現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)演示文稿

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)演示文稿第一頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日一、現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展概況

隨著計(jì)算機(jī)、控制、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，作為工業(yè)控制數(shù)字化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化典型代表的現(xiàn)場(chǎng)總線（FieldBus）技術(shù)也得到了迅速發(fā)展、影響巨大，引起了工程技術(shù)界的普遍愛(ài)好與重視，使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)逐步從集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystemDCS）走向以現(xiàn)場(chǎng)總線位基礎(chǔ)的分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystemFCS），被譽(yù)為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域具有革命性的新技術(shù)。

第二頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日1發(fā)展歷程及定義：

（1）發(fā)展歷程40年代——主要開(kāi)關(guān)量信號(hào)60年代——模擬信號(hào)80年代后——現(xiàn)場(chǎng)總線誕生90年代末——IEC通過(guò)了8類現(xiàn)場(chǎng)總線成為現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，目前已達(dá)到40余種。第三頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日（2）定義：現(xiàn)場(chǎng)總線就是一種在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域中用于替代4~20mA電流環(huán)信號(hào)的新型數(shù)字式通訊網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線具有開(kāi)放型、數(shù)字化、雙向、多節(jié)點(diǎn)、采用串行通訊方式等特點(diǎn),主要用于連接各自獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)總線所連接的設(shè)備需具備自診斷、自維護(hù)和控制功能,同時(shí)具有雙向通訊的能力。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線,維護(hù)人員不必到設(shè)備就地,就可對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)查詢、控制軟件下載、整定、運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整等維護(hù)工作。第四頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日

2、種類：（1）Profibus

Profibus主要由德國(guó)西門(mén)子公司支持，是按照ISO/OSI參考模型制訂的現(xiàn)場(chǎng)總線德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。Profibus由三部分組成，即Profibus-FMS、Profibus-DP及Profibus-PA。其中，F(xiàn)MS主要用于非控制信息的傳輸，PA主要用于過(guò)程自動(dòng)化的信號(hào)采集及控制，Profibus-DP是制造業(yè)自動(dòng)化主要應(yīng)用的協(xié)議內(nèi)容，是滿意用戶快速通信的最佳方案，傳輸速度為12Mb/s，掃描1000個(gè)I/O點(diǎn)的時(shí)間少于1ms。

第五頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日

（2）FF基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF（H1，IEC技術(shù)報(bào)告）是針對(duì)過(guò)程自動(dòng)化而設(shè)計(jì)，它是通過(guò)數(shù)字、串行、雙向的通信方法來(lái)連接現(xiàn)場(chǎng)裝置的。FF通信不是簡(jiǎn)樸的數(shù)字4-20mA信號(hào)，而是使用復(fù)雜的通信協(xié)議，它可連接能執(zhí)行簡(jiǎn)樸的閉環(huán)算法（如PID）的現(xiàn)場(chǎng)智能裝置。一個(gè)通信段可配置32個(gè)現(xiàn)場(chǎng)裝置，通信速度為31.25kb/s，每段最大通信距離為1900m。第六頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日

（3）Interbus

Interbus主要由德國(guó)PhoenixContact公司支持，其網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單，且易于安裝與配置。網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)類似簡(jiǎn)單的移位寄存器，位流經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)則發(fā)生翻轉(zhuǎn)。Interbus-S啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)并自動(dòng)配置，不需要節(jié)點(diǎn)地址。使用一根電纜，符合IEEE802.5的規(guī)定。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上最多可有64個(gè)裝置，速度可達(dá)500K/s，最長(zhǎng)距離為25600m，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間距離為400m。

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（4）ControlNet（DeviceNet）

ControlNet主要由美國(guó)Rockwell公司支持，具有非常高的實(shí)時(shí)性能，介于設(shè)備級(jí)總線（像DeviceNet）與工廠級(jí)總線（通常基于Ethernet）之間。在相同的通信鏈路上提供了適合于I/O控制設(shè)備的帶寬、實(shí)時(shí)聯(lián)鎖響應(yīng)、對(duì)等信息和程序傳輸，為斷續(xù)和連續(xù)過(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了確定性和重復(fù)性功能；并且答應(yīng)多控制器處理I/O控制設(shè)備，提供了輸入數(shù)據(jù)和對(duì)等數(shù)據(jù)兩者之間的多點(diǎn)傳送、通信傳輸媒體的冗余和本征安全的選擇、靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇（總線、樹(shù)型、星型）和媒體傳輸介質(zhì)（同軸電纜、光纖等）。第八頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日

（5）WorldFIP

WorldFIP主要由法國(guó)的Alstom公司支持，支持雙重冗余總線運(yùn)行方式，總線上可以連接PLC、I/O現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制器、HMI系統(tǒng)等。通過(guò)雙重冗余總線，能夠完全確?？刂葡到y(tǒng)不會(huì)因?yàn)榭刂齐娎|損壞等原因造成其他控制系統(tǒng)被迫停機(jī)的事故。第九頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日

（6）CANBUS

CANBUS（ControllerAreaNetwork）：是德國(guó)Bosch公司于1983年為汽車應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的一種能有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線（FieldBus）的范疇?？刹捎秒p絞線，同軸電纜和光導(dǎo)纖維。通訊距離與波持率有關(guān)，最大通訊距離可達(dá)10km，最大通訊波持率可達(dá)1Mdps。CAN總線仲裁用11位（CAN2.0A協(xié)議）和29位（CAN2.0B協(xié)議）標(biāo)識(shí)和非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機(jī)制，可以確定數(shù)據(jù)塊的優(yōu)先級(jí)，保證在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)沖突時(shí)最高優(yōu)先級(jí)點(diǎn)不需要沖突等待。第十頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日

（7）CC-Link

CC-Link是Control&CommunicationLink(控制與通信鏈路系統(tǒng))的簡(jiǎn)稱，是三菱電機(jī)于1996年推出的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線，其數(shù)據(jù)容量大，通信速度多級(jí)可選擇，而且它是一個(gè)復(fù)合的、開(kāi)放的、適應(yīng)性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠適用于較高的管理層網(wǎng)絡(luò)到較低的傳感器層網(wǎng)絡(luò)的不同范圍。CC-Link是一個(gè)以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，一般情況下，CC-Link整個(gè)一層網(wǎng)絡(luò)可由一個(gè)主站和六十四個(gè)從站組成。CC-Link具有高速的數(shù)據(jù)傳輸速度，最高可達(dá)10Mbps，其底層通信協(xié)議遵循RS-485。

第十一頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日

（8）LonWorks

LonWorks總線：是美國(guó)ECHELON公司開(kāi)發(fā)，并與Motorola和東芝公司共同倡導(dǎo)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。它采用了OSI參考模型全部的七層協(xié)議結(jié)構(gòu)。LonWorks技術(shù)的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片實(shí)現(xiàn)完整的LonWorks的LonTalk通信協(xié)議。第十二頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日

現(xiàn)場(chǎng)總線特點(diǎn)應(yīng)用Profibus-DP傳輸速率9.6-12Kbps傳輸距離100－1200m傳輸介質(zhì)雙絞線或光纜支持Profibus-DP總線的智能電氣設(shè)備、PLC等，適用于過(guò)程順序控制和過(guò)程參數(shù)的監(jiān)控FF傳輸速率31.25Kbps傳輸距離1900m傳輸介質(zhì)雙絞線或光纜現(xiàn)場(chǎng)總線儀表，執(zhí)行機(jī)構(gòu)等過(guò)程參數(shù)的監(jiān)控CAN傳輸速率5－500Kbps傳輸距離40-500m傳輸介質(zhì)兩芯電纜汽車內(nèi)部的電子裝置控制，大型儀表的數(shù)據(jù)采集和控制WorldFIP傳輸速率31.25－2500Kbps傳輸距離500－5000m傳輸介質(zhì)雙絞線或光纜可應(yīng)用于連續(xù)或斷續(xù)過(guò)程的自動(dòng)控制DeviceNet傳輸速率125、250、500Kbps傳輸距離100－500m傳輸介質(zhì)五芯電纜適用于電器設(shè)備和控制設(shè)備的設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制，以及過(guò)程控制和順序控制設(shè)備等。2002年12月1日發(fā)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)通報(bào)中，公布了DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線已被批準(zhǔn)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

Interbus傳輸速率500K－12Mbps傳輸距離100m傳輸介質(zhì)同軸電纜或者光纜車間設(shè)備和PLC網(wǎng)絡(luò)控制ControlNet傳輸速率5Mbps傳輸距離100－400m傳輸介質(zhì)雙絞線車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制和PLC網(wǎng)絡(luò)控制LonWorks傳輸速率78－1250Kbps傳輸距離130－2700m傳輸介質(zhì)雙絞線或電力線由于智能神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)技術(shù)和電力載波技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)和樓宇自動(dòng)化第十三頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日

3、典型總線協(xié)議結(jié)構(gòu)：這里以DeviceNet網(wǎng)絡(luò)為例，介紹典型總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。DeviceNet遵循ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)參考模型，它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為3層，分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，它是建立在CAN協(xié)議基礎(chǔ)之上的，在CAN已規(guī)定的物理層及數(shù)據(jù)鏈路層基礎(chǔ)上又定義了應(yīng)用層，進(jìn)一步補(bǔ)充規(guī)定了所傳送數(shù)據(jù)的意義。第十四頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日

應(yīng)用層邏輯鏈路控制（LLC）媒體訪問(wèn)控制（MAC）物理層信號(hào)（PLS）媒體訪問(wèn)單元（MAU）傳輸介質(zhì)應(yīng)用層（層7）數(shù)據(jù)鏈路層（層2）物理層（層1）介質(zhì)層（層0）DeviceNet應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范CAN協(xié)議規(guī)范DeviceNet物理層和介質(zhì)層協(xié)議規(guī)范

其具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：

第十五頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日4、應(yīng)用領(lǐng)域：隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的普及，已被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，包括：

石油、化工、化纖、紡織、橡膠、建材、電力、冶金、醫(yī)藥、食品等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。第十六頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日5、發(fā)展趨勢(shì)：雖然現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一還有種種問(wèn)題，但現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的發(fā)展卻已經(jīng)是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線思想的日益深入人心，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)品和應(yīng)用的不斷增多，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)日益清晰，具體發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

第十七頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日

(1)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)趨向簡(jiǎn)單化

早期的MAP模型由7層組成，現(xiàn)在Rockwe11公司提出了3層結(jié)構(gòu)自動(dòng)化，F(xiàn)isherRosemount公司提出了2層自動(dòng)化，還有的公司甚至提出1層結(jié)構(gòu)，由以太網(wǎng)一通到底。

(2)大量采用成熟、開(kāi)放和通用的技術(shù)

在管理網(wǎng)的通信協(xié)議上，越來(lái)越多的企業(yè)采用最流行的TCP/IP協(xié)議加以太網(wǎng)，操作設(shè)備一般采用工業(yè)PC甚至普通計(jì)算機(jī)，控制設(shè)備一般采用標(biāo)準(zhǔn)的PLC或者是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等，而控制網(wǎng)絡(luò)就是各種現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用領(lǐng)域。第十八頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日二、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)：三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：即信息層、控制層以及設(shè)備層。

第十九頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日

2、ROCKWELL實(shí)驗(yàn)室總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：天津理工大學(xué)羅克韋爾自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室采用了目前自動(dòng)化領(lǐng)域最先進(jìn)的“工業(yè)自動(dòng)化三層網(wǎng)絡(luò)體系”即設(shè)備網(wǎng)、控制網(wǎng)以及以太網(wǎng)三網(wǎng)一體，并且配置了ControlLogix系統(tǒng)、SLC系統(tǒng)、MicroLogix系統(tǒng)、高效變頻器、人機(jī)界面PanelView、電力監(jiān)控產(chǎn)品以及羅克韋爾網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)品，這代表了當(dāng)今飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及工業(yè)自動(dòng)化的需求。實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)的工業(yè)控制裝置配以網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)品，充分展現(xiàn)了當(dāng)今工業(yè)控制領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)化控制思想。第二十頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日

ROCKWELL實(shí)驗(yàn)室總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第二十一頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第二十二頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日

3、典型現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)：ControlNetDeviceNetDeviceNetDeviceNetControlLogixControlLogixControlLogix第二十三頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日三、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的冗余技術(shù)

隨著人們對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的安全意識(shí)日益提高，冗余系統(tǒng)在各種工業(yè)場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。特別是對(duì)生產(chǎn)連續(xù)性要求比較高的過(guò)程控制場(chǎng)合，當(dāng)主控制處理器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，如果另外一個(gè)備用處理器可以實(shí)時(shí)自動(dòng)的接管整個(gè)控制系統(tǒng)，就能夠保證整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。因此，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)引進(jìn)較為適當(dāng)?shù)娜哂嗫刂葡到y(tǒng)是十分必要的。第二十四頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日

冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：第二十五頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日

監(jiān)控界面：第二十六頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日四、總線系統(tǒng)集成技術(shù)

在現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定的過(guò)程中,共有8種現(xiàn)場(chǎng)總線同時(shí)成為IEC現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的子集?？梢?jiàn),