第1章 現場總線概述

1、現場總線技術王鑫國2聯系方式v郵箱： v手機：v辦公室：機電學科樓D3123參考書v教材：李正軍，現場總線及其應用技術，機械工業(yè)出版社，2005v陽憲惠，現場總線技術及其應用（第2版），清華大學出版社， 20084 課程要求及考核方式v課程性質：專業(yè)選修課v課時：24學時v成績評定方式：平時30%+考試70%5教學內容及學時分配（江浦）v第1章 現場總線概述（2學時）v第3章 串行通信接口技術（1學時）v第4章 CAN總線（5學時）v第5章 LonWorks現場總線（6學時）v第6章 PROFIBUS現場總線（5學時）v第7章 基金會現場總線FF（3學時）v實驗（2學

2、時）6教學內容及學時分配（浦江）v第1章 現場總線概述（2學時）v第3章 串行通信接口技術（1學時）v第4章 CAN總線（5學時）v第5章 LonWorks現場總線（6學時）v第6章 PROFIBUS現場總線（4學時）v第7章 基金會現場總線FF（2學時）v實驗（4學時）7第1章 現場總線概述1.1 現場總線的現狀與發(fā)展1.2 基于現場總線的企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)1.3 現場總線簡介81.1 現場總線的現狀與發(fā)展現場總線的基本概念現場總線的產生現場總線的本質現場總線的特點和優(yōu)點現場總線標準的制定現場總線的現狀現場總線網絡的實現現場總線的發(fā)展趨勢9現場總線的基本概念現場總線的基本概念101112控

3、制系統(tǒng)的五個發(fā)展階段 （1 1）初級控制系統(tǒng)）初級控制系統(tǒng) 時間時間：2020世紀世紀5050年代以前年代以前；特點特點：所用的設備主要是安裝所用的設備主要是安裝在生產現場、具有簡單測控功能的在生產現場、具有簡單測控功能的基地式儀表基地式儀表。此階段的控。此階段的控制系統(tǒng)均簡單。制系統(tǒng)均簡單。 （2 2）模擬儀表控制系統(tǒng)）模擬儀表控制系統(tǒng) 時間時間：60年代至年代至70年代后期年代后期；特點特點：以電子管、晶體管、以電子管、晶體管、集成電路為核心的氣動和電動集成電路為核心的氣動和電動單元組合式儀表單元組合式儀表兩大系列兩大系列，它它們分別以壓縮空氣和直流電源作為動力，在儀表內部實行電們分別以壓

4、縮空氣和直流電源作為動力，在儀表內部實行電壓并聯傳輸，外部實行電流串聯傳輸壓并聯傳輸，外部實行電流串聯傳輸 （采用（采用4-20mA4-20mA的模擬信的模擬信號標準號標準），以減小傳輸過程的干擾。），以減小傳輸過程的干擾。 1.1.1 現場總線的產生現場總線的產生13基于調節(jié)器的單回路自動控制14（3 3）集中式數字控制系統(tǒng)）集中式數字控制系統(tǒng)（DDCDDC） 時間：時間：8080年代初；特點：用數字計算機代替控制室內的年代初；特點：用數字計算機代替控制室內的儀表來完成控制系統(tǒng)功能。儀表來完成控制系統(tǒng)功能。（4 4）集散控制系統(tǒng)（）集散控制系統(tǒng)（DCSDCS） 組成：由組成：由現場控制站、現

5、場控制站、以及多臺計算機構成；以及多臺計算機構成； 在在DCSDCS系統(tǒng)中，測量儀表、變送器一般為模擬儀表，控制系統(tǒng)中，測量儀表、變送器一般為模擬儀表，控制器為數字式，因而它又是一種模擬數字混合系統(tǒng)。器為數字式，因而它又是一種模擬數字混合系統(tǒng)。 各廠家的產品互換與互操作有一定的局限性。各廠家的產品互換與互操作有一定的局限性。15變送器DCS調節(jié)閥DCS傳統(tǒng)控制方式16基于DCS的自動控制系統(tǒng)17 （5）現場總線控制系統(tǒng)（）現場總線控制系統(tǒng)（FCS） 特點：特點：把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標準化的解決方案，通過現場總線控制系統(tǒng)把標準化

6、的解決方案，通過現場總線控制系統(tǒng)把DCS的集散系的集散系統(tǒng)結構變成了新型全分布式系統(tǒng)結構，把控制功能徹底下放統(tǒng)結構變成了新型全分布式系統(tǒng)結構，把控制功能徹底下放到現場，是繼到現場，是繼DCS后的又一代控制系統(tǒng)。后的又一代控制系統(tǒng)。 Up to 1900 Meters in length現場總線控制方式現場智能儀表現場智能控制設備18現場總線設備19 FCSFCS與與DCSDCS的比較的比較FCSDCSI/O CPU.FCSFCS控制在現場中完成控制在現場中完成DCSDCS控制在控制站中完成控制在控制站中完成FCSDCSAIAOPIDAIAIAOPIDPID20FCS是網絡化、全分布式控制系統(tǒng)是

7、網絡化、全分布式控制系統(tǒng)AIPIDAOLASPT101PV101PIC101FFFFFF21FCSDCSDDC遠程傳感器和執(zhí)行機構遠程傳感器和執(zhí)行機構. . .遠程傳感器和執(zhí)行機構現場總線智能自治節(jié)點工控機控制器控制器. . .遠程傳感器和執(zhí)行機構控制器控制器現場總線智能自治節(jié)點現場總線智能自治節(jié)點不同類型控制系統(tǒng)的結構比較22現場總線的產生背景現場總線的產生背景231.1.2 現場總線的本質現場總線的本質v現場通信網絡v現場設備互聯v互操作性v分散功能塊v通信線供電v開放式互連網絡241.1.3 現場總線的特點和優(yōu)點vDCS：一對一的物理連接vFCS：總線連接vFCS簡化了系統(tǒng)結構、節(jié)約硬件

8、設備、節(jié)約連接電纜與各種安裝、維護費用創(chuàng)造了條件vFCS與DCS結構比較現場總線的結構特點2526v表1-1 FCS與DCS的詳細對比 系統(tǒng)結構可靠性失控狀態(tài)互換性儀表功能控制方式27現場總線的技術特點v系統(tǒng)的開放性通信協(xié)議公開v互操作性與互換性 v現場設備的智能性與功能自治性v系統(tǒng)結構的高度分散性v對現場環(huán)境的適應性28現場總線的優(yōu)點v節(jié)省硬件數量與投資v節(jié)省安裝費用v節(jié)省維護開銷v用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權v提高了系統(tǒng)的準確性和可靠性29FCSDCSFCSDCSFCSFCS下裝下裝FCSDCSFCSDCSFCSDCSDCSClassic I/ODigital BussesFoxboroF

9、CSDCSFCSDCSFCS下裝下裝DCSFCSDCSFCSDCSDCS現場控制機柜FoxboroFCSDCSFCSDCSFCS下裝下裝DCSFCSDCSFCSDCS256 I/ODCS控制機柜接線端子FCSDCSFCSDCSFCS下裝下裝FCSDCSFCSDCSFCSDCSDCS256 I/O256 I/O機柜內部對比FCSDCSFCSDCSFCS下裝下裝DCSFCSDCSFCSDCS256 I/O256 I/ODCS現場布線現場布線FCSDCSFCSDCSFCS下裝下裝DCSFCSDCSFCSDCSFCS現場布線現場布線35現場總線系統(tǒng)的劣勢v在現場總線系統(tǒng)中，網絡成為控制系統(tǒng)不可缺少的組

10、成部分之一。v網絡通信中數據包的傳輸延遲、通信系統(tǒng)的瞬時錯誤和數據包丟失，發(fā)送與到達次序的不一致等，都會破壞傳統(tǒng)控制系統(tǒng)原本具有的確定性。v如何使控制網絡滿足控制系統(tǒng)對通信實時性、確定性的要求，是現場總線系統(tǒng)在設計和運行中應該關注的重要問題。36現場總線的適用場合v現場設備與主控制器之間的通訊距離長現場設備與主控制器之間的通訊距離長v現場被控設備高度分散現場被控設備高度分散v系統(tǒng)對底層設備有信息集成要求系統(tǒng)對底層設備有信息集成要求v系統(tǒng)對底層設備有較高的遠程診斷系統(tǒng)對底層設備有較高的遠程診斷、故障報故障報警及參數化要求警及參數化要求v對現場環(huán)境適應性要求高對現場環(huán)境適應性要求高371.1.4

11、現場總線標準的制定vIEC的現場總線標準用于工業(yè)控制系統(tǒng)的IEC61158現場總線標準 用于低壓開關設備與控制設備、控制器與電氣設備接口的IEC62026標準vISO的現場總線標準用于道路車輛數字信息交換的現場總線標準ISO1189838IEC61158采用以下采用以下8種種現場總線：現場總線： 類型類型1：IEC61158技術報告技術報告 (即低速即低速FF H1) 類型類型2：ControlNet (美國美國Rockwell 公司公司) 類型類型3：PROFIBUS (德國德國Siemens公司公司) 類型類型4：P-Net (丹麥丹麥Process Data公司公司) 類型類型5：FF

12、HSE (高速高速FF,美國美國Fisher- Rosemount公司公司) 類型類型6：Swift Net (美國美國波音波音Boeing) 類型類型7：World FIP (法國法國Alstom公司公司) 類型類型8：Interbus (德國德國Phoenix Contact公司公司) IEC61158標準標準39IEC62026標準標準IEC62026 - (IEC17B Committee),2000年年1月月 IEC62026 1 一般要求一般要求 IEC62026 2 AS-i ( Siemens) IEC62026 3 DeviceNet (Rockwell, Omron) IE

13、C62026 4 Lontalk IEC62026 5 SDS (Honeywell) IEC62026 6 SMCB IEC62026 7 Interbus, 轉入轉入IEC61158 *40ISO 11898標準標準v國際標準化組織為現場總線制定的標準是國際標準化組織為現場總線制定的標準是TC22TC22，其，其中影響最大的為中影響最大的為ISO 11898.1993ISO 11898.1993，即道路車輛數字，即道路車輛數字信息交換信息交換高速通信的控制器局域網絡（高速通信的控制器局域網絡（CANCAN）。）。vISO 11898ISO 11898對對CANCAN只規(guī)定了模型的第只規(guī)定了

14、模型的第1 1、2 2層，即物理層，即物理層和數據鏈路層。應用層的協(xié)議可以由不同用戶、層和數據鏈路層。應用層的協(xié)議可以由不同用戶、企業(yè)、組織定義，比如企業(yè)、組織定義，比如DeviceNetDeviceNet就部分沿用了就部分沿用了CANCAN的物理層和數據鏈路層，自己增加了對應用層的規(guī)的物理層和數據鏈路層，自己增加了對應用層的規(guī)定。定。 411.1.5 現場總線的現狀1、多種總線共存、多種總線共存2、各種總線各有其應用領域、各種總線各有其應用領域3、每種總線各有其國際組織、每種總線各有其國際組織4、每種總線均有其支持背景、每種總線均有其支持背景5、設備制造商參加多個總線組織、設備制造商參加多個

15、總線組織6、多種總線均作為國家和地區(qū)標準、多種總線均作為國家和地區(qū)標準7、協(xié)調共存、協(xié)調共存8、工業(yè)以太網引入工業(yè)領域、工業(yè)以太網引入工業(yè)領域421.1.6 現場總線網絡的實現v現場總線的基礎是數字通信，通信必須有協(xié)議v現場總線=硬件接口+通信協(xié)議v大多支持OSI的1、2、7層，有的增加第8層用戶層1、物理層2、數據鏈路層分為兩個子層：MAC、LLC；MAC有三種協(xié)議：輪詢協(xié)議、令牌總線協(xié)議、總線仲裁協(xié)議3、應用層（為用戶應用提供接口）4、用戶層（提供功能模塊）431.1.7 現場總線技術的發(fā)展趨勢v發(fā)展現場總線技術已成為工業(yè)自動化領域廣為關注的焦點v自動化系統(tǒng)與設備將朝著現場總線體系結構的方

16、向前進v幾大總線標準共存v具有發(fā)展前景的現場總線技術有：44基于現場總線的智能化儀表的研制基于現場總線的網絡設備的軟、硬件研制 組態(tài)技術的研究，包括網絡拓樸結構、網絡設備配置、不同網段互聯等技術 網絡管理技術，包括網絡管理軟件、網絡數據操作與傳輸 基于現場總線技術的全開放控制系統(tǒng)的集成技術 451.2 1.2 企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)1.2.1 企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)的層次結構v現場總線是底層控制網絡v現場總線需要與上層信息系統(tǒng)交換數據v企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)應具有3層結構：PCSMESERP46典型的企業(yè)網絡結構圖局域網NT 服務器Internet監(jiān)控工作站其它工作站現場總線接口

17、差壓變送器調節(jié)閥差壓變送器 差壓變送器溫度變送器企業(yè)資源規(guī)劃層（ERP）制造執(zhí)行層（MES）過程控制層（PCS）現場總線網段47企業(yè)網絡信息集成系統(tǒng)的層次結構圖互連網Internet企業(yè)內部網Intranet現場總線控制網FCS企業(yè)資源規(guī)劃層ERP制造執(zhí)行層MES過程控制層PCS481、過程控制層采用現場總線將最底層的現場控制器和現場智能儀表設備互聯常見的現場總線網絡拓撲結構： 環(huán)形網 總線網 樹形網 令牌總線網492、制造執(zhí)行層從現場設備中獲取數據，完成各種控制、運行參數的監(jiān)測、報警和趨勢分析等功能。關鍵技術是以太網與底層現場設備網絡間的接口還為先進控制和遠程操作優(yōu)化提供支撐環(huán)境。3、企業(yè)資

18、源規(guī)劃層將監(jiān)控層的數據庫中的信息轉入上層的關系數據庫中，對數據進行進一步分析和整理，實現管控一體化504、現場總線與局域網的區(qū)別n應用場合不同（工業(yè)現場-通信與辦公）n具有各自的技術特點（實時性安全性可靠性-大批量數據傳輸與處理）n兩種網絡將具有越來越緊密的聯系（需求互補，兩者之間需要信息交換）511.2.3 現場總線與上層網絡的互聯 52通過網關連接控制網段與上層網絡 監(jiān)視操作計算機以太網段Server網關/控制器網橋控制網段控制網段53采用PCI卡連接控制網段與上層網絡 監(jiān)視操作計算機PCI控制網段控制網段以太網段541.2.4 現場總線網絡集成應考慮的因素 551.3 現場總線簡介國際上

19、存在幾十種現場總線標準比較流行的主要有：FF、CAN、DeviceNet、LonWorks、PROFIBUS、HART、INTERBUS、CC-Link、ControlNet、WorldFIP、P-Net、SwiftNet等現場總線。561.3.1基金會現場總線(Foundation Fieldus,FF)1994年,由ISP和WorldFIP兩大集團合并成立現場總線基金會采用OSI/ISO物理層,數據鏈路層和應用層,增加了用戶層有低速H1（31.25kb/s，1900m）與高速H2（1Mbps, 2.5Mpbs，750m，500m）之分,H2逐漸被HSE(100Mb/s,甚至更高)取代支持雙

20、絞線、同軸電纜、光纜和無線發(fā)射等傳輸介質應用領域以過程自動化為主,比如化工,石油,污水處理57FF總線的網絡結構總線的網絡結構操作站操作站.交換機交換機HSE鏈接設備鏈接設備H1總線HSE鏈接設備鏈接設備HSE現場設備現場設備H1總線FF現場總線的典型應用現場總線的典型應用591.3.2 控制器局域網(Controller Area Network,CAN)由德國 Bosch公司開發(fā),起初專為汽車工業(yè)設計.遵循ISO/OSI模型,采用了物理層和數據鏈路層,應用層協(xié)議允許用戶自行開發(fā).采用短幀結構,最可靠通訊速率最高1Mb/s,最遠通訊距離可達10km成為ISO國際標準.芯片由摩托羅拉,Inte

21、l等公司生產,價格低廉,用量最大汽車內部網絡汽車內部網絡 CAN總線總線611.3.3 DeviceNet由Rockwell公司于1994年推出基于CAN總線技術,低成本,高可靠性采用物理層,數據鏈路層和應用層價格低，效率高，特別適合制造業(yè)、工業(yè)控制、電力系統(tǒng)等行業(yè)的自動化62以PLC為主站的DeviceNet網段電機驅動I/O card手持終端PLCDeviceNet631.3.4 LonWorks由美國Echelon公司推出,摩托羅拉、東芝支持倡導.組成LonMARK互操作協(xié)會采用OSI模型全部7層通訊協(xié)議通訊速率從300b/s到1.5Mb/s,通訊距離可達2700m采用總線型、樹型支持雙

22、絞線、同軸電纜、光纜和紅外線、電力線、無線發(fā)射等傳輸介質LonTalk協(xié)議固化在Neuron芯片中，每片芯片帶3個8位微處理器最大的應用領域在樓宇自動化，在工業(yè)控制領域如石油，鐵路也有應用64LonWorks總線的網絡結構總線的網絡結構監(jiān)控計算機監(jiān)控計算機78Kbps雙絞線路由器路由器1.25Mbps雙絞線主干通道10Kbps電力線網關網關其它總線網絡現場現場節(jié)點節(jié)點現場現場節(jié)點節(jié)點現場現場節(jié)點節(jié)點路由器路由器現場現場節(jié)點節(jié)點現場現場節(jié)點節(jié)點651.3.5 Profibus由西門子為主的十幾家公司共同推出共有3種版本vProfibus-FMS（Fieldbus Message Specific

23、ation）vProfibus-PA（Process Automation）vProfibus-DP（Decentralised Peripherals）Prefabs-DP用于現場控制器與分散I/O之間的數據通信； Profibus-FMS用來解決車間級通信任務；Profibus PA用于過程自動化,可連現場變送器、執(zhí)行器。66傳輸速率為9.6kbps-12Mbps,傳輸距離為100m-1.2km采用總線型、樹型、 星型支持雙絞線和光纖Profibus采取主站之間的令牌傳遞方式和主從之間的主、從通信方式。 Profibus-DP允許構成單主站或多主站系統(tǒng)。 主要應用于制造自動化和過程控制自動

24、化,電力,鐵路交通67Profibus總線的網絡結構總線的網絡結構操作員站操作員站Profibus-DPPLC監(jiān)控層監(jiān)控層工程師站工程師站Profibus-FSM或Ethernet現場層現場層Profibus-PADP/PA耦合器68基于基于Profibus總線控制系統(tǒng)應用實例總線控制系統(tǒng)應用實例:整套裝置100萬，可節(jié)省安裝費用50%以上吸收吸收塔塔吸收吸收塔塔DP/PA-LinkET 200MRemote I/OIndustrial Ethernet / FSMS7 400 ControllerPROFIUS DPS7 400 ControllerEngineeringStation ES

25、OperatorStation OSPROFIBUS PA691.3.6 HARTHART的英文含義HART總線采用基于Bell 202 通信標準的 FSK技術，在420mA的模擬信號上疊加了一個頻率信號, 因此能同時傳送模擬和數字信號而不相互干擾能實現總線供電和本質安全防爆 用于過程控制70HART總線的網絡結構總線的網絡結構基本主設備基本主設備安全柵安全柵現場儀表現場儀表現場儀表現場儀表現場儀表現場儀表副主設備副主設備HART至少需要一個主設備和一個現場儀表； 現場儀表和副主設備均為并聯，連接點可置于網絡的任意位置； 網絡工作時，現場儀表可被更換，副主設備也可被連到網上。 711.3.7

26、Interbus (International Bus)1984年由德國Phoenix公司開發(fā),后成立Interbus組織(Interbus Club)采用OSI/ISO物理層,數據鏈路層和應用層物理層采用RS485串行通信標準集中式主從方案，環(huán)型拓撲，傳輸速率為500KbpsInterbus是一種傳感器級的現場總線，令牌網，經濟性是它的一大特點。Interbus的應用主要在汽車制造,機械制造,水處理,隧道交通,食品,輕工,煙草,印刷等行業(yè)。721.3.8 CC-Link1996年三菱電機公司主導唯一起源于亞洲的總線系統(tǒng)廣泛用于三菱PLC731.3.9 ControlNet1997年由美國Ro

27、ckwell Automation推出的面向控制層的實時性現場總線網絡通訊速率5Mb/s,通訊距離30km采用物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層支持總線型,樹型和星型應用于交通運輸,汽車制造,冶金,礦山,電力,食品等領域741.3.10 WorldFIP(World Factory Instrumentation Protocol) WorldFIP其最初由法國于80年代開發(fā)，并成為法國國家標準和歐洲標準WorldFIP產品在法國的市場占有率大約60%，在歐洲市場大約占25%主要應用在發(fā)電與輸配電、制造自動化、鐵路運輸、地鐵等自動化領域751.3.11 P-Net (Process automation Net)1984年由丹麥Process data A/s公司提出, 采用OSI/的物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層采用屏蔽雙絞線,數據傳輸速率為76.8kbps,傳輸距離1.2km多主控制器,主從式總線,每段最多可容納32個主控制器，總線訪問通過虛擬令牌在主站直接循環(huán)傳遞應用主要集中農業(yè),水產,飼養(yǎng),林業(yè),食品等行業(yè)761.3.12 SwiftNet美國波音公司支持主要用于航空和航天等領域結構簡單、實時性高只有物理層和數據鏈路層771.3.13 AS-i (Actuator Sensor Interface )AS