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网络化控制系统 现场总线技术之 第1章 现场总线技术概述,清华大学自动化系 阳宪惠,现场总线技术简介,现场总线与控制网络 控制网络与计算机网络 数据通信 网络化控制 全分布式控制系统 控制系统对控制网络的要求 控制网络在企业网络系统中的地位与作用 控制网络与上层网络的连接方式,主要内容,现场总线技术简介,现场总线技术是近年来在自控领域发展形成的新技术 是计算机网络、通信技术与自控技术结合的产物 它适应了企业信息集成、管理控制一体化的发展需求 是IT技术在自控领域延伸的产物（自控领域的IT技术） 现场总线系统是 工业数据通信系统； 生产现场的网络系统； 网络集成式控制系统。 本课程讲述 数据通信与控制网络的基础知识 多种总线的技术特点、通信与网络规范、通信控制器、通信接口 控制网络的设计与应用等,现场总线技术是 工业数据通信与控制网络领域的技术综称,现场总线原本指生产现场各控制设备之间的通信传输线 在技术发展初期现场总线其被定义为 应用于生产现场，在现场控制设备之间、现场控制设备与监控装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术 随着网络化控制系统的技术发展，现场总线成为工业数据通信与控制网络技术的代名词,工业数据通信 在各功能单元之间、在测量、控制设备之间、控制设备与与监控计算机之间传递数据信息 多个工业控制设备之间二进制数据的交换过程 区别于电话、电报通信，也有别于计算机通信 工业数据通信的内容 生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置 开关状态、报警状态 设备的资源信息与维护信息、零点量程调校信息 系统组态、参数修改信息等,控制网络,由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点而形成的网络 以现场总线作为通信连接纽带的网络系统与控制系统 完成测量控制任务 控制网络是一类特殊网络 广泛应用于离散、连续制造业，交通、楼宇、家电、以至农、林、牧、渔等各行各业。,示例,网络结构 一对导线上挂接多个传感器、执行器、开关、按钮，控制设备，总线是现场设备之间数字信号的传输介质，是数字信息的公共传输通道 按网络连接方式构建数据通道，形成数据通信网络，实现数字信号的串行传输， 传统测量控制系统在设备间一对一连线，点到点布线传送模拟信号 网络规模。 三、两个数据节点的简单系统 成千上万台设备的复杂网络 一个汽车组装生产线可能有多达25万个I/O点 石油炼制过程的一个普通装置也会有上千台测量控制设备,控制网络与计算机网络的区别,网络节点 计算机网络：计算机、工作站、打印机、显示终端 控制网络：除了以上设备之外，还有PLC、数字调节器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内嵌有CPU、单片机或其它专用芯片的设备，或功能简单的非智能设备 工作环境 计算机网络：办公室 控制网络：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供电的需求,任务 计算机网络：传输文件、图象、话音等 通常情况下有人参与 控制网络：传输工业数据（图象），承担自动测控任务 通常情况下要求自动完成 特点 实时性 可靠性的要求高 数据帧包含的字节数少,生产现场的网络系统,网络化连接 传统控制系统的一对一连接 网络化连接,网络化控制系统 Network-based control system,全分布式网络化控制系统,网络化控制系统的特点,结构上形成设备的网络式连接 节省大量线缆、槽架、连接件； 连线设计与接头校对的工作量也大大减少 增加现场控制设备无需增设新的电缆 实现了工业数据的网络式远程传输与集中管理，扩大了操作人员的视野，为远程监视与操作提供了基础条件 无人值守机站 将控制功能模块置入现场设备，实现了全分布式控制系统 支持总线供电 为自动化系统与其它信息系统的沟通，为实现企业的管理控制一体化创造了条件,网络集成式控制系统,扩大了操作视野,传统 4-20 mA 只能看到 I/O 子系统,现场总线 视野可以扩展到现场仪表,控制器,控制系统网络,现场总线,远程输入/输出,子系统,控制器,控制系统网络,控制系统网络化连接引发的问题,网络成为控制系统不可缺少的组成部分 网络是控制系统各组成部件之间信息传递通道 网络通信存在不确定性 数据包的传输延迟 通信系统的瞬时错误造成的数据包丢失 发送与到达次序的不一致 网络通信的不确定性会使控制系统的性能受到负面影响 通信传输迟延有可能为控制系统增添迟延环节 不确定性使得控制系统的分析和综合变得更加复杂 网络应满足控制系统对通信实时性、确定性的相关要求 成为现场总线系统在设计和运行中应关注的重要问题,控制系统对网络的要求,开放性、互可操作性、通信的实时性、对环境的适应性 开放性：通信协议公开，能与任一遵守相同标准的其它厂商设备互连为系统 互可操作性： 互连设备间的信息传送与沟通； 互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换 通信的实时性：具有严格的时序和定时要求 达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的动作时序，甚至会造成灾难性的后果。 环境适应性 在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下能正常工作，能抗震动、抗电磁干扰、在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力支持总线供电等,传感器总线、设备总线和现场总线,传感器总线属于位(Bit)级总线，其通信帧的长度只有几个数据位或十几位 如ASI（Actuator Sensor Interface）总线 设备总线属于字节(Byte)级总线，其通信帧的长度一般为几个到几十个字节 如CAN（Control Area Network）总线 现场总线则属于块(Block)级的总线,其通信帧的长度可达到几百个字节，当要传输的数据块再长时，可支持分包传送。 如Foundation Fieldbus、Controlnet、Profibus 传感器总线、设备总线可统称为现场总线,早期的现场总线技术,Senseplex 最初用于德国科隆福特汽车公司机器人的焊接臂上。工作环境靠近电磁场,抗噪声、抗电磁干扰方面的能力很强，在上述恶劣环境中的工作状态良好 Senseplex系统采用主从结构； 连接采用75欧姆同轴电缆； 使用FSK频移键控调制信号； 采用总线拓扑，支持总线供电和本质安全; 节点总数为32/64/120个 每个节点的数据输入、输出位均为8位。 主节点与最远从节点之间的距离为200米，使用中继器可使该距离增加至400米。 传输速度为187K,P-Net 用于动物饲养系统，奶制品厂，啤酒厂，农业环境控制等 可以形成网络结构较为复杂的系统 EIA-485标准，屏蔽双铰线 传输速率为76.8Kbps 最大传输距离为1200m 每段最多可以连接125个设备。 每帧数据为56位当数据大于56位时 P-Net采用分段结构的多主网络系统,网络中可以连接多至32个主节点。,P-Net多主网络系统,早期的现场总线技术已相对完善 主要技术参数可与现今的系统媲美 系统封闭是早期现场总线技术的最大弊端 通信协议不公开 自成一体的信息孤岛 不同供应商的产品之间难于互连与互操作 通信的开放性、一致性是近年来现场总线技术发展的重要关注点,现场总线的技术发展与标准化,现场总线的百花齐放与兴盛发展 各种总线一百多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种 欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究开发 形成了各式各样的企业、国家、地区、及国际现场总线标准 现场总线组织 现场总线基金会（Fieldbus Foundation） LonMark协会, Profibus协会， 工业以太网协会IEA（ Industrial Ethernet Association）， 工业自动化开放网络联盟IAONA（ Industrial Automation Open Network Alliance） Society of Automotive Engineers Inc.（SAE）,现场总线国际标准化组织及标准化进程 IEC/TC65 负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作 于1984年就开始着手总线标准的制定，致力于推出世界上单一的现场总线标准，于1993年制定了IEC61158-2 历经波及全球的现场总线标准大战，16年的艰难历程后，于2000年初宣布8种现场总线共同构成IEC现场总线国际标准子集 IEC 61158；ControlNet；Profibus；P-Net；High Speed Ethernet；Newcomer SwiftNet；WorldFIP；Interbus-S 以后该标准又增加为10种，13种 实时以太网在没有形成正式标准之前以有14个子集,IEC/17B 负责制定低压开关装置与控制装置用控制设备之间的接口标准 已通过的标准IEC62026，包括 第2部分ASI 第3部分 DeviceNet； 第4部分智能分布式系统SDS（Smart Distributed System）; 第5部分Senseplex ISO 最早成为现场总线国际标准的CAN（ISO11898） 其它有实力、有发展前景的控制网络技术 LonWorks; HART；Modbus；CC-Link;蓝牙无线；Zigbee；消费电子总线;光总线等 每种总线技术都具有自己的特点与优势 多种总线并存为用户带来了诸多不便，但却促成了控制网络技术的多姿多彩,控制网络在企业网络系统中的地位与作用,企业网络系统的层次结构 Internet-Intranet-Infranet的网络结构 功能层次。 企业资源规划层ERP（Enterprise Resource Planning） 制造执行层MES（Manufacturing Execution System） 现场控制层FCS（Field Control System） 信息类型：运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点量程调校信息等。,企业网络系统的层次结构,现场控制层面临的问题,控制网络种类繁多，形形色色的现场总线再加上DCS、PLC、SCADA等 网络内部的通信一致性差，个异性强 控制网络与信息网络存在较大差异 通信协议，网络节点类型等有较大差异 控制网络与信息网络实现信息交换有难