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1、现场总线技术,王鑫国,2,联系方式,邮箱：手机：13951640475 办公室：机电学科楼D312,3,参考书,教材：李正军，现场总线及其应用技术，机械工业出版社，2005阳宪惠，现场总线技术及其应用（第2版），清华大学出版社，2008,4,课程要求及考核方式,课程性质：专业选修课课时：24学时成绩评定方式：平时30%+考试70%,5,教学内容及学时分配（江浦）,第1章 现场总线概述（2学时）第3章 串行通信接口技术（1学时）第4章 CAN总线（5学时）第5章 LonWorks现场总线（6学时）第6章 PROFIBUS现场总线（5学时）第7章 基金会现场总线FF（3学时）实验（2学时）,6,教
2、学内容及学时分配（浦江）,第1章 现场总线概述（2学时）第3章 串行通信接口技术（1学时）第4章 CAN总线（5学时）第5章 LonWorks现场总线（6学时）第6章 PROFIBUS现场总线（4学时）第7章 基金会现场总线FF（2学时）实验（4学时）,7,第1章 现场总线概述,1.1 现场总线的现状与发展1.2 基于现场总线的企业网络信息集成系统1.3 现场总线简介,8,1.1 现场总线的现状与发展,现场总线的基本概念现场总线的产生现场总线的本质现场总线的特点和优点现场总线标准的制定现场总线的现状现场总线网络的实现现场总线的发展趋势,9,现场总线的基本概念,什么是现场总线技术？现场总线是用于
3、现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多站的通信网络。IEC规范中对现场总线的描述：现场总线是一种应用于生产现场，在现场控制设备之间、现场设备与监控装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。现场总线的先进性和重要性是当今自动化领域发展的热点之一不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布式的控制系统,10,什么是现场总线控制系统？由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点而形成的网络以现场总线作为通信连接的纽带完成测量控制任务的网络系统、控制系统,11,现场总线控制系统,12,控制系统的五个发展阶段（1）初级控制系统 时
4、间：20世纪50年代以前；特点：所用的设备主要是安装在生产现场、具有简单测控功能的基地式仪表。此阶段的控制系统均简单。（2）模拟仪表控制系统 时间：60年代至70年代后期；特点：以电子管、晶体管、集成电路为核心的气动和电动单元组合式仪表两大系列，它们分别以压缩空气和直流电源作为动力，在仪表内部实行电压并联传输，外部实行电流串联传输（采用4-20mA的模拟信号标准），以减小传输过程的干扰。,1.1.1 现场总线的产生,13,基于调节器的单回路自动控制,14,（3）集中式数字控制系统（DDC）时间：80年代初；特点：用数字计算机代替控制室内的仪表来完成控制系统功能。（4）集散控制系统（DCS）组成
5、：由现场控制站、以及多台计算机构成；在DCS系统中，测量仪表、变送器一般为模拟仪表，控制器为数字式，因而它又是一种模拟数字混合系统。各厂家的产品互换与互操作有一定的局限性。,15,变送器,DCS,调节阀,DCS传统控制方式,16,基于DCS的自动控制系统,17,（5）现场总线控制系统（FCS）特点：把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，通过现场总线控制系统把DCS的集散系统结构变成了新型全分布式系统结构，把控制功能彻底下放到现场，是继DCS后的又一代控制系统。,18,现场总线设备,19,FCS与DCS的比较,FCS,DCS,I/O CPU.,FCS控制在现场中完成,DC
6、S控制在控制站中完成,FCS,DCS,20,FCS是网络化、全分布式控制系统,21,不同类型控制系统的结构比较,22,现场总线的产生背景,传统的DCS结构缺欠，需要一种新型系统体系结构；智能变送器等智能现场设备发展的必然结果；CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)综合自动化发展的迫切需要。将是继DCS后的又一代控制系统,23,1.1.2 现场总线的本质,现场通信网络现场设备互联互操作性分散功能块通信线供电开放式互连网络,24,1.1.3 现场总线的特点和优点,DCS：一对一的物理连接FCS：总线连接FCS简化了系统结构、节约硬件设备、节约连
7、接电缆与各种安装、维护费用创造了条件FCS与DCS结构比较,现场总线的结构特点,25,26,表1-1 FCS与DCS的详细对比 系统结构可靠性失控状态互换性仪表功能控制方式,27,现场总线的技术特点,系统的开放性通信协议公开互操作性与互换性 现场设备的智能性与功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的适应性,28,现场总线的优点,节省硬件数量与投资节省安装费用节省维护开销用户具有高度的系统集成主动权提高了系统的准确性和可靠性,29,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,FCS,下装,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,DCS,DCS,Classic I/O,Digital Busses,
8、Foxboro,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,下装,DCS,FCS,DCS,FCS,DCS,DCS现场控制机柜,Foxboro,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,下装,DCS,FCS,DCS,FCS,DCS,256 I/O,DCS控制机柜接线端子,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,下装,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,DCS,DCS,256 I/O,256 I/O,机柜内部对比,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,下装,DCS,FCS,DCS,FCS,DCS,256 I/O,256 I/O,DCS现场布线,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,下装,DCS,
9、FCS,DCS,FCS,DCS,FCS现场布线,35,现场总线系统的劣势,在现场总线系统中，网络成为控制系统不可缺少的组成部分之一。网络通信中数据包的传输延迟、通信系统的瞬时错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等，都会破坏传统控制系统原本具有的确定性。如何使控制网络满足控制系统对通信实时性、确定性的要求，是现场总线系统在设计和运行中应该关注的重要问题。,36,现场总线的适用场合,现场设备与主控制器之间的通讯距离长现场被控设备高度分散系统对底层设备有信息集成要求系统对底层设备有较高的远程诊断、故障报警及参数化要求对现场环境适应性要求高,37,1.1.4 现场总线标准的制定,IEC的现场总线标
10、准用于工业控制系统的IEC61158现场总线标准 用于低压开关设备与控制设备、控制器与电气设备接口的IEC62026标准ISO的现场总线标准用于道路车辆数字信息交换的现场总线标准ISO11898,38,IEC61158采用以下8种现场总线：类型1：IEC61158技术报告(即低速FF H1)类型2：ControlNet(美国Rockwell 公司)类型3：PROFIBUS(德国Siemens公司)类型4：P-Net(丹麦Process Data公司)类型5：FF HSE(高速FF,美国Fisher-Rosemount公司)类型6：Swift Net(美国波音Boeing)类型7：World F
11、IP(法国Alstom公司)类型8：Interbus(德国Phoenix Contact公司),IEC61158标准,39,IEC62026标准,IEC62026-(IEC17B Committee),2000年1月 IEC62026 1 一般要求 IEC62026 2 AS-i(Siemens)IEC62026 3 DeviceNet(Rockwell,Omron)IEC62026 4 Lontalk IEC62026 5 SDS(Honeywell)IEC62026 6 SMCB IEC62026 7 Interbus,转入IEC61158*,40,ISO 11898标准,国际标准化组织为
12、现场总线制定的标准是TC22，其中影响最大的为ISO 11898.1993，即道路车辆数字信息交换高速通信的控制器局域网络（CAN）。ISO 11898对CAN只规定了模型的第1、2层，即物理层和数据链路层。应用层的协议可以由不同用户、企业、组织定义，比如DeviceNet就部分沿用了CAN的物理层和数据链路层，自己增加了对应用层的规定。,41,1.1.5 现场总线的现状,1、多种总线共存2、各种总线各有其应用领域3、每种总线各有其国际组织4、每种总线均有其支持背景5、设备制造商参加多个总线组织6、多种总线均作为国家和地区标准7、协调共存8、工业以太网引入工业领域,42,1.1.6 现场总线网
13、络的实现,现场总线的基础是数字通信，通信必须有协议现场总线=硬件接口+通信协议大多支持OSI的1、2、7层，有的增加第8层用户层1、物理层2、数据链路层分为两个子层：MAC、LLC；MAC有三种协议：轮询协议、令牌总线协议、总线仲裁协议3、应用层（为用户应用提供接口）4、用户层（提供功能模块）,43,1.1.7 现场总线技术的发展趋势,发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为关注的焦点自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进几大总线标准共存具有发展前景的现场总线技术有：,44,基于现场总线的智能化仪表的研制基于现场总线的网络设备的软、硬件研制 组态技术的研究，包括网络拓朴结构、网络设备
14、配置、不同网段互联等技术 网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输 基于现场总线技术的全开放控制系统的集成技术,45,1.2 企业网络信息集成系统,1.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构,现场总线是底层控制网络现场总线需要与上层信息系统交换数据企业网络信息集成系统应具有3层结构：PCSMESERP,46,典型的企业网络结构图,47,企业网络信息集成系统的层次结构图,48,1、过程控制层采用现场总线将最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互联常见的现场总线网络拓扑结构：环形网 总线网 树形网 令牌总线网,49,2、制造执行层从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋
15、势分析等功能。关键技术是以太网与底层现场设备网络间的接口还为先进控制和远程操作优化提供支撑环境。3、企业资源规划层将监控层的数据库中的信息转入上层的关系数据库中，对数据进行进一步分析和整理，实现管控一体化,50,4、现场总线与局域网的区别应用场合不同（工业现场-通信与办公）具有各自的技术特点（实时性安全性可靠性-大批量数据传输与处理）两种网络将具有越来越紧密的联系（需求互补，两者之间需要信息交换）,51,1.2.3 现场总线与上层网络的互联,现场总线需要同上层与外界实现信息交换。现场总线与上层网络的连接方式有三种：采用专用网关完成不同通信协议的转换。将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC机的P
16、CI插槽内，在PC机内完成数据交换。将WEB服务器直接置入PLC或现场控制设备内，借助WEB服务器和通用浏览工具，实现数据信息的动态交互。,52,通过网关连接控制网段与上层网络,53,采用PCI卡连接控制网段与上层网络,54,1.2.4 现场总线网络集成应考虑的因素,控制网络的特点标准支持网络结构网络性能测控系统应用考虑,55,1.3 现场总线简介,国际上存在几十种现场总线标准比较流行的主要有：FF、CAN、DeviceNet、LonWorks、PROFIBUS、HART、INTERBUS、CC-Link、ControlNet、WorldFIP、P-Net、SwiftNet等现场总线。,56,
17、1.3.1基金会现场总线(Foundation Fieldus,FF)1994年,由ISP和WorldFIP两大集团合并成立现场总线基金会采用OSI/ISO物理层,数据链路层和应用层,增加了用户层有低速H1（31.25kb/s，1900m）与高速H2（1Mbps,2.5Mpbs，750m，500m）之分,H2逐渐被HSE(100Mb/s,甚至更高)取代支持双绞线、同轴电缆、光缆和无线发射等传输介质应用领域以过程自动化为主,比如化工,石油,污水处理,57,FF总线的网络结构,FF现场总线的典型应用,59,1.3.2 控制器局域网(Controller Area Network,CAN)由德国 B
18、osch公司开发,起初专为汽车工业设计.遵循ISO/OSI模型,采用了物理层和数据链路层,应用层协议允许用户自行开发.采用短帧结构,最可靠通讯速率最高1Mb/s,最远通讯距离可达10km成为ISO国际标准.芯片由摩托罗拉,Intel等公司生产,价格低廉,用量最大,汽车内部网络 CAN总线,61,1.3.3 DeviceNet由Rockwell公司于1994年推出基于CAN总线技术,低成本,高可靠性采用物理层,数据链路层和应用层价格低，效率高，特别适合制造业、工业控制、电力系统等行业的自动化,62,以PLC为主站的DeviceNet网段,63,1.3.4 LonWorks由美国Echelon公司
19、推出,摩托罗拉、东芝支持倡导.组成LonMARK互操作协会采用OSI模型全部7层通讯协议通讯速率从300b/s到1.5Mb/s,通讯距离可达2700m采用总线型、树型支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线、电力线、无线发射等传输介质LonTalk协议固化在Neuron芯片中，每片芯片带3个8位微处理器最大的应用领域在楼宇自动化，在工业控制领域如石油，铁路也有应用,64,LonWorks总线的网络结构,65,1.3.5 Profibus由西门子为主的十几家公司共同推出共有3种版本Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification）Profibus-PA（Proce
20、ss Automation）Profibus-DP（Decentralised Peripherals）Prefabs-DP用于现场控制器与分散I/O之间的数据通信；Profibus-FMS用来解决车间级通信任务；Profibus PA用于过程自动化,可连现场变送器、执行器。,66,传输速率为9.6kbps-12Mbps,传输距离为100m-1.2km采用总线型、树型、星型支持双绞线和光纤Profibus采取主站之间的令牌传递方式和主从之间的主、从通信方式。Profibus-DP允许构成单主站或多主站系统。主要应用于制造自动化和过程控制自动化,电力,铁路交通,67,Profibus总线的网络结
21、构,68,基于Profibus总线控制系统应用实例:,整套装置100万，可节省安装费用50%以上,69,1.3.6 HARTHART的英文含义HART总线采用基于Bell 202 通信标准的 FSK技术，在420mA的模拟信号上叠加了一个频率信号,因此能同时传送模拟和数字信号而不相互干扰能实现总线供电和本质安全防爆 用于过程控制,70,HART总线的网络结构,71,1.3.7 Interbus(International Bus)1984年由德国Phoenix公司开发,后成立Interbus组织(Interbus Club)采用OSI/ISO物理层,数据链路层和应用层物理层采用RS485串行通
22、信标准集中式主从方案，环型拓扑，传输速率为500KbpsInterbus是一种传感器级的现场总线，令牌网，经济性是它的一大特点。Interbus的应用主要在汽车制造,机械制造,水处理,隧道交通,食品,轻工,烟草,印刷等行业。,72,1.3.8 CC-Link1996年三菱电机公司主导唯一起源于亚洲的总线系统广泛用于三菱PLC,73,1.3.9 ControlNet1997年由美国Rockwell Automation推出的面向控制层的实时性现场总线网络通讯速率5Mb/s,通讯距离30km采用物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层支持总线型,树型和星型应用于交通运输,汽车制造,冶金,矿山,电
23、力,食品等领域,74,1.3.10 WorldFIP(World Factory Instrumentation Protocol)WorldFIP其最初由法国于80年代开发，并成为法国国家标准和欧洲标准WorldFIP产品在法国的市场占有率大约60%，在欧洲市场大约占25%主要应用在发电与输配电、制造自动化、铁路运输、地铁等自动化领域,75,1.3.11 P-Net(Process automation Net)1984年由丹麦Process data A/s公司提出,采用OSI/的物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层采用屏蔽双绞线,数据传输速率为76.8kbps,传输距离1.2km多
24、主控制器,主从式总线,每段最多可容纳32个主控制器，总线访问通过虚拟令牌在主站直接循环传递应用主要集中农业,水产,饲养,林业,食品等行业,76,1.3.12 SwiftNet美国波音公司支持主要用于航空和航天等领域结构简单、实时性高只有物理层和数据链路层,77,1.3.13 AS-i(Actuator Sensor Interface)AS-i由德国11家传感器/执行器制造商针对机床控制中的二进制开/关设备联合开发,成立ASI国际协会.AS-i系纯粹的主从系统，支持最多31个从节点，每个节点带4位数据，整个网络共有124个可寻址输入/输出。总线供电，采用黄色的非屏蔽、非绞的双线传输数据和电源。
25、AS-i可通过具网关功能的主设备（PLC或PC）连接至高一级总线系统，特别适用于作为小型PLC的通讯总线。,78,AS-i的网络构成,由作为传输介质的总线将主节点、从节点、电源、电源耦合器连接起来，形成ASI网段主节点还负责网络初始化，对从节点的地址设置、地址识别，参数设置等。并具有出错校验功能，发现传输错误会重发报文,79,AS-i在西门子系统中的应用,80,1.3.14 RS-485只定义物理层，不是真正意义上的现场总线，但部分现场总线以它为基础，如Profibus-DP。RS-485的应用非常广泛，第3章中将会重点介绍该内容。,81,现场总线的选用原则（补充）,上述几种现场总线均可构成现
26、场控制系统,但只有 FF-H1、Profibus-PA、HART 三种总线可用于过程控制(要求总线供电和本安防爆)。能用现场仪表(变送器、执行器)构成现场控制回路的只有FF-H1总线,因其功能模块具有变送、调节、计算、报警、故障诊断等功能。,82,从性能和成本综合考虑：规模较小的普通测量控制系统选用HART总线。要求由现场仪表实现就地控制则选用FF总线。如生产及控制设备来自欧洲可选用Profibus总线,如生产及控制设备来自美国或日本,选用FF总线。(Profibus更适合离散控制),83,本章思考题,一、传统DCS与FCS在现场布线方面有什么区别？二、什么是完整的现场总线定义？三、现场总线有哪些特点？四、现场总线有哪些优点？五、现场总线控制网络与普通计算机网络的主要区别？六、IEC制定的国际现场总线标准主要包括哪些现场总线？,84,
