《现场总线技术综述》PPT课件.ppt

现场总线技术综述,现场总线（Fieldbus）:是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。,企业资源规划层 制造执行层 过程控制层,一、企业网络信息集成系统,一、企业网络信息集成系统,系统设备室,监控室,厂房,在家或 在路上,办公室,（图1-2）,现场总线与上层网络的互联,采用专用网关 将现场总线网卡和以太网卡置入同一台PC WEB服务器置入PLC或现场控制设备内,现场总线与局域网的区别,现场总线主要用于对生产、生活设备的控制；一般局域网用于办公、多媒体通信 不同技术特点：控制网，高度实时性、安全性、可靠性，数据传输量小；局域网相反 现场总线为全数字通信，具有开放式、全分布、互操作等特点 具有越来越紧密联系,80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点：具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色,二、现场总线的技术特点,一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS现场总 线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一 代，把420mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集 中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统 DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方 面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标 准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集 中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功 能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系 统最显著的特征。,现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段 后，尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统 一的国际标准。其中有较强实力和影响的有:Foundation Fieldbus（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、 Dupline等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了 自己的优势。本课程将在简要描述现场总线技术特点的基 础，紧扣系统的可靠性、实用性等，介绍现场总线网络结构、 体系结构等关键技术及目前较为流行的几种有实力的现场总 线技术的现状。,1、系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不 同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开 发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这 里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共 识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其 它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统 必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用 户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小 随意的系统。 2、互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实 现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点， 一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的 性能类似的设备可进行互换而实现互用。,3、现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、 补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完 成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时 诊断设备的运行状态。 4、系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完 成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分 布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与 分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了 可靠性。 5、对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为 工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计 的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电 力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与 通信，并可满足本质安全防爆要求等。,现场总线的优点,由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的 简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其 检修维护，都体现出优越性。 1、节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在 设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计 算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制 器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、 隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为 操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减 少，还可减少控制室的占地面积。,2、节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由 于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、 端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的 工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设 新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也 减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资 料，可节约安装费用60%以上。 3、节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简 单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关诊断维护信息送 往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息， 以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间， 同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。,4、用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选 择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品 牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不 兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权 完全掌握在用户手中。 5、提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备 的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测 量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结 构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强：减少了 信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它 的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重 构等优点。,回顾,现场总线？ Fieldbus 是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。 企业网络信息集成系统 企业资源规划层、制造执行层、过程控制层 现场总线与局域网的区别 1、应用环境不同2、不同技术特点 现场总线与上层网络的互联 1、2、3、,回顾,80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。 第五代控制系统（1、2、3、4、5） 现场总线技术特点 1、系统的开放性2、互可操作性与互用性3、现场设备的智能化与功能自治性4、系统结构的高度分散性5、对现场环境的适应性 优点： 1、节省硬件数量与投资2、节省安装费用3、节省维护开销4、用户具有高度的系统集成主动权5、提高了系统的准确性与可靠性,三、现场总线网络的实现,现场总线的基础是数字通信，通信则必须有协议，从这个意义上说，现场总线就是一个定义了硬件借口和通信协议的标准。 ISO OSI：7层 现场总线多数采用了1、2、7层，并增设用户层。,现场总线网络的实现,1、物理层：定义信号的编码与传送方式、传送介质、接口的电气及机械特性、信号传输速率等。 2、数据链路层：加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络上层显现出一条无错线路。 3、应用层： 为用户应用提供接口，功能是进行现场设备数据的传送及现场总线变量的访问。 4、用户层：定义了从现场装置中读、写信息和向网络中其他装置分派信息的方法 ，即规定了供用户组态的标准“功能模块”（特性描述、参数设定、相互连接的方法一致）。,四、现场总线的现状,1、多种总线共存 现场总线国际标准IEC61158中采用了8种类型： FF的H1； ControlNet; ProfiBus; P-Net; FF的HSE; SwiftNet; WorldFIP; INTERBUS,四、现场总线的现状,市场还有其他一些现场总线。 据统计世界市场对各种现场总线的需求的实际额为：过程自动化15%（FF、PROFIBUS-PA、WorldFIP），医药领域18% （FF、PROFIBUS-PA、WorldFIP），加工制造15%，交通运输15%（PROFIBUS-DP、 DeviceNet） ，航空、国防34%（PROFIBUS-FMS、 LonWorks、 DeviceNet 、ControlNet ） ，农业（未统计，P-NET、CAN、PROFIBUS-PA/DP、DeviceNet、ControlNet），楼宇（未统计，LonWorks 、PROFIBUS-PA/DP、DeviceNet）,2、各种总线各有其应用领域 3、各种总线各有其国际组织 4、每种总线均有其支持背景 5、设备制造商参加多个总线组织 6、多种总线均作为国家和地区标准 7、协调共存 8、工业以太网引入工业领域,五、现场总线技术展望与发展趋势,1、发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的 焦点课题，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破 了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程 。 2、具有发展前景的现场总线技术有： 智能仪表与网络设备开发的软硬件技术 ; 组态技术，包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等; 网络管理技术（网络管理软件、网络数据操作与传输） ; 人机接口、软件技术; 现场总线系统集成技术 。,3、自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向 前，这一发展趋势是肯定的。 4、在从现在起的未来 10年内，可能出现几大总线标准 共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通 过路由网关互连实现信息共享的局面。 5、在连续过程自动化领域内，今后10年内，FF、PROFIBUS-PA总线将成为主流发展趋势，LonWorks将成为有力的竞争对手，HART作为过渡性产品也能有一定的市场。这3种技术是从这一领域的工业需求出发，其用户层的各种功能是专业连续过程设计的，而且充分考虑到连续工业的使用环境，如支持总线供电，可满足本质安全防爆要求等。,四、典型现场总线简介,1、基金会现场总线 基金会现场总线，即FoudationFieldbus,简称FF，这是在 过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其 前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、 横河、ABB、西门子等80家公司制订ISP协议和以Honeywell 公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议。 屈于用户的压力，这两大集团于1994年9月合并，成立了现场 总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以 ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路 层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了 用户层。,基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1 的传输速率为 31.25Kbps,通信距离可达 1900m (可加中继器 延长),可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输 速率为 1Mbps和 2.5Mbps两种，其通信距离为750m和 500m。物理传输介质可支持比绞线、光缆和无线发射，协 议符合IEC1158-2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯 特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变，或是负跳 变。正跳变代表0，负跳变代表1，从而使串行数据位流中具 有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。接收方既 可根据跳变的极性来判断数据的“1”、“0”状态，也可根据数 据的中心位置精确定位。,为满足用户需要，Honeywell、Ronan等公司已开发出 可完成物理层和部分数据链路层协议的专用芯片，许多仪表 公司已开发出符合FF协议的产品，1总线已通过测试和 测试，完成了由 13个不同厂商提供设备而组成的FF现场总 线工厂试验系统。2总线标准也已经形成。 1996年10月，在芝加哥举行的ISA96展览会上，由现场 总线基金会组织实施，向世界展示了来自40多家厂商的70多 种符合FF协议的产品，并将这些分布在不同楼层展览大厅不 同展台上的FF展品，用醒目的橙红色电缆，互连为七段现场 总线演示系统，各展台现场设备之间可实地进行现场互操 作，展现了基金会现场总线的成就与技术实力。,2、CAN CAN是控制网络ControlAreaNetwork的简称，最早由德 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。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际 标准，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等 公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。 CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型 基础上的，不过，其模型结构只有3层，只取OSI底层的物理 层、数据链路层和顶上层的应用层。其信号传输介质为双绞 线，通信速率最高可达 1Mbps/40m，直接传输距离最远可 达 1 0km/5kbps，可挂接设备最多可达 110个。,CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为 8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误 时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总 线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。 CAN支持多主方式工作，网络上任何节点均在任意时刻 主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局 广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个 节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输 数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线 冲突。 已有多家公司开发生产了符合CAN协议的通信芯片，如 Intel公司的 82 52 7，Motorola公司MC68HC908AZ60Z，Philips公司的 SJA1000等。还有插在PC机上的CAN总线接口卡，具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。,3、DeviceNet,Devicenet是90年代中期发展起来的一种基于CAN（Controller Area Network）技术的通信网络，最初由美国Rockwell公司开发应用。 Devicenet是一种低成本的通讯总线。它将工业设备（如：限位开关，光电传感器，阀组，马达启动器，过程传感器，条形码读取器，变频驱动器，面板显示器和操作员接口）连接到网络，从而消除了昂贵的 硬接线成本。直接互连性改善了设备间的通讯，并同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。,DeviceNet,Devicenet是一个开放的网络标准。规范和协议都是开放的，供货商将设备连接到系统时，无需为硬件，软件或授权付费。任何对DeviceNet技术感兴趣的组织或个人都可以从开放式DeciceNet供货商协会（ODVA）获得DeviceNet规范，并可以加入ODVA，参加对DeviceNet规范进行增补的技术工作组。 Devicenet的许多特性沿袭于CAN,4、Lon Works LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是 由美国Ecelon公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同 倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型 的全部七层通讯协议，采用了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，通讯速率从300bps 至1.5Mbps不等，直接通信距离可达到2700m（78kbps，双 绞线），支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电 源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为 通用控制网络。,LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为 Neuron的芯片中并得以实现。集成芯片中有3个8位CPU； 一个用于完成开放互连模型中第 1 2层的功能，称为媒体 访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理 ;第二个用于 完成第36层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理 的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量、网 络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等;第三个是应用 处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储 信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲 区和应用缓冲区。如Motorola公司生产的神经元集成芯片 MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM。,LonWorks技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本（每片价格约 59美元)，而芯片的低成本又返过来促进了LonWorks技术的推广应， 形成了良好循环，据Ecelon公司的有关资料，到1996年7月，已生产出 500万片神经元芯片。 LonWorks公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonWorks技术 和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有2600多家公司在不 同程度上卷入了LonWorks技术：1000多家公司已经推出了LonWorks产 品，并进一步组织起LonWork互操作协会，开发推广LonWorks技术与产 品。它被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、 运输设备、工业过程控制等行业。为支持LonWorks与其它协议和网络之 间的互连与互操作，该公司正在开发各种网关，以便将LonWorks与以太 网、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互连为系统。,另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面， LonWorks神经元芯片也具有独特的优势。LonWorks技术已 经被美国暖通工程师协会ASRE定为建筑自动化协议BACnet 的一个标准。根据刚刚收到的消息，美国消费电子制造商协 会已经通过决议，以LonWorks技术为基础制定了EIA-709标 准。 这样，LonWorks已经建立了一套从协议开发、芯片设 计、芯片制造、控制模块开发制造、OEM控制产品、最终控 制产品、分销、系统集成等一系列完整的开发、制造、推广、 应用体系结构，吸引了数万家企业参与到这项工作中来，这 对于一种技术的推广、应用有很大的促进作用。,回顾,ISO OSI：7层 1、2、7层，并增设用户层。 现场总线现状:12345678 现场总线国际标准IEC61158： FF的H1；ControlNet;ProfiBus;P-Net;FF的HSE;SwiftNet;WorldFIP;INTERBUS,回顾：典型现场总线简介,FF:基金会现场总线，即FoudationFieldbus ISP+ WordFIP 物理层、数据链路层、应用层、用户层。 H1： 31.25Kbps, 1900m ，可支持总线供电，可支持本质安全 H2： 1Mbps/2.5Mbps，750m/500m，传输信号采用曼彻斯特编码， CAN：控制网络ControlAreaNetwork 最早应用于汽车行业，现广泛应用在离散控制领域 物理层、数据链路层、应用层 1Mbps/40m，最远可达 1 0km/5kbps，可挂接设备最多可达 110个 短帧结构，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力，支持多主方式 通信芯片,回顾：典型现场总线简介,DeviceNet： 基于CAN 它将工业设备 限位开关，光电传感器，阀组，马达启动器，过程传感器，条形码读取器，变频驱动器，面板显示器等 设备级诊断功能 LonWorks： Ecelon公司 层结构 从300bps至1.5Mbps，直接通信距离可达到2700m（78kbps，双绞线） 支持本安防爆 LonTalk协议，Neuron芯片，3个8位CPU，媒体访问控制处理器网络处理器应用处理器 美国暖通工程师协会ASRE定为建筑自动化协议BACnet 的一个标准。美国消费电子制造商协会：EIA-709标准。,5、Profibus Profibus是作为德国国家标准DIN 19245和欧洲标准prEN 50170的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模型。由Profibus -Dp、Profibus -FMS、Profibus-PA组成了Profibus系列。DP型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化，而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158-2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。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子集，DP型隐去了37层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口，FMS型只隐去第36层，采用了应用层，作为标准的第二部分。PA型的标准目前还处于制定过程之中，其传输技术遵从IEC1158-2 (1 )标准，可实现总线供电与本质安全防爆。,Porfibus支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，并事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。 按Profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播 (不要求应答 ),或有选择地向一组站点广播。 Profibus的传输速率为9.6K12Mbps，最大传输距离为1200m，1.5Mbps时为400m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接 127个站点。,6、HART HART是Highway Addressable Remote Transduer的缩 写。最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司 的支持，于1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可 寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟 信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变 过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期 具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。 HART通信模型由3层组成 :物理层、数据链路层和应用 层。物理层采用FSK（Frequency Shift Keying）技术在 4 20mA模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用Bell202 国际标准;数据传输速率为1200bps,逻辑“0”的信号频率为 2200Hz，逻辑“1”的信号传输频率为 1200Hz。,数据链路层用于按HART通信协议规则建立HART信息 格式。其信息构成包括开头码、显示终端与现场设备地址、 字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等。其 数据字节结构为1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位，1 个终止位。应用层的作用在于使HART指令付诸实现，即把 通信状态转换成相应的信息。它规定了一系列命令;按命令方 式工作。它有 3类命令，第一类称为通用命令，这是所有设 备理解、执行的命令;第二类称为一般行为命令，它所提供的 功能可以在许多现场设备 (尽管不是全部 )中实现，这类命令 包括最常用的现场设备的功能库;第三类称为特殊设备命令， 以便在某些设备中实现特殊功能，这类命既可以在基金会中 开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场 设备中通常可发现同时存在这3类命令。,HART支持点对点主从应答方式和多点广播方式。按应 答应方式工作时的数据更新速率为23次/,按广播方式工 作时的数据更新速率为 34次 /,它还可支持两个通信主设 备。总线上可挂设备数多达 15个，每个现场设备可有256个 变量，每个信息最大可含4个变量。最大传输距离3000m， HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用 这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管 理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用 DDL技术，来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开 发专用接口。但由于这种模拟数字混信号制，导致难以开发 出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用总 线供电，可满足本安防爆要求。,7、其他,INTERBUS ：德国Phoenix；汽车、烟草、仓储等行业；1、2、7； INTERBUS CLUB CC-LINK：日本三菱；汽车等行业；符合亚洲人思维；CLPA ControlNet:美国Rockwell；交通运输、汽车、冶金、石油化工等行业；控制网国际组织CI World FIP、P-Net、SwiftNet、AS-i,FF 时间分布 确定的通信 用户层 (功能块) 控制功能分布到现场设备 用于互操作的 DD 与 行规文件 高速数据通信总线为 HSE,Slow Speed H1,High Speed HSE,Link Device,Slow Speed H1,Foundation Fieldbus,PROFIBUS 简单、快速通信机制 通信冗余支持(高速 DP) 用于互操作的 GSD 与行规文件 FISCO 认证标准用于 IS 标准设计 高速数据总线支持RS485 或 F/O技术,Generic Diagram,PROFIBUS FIELDBUS,CAN, DeviceNet, SDS, ASI-bus, Interbus-S,FF, PROFIBUS PA, WorldFIP, P-Net, LON, ControlNet,Fast FF, High speed PROFIBUS, ControlNet,TCP IP/Ethernet Fast FF,Sensors, simple switches etc.,各总线应用层分析,Foundation Fieldbus 标准 H1 用于过程自动化仪表 HSE 用于高速通信设备 Profibus PA & DP 标准 PA 用于过程自动化仪表 DP 用于高速通信设备 LonWorks - 工厂电气设备 LV MCC (INSUM 2 gateway to DP-MODBUS) MV,HV MCC,ABB 过程自动化 总线市场定位,支持. 您选择的现场总线协议 统一的编程体系 广泛自由的产品选择 系统全局数据一致性 资产优化管理 完善的网络结构,Your fieldbus Vantage Point,现场总线策略,FieldIT,全方位的标准总线智能设备,Pressure,Flow,Level,Temperature,Positioners,Actuators,Valves,Controllers,Recorders,FieldIT - 设备总览,HART,PROFIBUS PA,PROFIBUS DP,FIELDBUS FOUNDATION,Temperature: TF02, 202,Temperature: TF12, 212,Flow:,Mag XE/XM, Vortex, Swirl, V/A, Ultra Sonic, MassMeter 1210, TRIOMASS,Pressure:,P- DP: 600-T, AF800 Multivariable MV2000T,Positioner: TZID-Fcomp. PH: TB82PH,Actuator:,Remote I/O: S900-Ex,Hand Terminal HTT04,Modulating Contrac,Pressure,P- DP: 600-T,Flow:,Flow:,COPA XE/XM, Vortex, Swirl, TRIO MASS,Pressure:,P- DP: 600-T, AF800 Multi variable MV2000T Level,Multi Barrier: MB204 Positioner: TZID-F,COPAXE/XM, MAG XE, Vortex, Swirl, TRIO MASS,Controllers/Recorders: Protronic, Digitric, Point Master, Line Master,Actuators on/off: Contrac modulating: Ontrac,Remote I/O: S900-Ex,Multi Barrier: MB204,Configuration tools:,PC based: SMART VISION,Configuration tool:,Configuration tool,PC based: SMART VISION,PC based: SMART VISION,Positioner: TZID-F,Configuration tool: AC800F control builder,SMART VISION,Multi-variable MV2000T,Temperature: TF12, 202,标准 ProfiBus 设备组态 GSD 文件 模板技术,ABB 现场总线技术,Profibus-PA,Profibus-DP,DigiTool,Controller,DigiVis,Device specific Data in GSD-Files,使用GSD -files组态,导入 设备GSD 文件,选择设备使用的功能块及模块 进行I/O 编辑,对照手册选择输入、输出、诊测变量,设备非周期参数的设定,标准 ProfiBus 设备的组态,PROFIBUS 在线设备诊测,查询扫描新设备,远程设定设备地址,显示总线扫描周期,现场总线与设备的诊测,ProfiBus 设备在线参数设定,传感器参数定义,传感器功能块参数定义,传感器仿真功能定义,ProfiBus 组态摸板技术,提供标准用户参数对话框 提供标准用户操作面板,摸板技术支持大量第3方设备 形成标准摸板库,模板技术支持所有标准 ProfiBus 设备,(2) 多种设备配套组态工具软件,?,tool 1,Stand alone tool n,用户必须熟悉使用各自工具软件 不能实现流程化工作 无一致的质量保证,(3) 大量信息传输,OptimizeIT,EngineerIT,OperateIT,ControlIT,现场设备 FieldIT,组态 参数设定 在线调试,操作 监控 信号报警处理,过程变量值 时间同步功能 变量状态信息,大量数据交换 复杂的编程要求,解决方案: FDT/DTM,EngineerIT,DTM Device Type Manager,The user interface is the same for all devices for all suppliers for all protocols,FDT Field Device Tool,对照,MS-Office 环境:,Printer 驱动,Microsoft Windows Novell Netware . . .,Profibus Foundation Fieldbus . . .,Device 驱动,目前CBF 已支持FDT/DTM 组态,Field Device Tool,CBF,减少项目整体费用,基于总线技术带来的优势,设计,安装,调试,工厂运行,传统 4-20mA,14%,26%,53%,7%,% 总成本,11%,17%,3%,44%,现场总线,25% Saving,=100%,调试阶段:使用远程操作进行设备测试与维护,安装阶段: 简单的布线与机柜设计,设计阶段 P&ID 流程图设计简化 简化设计文档,工厂运行 节省大量电源及EEx i隔离器 节省大量控制柜车间及电缆费用,=75%,Source: McDermott Engineering,数据通信技术基础与网络互联,数据通信技术,基本概念,1.总线的基本术语 （1）总线：传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式；总线段：一组设备通过总线连接在一起。 （2）总线主设备：Bus Master，命令者 （3）总线从设备：Bus Slaver，基本设备 （4）控制信号：三种类型。控制连在总线上的设备；改变总线操作的 方式；表明地址和数据的含义 （5）总线协议：管理主从设备使用总线的一套规则（PROTOCOL）,2、总线操作的基本内容 （1）总线操作：命令者与响应者之间的“连接-数据传送-脱开” （2）总线传送：命令者与响应者之间的数据传递；“读”、“写”操作。 （3）通信请求：某一设备向另一设备发出的请求信号。 （4）寻 址：命令者与一个或多个从设备建立起连接的操作方式；物理寻址、逻辑寻址、广播寻址 （5）总线仲裁：解决冲突，裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备 （6）总线定时：总线操作用“定时”信号进行同步，用于指明总线上的数 据和地址在什么时刻是有效的 （7）出错检测 （8）容错,通信系统的组成,通信系统是传输信息所需的一切设备的综合 信息源、信息接收者、发送设备、接收设备、传输介质 单向数字通信系统： 信息源编码调制传输介质解调译码接收者,数据编码,码元是传输数据的基本单位； 二元码； 数据编码是指通信系统中以何种物理信号的方式来表达数据； 模拟数据编码：用模拟信号的幅度、频率、相位表达数据； 数字数据编码：用高低电平的矩形脉冲信号表达数据 基带传输：采用数字数据，在基本不改变数据信号频率的情况下，直接传输数据信号的传输方式 单极性码，双极性码 归零码，非归零码 差分码：用电平的变化与否在代表“1”和“0”,回顾,PROFIBUS:SIMENS Dp、FMS、PA（可支持总线供电，可支持本质安全） 1、2、7 9.6K12Mbps，1200m，1.5Mbps时为400m，127个站点； 主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统 令牌 HART： Highway Addressable Remote Transduer， Rosemout 1、2、7 过渡形，FSK（Frequency Shift Keying）， 420mA模拟信号上迭加一个频率信号 15个站点；最大传输距离3000m；可支持总线供电，可满足本安防爆。 其他： INTERBUS 、CC-LINK、ControlNet、World FIP、P-Net、SwiftNet、AS-i,减少项目整体费用,回顾：基于总线技术带来的优势,设计,安装,调试,工厂运行,传统 4-20mA,14%,26%,53%,7%,% 总成本,11%,17%,3%,44%,现场总线,25% Saving,=100%,调试阶段:使用远程操作进行设备测试与维护,安装阶段: 简单的布线与机柜设计,设计阶段 P&ID 流程图设计简化 简化设计文档,工厂运行 节省大量电源及EEx i隔离器 节省大量控制柜车间及电缆费用,=75%,Source: McDermott Engineering,回顾,基本概念 1.总线的基本术语 总线、总线主设备、总线从设备、控制信号、总线协议 2、总线操作的基本内容 总线操作、总线传送、通信请求、寻址、总线仲裁、总线定时、出错检测、容错 通信系统的组成 信息源编码调制传输介质解调译码接收者 数据编码：指通信系统中以何种物理信号的方式来表达数据； 码元是传输数据的基本单位； 二元码； 模拟数据编码；数字数据编码 基带传输；单极性码，双极性码；归零码，非归零码；差分码,数据编码,曼彻斯特编码 基带信号编码 内置时钟信号，可自同步 每位（比特）传输时间为等间隔时间段，传输时，时间段前半部分传输反码，后半部分传输原码,通信系统的性能指标,1、有效性指标：传输速率、频带利用率、协议效率、通信效率 2、可靠性指标：误码率 3、信道频率特性 4、介质带宽 5、信道容量：某种传输介质单位时间内所能传输的最大比特数 6、信噪比,局域网及其拓扑结构,将地理位置不同且具有独立功能的多个计算机系统，通过通信设备和线路将它们连接起来，有功能完善的网络软件（网络协议、信息交换 方式、控制程序和网络操作系统）实现网络资源（硬件、软件、信息）的共享，这样的系统称为计算机网络。 一个互连的自主的计算机设备集合体。 拓扑结构是指网络中节点的连接形式,局域网及其拓扑结构,网络结构：可分为星形、总线形、环形、树形等结构,星形网络结构,总线形网络结构,环形网络结构,树形网络结构,网络传输介质,传输介质是通信网络传输信息的物理媒介，也称为“通信媒体”。 点对点连接时：一条传输链路两端连接两个通信节点，发送设备通过适当硬件接口（编码和信号变换等）把信号（模拟或数字的）注入到传输介质中去；接收设备则以相反的过程从另一端取出信号。 广播方式连接时：同一条传输链路上连接了多台通信设备，任何一台设备发送的信号都可能被别的设备所接收。,用于DCS计算机局域网的主要传输介质有：双绞线、同轴电缆和光纤 双绞线：由两根绝缘铜导线组成，一对线作为一条通信链路，通常，一定数量的这样的双绞线捆成一电缆，外面包着硬的保护性护套。单个双绞线的两个导线绞扭，可 减少双绞线之间的电磁干扰。RJ45接口。单段最大传输距离100米,网络传输介质,双绞线常见的有3类线，5类线和超5类线，以及最新的6类线，前者线径细而后者线径粗，型号如下： 1）三类线：用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输。 2）五类线：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，用于语音传输和最高传输速率为10Mbps的数据传输，是最常用的以太网电缆。 3）超五类线：超5类具有衰减小，串扰少，并且性能得到很大提高。超5类线主要用于千兆位以太网1000Mbps）。 4）六类线：它提供2倍于超五类的带宽。六类布线的传输性能远远高于超五类标准，最适用于传输速率高于1Gbps的应用。,同轴电缆：分内、外两个导体组成，外导体，是一个空心圆柱形导体，它包裹着一个内心线导体。两者之间是绝缘材料。同轴电缆的这种结构，使它具有高带宽和极好的噪声抑制特性。,网络传输介质,基带同轴电缆 (如 50同轴电缆 )用于基带传输。 宽带同轴电缆 (如75电视天线电缆)用于宽带传输。 从外形和性能上说，又分为粗缆和细缆。 同轴电缆的数据传输速率、传输距离、可支持的节点数、抗干扰等性能优于双绞线，成本也高于双绞线，但低于光纤。 单段最大距离：细缆185米，粗缆500米 接口：细缆，T型头；粗缆，AUI,网络传输介质,光纤：即光导纤维的简称。由内外两种折射率不同的材料构成，内层折射率高，外层折射率低，通过光的全反射进行传输。有多模光纤与单模光纤之分。 光收发器：将光信号转成电信号，光端机。 光端盒：一个连接光缆线路和尾纤的盒子,单模，多模光纤 单模光纤仅能传输一个模式，而多模光纤能传输多个模式。 单段最大距离：单模，传输4000多米；1000-2000米。,介质访问控制技术,各个站通过网络传送信息的基本关系，就是源（发送）站将信息送上网络，然后目的（接收）站从网络读取信息。为了迅速正确地实现这些对网络的存取访问过程，要有合理的存取控制方法。 为解决同一时间多个设备争用传输介质则需要介质访问技术 常用的方法有：轮询（Poll)、令牌传送（Token Passing）、带有碰撞检测的载波侦听多重访问（CSMA/CD）。,1、轮询（Poll),它是由主站向其他站逐个查询，根据查询到站的应答信息，确定该站是否要发信，并确定是否让其发信。这一站发送我按信息后通知主站，再继续查询。 适用于集中控制的网络（星形网、树形网、总线网），在DCS中称为1对N的控制方式。,2、令牌传送（Token Passing）,采用令牌传送技术的有环形网或在逻辑序列上将节点连接成环的总线网。 通信响应时间具有确定性，实时性好，系统总的信息吞吐量大。 令牌传送为N对N通信中最好的,2、令牌传送（Token Passing）,工作原理：环上有一个称为令牌的信息包沿环中各节点依次传送。该令牌有空、忙两个状态，在网络启动时，由指定节点产生一个空令牌送到网上传送。对要传送信息的节点，都要在令牌传到自己并判断为空时，才能把令牌置成忙，并发送含有数据、源地址、目的地址、检错码的信息包，然后发送到网上，目的站读取该信息包后，仍然转发该包，再回到发送站时，才撤消该包，并把令牌置成空，并将它传给下一节点。 如果令牌丢失或信息包在环上无限制循环，则由指定的监视节点向网中注入一个新令牌或将信息包撤消,3、碰撞检测的载波侦听多重访问（CSMA/CD）,网络上的各个站共享一条传输线，就有可能发生传输线上的信息“碰撞”，这种竞争必须用一定策略消解。 首先是载波侦听多重访问，即：“先听后讲”，先进行侦听，判断空闲发送数据，然后等待应答信号。 但仍然有可能发生碰撞，那么还需要加上“边听边说”（CD）。即在发数据的同时，继续对线路进行侦听。当发现听和说的内容不一致时，立即停止发送数据，而改发堵塞信号。等待一定时间后，再重复一边上述过程。 竞争发送，广播式传输、载波侦听、碰撞检测、等待时机、再试发送。,特点：,优点：算法简单、成本低、可靠性高，负荷轻时延迟少，而总吞吐量也较好，负荷重时也能工作。 缺点：通信延迟不确定；为检测碰撞，要求在总线上任何位置，各站发出信号的幅度差别不能大，这在有时会增加技术难度 适合突发性通信。以太网（Ethernet）常用。,计算机网络构成,主机（HOST，可带终端） 节点 通信链路 节点与通信链路统称为通信子网 主机、终端等统称为资源子网,计算机局域网,计算机网络按照覆盖地域范围的不同分为： 广域网（远程网）：数公里以上 局域网（局部网）：几米至几千米 （分布式多处理机：几米以内）,回顾,曼彻斯特编码 通信系统的性能指标： 有效性指标、可靠性指标、信道频率特性、介质带宽、信道容量、信噪比 局域网 将地理位置不同且具有独立功能的多个计算机系统，通过通信设备和线路将它们连接起来，有功能完善的网络软件（网络协议、信息交换 方式、控制程序和网络操作系统）实现网络资源（硬件、软件、信息）的共享，这样的系统称为计算机网络。 局域网拓扑结构 网络传输介质：点对点、广播方式、双绞线、同轴电缆、光纤