主要现场总线简介.ppt

主要现场总线 与现场总线控制系统,王 平 重庆邮电大学自动化学院,主要内容,现场总线的产生与发展过程 主要的现场总线及其系统 用户在现场总线选型时的考虑,第一部分,现场总线的产生与发展现状,现场总线技术产生的背景,现场总线技术产生于二十世纪八十年代 是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求 开放性 通用性 可靠性 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础,近年来成为控制领域的研究热点,现场总线技术开发之热是近年之举 信息时代各项技术发展对测控系统提出的要求 计算机技术 网络与通信技术 自动控制技术 信息（IT）技术 网络化、信息化给自控技术的发展提供的机遇 各国投入巨额资金与人力在开发这一技术，形成了企业、国家、国际标准 欧洲、北美、亚洲、中国,现场总线标准各种各样,由于刚开始没有一个统一的国际标准，各企业和企业集团相继开发自己的总线产品，制定现场总线标准，形成了百花齐放的现状 据不完全统计，目前市场上形形式式的现场总线有200多种 号称为开放标准的也有二、三十种 现场总线国际标准IEC61158包含了八种类型，据说可能还要增加到十二种类型,现场总线国际组织的演变历史,ISA（自1984年）,IEC（自1985年）,ISP 基金会 （1992）,现场总线 基金会（FF） （1994）,WorldFIP 北美（1993）,SP-50,IEC 61158,法国（1987年）,德国（1986年）,Profibus,FIP,Rosemount 、 Siemens等公司,基于Profibus,Honeywell 、 Bailey等公司,基于FIP,现场总线的发展中充满了竞争,现场总线的发展过程中充满了竞争 经济因素：每种总线都有一个或多个公司且多是大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关 原先投入较大的现场总线技术不甘轻言放弃 政治因素：总线之间的竞争还涉及国家、地区间的竞争 1998年前，现场总线以制定单一国际标准为目的 FF成为最有可能成为国际标准的总线 FF成为国际标准的努力受到多方阻力 最后通过妥协，现场总线技术出现了协调共存、共同发展的局面,市场上主要的现场总线标准,P-Net Profibus WorldFIP Foundation Fieldbus（包括HSE） ControlNet Interbus SwiftNet AS-I CC-Link 还有HART、LonWorks、Modbus.,主要的现场总线比较,开关量信号,各种现场总线的应用领域,数据来自美国VDC公司所作调查,各类现场总线的市场占有情况,第二部分,主流现场总线技术 与现场总线系统简介,ISO/OSI参考模型,传输介质,HART协议：Highway Addressable Remote Transducer（可寻址远程传感器数据公路），是由Rosemount公司提出的用于现场智能仪表和控制室设备间通讯的一个过渡性协议。 HART通讯协议参照ISO/OSI的模型标准，简化并引用其中的1，2，7三层制定而成，即：物理层、数据链路层和应用层。 HART协议由于兼有模拟（420mA）和数字两家之长，目前成为智能仪表“事实上”的标准 HART不是现场总线的国际标准，但却是从模拟控制系统向标准的现场总线过渡的一块踏脚石。 专家们预计，HART在国际上的使用寿命为1520年，在国内由于客观条件所限，这个时间会更长一些,HART协议,HART协议物理层,采用了Bell202标准的FSK频移键控技术。 实现了420mA模拟信号与数字通信的兼容。 单台设备通信距离3000m，多台设备互联通信距离1500 m。,HART通信与应用命令,通信方式 主从模式 突发模式 应用层命令 通用命令：对所有符合HART协议的现场设备都适用的命令，包括量程、变量、单位等的读操作 普通应用命令：适用于大部分符合HART协议的产品，但不同公司的HART产品可能会有少量区别，如写主变量单位，微调DA的零点和增益等。 特殊命令：仅适用于某种具体的现场设备。这是各家公司的产品自己所特有的命令，不互相兼容，如特征化，微调传感头校正等。,IEC现场总线（IEC61158）,通信参考模型 协议数据与信息编码 所支持的通信模式：客户/服务器；发布/预定接收；报告分发； 星型或总线型拓扑 铜质线缆，光纤 可寻址的最大节点数 232/段；216/网络 可挂接的最大节点数 32/段，216/网络 最大距离：31.25Kbps时1900米；1M750米，2.5M500米,FF H1,通信参考模型 协议数据与信息编码 客户/服务器（参数设置）；发布/预定接收（刷新功能块输入输出）；报告分发（发布报警状态、历史趋势数据）； 星型或总线型拓扑 双绞线，光纤 可寻址的最大接点数：240/段；240段/网络 可挂接的最大节点数 32/段；16/段（总线供电）；6/段（本安） 最大距离：31.25Kbps时1900米；可接4个中继器,关于FF H1的容错能力,DCS 和 FCS 中，操作站、电源都是冗余的。它们的不同在于控制、I/O 和电缆。 “一条连接16台设备的总线电缆断开了，会怎样？”,FF高速以太网HSE,充分利用低成本的商业以太网技术，如100M、1Gbit/s技术。 支持所有H1的功能，如功能块、设备描述等 支持H1设备与以太网设备通过链接设备进行连接 链接设备可与H1设备点对点通信，H1设备之间也可通过链接设备通信。,FF系统网络拓朴结构,HART协议与FF协议比较,FF协议所需的技术已经成熟，但协议标准尚未统一。 目前FF产品价格令人难以接受，而HART产品已与非智能仪表相近。 HART协议是智能仪表通信的事实上的工业标准，得到许多大公司支持，其产品已得到大量使用。 HART协议具有FF协议几乎所有优点。 HART协议仪表与420mA标准兼容，便于技术改造。 HART协议产品转变为FF协议产品非常方便，可以把HART协议技术看作是FF协议的技术储备。 据专家估计，今后十年是HART产品的黄金期。,Profibus现场总线,1984年推出 Profibus:是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准，IEC61158类型3。 主要技术支持厂家：Siemens公司，EH公司，Samson公司，Softing公司 Profibus用户组织为PNO，拥有600多个成员，近二千种产品,Profibus三种基本类型,Profibus-DP/FMS/PA ProfiNet,Profibus网络,Profibus-DP（Decentralized Periphery） 专门设计为自动控制系统和设备级分散的I/O之间进行通信使用 使用Profibus-DP模块可取代24伏或420毫安的串联式信号传输 直接数据链路映像（DDLM）提供的用户接口，使得对数据链路层的存取变得简单方便 传输可使用RS485传输技术或光纤媒体r。,ProfibusDP,Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification） 用来解决车间级通用性通信任务。 与LLI（Lower Layer Interface）构成应用层， FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务，LLI协调了不同的通信关系并向FMS提供不依赖设备访问数据链路层 Profibus-FMS可使用RS485和光纤传输技术。,Profibus-FMS,Profibus-PA（Process Automation） 是专为过程自动化而设计的 它可使传感器和执行器接在一根共用的总线上，可应用于本质安全领域 根据IEC611582国际标准，Profibus-PA可用双电缆总线供电技术进行数据通信， 数据传输采用扩展的Profibus-DP协议和描述现场设备的PA行规， 使用电缆耦合器，Profibus-PA装置能很方便的连接到Profibus-DP网络。,Profibus-PA,Profibus-PA网络,ProfiNet,PROFInet数据通信,DCOM机制（通过TCP） DCOM的传输是由事件驱动的，较低的那些层提供连接的安全性。 以太网上的实时通信 按照UDP/IP，生产数据应采用（在动态资源的开销方面）尽可能小的协议传输。所要求的传输确定性是可调的并且在运行期必须监视其确定性。该解决方案可用标准的网络部件实现。,ProfiNet,PROFInet为这些应用提供了两种集成方案。 使现有的装备具备PROFInet能力 通过代理服务器,Profibus通信方式,PROFIBUS的通信为主从式。 主站决定了总线的数据通信，当主站获得总线控制权（令牌）时，可以主动发送信息，而不必有外界的请求。从站无总线控制权，仅能对接收的信息进行确认或在主站发出请求后向主站发送 主站间的通信采用逻辑令牌控制方式 所有的主站构成一个逻辑令牌环，令牌传递程序保证每个主站在确定的时间得到总线存取权（令牌），以确保在任何时刻只有一个站点发送数据,Profibus通信方式,令牌是一种实报文（实令牌） 。 令牌环是所有主站的组织链，按照主站的地址构成逻辑环，令牌在规定的时间按地址的升序依次在各主站间传递， 令牌循环一周的时间事先规定，各主站持有令牌的时间取决于令牌配置的循环时间。 主从站间采用主从通信方式。拥有令牌的主站可与从站通信，向从站发送或索取信息。,ControlNet,概况 ControlNet最早由Rockwell公司于1995年10月提出。 Rockwell公司等22家企业于1997年7月联合发起成立了ControlNet International组织。 Rockwell自动化系统的三层控制层网络。 信息层（Ethernet以太网） 控制层（ControlNet控制网） 设备层（DeviceNet设备网,DeviceNet-ControlNet-Ethernet结构,ControlNet主要应用领域,对于要求确定性、可重复性、产生并传输大量I/O数据、由控制器到DCS通信、连接多控制器和多人机界面的网络可提供满意的效果。 汽车传输线、涂装流水线、装配线 水/废水处理 食品处理 制药,ControlNet的技术特色,生产者/使用者型通信模式 通过标识符辨认是否要接受某个报文(无地址) 多个用户可同时使用某个节点产生的同一数据 节点可产生多个数据组(各自具有自己的标识符) 减少通信流量, 数据可同时到达各节点 I/O触发机制 传统的轮询机制: 重复数据,浪费网络带宽 状态改变触发:只当数据变化时节点才产生数据 它可有效地减少网络负荷 可按用户指定的速度周期性地产生数据,如按合适的PID控制周期采样,DeviceNet,概况 开发商：Rockwell集团的AB公司 DeviceNet可以用来连接低级工业设备（如传感器，变送器或电机等）和高级工业设备（如PLC和工业计算机）。 DeviceNet 的低层使用的是CAN总线规范。,DeviceNet特点,可互操作性较好 响应时间较快 可灵活的增加和移去设备而不必停机 提供主从对等方式 故障显示（LEDs） 可以通过网关和以太网、ControlNet等相连 支持总线供电、从节点对从节点的直接传输 不支持本质安全、时间同步、介质冗余,CAN总线,CAN总线是德国BOSCH公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议, 是交通运载工具电气系统中应用较广的总线 现在向过程工业，机械工业，机器人，数控机床，传感器等方面发展。 1993年11月，ISO正式颁布CAN为国际标准ISO11898。 支持CAN协议的公司有Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、Honeywell等公司,CAN总线技术特点,传输速率： 可达到1Mbps/40m 支持的介质：铜线，光纤 最大长度/段： 10千米/5kbps 媒体访问控制方式：CSMA/冲突按优先权解决 可寻址的最大节点数：211 可挂接的最大节点数：110 不支持本质安全、总线供电,P-NET,1983年由丹麦的PROCES-DATA A/S公司推出 1990年，国际P-NET用户组织（the International P-NET User Organization）成立 欧洲标准（EN50170 Vol.1）、IEC61158 的八种总线之一,P-NET网络层次,物理层 P-NET规范采用三种标准：RS485、RS232、IS16 总线长度：最大1200m（EIA RS485） 现场设备数目：125个设备 波特率：76.8kbit/s 供电方式：总线供电 数据链路层 通信模式：基于时间的虚拟令牌传递 通讯方式：主从式，多主式 数据包大小：可变 网络层 服务层 应用层,P-NET主要特点,P-NET总线访问采用虚拟令牌传递方式，总线访问权通过虚拟令牌在主站之间循环传递，整个过程由一种基于时间的循环机制完成，通过主站中的访问计数器和空闲总线位周期定时器来确定令牌的持有者和持有时间 P-NET将信息处理分散化，减少较高层的数据传输，采用同一速率来完成整个控制系统的各个层面的通讯，P-NET允许在几个总线段直接寻址；为多网络结构，具有良好的可扩展性。,P-NET现场总线的多网络结构,P-NET多网络结构,P-NET应用,应用范围： 从只有几个I/O节点的简单安装到有几千个I/O节点的复杂系统。 应用场合： 奶制品厂、啤酒厂、农业环境控制、动物饲养系统、沥青和水泥生产、纺织工业、奶制品/油/化肥运输、质量控制系统、发电厂、太阳能电站、塑料成型、船舶发动机控制、油罐管理/报警系统、数据测量、供水系统、楼宇自动化、燃料管理系统。,WorldFIP,概况 1987年3月成立，前身为法国标准FIP。 1994年6月，WorldFIP北美部分与ISP协议合并成为FF，欧洲部分仍保持独立。 支持公司：Alstom、 Honeywell等 网络与协议 物理层、数据链路层、应用层三层结构。 曼彻斯特编码、传输速率31.25bps传输速率31.25K到2.5M。 屏蔽双绞线、光纤传输。,WorldFIP特点与应用,特点 适合工业过程控制 符合电磁兼容性的EMC标准，抗干扰能力强 通讯方式与FF及IEC标准完全一致，容易转化 应用领域 发电与输配电 公共建筑 机车、地铁、铁路运输 化工、汽车制造 典型应用： 上海地铁三号线装备有WorldFIP网络的28列6箱客车。,INTERBUS,1984年德国的Phoenix Contact推出 组织：Interbus club 551家成员 标准： 德国 DIN19258 欧洲 EN50253 国际标准 IEC61158 特点 由一大批独立的供应商支持，提供中立和独立的解决方案，用户的选择面较大，较灵活,INTERBUS技术特点,网络特点 远程网络 最长1300英尺 远程网不供电 电平标准RS-485 全双工、波特率500K/s 本地网络 网络上的总线终端BK模块负责将远程网络数据转换为本地网络数据 BK模块给内部的I/O模块电路供电,INTERBUS主要应用,种类 汽车工业 过程工业 食品工业 造纸工业 应用量 全世界共有330,000个应用上共安装了350万个Interbus装置,SwiftNet,概况 1996年SHIPSTAR 公司应Boeing公司要求，研究适用于飞行测试和飞行器模拟控制的现场总线。对DeviceNet、 Foundation、PROFIBUS-DP、WorldFIP四种现场总线进行最终性能测试后发现它们的总体性能仍无法满足要求。1998年，产生SwiftNet。 是一个真正同步、高速数据总线 采用了TDMA（时分多路总线协议），其扫描频率可达85K/秒，将总线上所有节点的局域时间锁定，以实现报警同步，并可杜绝差拍所引起的伪信号，也将有效减少随机因素对总线的影响。,SwiftNet网络特点,网络容量 可使增至30，000，000节点和100，000，000变量的多桥网络同步。各节点之间的时间差仅为50 微秒。 应用协议 SwiftNet 支持应用数据包的范围可从64896字节，且数据包的大小并不影响数据传输速度。 同步 SwiftNet同步机制不受软件影响，有效消除了网络滞后对设备运转、数据传输和事件响应的影响，并有助于补偿非实时系统，如Windows NT。 低成本,SwiftNet主要应用领域,飞行测试、飞行模拟、飞行通讯 直接数字控制 复杂机械或系统控制 采油平台、油井和油田 勘测、海下作业、采矿业 办公自动化 教育系统 交通系统,LonWorks,1990年由美国Echelon公司推出，得到Motorola、Toshiba公司的支持 网络层次与协议特点 采用ISO/OSI模型的全部七层通信协议 通信速率：300bps1.5Mbps，通信距离达2700m 传输媒体可以为双绞线、光纤、射频、红外线、电力线,LonWorks技术特点,技术开发特点 采用LonTalk协议，封装于Neuron（神经元）芯片中 鼓励OEM开发方式 面向对象的