现场总线概述

1、现场总线技术 王鑫国 2 联系方式 v邮箱： v手机：v办公室：机电学科楼d312 3 参考书 v教材：李正军，现场总线及其应用技术，机 械工业出版社，2005 v阳宪惠，现场总线技术及其应用（第2版）， 清华大学出版社， 2008 4 课程要求及考核方式 v课程性质：专业选修课 v课时：24学时 v成绩评定方式：平时30%+考试70% 5 教学内容及学时分配（江浦） v第1章 现场总线概述（2学时） v第3章 串行通信接口技术（1学时） v第4章 can总线（5学时） v第5章 lonworks现场总线（6学时） v第6章 profibus现场总线（5学时） v第7

2、章 基金会现场总线ff（3学时） v实验（2学时） 6 教学内容及学时分配（浦江） v第1章 现场总线概述（2学时） v第3章 串行通信接口技术（1学时） v第4章 can总线（5学时） v第5章 lonworks现场总线（6学时） v第6章 profibus现场总线（4学时） v第7章 基金会现场总线ff（2学时） v实验（4学时） 7 第1章 现场总线概述 1.1 现场总线的现状与发展 1.2 基于现场总线的企业网络信息集成系 统 1.3 现场总线简介 8 1.1 现场总线的现状与发展 现场总线的基本概念 现场总线的产生 现场总线的本质 现场总线的特点和优点 现场总线标准的制定 现场总线的

3、现状 现场总线网络的实现 现场总线的发展趋势 9 现场总线的基本概念现场总线的基本概念 10 11 12 控制系统的五个发展阶段 （1 1）初级控制系统）初级控制系统 时间时间：2020世纪世纪5050年代以前年代以前；特点特点：所用的设备主要是安装所用的设备主要是安装 在生产现场、具有简单测控功能的在生产现场、具有简单测控功能的基地式仪表基地式仪表。此阶段的控。此阶段的控 制系统均简单。制系统均简单。 （2 2）模拟仪表控制系统）模拟仪表控制系统 时间时间：60年代至年代至70年代后期年代后期；特点特点：以电子管、晶体管、以电子管、晶体管、 集成电路为核心的气动和电动集成电路为核心的气动和电

4、动单元组合式仪表单元组合式仪表两大系列两大系列，它它 们分别以压缩空气和直流电源作为动力，在仪表内部实行电们分别以压缩空气和直流电源作为动力，在仪表内部实行电 压并联传输，外部实行电流串联传输压并联传输，外部实行电流串联传输 （采用（采用4-20ma4-20ma的模拟信的模拟信 号标准号标准），以减小传输过程的干扰。），以减小传输过程的干扰。 1.1.1 现场总线的产生现场总线的产生 13 基于调节器的单回路自动控制 14 （3 3）集中式数字控制系统）集中式数字控制系统（ddcddc） 时间：时间：8080年代初；特点：用数字计算机代替控制室内的年代初；特点：用数字计算机代替控制室内的 仪表

5、来完成控制系统功能。仪表来完成控制系统功能。 （4 4）集散控制系统（）集散控制系统（dcsdcs） 组成：由组成：由现场控制站、现场控制站、以及多台计算机构成；以及多台计算机构成； 在在dcsdcs系统中，测量仪表、变送器一般为模拟仪表，控制系统中，测量仪表、变送器一般为模拟仪表，控制 器为数字式，因而它又是一种模拟数字混合系统。器为数字式，因而它又是一种模拟数字混合系统。 各厂家的产品互换与互操作有一定的局限性。各厂家的产品互换与互操作有一定的局限性。 15 变送器 dcs 调节阀 dcs传统控制方式 16 基于dcs的自动控制系统 17 （5）现场总线控制系统（）现场总线控制系统（fcs

6、） 特点：特点：把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、 标准化的解决方案，通过现场总线控制系统把标准化的解决方案，通过现场总线控制系统把dcs的集散系的集散系 统结构变成了新型全分布式系统结构，把控制功能彻底下放统结构变成了新型全分布式系统结构，把控制功能彻底下放 到现场，是继到现场，是继dcs后的又一代控制系统。后的又一代控制系统。 up to 1900 meters in length 现场总线控制方式 现场智能仪表 现场智能控制设备 18 现场总线设备 19 fcsfcs与与dcsdcs的比较的比较 fcsdcs i/o cpu. fcs

7、fcs控制在现场中完成控制在现场中完成dcsdcs控制在控制站中完成控制在控制站中完成 fcsdcs ai ao pid aiaiaopidpid 20 fcs是网络化、全分布式控制系统是网络化、全分布式控制系统 ai pid ao las pt 101 pv 101 pic 101 ff ff ff 21 fcsdcsddc 远程传感器 和执行机构 远程传感器 和执行机构 . . . 远程传感器 和执行机构 现场总线 智能自治节点 工控机 控制器控制器. . . 远程传感器 和执行机构 控制器控制器 现场总线 智能自治节点 现场总线 智能自治节点 不同类型控制系统的结构比较 22 现场总线的

8、产生背景现场总线的产生背景 23 1.1.2 现场总线的本质现场总线的本质 v现场通信网络 v现场设备互联 v互操作性 v分散功能块 v通信线供电 v开放式互连网络 24 1.1.3 现场总线的特点和优点 vdcs：一对一的物理连接 vfcs：总线连接 vfcs简化了系统结构、节约硬件设备、节约连 接电缆与各种安装、维护费用创造了条件 vfcs与dcs结构比较 现场总线的结构特点 25 26 v表1-1 fcs与dcs的详细对比 系统结构 可靠性 失控状态 互换性 仪表功能 控制方式 27 现场总线的技术特点 v系统的开放性 通信协议公开 v互操作性与互换性 v现场设备的智能性与功能自治性 v

9、系统结构的高度分散性 v对现场环境的适应性 28 现场总线的优点 v节省硬件数量与投资 v节省安装费用 v节省维护开销 v用户具有高度的系统集成主动权 v提高了系统的准确性和可靠性 29 fcsdcs fcsdcs fcs fcs 下装下装 fcs dcs fcsdcsfcsdcs dcs classic i/odigital busses foxborofcsdcs fcsdcs fcs 下装下装 dcs fcsdcsfcsdcs dcs现场控制机柜 foxborofcsdcs fcsdcs fcs 下装下装 dcs fcsdcsfcsdcs 256 i/o dcs控制机柜接线端子 fcsd

10、cs fcsdcs fcs 下装下装 fcs dcs fcsdcsfcsdcs dcs 256 i/o256 i/o 机柜内部对比 fcsdcs fcsdcs fcs 下装下装 dcs fcsdcsfcsdcs 256 i/o256 i/o dcs现场布线现场布线 fcsdcs fcsdcs fcs 下装下装 dcs fcsdcsfcsdcs fcs现场布线现场布线 35 现场总线系统的劣势 v在现场总线系统中，网络成为控制系统不可缺少的 组成部分之一。 v网络通信中数据包的传输延迟、通信系统的瞬时错 误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等，都 会破坏传统控制系统原本具有的确定性。 v如何使

11、控制网络满足控制系统对通信实时性、确定 性的要求，是现场总线系统在设计和运行中应该关 注的重要问题。 36 现场总线的适用场合 v现场设备与主控制器之间的通讯距离长现场设备与主控制器之间的通讯距离长 v现场被控设备高度分散现场被控设备高度分散 v系统对底层设备有信息集成要求系统对底层设备有信息集成要求 v系统对底层设备有较高的远程诊断系统对底层设备有较高的远程诊断、故障报故障报 警及参数化要求警及参数化要求 v对现场环境适应性要求高对现场环境适应性要求高 37 1.1.4 现场总线标准的制定 viec的现场总线标准 用于工业控制系统的iec61158现场总线标准 用于低压开关设备与控制设备、控

12、制器与电气 设备接口的iec62026标准 viso的现场总线标准 用于道路车辆数字信息交换的现场总线标准 iso11898 38 iec61158采用以下采用以下8种种现场总线：现场总线： 类型类型1：iec61158技术报告技术报告 (即低速即低速ff h1) 类型类型2：controlnet (美国美国rockwell 公司公司) 类型类型3：profibus (德国德国siemens公司公司) 类型类型4：p-net (丹麦丹麦process data公司公司) 类型类型5：ff hse (高速高速ff,美国美国fisher- rosemount公司公司) 类型类型6：swift ne

13、t (美国美国波音波音boeing) 类型类型7：world fip (法国法国alstom公司公司) 类型类型8：interbus (德国德国phoenix contact公司公司) iec61158标准标准 39 iec62026标准标准 iec62026 - (iec17b committee),2000年年1月月 iec62026 1 一般要求一般要求 iec62026 2 as-i ( siemens) iec62026 3 devicenet (rockwell, omron) iec62026 4 lontalk iec62026 5 sds (honeywell) iec620

14、26 6 smcb iec62026 7 interbus, 转入转入iec61158 * 40 iso 11898标准标准 v国际标准化组织为现场总线制定的标准是国际标准化组织为现场总线制定的标准是tc22tc22，其，其 中影响最大的为中影响最大的为iso 11898.1993iso 11898.1993，即道路车辆数字，即道路车辆数字 信息交换信息交换高速通信的控制器局域网络（高速通信的控制器局域网络（cancan）。）。 viso 11898iso 11898对对cancan只规定了模型的第只规定了模型的第1 1、2 2层，即物理层，即物理 层和数据链路层。应用层的协议可以由不同用户、

15、层和数据链路层。应用层的协议可以由不同用户、 企业、组织定义，比如企业、组织定义，比如devicenetdevicenet就部分沿用了就部分沿用了cancan 的物理层和数据链路层，自己增加了对应用层的规的物理层和数据链路层，自己增加了对应用层的规 定。定。 41 1.1.5 现场总线的现状 1、多种总线共存、多种总线共存 2、各种总线各有其应用领域、各种总线各有其应用领域 3、每种总线各有其国际组织、每种总线各有其国际组织 4、每种总线均有其支持背景、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、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、多种总线均作为国家和地区

16、标准 7、协调共存、协调共存 8、工业以太网引入工业领域、工业以太网引入工业领域 42 1.1.6 现场总线网络的实现 v现场总线的基础是数字通信，通信必须有协议 v现场总线=硬件接口+通信协议 v大多支持osi的1、2、7层，有的增加第8层用户 层 1、物理层 2、数据链路层 分为两个子层：mac、llc；mac有三种协议： 轮询协议、令牌总线协议、总线仲裁协议 3、应用层（为用户应用提供接口） 4、用户层（提供功能模块） 43 1.1.7 现场总线技术的发展趋势 v发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为关 注的焦点 v自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方 向前进 v几大总线标准共存

17、 v具有发展前景的现场总线技术有： 44 基于现场总线的智能化仪表的研制 基于现场总线的网络设备的软、硬件研制 组态技术的研究，包括网络拓朴结构、网络设 备配置、不同网段互联等技术 网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据 操作与传输 基于现场总线技术的全开放控制系统的集成技 术 45 1.2 1.2 企业网络信息集成系统企业网络信息集成系统 1.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构 v现场总线是底层控制网络 v现场总线需要与上层信息系统 交换数据 v企业网络信息集成系统应具有 3层结构： pcs mes erp 46 典型的企业网络结构图 局域网 nt 服务器 internet 监控工作站

18、 其它工作站 现场总线接口 差压变送器 调节阀 差压变送器 差压变送器温度变送器 企业资源规划层 （erp） 制造执行层 （mes） 过程控制层 （pcs） 现场总线网段 47 企业网络信息集成系统的层 次结构图 互连网 internet 企业内部网 intranet 现场总线控制网 fcs 企业资源规划层 erp 制造执行层 mes 过程控制层 pcs 48 1、过程控制层 采用现场总线将最底层的现场控制器和现场 智能仪表设备互联 常见的现场总线网络拓扑结构： 环形网 总线网 树形网 令牌总线网 49 2、制造执行层 从现场设备中获取数据，完成各种控制、运 行参数的监测、报警和趋势分析等功能

19、。 关键技术是以太网与底层现场设备网络间的 接口 还为先进控制和远程操作优化提供支撑环境。 3、企业资源规划层 将监控层的数据库中的信息转入上层的关系 数据库中，对数据进行进一步分析和整理，实现 管控一体化 50 4、现场总线与局域网的区别 n应用场合不同（工业现场-通信与办公） n具有各自的技术特点（实时性安全性可靠性-大批 量数据传输与处理） n两种网络将具有越来越紧密的联系（需求互补， 两者之间需要信息交换） 51 1.2.3 现场总线与上层网络的互联 52 通过网关连接控制网段与上层网络 监视操作计算机 以太网段 server 网关/控制器 网桥 控制网段 控制网段 53 采用pci卡

20、连接控制网段与上层网络 监视操作计算机 pci 控制网段 控制网段 以太网段 54 1.2.4 现场总线网络集成应考虑的因素 55 1.3 现场总线简介 国际上存在几十种现场总线标准 比较流行的主要有： ff、can、devicenet、lonworks、 profibus、hart、interbus、cc- link、controlnet、worldfip、p-net、 swiftnet等现场总线。 56 1.3.1基金会现场总线(foundation fieldus,ff) 1994年,由isp和worldfip两大集团合并成立现场总线基 金会 采用osi/iso物理层,数据链路层和应用层

21、,增加了用户层 有低速h1（31.25kb/s，1900m）与高速h2（1mbps, 2.5mpbs，750m，500m）之分,h2逐渐被 hse(100mb/s,甚至更高)取代 支持双绞线、同轴电缆、光缆和无线发射等传输介质 应用领域以过程自动化为主,比如化工,石油,污水处理 57 ff总线的网络结构总线的网络结构 操作站操作站 . 交换机交换机 hse链接设备链接设备 h1总线 hse链接设备链接设备hse现场设备现场设备 h1总线 ff现场总线的典型应用现场总线的典型应用 59 1.3.2 控制器局域网(controller area network,can) 由德国 bosch公司开发

22、,起初专为汽车工业设计. 遵循iso/osi模型,采用了物理层和数据链路层,应 用层协议允许用户自行开发. 采用短帧结构,最可靠 通讯速率最高1mb/s,最远通讯距离可达10km 成为iso国际标准. 芯片由摩托罗拉,intel等公司生产,价格低廉,用量 最大 汽车内部网络汽车内部网络 can总线总线 61 1.3.3 devicenet 由rockwell公司于1994年推出 基于can总线技术,低成本,高可靠性 采用物理层,数据链路层和应用层 价格低，效率高，特别适合制造业、工业控制、 电力系统等行业的自动化 62 以plc为主站的devicenet网段 电机驱动 i/o card 手持终

23、端 plc devicenet 63 1.3.4 lonworks 由美国echelon公司推出,摩托罗拉、东芝支持倡 导.组成lonmark互操作协会 采用osi模型全部7层通讯协议 通讯速率从300b/s到1.5mb/s,通讯距离可达 2700m 采用总线型、树型 支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线、电力 线、无线发射等传输介质 lontalk协议固化在neuron芯片中，每片芯片带 3个8位微处理器 最大的应用领域在楼宇自动化，在工业控制领 域如石油，铁路也有应用 64 lonworks总线的网络结构总线的网络结构 监控计算机监控计算机 78kbps双绞线 路由器路由器 1.25mbps

24、双绞线主干通道 10kbps电力线 网关网关 其它总线网络 现场现场 节点节点 现场现场 节点节点 现场现场 节点节点 路由器路由器 现场现场 节点节点 现场现场 节点节点 65 1.3.5 profibus 由西门子为主的十几家公司共同推出 共有3种版本 vprofibus-fms（fieldbus message specification） vprofibus-pa（process automation） vprofibus-dp（decentralised peripherals） prefabs-dp用于现场控制器与分散i/o之间的数 据通信； profibus-fms用来解决车间级

25、通信任 务；profibus pa用于过程自动化,可连现场变 送器、执行器。 66 传输速率为9.6kbps-12mbps,传输距离为 100m-1.2km 采用总线型、树型、 星型 支持双绞线和光纤 profibus采取主站之间的令牌传递方式和主 从之间的主、从通信方式。 profibus-dp允 许构成单主站或多主站系统。 主要应用于制造自动化和过程控制自动化, 电力,铁路交通 67 profibus总线的网络结构总线的网络结构 操作员站操作员站 profibus-dp plc 监控层监控层 工程师站工程师站 profibus-fsm或ethernet 现场层现场层 profibus-pa

26、 dp/pa 耦合器 68 基于基于profibus总线控制系统应用实例总线控制系统应用实例: 整套装置100万，可节省安装费用50%以上 吸收吸收 塔塔 吸收吸收 塔塔 dp/pa-link et 200m remote i/o industrial ethernet / fsm s7 400 controller profius dp s7 400 controller engineering station es operator station os profibus pa 69 1.3.6 hart hart的英文含义 hart总线采用基于bell 202 通信标准的 fsk技 术，

27、在420ma的模拟信号上叠加了一个频率信 号, 因此能同时传送模拟和数字信号而不相互干 扰 能实现总线供电和本质安全防爆 用于过程控制 70 hart总线的网络结构总线的网络结构 基本主设备基本主设备安全栅安全栅 现场仪表现场仪表 现场仪表现场仪表 现场仪表现场仪表 副主设备副主设备 hart至少需要一个主设备和一个现场仪表； 现 场仪表和副主设备均为并联，连接点可置于网络 的任意位置； 网络工作时，现场仪表可被更换， 副主设备也可被连到网上。 71 1.3.7 interbus (international bus) 1984年由德国phoenix公司开发,后成立interbus 组织(in

28、terbus club) 采用osi/iso物理层,数据链路层和应用层 物理层采用rs485串行通信标准 集中式主从方案，环型拓扑，传输速率为 500kbps interbus是一种传感器级的现场总线，令牌网， 经济性是它的一大特点。 interbus的应用主要在汽车制造,机械制造,水处理, 隧道交通,食品,轻工,烟草,印刷等行业。 72 1.3.8 cc-link 1996年三菱电机公司主导 唯一起源于亚洲的总线系统 广泛用于三菱plc 73 1.3.9 controlnet 1997年由美国rockwell automation推出的面向 控制层的实时性现场总线网络 通讯速率5mb/s,通

29、讯距离30km 采用物理层、数据链路层、网络层、传输层和 应用层 支持总线型,树型和星型 应用于交通运输,汽车制造,冶金,矿山,电力,食品 等领域 74 1.3.10 worldfip(world factory instrumentation protocol) worldfip其最初由法国于80年代开发，并成为法 国国家标准和欧洲标准 worldfip产品在法国的市场占有率大约60%，在 欧洲市场大约占25% 主要应用在发电与输配电、制造自动化、铁路运输、 地铁等自动化领域 75 1.3.11 p-net (process automation net) 1984年由丹麦process data a/s公司提出, 采用osi/的物理层、数据链路层、网络层、传 输层和应用层 采用屏蔽双绞线,数据传输速率为76.8kbps,传输 距离1.2km 多主控制器,主从式总线,每段最多可容纳32个主 控制器，总线访问通过虚拟令牌在主站直接循环 传递 应用主要集中农业,水产,饲养,林业,食品等行业 76 1.3.12 swiftnet 美国波音公司支持 主要用于航空和航天等领域 结构简单、实时性高 只有物理层和数据链路层 77 1.3.13 as-i (actuator sensor interface )