現(xiàn)場總線技術(重慶大學羅克韋爾自動化實驗室).ppt

1、現(xiàn)場總線技術重慶大學羅克韋爾自動化實驗室,現(xiàn)場總線的由來,隨著控制、計算機、通信、網(wǎng)絡等技術的發(fā)展，信息交換溝通的領域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設備層到控制、管理的各個層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。信息技術的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結構的變革，逐步形成以網(wǎng)絡集成自動化系統(tǒng)為基礎的企業(yè)信息系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線(fieldbus)就是順應這一形勢發(fā)展起來的新技術。,現(xiàn)場總線的由來,計算機控制系統(tǒng),檢測輸入設備,中央計算機,控制輸出設備,生產(chǎn)過程,檢測變量,操作變量,現(xiàn)場總線的由來,集中式控制系統(tǒng),檢測輸入設備,中央計算機,控制輸出設備,生產(chǎn)過程,檢測變量,操作變量,CRT操作臺,

2、現(xiàn)場總線的由來,分布式控制系統(tǒng)（DCS）,現(xiàn)場總線的由來,分布式控制系統(tǒng)（DCS）,現(xiàn)場總線的由來,基于現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)（FCS）,現(xiàn)場總線的定義,根據(jù)IEC的標準定義：“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、雙向串行傳輸、多線通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。,現(xiàn)場總線的定義,現(xiàn)場總線的含義 (1)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡 用于過程自動化和制造自動化現(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設備互連的通信網(wǎng)絡； (2)現(xiàn)場儀表互連 網(wǎng)絡互連設備是傳感器、變送器、執(zhí)行器、控制器等現(xiàn)場儀表； (3)功能塊分散 構成控制系統(tǒng)的多個功能塊分散在多臺現(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設備中； (4)互操作性 不同廠家的現(xiàn)場儀表或

3、現(xiàn)場設備可以互相通信，并可以統(tǒng)一組態(tài)； (5)互連網(wǎng)絡系統(tǒng) 現(xiàn)場儀表和控制室設備之間構成互連網(wǎng)絡系統(tǒng)。,現(xiàn)場總線的類型,目前國際上是多種現(xiàn)場總線并存，IEC現(xiàn)場總線標準(IEC61158)是迄今為止制定時間最長、投票次數(shù)最多、意見分歧最大的國際標準之一。IEC于2000年1月4日公布投票結果。 IEC61158采用以下8種現(xiàn)場總線：類型1：IEC61158技術報告 (即FF H1)類型2：ControlNet (美國Rockwell)類型3：PROFIBUS (德國Siemens)類型4：P-NET (丹麥Process Data)類型5：FF (美國Fisher-Rosemount)類型6：

4、Swift Net (美國Boyin)類型7：World FIP (法國Alston)類型8：Interbus (德國Phoenix Contact)注：IEC現(xiàn)場總線標準的8種類型都是平等的，并要求類型28對類型1提供接口，但不要求類型28之間提供接口。,現(xiàn)場總線的類型,除了上述八種類型外，還有其他一些現(xiàn)場總線：Lonworks：美國Echelon公司推出并與摩托羅拉、東芝公司共同倡導，采用全部7層協(xié)議。DeviceNet：由原AB即現(xiàn)在的羅可韋爾公司推出的。CAN：德國BOSCH公司推出的HART：美國Fisher-RosemountAS-I：執(zhí)行器-傳感器接口的，RS-485：不能稱為現(xiàn)

5、場總線，卻是現(xiàn)場總線的鼻祖。,現(xiàn)場總線回顧,制定一個統(tǒng)一的現(xiàn)場總線一直沒能實現(xiàn)的原因： 每種總線的產(chǎn)生都有其一定的應用背景，如Profibus在制造業(yè)，WorldFIP、FF在過程控制行業(yè)，P_Net在農(nóng)業(yè)自動化領域。 每種總線都有一個或多個大公司，且多是大型跨國公司為背景。如WordFIP主要由Alstom公司支持，Profibus以Siemens公司為主要支持，ControlNet則以Rockwell公司為主要背景。 每種總線都力圖開發(fā)其應用領域，以擴張其勢力范圍。 每種總線大多將自己作為國家或者地區(qū)標準，以加強自己的競爭地位，如P-Net以成為丹麥標準，Profibus已成為德國標準，W

6、orldFIP已成為法國標準。,NetLinx 工業(yè)控制網(wǎng)絡新紀元,Rockwell AutomationEthernet,ControlNet,DeviceNet,NetLinx下的三層網(wǎng)絡,Information Level (EtherNet/IP),Device Level (DeviceNet),Station MMI,Modular I/O,Block I/O,Micro Drive,Control Level (ControlNet),Gateway or Linking Device,Programmable Device Support PC,Motor Starter,Mi

7、cro PLC,Operator Interface,Drive,Servo,Gateway or Linking Device,Maintenance PC,Desktop PC,Controller,以太網(wǎng)絡信息層,控制層網(wǎng)絡,設備層網(wǎng)絡,三層網(wǎng)絡的著眼點,信息層： 高速報文傳送 高容量數(shù)據(jù)共享 控制層 高速I/O信息和報文的傳送 有效的數(shù)據(jù)共享 確定性和可重復性 設備層 有類似于控制層的要求，但更強調降低費用、系統(tǒng)調試時間,設備網(wǎng)DeviceNet,設備網(wǎng)連接工業(yè)現(xiàn)場設備,DeviceNet總線含義,DeviceNet是90年代中期發(fā)展起來的一種基于CAN技術的開放型、符合全球工業(yè)標準的

8、低成本、高性能的通信網(wǎng)絡 DeviceNet把可編程序控制器、傳感器、光電開關、操作員終端、電動機保護器、變頻器和軟起動器等現(xiàn)場智能設備連接起來，是分布式控制系統(tǒng)減少現(xiàn)場I/O接口和布線數(shù)量，將控制功能下載到現(xiàn)場設備的理想解決方案,DeviceNet總線現(xiàn)狀,DeviceNet由開放式設備網(wǎng)供貨商協(xié)會ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）組織和管理，ODVA是一個負責DeviceNet協(xié)議的制定和增補工作的國際組織。 現(xiàn)有供貨商會員316個，已開發(fā)了350多種DeviceNet產(chǎn)品。 DeviceNet產(chǎn)品增長勢頭迅猛，在美國和日本，它所占的市場份額已

9、達50%以上，它每年正以高于150%的驚人速度不斷增長 幾乎所有世界著名的電器和自動化元件生產(chǎn)上都在大力開發(fā)DeviceNet產(chǎn)品，如ABB、Rockwell、Phoenix、Contacts、Omron、Hitachi、Cutler-Hammer等,用戶對設備網(wǎng)的要求,布線方便 小尺寸物理設備 低節(jié)點成本增加到相關設備 快速呼應時間 設備組態(tài)和診斷的帶寬 支持控制器/系統(tǒng) 支持多銷售商設備,網(wǎng)絡化設備的市場要求,減少硬接線 減少勞動力開支 在許多情況下，減少硬件成本 減少起動時間 接線錯誤最少 診斷功能有助于解決焦急的問題 資源快速分配給下一個任務 減少停機時間 診斷功能提供預兆故障報警 診

10、斷功能有助于排除故障 減少故障點,傳統(tǒng)網(wǎng)絡和DeviceNet網(wǎng)絡的比較,Control Network e.g. DH+,ControlNet,Remote I/O Rack,A,1-5 vDC 4-20 ma 120 vAC 24 vDC,A,D,D,I/O 網(wǎng)絡 e.g. RIO,A,1-5 vDC 4-20 ma 120 vAC 24 vDC,A,D,D,Device Network,DeviceNet,傳統(tǒng),DeviceNet電纜結構,+24VDC ( V+ ),+0VDC ( V- ),CAN-H,CAN-L,屏蔽電纜,它總共有五根線: 電力線有+24VDC, 0VDC 通訊線有C

11、AN-H, CAN-L 屏蔽電纜,DeviceNet拓撲結構,最長支線是 6m (20ft) 終端電阻是 121 歐姆,Tap,Zero Drop,Short Drops,Daisy Chain,max 20 feet,Node,Node,Node,Node,Node,Node,Node,終端電阻,主線 Trunk,Branching Drop,Node,Node,Node,Node,終端電阻,支線,節(jié)點,DeviceNet連接方式,典型的密封型連接方式,還有 開放式連接 菊花鏈路連接方式,粗主線 Thick Trunk,通訊速度 125 Kbaud 250 Kbaud 500 Kbaud 最

12、長主線距離 500m (1640 ft) 250m (820ft) 100m (328 ft) 最長支線距離 20 ft 20 ft 20 ft 最多節(jié)點 64 64 64,細主線 Thin Trunk,通訊速度 125 Kbaud 250 Kbaud 500 Kbaud 最長主線距離 100m (328 ft) 100m (328ft) 100m (328 ft) 最長支線距離 20 ft 20 ft 20 ft 最多節(jié)點 64 64 64,扁平主線 Flat Trunk,通訊速度 125 Kbaud 250 Kbaud 500 Kbaud 最長主線距離 420m (1378 ft) 200

13、m (656 ft) 75m (246 ft) 最長支線距離 20 ft 20 ft 20 ft 最多節(jié)點 64 64 64,DeviceNet的性能特點,采用基于CAN的廣播方式工作，網(wǎng)絡上任一個節(jié)點均可在任一時刻主動向網(wǎng)絡上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。 (2) 網(wǎng)上可容納64個節(jié)點地址，每個節(jié)點支持的I/O數(shù)量沒有限制。 (3) 采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾的概率低，具有極好的檢錯效果，具有CRC校驗和其它檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)出錯率低。 (4) 通信介質為獨立雙絞總線，信號和電源承載于同一電纜。 (5) 支持設備的熱插拔，無需網(wǎng)絡斷電。 (6) 采用非破壞性逐位仲裁機制，保證了通信的

14、實時性。,DeviceNet的網(wǎng)絡介質,Thick,Thin,Flat,DeviceNet的網(wǎng)絡介質,Flat Media,Round Media,DevicePort,DeviceLink,DeviceBox,T-Port,KwikLink,Trunk Cable,Drop Cable,Accessories,Flat Cable,DeviceNet上的設備-掃描器,設備網(wǎng)的管理者 DeviceNet Scaner 網(wǎng)絡掃描器,DeviceNet上的設備-傳感器,各種傳感器,DeviceNet上的設備-操作界面,DeviceNet上的設備-電力設備,小型電機控制器,中型變頻調速器,電機保護器

15、,變頻器通訊適配器,電機啟動器,DeviceNet上的設備-I/O設備,深入到現(xiàn)場的輸入/輸出設備,DeviceNet具體實例,控制網(wǎng)ControlNet,控制網(wǎng)概貌,ControlNet 的歷史與發(fā)展,ControlNet最早于1995年10月面世。1997，7月由Rockwell等22家企業(yè)聯(lián)合發(fā)起成立了ControlNet International 組織，Rockwell 公司把技術轉讓給了該組織。該組織是非盈利性的，主要負責推廣、發(fā)展ControlNet技術，提供測試和組織培訓等。 ControlNet Internatinal 組織也取得了很大的發(fā)展、，到目前成員公司已擴大到50多

16、個。ABB Roboties、Honeywell Inc.、Omron Electronics Inc.等。 ControlNet International 組織的網(wǎng)址是,工業(yè)界對控制層網(wǎng)絡的要求,實時功能 確定性和可重復性 控制器之間的互鎖 對等報文發(fā)送 診斷功能使停機時間最小 人機界面 (MMI) 支持編程,ControlNet的使命,在單根實際電纜上支持兩種類型的信息傳輸： 對時間有苛求的控制和I/O數(shù)據(jù)：I/O刷新和對等互鎖 指定最高的優(yōu)先權 確定性和可重復性 無時間苛求信息：報文發(fā)送和程序上載/下載 指定較低的優(yōu)先權 不允許犧牲控制和

17、I/O數(shù)據(jù)功能,為了建立羅克韋爾自動化和其它自動化系統(tǒng)供應商控制體系結構，必須提供可靠的高速應用信息傳輸。,ControlNet的主要技術特點,網(wǎng)絡功能：同一鏈路支持控制信息、I/O數(shù)據(jù)、編程數(shù)據(jù) 網(wǎng)絡的拓撲：線形、星形、樹型、以及以上的任何拓撲的混合 網(wǎng)絡速度：5Mbit/s（最大） 單網(wǎng)絡長度：（同軸電纜）1000m帶2個節(jié)點，250m帶48個節(jié)點。（光纖） 3000m 網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)：99個最大可編址節(jié)點，不帶中繼器的網(wǎng)段最多48個節(jié)點 I/O數(shù)據(jù)觸發(fā)方式：論詢（Poll），周期性發(fā)送（Cyclic）/狀態(tài)改變發(fā)送（Change of State) 網(wǎng)絡刷新時間：可組態(tài)2100ms 數(shù)據(jù)分組

18、大?。嚎勺冮L0 510字節(jié) 網(wǎng)絡和系統(tǒng)特性：可帶電插拔，確定性和可重復性。,ControlNet的拓撲結構,ControlNet用戶獲得的利益,靈活的控制系統(tǒng)體系結構 I/O控制和編程在同一網(wǎng)絡上完成 從每個節(jié)點，甚至適配器上進行網(wǎng)絡存取 使用戶編程過程簡單化和增加功能 用戶可選擇控制和I/O刷新速率 刷新速率恒定，可增加或減少節(jié)點 對遠程邏輯機架消除塊傳輸編程 在線反饋帶寬利用率 開放網(wǎng)絡 對其它自動化供應商可用技術參數(shù)和網(wǎng)絡技術規(guī)范 羅克韋爾自動化產(chǎn)品 PLC-5Cs, 1771 and Flex I/O適配器, PanelView MMI, PC卡,交流變頻器, 電動機保護器, 編程和組

19、態(tài),ControlNet用戶獲得的利益,高速 (5 Mb/s) 控制和I/O網(wǎng)絡 改進I/O性能 改進對等通信 靈活的安裝方式 可以在干線的任何地方安裝設備 可選冗余介質 在同一物理鏈路上支持多達99個節(jié)點 先進網(wǎng)絡能力 確定性 - 知道數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r刻 可重復性 - 傳輸時間恒定，甚至當設備接入網(wǎng)絡或折除時 生產(chǎn)者/客戶模式：多主結構，多信道廣播輸入和對等通信,ControlNet上的設備-變頻器,變頻調速器控制網(wǎng)適配器模塊（同軸電纜方式）,ControlNet上的設備-變頻器,非冗余,光纜,轉換器,TX RX,變頻器控制網(wǎng)適配器模塊（光纜方式）,ControlNet上的設備,I/O輸入輸出設

20、備 操作員面板 計算機接口卡,“Old Way” = 源/目標方式 通常被主/從方式所采用,“The time is 8:00”,“New Way” = 生產(chǎn)者/消費者方式 also referred to as “Publisher/Subscriber” contains all Source/Destination capabilities, plus additional capabilities for improved efficiency,NetLinx的基本技術,設置,控制,數(shù)據(jù)采集,NetLinx網(wǎng)絡的三大功能,Controller 控制器,Drive1,Sensor,Dri

21、ve3,Drive2,Data Acquisition,HMI,Analog I/O,傳輸效率非常低 - RIO, Profibus, Interbus S,傳統(tǒng)控制方式-源/目標方式,Controller,Drive1,Sensor,Drive3,Drive2,Data Acquisition,HMI,Analog I/O,Change-of-State 狀態(tài)改變 - Sensor produces data only when object is present. Cyclic 周期性循環(huán)- Analog I/O can send one value (pressure) every 50

22、 ms, and another value (temperature) every 500 ms Multicast 多點傳送- simultaneous data consumption.,傳輸效率非常高,使用NetLinx技術的控制方式,如果支持通過網(wǎng)絡進行設置，常常需要在主站中編程 否則就需要點對點的進行設置,Controller,Drive1,Sensor,Drive3,Drive2,Programmable Device Support,HMI,Analog I/O,傳統(tǒng)的設備配置方式,Very Efficient, devices communicate directly - n

23、ot through bottlenecks,編程器直接通過網(wǎng)絡進行編程 通過網(wǎng)絡直接對設備進行組態(tài),Controller,Drive1,Sensor,Drive3,Drive2,Programmable Device Support,HMI,Analog I/O,使用NetLinx技術的設備配置方式,Controller,Drive1,Sensor,Drive3,Drive2,Data Acquisition,HMI,Analog I/O,主站通過輪詢的方式采集數(shù)據(jù) 主站通過邏輯梯形圖程序獲取數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)需要被存儲后進行轉發(fā),傳輸效率低下 DH+ & RIO, Profibus FMS & D

24、P 等網(wǎng)絡,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式,設備數(shù)據(jù)通過廣播方式進行傳輸 任何設備都可以消費/享用數(shù)據(jù) 減少信息量，無需編程,高效率地利用了網(wǎng)絡帶寬和處理器能力,Controller,Drive1,Sensor,Drive3,Drive2,Data Acquisition,HMI,Analog I/O,使用NetLinx技術的數(shù)據(jù)采集方式,信息層網(wǎng)絡以太網(wǎng)絡,Host Computer,RSLinx & INTERCHANGE Software,RSView Software,PLC-5Es,RSLinx DDE Server,Programming Software,PLC-5 w/ Ethernet