蔽接线来覆盖。此外，在线缆的敷设过程中建议把数据线和高压线隔离。
2）IEC61158—2传输技术
数据IEC61158—2的传输技术用于PROFIBUS-PA，是一种位同步协议，它可保持其本质安全性，并通过总线对现场设备供电，每段只有一个电源作为供电装置，当站收发信息时，不向总线供电，每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。现场设备的作用如同无源的电流吸收装置。图5-16为PROFIBUS-DP与PA的连接图。基于IEC61158—2传输技术总线段与基于RS-485传输技术总线段可以通过耦合装置相连，耦合器使RS-485信号和IEC 61158—2信号相适配。图5-16 DP/PA的连接
连接到一个端的站点数量最多限于32个。如果使用本质安全型总线供电方式，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-PA总线段的设计应遵循的原则：根据现场仪表的型号和数量初步计算所需要的电流；根据现场的防爆要求和电源装置的功率要求选择合适的电源装置；根据现场对总线长度的要求确定电缆类型。
3）光纤传输技术
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RS-485信号和光纤导体信号的相互转换，价格低廉的塑料纤维导体适用于50m以内的信号传输，玻璃纤维导体供距离小于1km情况下的使用。为此，用户可以十分方便地在PROFIBUS系统同时使用RS-485传输技术和光纤传输技术。（二）PROFIBUS-DP
PROFIBUS-DP主要应用于现场设备级的高速数据传输。PROFIBUS-DP除了安装简单之外，它具有很高的传输速率、多种网络拓扑结构（总线型、星型、环型等）以及可选的光纤双环冗余。在这一级，中央控制器（主站）通过高速串行线同分散的现场设备（从站）进行通信。主站与分散的从站进行数据交换采用循环通信方式，循环通信功能由PROFIBUS-DP的基本功能所规定。对智能化现场设备进行的组态、诊断和报警则采用非循环的通信方式，这些非循环的通信功能由PROFIBUS-DP的扩展功能所规定。
1．基本DP功能
主站循环地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息，总线循环时间必须要比中央控制器的程序循环时间为短，在很多应用场合，程序循环时间约为10ms。PROFIBUS-DP主要的基本功能见表5-4。表5-4 PROFIBUS-DP主要的基本功能
2．设备类型
PROFIBUS具体说明了串行现场总线的技术和功能特性，它可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络化。该系统分为主站和从站，主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权（令牌）时，不用外界请求就可以主动发送信息。
PROFIBUS可支持单主站系统（图5-17），也支持多主站系统（图5-18）。单主站系统在总线系统的运行阶段，只有一个活动的一类DP主站，它可以获得最短的总线循环时间。多主站系统的总线上连有多个主站，各主站与各自从站构成相互独立的子系统，每个子系统包括DPMl、若干从站及可能的DPM2设备。任何一个主站均可读取DP从站的输入、输出映像，但同时只有一个主站允许对从站写入数据。
3．扩展DP功能
DP扩展功能是对DP基本功能的补充，它与DP基本功能兼容。图5-17 单主站系统图5-18 多主站系统
1）DPMl与DP从站间扩展的数据通信
在这种数据通信的服务顺序中，DPMl与DP从站间先建立连接，该连接称为MSAC-C1，它与主、从站之间的循环数据传输紧密连接在一起。当连接成功建立以后，DPMl就可以通过MSCY-Cl连接来执行循环数据传输，也可以通过MSAC-Cl连接来执行非循环数据传输。
2）DPM2与从站间的非循环的数据传输
DP扩展功能允许一个或几个诊断或操作员控制设备（DPM2）对DP从站的任何数据块进行非循环读、写服务。这也是一种面向连接的通信功能，称为MSAC-C2。新的DDLM-Initiate服务用于在用户数据传输开始之前建立连接，从站确认应答DDLM-Initiate，res确认连接成功。连接成功以后，在通过DDLM读、写服务的过程中，允许任何长度的间歇。如果连接监视器监测到故障，将自动终止主站和从站的连接。
4．PROFIBUS-DP行规
PROFIBUS-DP协议明确规定了用户数据怎样在总线各站之间传递，但与应用有关的用户数据的含义是在PROFIBUS行规中具体说明的。另外，行规还具体规定了PROFIBUS-DP如何用于应用领域。使用行规可使用户享受互换不同厂商生产设备的利益，互换使用不同厂商所生产的不同设备，而用户无须关心两者之间的差异。（三）PROFIBUS-PA
PROFIBUS-PA是专为过程自动化而设计的，它是在保持PROFIBUS-DP通信协议的条件下，增加了对现场仪表实现总线供电的IECll58-2的传输技术，使PROFIBUS也可以应用于本质安全领域，同时也保证PROFIBUS-DP总线系统的通用性。图5-19（a）和图5-19（b）分别表示在常规计算机控制系统和PROFIBUS-PA总线系统中现场仪表与主控系统的连接示意图。
在常规系统中，现场仪表与主控系统的I/O模块之间采用一对一的连接方式。PA总线可以延伸到控制现场，使用PA只需要一根与IEC61158—2技术相同的数据传输电缆就可以完成所有现场仪表的信息传送，还可以通过传输电缆在传送信息的同时向现场设备直接供电。总线上的电源来自单一的供电装置，现场仪表与控制室之间无需附加隔离装置，即使在本质安全地区也如此。由于PROFIBUS-PA的开发是专门针对过程控制领域进行的，为此PA总线还具有以下重要特征：PA描述了适合过程自动化应用的各种行规，这些行规使不同厂家生产的现场设备具有互换性；PA允许设备在操作过程中进行维修，增加或去除总线站点，即使在本质安全地区也不会影响到其他站点。图5-19 现场仪表与主控系统的连接
1．PROFIBUS-PA传输协议
PROFIBUSPA采用PROFIBUS-DP的基本功能来传送测量值和状态，用PROFIBUS-DP的扩展功能来进行现场设备的参数化和操作。PROFIBUS-PA第一层采用IEC61158—2技术，第二层总线存取协议和第一层之间的接口在DINl9245系列标准的第四部分做了规定。
2．PA/DP的连接
PA/DP总线段之间通过连接器或耦合器连接，以实现两个不同总线的透明通信，在本质安全地区可使用防爆型PA/DP耦合器或PA/DP连接器，如图5-20所示。图5-20 PA/DP的连接示意图
1）PA/DP耦合器
PA/DP耦合器的作用是把传输速率为31.25kbps的PA总线和传输速率为45.45kbps的DP总线连接起来，PA总线还可以为现场仪表提供电源。PA/DP耦合器分为两类：本质安全型（Ex型）和非本质安全型（非Ex型）。通过Ex型耦合器连接的PA总线最大的输出电流是100mA，它可以为10台现场仪表提供电源；通过非Ex型耦合器连接的PA总线最大的输出电流是400mA，最多可为31台现场仪表提供电源。
2）PA/DP连接器
PA/DP连接器最多由五个Ex型或非Ex型PA/DP耦合器组成，它们通过一块主板作为一个工作站连接到PROFIBUS-DP总线上。通过一个PA/DP连接器允许连接不超过30台现场仪表，这个限制与所使用的耦合器类型无关。PA/DP连接器的上位总线（DP）的最大传输速率是l2Mbps，下位总线（PA）的传输速率是31.25kbps，因此，PA/DP连接器主要应用于对总线循环时间要求高和设备连接数量大的场合。
3）PROFIBUS-PA行规
PROFIBU＆PA行规保证了不同厂商所生产的现场设备的互换性和互操作性，它是PROFIBUS-PA的一个组成部分。PA行规的任务是选用各种类型现场设备真正需要通信的功能，并提供这些设备功能和设备行为的一切必要规格。目前，PA行规已对所有通用的测量变送器和其他选择的一些设备类型做了具体规定，例如，压力、液位、温度和流量的变送器，数字量输入和输出，模拟量输入和输出，阀门，定位器等。图5-21所示为一类现场仪表的行规示例。图5-21 PA仪表行规示意图
一台现场仪表中的行规参数可分为三组：过程参数（指测量值或输出阀位及有关状态）；工作参数（包括量程、滤波时间、报警、报告、报警与警告权限等）；生产厂特定参数（如专用诊断信息等，它们多用于仪表的诊断和维护）。各个主站系统可以通过PROFIBUS-PA从所有现场仪表中读、写已在PA行规中定义的仪表功能参数，从而影响已在PA行规中定义的仪表功能，这也就体现了可互操作的特点。如果使用PA行规中定义的功能，在更换现场仪表后能够保持性能不变。现场仪表具有互换性。（四）PROFIBUS-FMS
PROFIBUS-FMS主要用来解决车间级通用性通信任务，因此，更大量的数据传送功能和各种高级功能比通信的实时性更为重要。
1．PROFIBUS-FMS应用层
PROFIBUS-FMS应用层向用户提供了包括访问变量、程序传递、事件控制等通信服务，它由现场总线信息规范FMS（描述了通信对象，向用户提供广泛选用的强有力的通信服务）和低层接口LLI（协调不同的通信关系并向FMS提供不依赖设备访问的数据链路层）两部分构成。
2．PROFIBUS-FMS服务
FMS服务项目是ISO9506制造信息规范MMS服务项目的子集。应用层到数据链路层映射由LLI来解决，其主要任务包括数据流控制和连接监视。用户通过称之为通信关系的逻辑通道与其他应用过程进行通信。FMS设备的全部通信关系都列入通信关系表CRL，CRL中包含了通信索引和数据链路层及LLl地址间的关系。
面向连接的通信关系表示两个应用过程之间的点对点逻辑连接，面向连接的确认服务的执行顺序如图5-22所示。在传送数据之前，首先必须用“初始化服务”建立连接。建立成功后，连接受到保护，防止第三者非授权的存取并传送数据。如果该建立的连接已不再需要了，则可用“退出服务”来中断连接。对面向连接的通信关系，LLI允许时间控制的连接监视。图5-22 FMS确认服务
非连接的通信关系允许一台设备使用非确认服务的同时与好几个站进行通信。在广播通信关系中，FMS非确认服务可同时发送到其他所有站。在有选择的广播通信关系中，FMS非确认服务可同时发送给预选定的站组。
3．PROFlBUS-FMS行规
FMS提供了范围广泛的功能来保证它的普遍应用，具体的应用领域在FMS行规中规定。FMS对行规做了以下一些规定（括号中的数字是文件编号）：（1）控制间的通信（3.002），定义了用于可编程控制器（PLC）之间通信的FMS服务。（2）楼宇自动化（3.011），该行规对楼宇自动化系统使用FMS进行监视、闭环和开环控制、操作控制、报警处理及系统档案管理做了描述。（3）低压开关设备（3.032），具体说明了通过FMS在通信过程中低压开关设备的应用行为。第四节 现场总线仪表
现场总线仪表无论从结构、通信方式上，还是与总线控制系统的关系上，都存在着较强的相似性，本节中，主要以温度现场仪表为例，并简要介绍其他现场总线仪表的基本功能、结构形式和通信方式。一、温度测量仪表
典型的现场总线温度变送器有罗斯蒙特（Rosemount）公司的3244型变送器，它采用FF现场总线通信方式，支持FF通信协议和HART通信协议。采用了专用集成电路的数字技术，确保了精度最高、信号完整。内置微处理器采用单一电路即可接收RTD、RTD温差、热电偶、电阻及微电压输入。另外，还应用了固态电子技术，每台变送器环境温度特性化，从而保证了在较宽的工作温度范围内精度最高、温漂最小。（一）基本功能（1）变送器可以接收任意两种类型传感器的组合（RTD和／或热电偶），而且两个传感器均以数字信号输出。（2）除直流4-20mA模拟信号外，可以同时输出四个数字信号：传感器1、传感器2、温差及端子温度。（3）可以使用HART通信器Fisher-Rosemount控制系统或其他支持HART通信协议的主机对变送器进行远程测试和组态。2（4）具有存储功能，组态数据存储在EPROM中。当电源中断时，数据驻留在变送器中，再次通电后，变送器可以立即运行。（5）具有较强的自诊断功能，用户可以在线测试，整个回路系统的完整性在几秒钟内即可完成。（二）参数性能
测量温度参数的现场总线变送器符合FF现场总线通信协议，双向通信，多站挂接，有功能块应用进程并可与其他总线设备构成用户应用。温度变送器技术性能如下：（1）输入信号：三个输入通道，分别对应差压、压力和温度参数。（2）输出信号：FF低速总线（31.25kbps）、电压方式、二线制。（3）供电电源：总线供电，9～32VDC，静态电流消耗小于15mA；输出阻抗，本安应用不小于400Ω（频率范围7.8～39kHz），非本安应用不小于3000Ω（频率范围7.8～39kHz）。（三）仪表结构
温度变送器由通信圆卡和仪表卡两部分组成，各部分含各自的软件和硬件，如图5-23所示。图5-23 温度变送器总体结构
其中仪表卡（图5-23中A部分）负责采集现场信号，进行信号处理，将处理完毕的信息传送到圆卡，并提供必要的人机接口；圆卡（图5-23中B部分）包括通信控制器、通信栈软件及通信接口，主要提供总线接口、总线通信以及功能块应用的处理能力。
1．仪表卡结构和功能
根据对输入信号的测量精度要求，选择合适的敏感元件，并设计必要的信号调理电路。同时，还要为敏感元件选择合适的激励源，以实现低功耗和高精度测量。仪表卡基本结构如图5-24所示。图5-24 仪表卡基本结构
仪表卡完成仪表的测量、计算、显示等功能，是仪表的本体部分。对温度信号进行采集，在8位单片机内进行非线性校正、工程量计算后，把数据送到圆卡，进行通信。
2．圆卡结构和功能
圆卡是现场总线仪表内的通信控制部件，通过它，仪表可以与符合FFHI标准的网络连接，根据需要将数据以约定的格式发送出去，也能调用控制功能模块，完成一定的控制任务。另外，通信圆卡接收外来信息，如参数设定、报警值设定等。圆卡硬件结构如图5-25所示。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]