现场总线技术CH.ppt

第2章 现场总线概念,现场总线技术,中国矿业大学 ,第2章 现场总线概念,现场总线的概念,第 1 节,现场总线的产生及发展,第 2 节,现场总线的特点,第 3 节,工业控制网络体系,第 4 节,中国矿业大学 ,现场总线的概念,现场总线是低带宽的计算机局域网,1,现场总线是一种数字通信协议,2,现场总线是开放式数字化多点通信的底层控制网络,3,中国矿业大学 ,什么是现场总线,IEC61158标准定义：现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线。基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统（Fieldbus Control System-FCS） 现场总线技术将专用微处理器置人传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了一定的数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点 分别通过普通双绞线、同轴电缆、光纤等多种途径进行信息传输，这样就形成了以多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统 该网络系统按照公开、规范的通信协议，在位于生产现场的多个微机化自控设备之间，以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，进一步构成了各种适应实际需要的自动控制系统 简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以互相沟通的信息，并可共同完成自控任务的网络系统与控制系统,中国矿业大学 ,现场总线连接示意图,广域网WAN,局域网LAN,现场网FieldBus,中国矿业大学 ,现场总线是低带宽的计算机局域网,局域网 Local Area Network-LAN 高速的通信系统 在较小的区域内将许多数据通信设备相互连接起来，使用户共享计算机资源 局域网主要有以下特点： 地理范围有限 通常网络分布在一座办公大楼或集中的建筑群内，为一个部门所有，涉辖范围一般只有几千米 通信速率高，误码率低 一般为基带传输，传输速率10-100Mbit/s, 误码率为10-910-12，能支持计算机间高速通信 可采用多种通信介质 例如，低廉的非屏蔽双绞线、同轴电缆或价格昂贵的光纤等 多采用分布式控制和广播式通信，可靠性较高 节点的增删比较容易,中国矿业大学 ,现场总线是低带宽的计算机局域网,远程网特点 由于涉辖范围广且通信线路长，如何充分有效地利用信道和通信设计是网络设计中的重要问题 远程网多采用分布式不规则形网络拓扑结构，低层协议比较复杂 局域网特点 由于距离短、延时少、成本低和信息传输速率快，信道利用率已不是考虑的主要因素 它的底层协议较简单，报文格式允许有较大的报头 网络拓扑结构多采用总线形、环形或星形，流量控制、路由选择等问题大大简化或不存在 网上通信多采用广播方式，与现场的通信较多 现场总线 所肩负的是测量控制的特殊任务，因而它具有自己的特点 要求信息传输的实时性强，可靠性高，且多为短帧传送 传输速率一般在几kbit/s至10Mbit/s之间 现场总线大量采用了局域网技术，如网关、网桥等 所以从这一点来说，现场总线是低带宽的计算机局域网,中国矿业大学 ,现场总线是一种数字通信协议,现场总线用于支持现场装置 实现传感、变送、调节、控制、监督以及各装置之间透明通信等功能的通信网络 保证网内设备间相互透明有序地传递信息和正确理解信息是它的主要任务,中国矿业大学 ,现场总线是一种数字通信协议,对现场总线的实质内容-通信协议便提出了如下要求： (1)通信介质的多样性 支持多种通信介质，以满足不同现场环境的要求 (2)实时性 信息的传输不允许有较大时延或时延的不确定性 (3)信息的完整性、精确性 要确保通信质量 (4)可靠性 具备抗各种干扰的能力和完善的检错、纠错能力 (5)可互操作性 不同制造商制造的现场仪表可在同一总线上互相通信和操作 (6)数字特征 数据在各设备间以及网络上以0或1的数字信息串行地进行传输,中国矿业大学 ,现场总线是开放式、数字化、多点通信的底层控制网络,现场总线是低带宽的底层控制网络 以此为纽带，进一步构造了新型的、开放的自动化系统 它可与因特网(Internet)以及企业内联网(Intranet)相连，且位于生产控制和网络结构的底层，因而又称之为底层网(Infranet，也称为基础网),中国矿业大学 ,现场总线是开放式、数字化、多点通信的底层控制网络,图2.1中的现场控制层网段有基金会现场总线低速部分网段H1、高速部分网段HSE、LonWorks现场总线等，它们都是底层控制网络 它们与工厂现场设备直接连接，一方面将现场测量控制设备互连为通信网络，实现不同网段、不同现场通信设备间的信息共享 同时又将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，并进一步实现与操作终端、上层控制管理网络的连接和信息共享 在把一个现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送往控制室的同时，又将各种控制、维护、组态命令，乃至现场设备的工作电源等送往各相关的现场设备，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系,中国矿业大学 ,现场总线网络集成自动化系统应该是开放的 它可以由不同设备制造商提供的遵从相同通信协议的各种测量控制设备共同组成 由于历史的原因，在几大现场总线协议尚未完全统一之前，有可能在一个企业内部，在现场级形成不同通信协议的多个网段（见图2.1），这些网段间可以通过网桥连接而互通信息 通过以太网或光纤通信网等与高速网段上的服务器、数据库、打印绘图外围设备等交换信息 设备与系统的安全运行 值得指出的是：现场总线网段与其它网段间实现信息交换，必须有严格的保安措施与权限限制，以保证设备与系统的安全运行,中国矿业大学 ,现场总线的产生及发展,现场总线的产生,1,几种流行的现场总线技术,2,现场总线的国际标准,3,现场总线的发展趋势,4,中国矿业大学 ,现场总线的产生,从模拟控制到数字集中控制 20世纪60年代，过程控制的体系结构是基于4-20mA的模拟标准信号，出现了模拟式电子仪表与电动单元组合的自动控制系统 后来到了20世纪70年代，人们在测量、模拟和逻辑控制领域率先使用了数字计算机，从而产生了集中式数字控制（又称直接数字控制， Direct Digital Control-DDC），简称集中控制 集中控制以一台控制器为中心，通过扩展的I/O接口实现各个传感器、执行器之间的通信 控制器最早采用个人计算机或通用的工业控制计算机，后来随着可编程序（逻辑）控制器（Programmable Logic Controller-PLC）、单片机的问世，也可用它们作为控制器 其扩展的I/O接口模板按不同的适用总线分成不同的系列，从最初的S-100总线，PC总线到后来被广泛采用的STD总线和Multibus等 集中控制在控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低、易受干扰的缺陷，提高了系统的抗干扰能力 它的主要缺点是对控制器要求很高，并且一旦控制器瘫痪，会导致整个系统不能工作,中国矿业大学 ,现场总线的产生,集散控制系统（Distributed Control System DCS） 又称为分散控制系统，最早出现于20世纪70年代后期，在20世纪80年代以后占据主导地位 其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，把上位机控制站用于集中监视管理，而把若干台下位机下放到现场实现分布式控制，上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递 因此，这种分布式的控制系统克服了集中控制对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷 但是，它也有自身难以克服的缺点： 首先，不同DCS制造商的控制通信网络采用各自专用的封闭形式，不同制造商的DCS之间以及与上层Intranet、Internet信息网络之间难以实现网络互连和信息共享 其次，DCS的控制站仍然是集中的，现场信号的检测、传输和控制还是采用4-20mA的模拟信号，并没有彻底做到分散控制、集中管理 最后，DCS采用的是普通商业网络的通信协议和网络结构，在解决工业控制系统的可靠性方面没有做出实质性的改进，布线复杂，费用高 因此总体来讲，DCS是一种封闭专用的、不具有可互操作性的、不彻底的分布式控制系统,中国矿业大学 ,现场总线的产生,现场总线技术的开发始于20世纪80年代 现场总线是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术的产物 它把微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，这一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制信息的内容、实现其远程传送创造了条件 在现场总线的环境下，借助现场总线网段以及与之有通信连接的其它网段，实现异地远程自动控制，如操作远在数十万米之外的电气开关等 现场总线设备与传统自控设备相比，拓宽了信息内容，提供传统仪表所不能提供的如阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更好、更深人地了解生产现场和自控设备的运行状态 如图2-2所示，对比集中控制、集散控制、现场总线控制的结构示意图可以看到，由于现场总线强调遵循公开统一的技术标准，因而有条件实现设备的互操作性和互换性 也就是说，用户可以把不同厂家、不同品牌的产品集成在同一个系统内，并可在同功能的产品之间进行相互替换，使用户具有了自控设备选择、集成的主动权,中国矿业大学 ,现场总线的产生,中国矿业大学 ,现场总线的产生,现场总线可采用多种途径传输数字信号，如用普通电缆、双绞线、光导纤维、红外线，甚至电力传输线等 一般在由两根普通导线制成的双绞线上，可挂接几十台自控设备，与传统的设备间一对一的接线方式相比，可节省大量线缆、槽架、连接件 同时由于所有的连线都变得简单明了，系统设计、安装、维护的工作量也随之大大减少 现场总线还支持总线供电，即两根导线在为多台自控设备传送数字信号的同时，还可为这些设备传送工作电源 可以看到，采用现场总线具有节省硬件投资、节省安装费用、节省维护开销的好处,中国矿业大学 ,现场总线的产生,现场总线作为通信网络，它所传输的是通断电源、开关阀门的指令与数据，直接关系到处于运行操作过程之中的设备、人身的安全 要求信号在有粉尘、噪声、潮湿、电磁干扰等较为恶劣的环境下能够准确、及时地发送和接收 同时还具有节点分散、报文简短等特征 以现场总线技术为基础构造的现场总线控制系统，在系统结构上发生了较大变化，其显著特征是通过网络信号的传送联络，可由单个节点或多个网络节点共同完成所要求的自动化功能,中国矿业大学 ,现场总线的产生,由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注 该项技术的开发，可带动工业控制、楼宇自动化、仪表制造、计算机软硬件等行业的产品更新换代,中国矿业大学 ,几种流行的现场总线技术,基金会现场总线（FF） 一个以 Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、Siemens等80家公司制订的可互操作系统协议（Interoperable System Protocol-ISP） 另一个以Honeywell公司为首，联合欧洲150家公司制订的World FTP 两大阵营于1994年合并，成立现场总线基金会 基金会现场总线（Foundation Fieldbus-FF）的体系结构参照 ISOOSI参考模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链路层和应用层，另外增加了用户层 FF分低速H1总线和高速HSE总线两种 H1为用于过程控制的低速总线，传输速率为31.25kbit/s，传输距离分别为200m、400m、1200m和1900m四种，可挂接232个节点。物理传输介质可支持双绞线、同轴电缆和光纤，协议符合IEC1158-2标准，可支持总线供电和本质安全防爆 高速HSE总线的传输速率可为100Mbit/s甚至更高，大量使用了以太网技术,中国矿业大学 ,几种流行的现场总线技术,过程现场总线(Profibus) 总线过程现场总线（Process Field Bus-Profibus）是作为德国国家标准和欧洲标准的现场总线标准 该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的 Profibus有三种类型： 即分散化的外围设备Profibus-DP（Decentralized Periphery） 现场总线报文规范Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification） 过程自动化Profibus PA（Process Automation） 它采用ISO/OSI参考模型的物理层、数据链路层 分散化的外围设备（DP）型隐去了第37层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口 现场总线报文规范（FMS）型则只隐去第36层，采用了应用层 过程自动化（PA）型的数据传输沿用Profibus-DP的协议，只是在应用层中增加了描述现场设备行为的行规 其最大传输速率为12Mbit/s，传输距离分别为100m和400m，传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个节点，可支持本质安全,中国矿业大学 ,几种流行的现场总线技术,局部操作网络(LonWorks) 局部操作网络（Local Operating Network）是由美国Echelon公司于1990年正式推出的 它采用ISO/OSI参考模型的全部七层协议和面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置 其最大传输速率为1.5Mbit/s，传输距离为2700m 传输介质可以是双绞线、光纤、同轴电缆、射频、红外线和电力线等，可支持总线供电和本质安全 总线采用的LonTalk协议被封装在称为Neuron芯片中，该芯片内含三个8位微处理器：一个负责介质访问控制，另一个负责网络处理，再一个负责应用处理 很多人把局部操作网络及其技术统称为 LonWorks技术,中国矿业大学 ,几种流行的现场总线技术,控制器局域网(CAN) 控制器局域网（Controller Area Network-CAN）最早是由德国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 CAN结构模型取ISO/OSI参考模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链路层和应用层 通信速率最高为1Mbit/s，通信距离最远为10,000m 物理传输介质可支持双绞线，最多可挂接110个节点，可支持本质安全 CAN采用短帧报文，抗干扰能力强、可靠性高 由于成本较低，CAN的应用范围非常广泛，从自动化电子领域的汽车发动机控制部件、传感器、刹车防滑系统到工业自动化、建筑物环境控制、机床、电梯控制、医疗设备等领域都得到了应用,中国矿业大学 ,几种流行的现场总线技术,设备网（DeviceNet） DeviceNet最早由罗克韦尔自动化（Rockwell Automation）公司于1994年提出 它是一种开放式的通信网络 它将工业设备如光电开关、操作员终端、电动机起动器、变频器和条形码读入器等连接到网络 这种网络虽然是工业控制的最底层网络，通信速率不高，传输数据量不大，但它采用了数据网络通信的新技术，如遵循控制及信息协议（CIP），具有低成本、高效率、高可靠性的特点 DeviceNet遵从ISO/OSI参考模型，它的网络结构分为三层，即物理层、数据链路层和应用层，物理层下面还定义了传输介质 其中物理层和数据链路层均采用CAN的协议 传输介质可支持双绞线，最多可挂接64个节点 三种可选数据传输速率，125kbit/s、250kbit/s和500kbit/s，分别对应的传输距离是500m、250m和100m 支持设备的热插拔，可带电更换网络节点 符合本质安全要求,中国矿业大学 ,几种流行的现场总线技术,控制网（ControlNet） ControlNet最早由罗克韦尔自动化公司于1995年提出 它是一种高速、高确定性和可重复性的网络，特别适用于对时间有苛刻要求的复杂应用场合的信息传输 ControlNet将总线上传输的信息分为两类： 一类是对时间有苛刻要求的控制信息和I/O数据，它拥有最高的优先权，以保证不受其它信息的干扰，并具有确定性和可重复性 第二类是无时间苛求的信息，如上下载程序、设备组态、诊断信息等 ControlNet采用ISO/OSI参考模型的物理层、数据链路层及应用层 ControlNet只支持一种通信速率，即5Mbit/s 支持的传输介质为屏蔽双绞线、同轴电缆或光纤 支持本质安全,中国矿业大学 ,几种流行现场总线对比,中国矿业大学 ,现场总线的国际标准,目前国际上公认的现场总线可以归类为三个标准族： 一个是用于工业控制系统的IEC61158标准 另一个是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 还有一个是用于道路车辆数字信息交换的现场总线标准ISO11898,中国矿业大学 ,现场总线的发展趋势,现场总线发展中的几种现象 多种总线共存 每种总线都力图拓展其应用领域，以扩张其势力范围 大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中扩大影响，以取得更多方面的支持，同时也想显示出其技术是开放的 每种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关 大多数设备制造商都积极参加不止一个总线组织，有些公司甚至参加24个总线组织 在激烈的竞争中出现了协调共存的前景 以太网的引人成为新的热点,中国矿业大学 ,现场总线的发展趋势,随着现场总线的思想日益深入人心，以及基于现场总线的产品和应用的不断增多，这种新一代控制系统的体系结构日益清晰，具体表现在如下几个方面： 首先，现场总线控制系统是全面数字化、网络化的控制系统 体现在位于现场的传感器/执行器一级也全部实现数字化、智能化 其次，现场总线控制系统的网络结构向简单的方向发展 早期的计算机网络模型由七层组成，现在罗克韦尔自动化公司提出了三层结构的自动化系统，Fisher-Rosemount公司提出了两层结构的自动化系统，还有公司甚至提出一层结构，即由以太网一通到底 目前比较达成共识的是三层设备、两层网络的3+2结构 三层设备是位于底层的现场设备，如传感器/执行器，以及各种分布式I/O设备等；位于中间的控制设备，如PLC、工业控制计算机、专用控制器等；位于上层的是操作设备，如操作站、工程师站、数据服务器、一般工作站等。两层网络是现场设备与控制设备之间的控制网络，以及控制设备与操作设备之间的管理网。 最后，现场总线控制系统大量采用成熟的、开放的、通用的技术 如在管理网的通信