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1、第一章 现场总线概述,1 什么是现场总线2 工业控制系统的发展3 现场总线的定义3.1 现场总线的本质3.2 现场总线和一般通信网络的区别4 多种总线协议共存4.1 现场总线的现状4.2 总线标准的制定4.3 几种主流的总线标准介绍5 现场总线控制系统（FCS）和分布式控制系统的区别（DCS）6工业以太网的发展,1 现场总线,现场总线就是用于现场智能化装置与控制室自动化系统之间的一个标准化的数字式通信链路，可进行全数字化、双向、总线式的信息数字通信，实现相互操作以及数据共享。,2 工业控制系统的发展,最早的工业控制是依靠操作人员的五官感觉进行直接控制的。出现了可以显示设备工作状态的显示仪表，但
2、其信号一般不能输出给其他仪表或设备，即各测控点是孤立的，无法与外界沟通，需要操作人员进行巡视，才能了解生产过程的状况。,2 工业控制系统的发展,当生产规模扩大后，操作人员需要根据多个点的运行参数以及分析后进行控制操作。于是需要把现场各处的仪表信号参数通过通信管线送往一个集中控制室。操作人员还可以通过发送模拟信号去调控设备，集中控制系统逐步形成。,2 工业控制系统的发展,早期的自动控制系统是基于模拟信号，它需要一对一的物理连线，而且信号抗干扰能力低，系统计算速度和精度低。当数字信号和数字控制技术的出现，出现了集中式数字控制系统。随着计算机可靠性的提高，出现了数字调节器、可编程控制器以及由多个计算
3、机递阶构成的集散控制系统。,2 工业控制系统的发展,“集中控制”存在易失控，可靠性低的缺点，针对于此，人们将其发展为分布式控制系统（Distributed Control System,DCS）微处理器的普遍应用及计算机可靠性的提高，使分布式系统得到广泛的应用，由多台计算机和一些智能仪表及其智能部件实现的分布控制是其主要特征，而数字传输信号也在逐步取代模拟信号。,2 工业控制系统的发展,随着微处理器的快速发展和广泛应用，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，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，可靠性、可维护性
4、等都有更高的要求，由此导致了现场总线的产生。,3 现场总线定义,国际电工委员会（International Electrotechnical Commission,IEC）的定义:现场总线是一种应用于现场,在现场设备之间、在现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信技术。,3总线的其他定义,用于现场仪表与控制主机系统之间的一种开放的、全数字化的、双向、多站的通信系统；广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置进行双向数字通信的串行总线系统；基于智能化仪表及现场总线的控制系统FCS；,3.1 现场总线的本质,1 现场通信网络用于过程及其制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通讯网络2 现场
5、设备互联根据不同的要求选择相应的传输介质3互操作性不同品牌的设备可以统一组态，构成所需的通讯网络,3.1 现场总线的本质,4 分散功能块智能仪表具有一定的控制能力5 通信线供电能直接从通讯线上获取能量6 开放式互联网络可以与其他网络互联，实现数据共享。,3.2 现场总线和一般通信网络的区别,自动化控制的现场范围可以从一台电气设备到整个车间甚至是整个工厂。受控设备和网络的环境可能很复杂，对信号的干扰往往是多个方面的，而要求的控制对实时性的要求较强。这决定了现场总线有别有一般的通信网络。,4 多种总线协议共存,4.1 现场总线的现状4.2 总线标准的制定4.3 几种主流的总线标准介绍4.4 Dev
6、iceNet、ControlNet 和EtherNet/IP 的比较,4.1 现场总线的现状,（1）多种总线共存（2）每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）工业以太网引入工业领域,4.2 总线标准的制定,一、制订标准的机构二、制订现场总线标准的机构三、制订现场总线的程序和阶段四、有关投票表决的规定五、制订国际标准的历程六、现有的现场总线国际标准七、产生多标准的原因八.多种现场总线标准并存带来的问题,一、制订标准的机构,(一)世界上国际标准化组织ISO(International St
7、andard Organization)国际电工委员会IEC(International Electrotechnical Commission)及国际电信联盟ITU（International Telegraphy Union）欧洲电工标准化委员会CENELEC（欧洲标准EN）(二)国内制订国家标准GB的组织是全国标准化委员会,二、制订现场总线标准的机构,(一)IEC/TC65/SC65C/WG6(1)IEC/TC65是国际电工委员会第65分技术委员会，它成立于1969年。其工作任务是制订有关连续和批量过程的工业过程测量和系统的元件的标准，协调影响测量和控制系统匹配的相关元件特性的标准化工作
8、。,(2)SC65C是IEC/TC65下的分委员会(SC是SubCommittee的缩写，而SC65C是SC65下边的一个组织)，负责测量和控制系统的数字数据通信的标准化工作。(3)WG6是SC65C下的工作组(WG是Working Group的缩写，WG6是第6工作组)，成立于1988年，负责工业过程计算机子系统间的通信的标准化工作。现场总线技术标准化的具体工作是由WG6来负责的。,(二)IEC/TCl7/SCl7BIEC/TCl7是分管电器的标准化委员会，其下的SCl7B是负责低压电器的分委员会，也制订了与之有关的现场总线的标准。(三)IEC/TC22是分管电力电子的标准化委员会,三、制订
9、现场总线的程序和阶段,现场总线标准的制订需经历若干阶段(l)NP阶段:相当于国内标准制定过程中的上计划阶段;(2)CD阶段:相当于国内的征求意见阶段;(3)CDV阶段:相当于国内送审阶段;(4)FDIS阶段:相当于国内报批阶段。,四、有关投票表决的规定,(1)参加投票表决的国家有两类，即有投票权资格的国家称为P成员国;及有观察员资格的国家称为O成员国。(2)投票表决需要有75%以上的赞成率方能通过(只计P成员国)。(3)若反对率超过25%(计P与0成员国)则反对有效，标准不能通过。,五、制订国际标准的历程,(1)1983年现场总线的概念首先在欧洲兴起。(2)1984年IEC就开始制订现场总线的
10、国际标准，稍后即成立了推广及试用的组织IFC。(3)1989年Profibus成为德国国家标准。(4)1990年FIP成为法国国家标准。(5)1992年ISP成立。ISP是可互操作系统协议(Interoperable System Protocol)的简称。,(6)1993年IEC61158-2物理层规范通过表决成为国际标准，但关键的链路层因与Profibus有分歧，遭到德国与欧洲一些小国的抵制而未获通过。(7)1993年WorldFIP成立。WorldFIP是世界工厂仪表协议(World Factory Instrumentation protocol)简称。它基于法国的FIP,它也有100
11、多家公司参加,由Honeywell公司牵头。,(8)1994年6月，ISP与WorldFIP感到二大阵营旗鼓相当，谁也胜不了谁，于是握手言和，合并成为现场总线基金会 FF(FieldbusFoundation)，它推出的基金会现场总线(FoundationFieldbus)也简称FF。但前者代表一个组织;而后者代表现场总线。当时，WorldFIP的北美部分参加了现场总线基金会FF，但WorldFIP的欧洲部分仍保持独立。(9)1994年因FF已成立，IFC解散了。,(10)1996年12月30日，对经过改进后的链路层又进行了一次投票表决，但还是因为与Profibus不一致而遭到德国和一些欧洲小
12、国家的反对，投票结果是赞成率为75，理应通过;但反对率为27，超过了25，又不能通过。对数据链路层标准进行重新表决，投票截止日期为1997年10月31日。1998年2月20日由执委会的15个成员国投票表决，这样就便链路层及应用层的4个规范及服务定义(IEC61158-3-6)进人了FDIS阶段，如果这次表决成功，就成为国际标准了。,(11)1998年9月30日经过投票表决，结果是68赞成，32反对，由于反对率又超过25,因此又被否决了。1998年10月在IEC/TC65于美国休斯敦召开的年会上，IEC/SC65/WG6组长RHCaro以投反对票中的6个国家(丹麦、波兰、斯洛伐克、罗马尼亚、卢森
13、堡与捷克)所附的意见为非技术性意见为由，要求TEC在统计最终投票表决结果时，不计入上述6国的反对票。,(12)1999年6月15日IEC执委会作出决议，即修改现有技术报告包括构筑不同框架的协议以及其所需的服务，并且至少应包括一种其他协议，在4个月内作为FDIS递交投票。执委会同意省略CDV阶段以满足目标设定时间，并提出若4个月后有可能准备不好文件，或在投票阶段最后投票失败，现有的技术报告(指FF的HI)将转化为IEC标准。,(13)2000年7月SC65/WG6在加拿大渥太华召开了现场总线标准制定工作会议，会议决定保留IEC技术报告并作为类型1，其他行规将按照技术报告的格式作为类型2-8加入I
14、EC61158。(14)2000年底对IEC61158进行了投票表决。根据2000年1月4日IEC中央办公室公布投票表决的结果，显示经过修改后的IEC61158己正式获得通过。投票情况如下:P成员国投票99个，95票赞成，4票反对，1票弃权。长达15年之久的，环绕着国际标准的现场总线大战以妥协而告终，结果是出现了多种标准。,六、现有的现场总线国际标准,2004年4月，IEC公布了现场总线标准第三版（即IEC61158 Ed3），规定了10种类型的现场总线，分别是：Type1 TS61158 现场总线Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 现场总线Type3 Profibu
15、s现场总线Type4 P-NET现场总线,Type5 FF HSE现场总线Type6 Swift-Net 现场总线Type7 WorldFIP现场总线Type8 INTERBUS现场总线Type9 FF H1现场总线Type10 PROFInet现场总线,七、产生多标准的原因,(1)各种现场总线都是受国际上一些处于垄断地位的跨国大公司所支持。(2)跨国大公司为了他们的长远利益和保持他们的垄断地位又不得不去开发现场总线，以领导新潮流。(3)有的公司早期投入大量资金使得产品问世较早。(4)一些小国家在技术上和经济上很大程度地依赖于一些跨国大公司。(5)IEC是多极化的组织，其代表都来自各个国家的一
16、些大公司，不可避免地出现斗争的复杂性和反复性。,八.多种现场总线标准并存带来的问题,现场总线自出现以来，一直以开放性、全数字化、互可操作性、智能化等特点著称，用户对现场总线的应用与推广充满信心。而现场总线标准的门户之争日见白热化，多种现场总线互不兼容，不同协议的产品之间无法实现高速的实时数据传输，“自动化孤岛现象并未真正得到解决。而且近20年的标准之争和市场大战最终形成了多种标准共存的局面，这种情况无论在技术层面还是市场层面都给用户带来了疑问和困惑。,（1）多标准共存与现场总线的开放性相背离 一般认为DCS和PLC属于封闭性系统，而FCS是开放性系统，所以它一出现就受到用户的肯定。但实际上FC
17、S的开放性是针对自己来说是开放的，异种现场总线之间却不是开放的。因此，多种标准现场总线的共存使得现场总线事实上并不具备开放性的特点。,（2）多标准共存难以体现现场总线的互操作性 现场设备种类繁多，一个制作商不可能提供生产过程的全部设备，同时，用户也不希望受制于某一个制作商。现场总线的主要特点之一互可操作性无疑受到用户青睐，但现有的10种现场总线国际标准中，不同种类的现场级现场总线之间是不能进行互操作的。虽说可以通过网关（Gateway）通信或通过OPC协议进行互操作，但这种互操作不能直接在现场仪表间进行，而且不能满足系统对实时性的要求。,（3）现场总线的局限性过程控制层PCS（Process
18、Control System）包含了现场总线；中间的制造执行层MES（Manufacturing Execution System）主要用于监控、优化和调度，在管控一体化中起到承上启下的作用；最上层是企业资源规划管理层ERP（Enterprise Resource Planning）用于企业的计划、销售、库存、财务、人事及企业的经营、管理和决策等。,企业管控一体化系统网络层次示意图,（4）多标准共存阻碍现场总线技术的推广 目前的现场总线国际标准IEC61158 Ed3规定中7类经典现场总线，它们各具特点，但又都有不足之处，没有一种能覆盖所有的应用范围。因此，可以说多标准形同无标准，在这种情况给
19、仪表制造商、设计部门和用户带来了很大不便。用户要随时注意国际上各种现场总线及相关技术的动态，承担着由国际标准的变化给用户带来的风险，这种态势使得一些打算进行技术改造的企业处于观望状态，这样势必影响现场总线技术的推广。,4.3 几种主流的总线标准介绍,FF 基金会现场总线Profibus CANDeviceNet ControlNetHART,FF 基金会现场总线,应用于：过程自动化领域1994年9月，成立了现场总线基金会他以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上加了用户层。用户层主要针对自动化控制应用的需要，定义了信息存取的统
20、一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能模块。,FF 基金会现场总线,FF分为低速H1和高速H2两种通信速率。H1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，支持本质安全防爆环境。H2传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离分别是750m和500m。物理传输介质支持双绞线、光缆、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。,Profibus,Profibus是德国标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由profibue-dp,profibus-fms,profibus-pa,组成
21、。Dp用于分散外设间的高速数据传输，适用于加工自动化领域。Fms意为现场信息规范，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，他遵从IEC1158-2标准，采用了ISO模型的物理层和数据链路层。FMS还采用了应用层。,Profibus,Profibus传输速率9.6kbps-12Mbps，最大传输距离在12Mbps时是100m，1.5Mbps时是400m，可用中继器延长至10km。传输介质可以是双绞线、光缆。最多可以接127个站点，可以实现供电与安全防爆。,CAN,CAN是控制局域网的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。采用I
22、SO物理层、数据链路层、应用层。传输介质双绞线，通信速率最高可达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/5kbps。可挂接设备数最多可达110个。,CAN,CAN信号传输采用短帧结构，每帧的有效数字为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上其他节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。,DeviceNet,DeviceNet 现场总线最初由罗克韦尔自动化公司开发，而后授权给开放式设备网供货商协会 ODVA(Open DeviceNet Vendor Association)进行组织和管理。DeviceNet是一种基
23、于CAN（Controller Area Network）总线的开放式现场总线技术。,DeviceNet,DeviceNet在CAN总线的基础上增加了高层的应用层协议CIP协议，从而形成了更适合现场应用的工业现场级总线。,ControlNet,ControlNet 是一种是开放、高速、具有确定性和可重复性的现场总线。ControlNet应用于工厂中对实时性要求较高的控制应用，其支持设备组态和数据采集而且不会对预定的控制或I/O通信产生影响。截止至2003年，ControlNet在世界现场总线技术中的市场占有率达到了21%，成为发展应用最广泛的现场总线技术。,ControlNet,Control
24、Net网络模型和ISO参考模型对照，物理层负责物理信号的传输，CTDMA负责节点对总线的访问控制，而应用层采用的是CIP协议。,HART,HART是可寻址远程传感器高速通道的简称。1993年成立HART通信基金会。特点：在现有的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过程中的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了快速发展。,4.4 DeviceNet、ControlNet 和EtherNet/IP 的比较;三种网络在不同的数据大小下的传输时间和编码率比较,4.4 DeviceNet、ControlNet 和EtherNet/IP 的比较,现场总线控制系
25、统要求信息的传递是实时并且高可靠性的，但网络本身的高可靠性和实时传输又总是存在矛盾，因此罗克韦尔自动化的 NetLinx 网络架构中采用了多种协议来解决这种矛盾。,4.4 DeviceNet、ControlNet 和EtherNet/IP 的比较,DeviceNet、ControlNet 和EtherNet/IP 三层网络在底层协议中最大的区别就在于其媒体访问控制（MAC）机制不同。,其中 DeviceNet 的媒体访问控制采用 CAN 总线的非破坏性逐位仲裁机制 CSMA/NBA(Carrier Sense Multiple Access with Non-destructive Bitwi
26、se Arbitration)，ControlNet 采用基于IEEE802.5的隐性令牌传递机制，EtherNet/IP则采用了 IEEE802.3的载波监听多路访问/冲突检测方法 CSMA/CD。,采用了CSMA/CD机制的EtherNet/IP是一种非确定性的网络，不支持任何形式的报文优先级，因而在系统高负荷时会出现报文冲突；应用隐性令牌传递机制的 ControlNet 则是一种确定性、可重复的网络，在高负荷时也可以进行高速、高效的数据传输，但是其中的网络刷新周期 NUT在低负荷时却会占据大量时间，从而导致系统性能下降；采用 CSMA/NBA机制的 DeviceNet 是三种网络中传输速
27、度最低的一种，但是这一针对短报文的确定性协议在现场设备级可以得到很好的应用。,三种网络在不同的数据大小下的传输时间和编码率比较,在传输时间的比较上，DeviceNet因为传输率较低导致传输时间大于其他两种；EtherNet/IP在传输大尺寸数据时所需的传送时间较少；虽然ControlNet在传递相同大小数据的时间也比较少，但是它需要通过NUT来获得网络访问权（曹流，2009）。,在编码率的比较上，当传输小尺寸数据时，DeviceNet表现最佳；而当传输大尺寸数据时，DeviceNet的效率只有 60%左右，ControlNet与EtherNet/IP的效率都超过 90%（Feng-Li，200
28、1）。,对于控制系统的现场级而言，采集信息的智能设备所传递的数据通常是小尺寸的，而在控制层和信息层上流动的数据尺寸则相对较大，因此由DeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP构成的NetLinx网络架构十分适合于现场总线控制系统的实现。,5 FCS和DCS的区别,FCS和DCS的详细对比,6 工业以太网的发展,工业以太网的发展主要表现在通信质量、在工业环境下的适应性和可靠性以及各种工业以太网协议三个方面（陈磊 2004.5）：,6.1 提高网络通信的质量,A工业以太网的发展可以提高网络通信的质量。通过采用工业以太网交换机的方式将网络划分成不同的网段，从而降低不同网段内发生
29、冲突的机率提高了通信的实时性。而且不同网段的划分，使得本地的信息可以仅限于本地传输，从而不必占用到主干网的资源，降低了主干网络的负荷。同时，还可以在工业以太网中引进虚拟局域网，网络控制等技术，以提高通信质量。,6.2 网络连接设备的开发,B工业级的网络连接设备的开发也将推工业以太网的发展。Synergetic、Jetter AG、Hirschmann等公司开发了适用于工业现场的导轨式集线器、交换机等产品。由于其在电源冗余，电磁兼容，接插件，导轨安装等诸多设计，可以满足工业环境下对设备可靠性和适应性的要求。,6.3 工业以太网协议,C随着工业以太网的推广，各个现场总线组织纷纷在其现有的总线体系中引入以太网技术，以构成新的工业以太网协议。主要的协议有罗克韦尔公司推行的EtherNet/IP协议，Profibus国际组织针推行的PROFInet协议和现场总线基金会推出的HSE（High Speed Ethernet)协议。,要点,了解现场总线的现状。了解几种主流的总线协议。理解现场总线控制系统和分布式控制系统的区别。了解工业以太网的发展趋势。,
