001工业数据通信与控制网络-第1章现场总线技术概述

1、u联系方法：联系方法：u邮箱：邮箱：u电话：电话uQQ： 497420789信息工程学院信息工程学院 王顺利王顺利工业数据通信与控制网络工业数据通信与控制网络Im Glad toIm Glad to Meet You! Meet You! 1 1网络化控制系统网络化控制系统现场总线技术现场总线技术 阳宪惠阳宪惠 清华大学出版社清华大学出版社2 2工业数据通信与控制网络工业数据通信与控制网络 阳宪惠阳宪惠 清华大学出版社清华大学出版社3 3现场总线及其应用技术现场总线及其应用技术 李正军李正军 机械工业出版社机械工业出版社4 4现场总线工业控制网络技术现场总线工业控制网

2、络技术 夏继强，刑春香夏继强，刑春香 北京航空航天出版社北京航空航天出版社5 5现场总线控制系统的设计和开发现场总线控制系统的设计和开发 邹益仁，马增良，蒲维邹益仁，马增良，蒲维 国防工业出版社国防工业出版社参考书：参考书：教材：教材：现场总线技术及其应用（第现场总线技术及其应用（第2 2版）版） 阳宪惠阳宪惠 清华大学出版社清华大学出版社( (一一) ) 理解现场总线的理解现场总线的概念概念、现场总线系统的、现场总线系统的 特点特点、基本组成基本组成，掌握现场总线系统的，掌握现场总线系统的 构建方法构建方法。( (二二) ) 理解掌握理解掌握数据通信基础知识数据通信基础知识。( (三三) )

3、 理解掌握理解掌握控制网络基础知识控制网络基础知识。( (四四) ) 掌握现场总线控制系统的掌握现场总线控制系统的设计原则、设计原则、 思路和方法思路和方法。教学要求：教学要求：平时：平时：30 课程设计：课程设计：70v作业：作业：20 小作业：完成课程相关内容任务小作业：完成课程相关内容任务 v出勤、提问：出勤、提问：10 v课程设计课程设计 （基于现场总线的基于现场总线的XX系统设计系统设计） 课堂测试课堂测试中期检查：第中期检查：第7周初步方案设计答辩周初步方案设计答辩PPT，20% 最终答辩：第最终答辩：第14周答辩（答辩学生评和报告老师周答辩（答辩学生评和报告老师评各占一半），评各

4、占一半），50%考核方式：考核方式：编号编号匿名匿名目标目标课程概述：课程概述：第第1 1章章 现场总线技术概述现场总线技术概述主要内容主要内容1.1 1.1 现场总线简介现场总线简介化化控制网络与现场总线控制网络与现场总线 控制网络与现场总线控制网络与现场总线 vALLEN-BRADLEY789456123.0-F1F6F2F7F3F8F4F9F5F10PanelView550图图1.1 简单简单控制网络控制网络示意图示意图控制网络与现场总线控制网络与现场总线 控制网络与计算机网络的区别控制网络与计算机网络的区别控制网络与计算机网络的区别控制网络与计算机网络的区别工业数据通信系统工业数据通信

5、系统 工业数据通信的工业数据通信的网络结构网络结构工业数据通信系统工业数据通信系统图图1.2 基于现场总线的数据通信系统示例基于现场总线的数据通信系统示例接收设备发送设备传输介质 报文协议温度变温度变送器送器监控监控计算机计算机温度测温度测量值量值一组一组程序程序现场总线现场总线通信设备通信设备 数据通信过程中将通信信号数据通信过程中将通信信号发送发送到传输介质到传输介质（总线总线）上的发送电路）上的发送电路 数据通信过程中从传输介质（总线）上数据通信过程中从传输介质（总线）上接收接收通通信信号的接收电路信信号的接收电路 将接收器、发送器组合在一起，借助公用的电将接收器、发送器组合在一起，借助

6、公用的电路元件进行路元件进行发送和接收发送和接收信号的电子装置信号的电子装置 现场总线系统中的网络节点一般均作为收发器现场总线系统中的网络节点一般均作为收发器 将将数据转换为对应的通信信号数据转换为对应的通信信号并发送到传输介质上的并发送到传输介质上的电路设备，以及把从传输介质上接收到的电路设备，以及把从传输介质上接收到的通信信号转通信信号转换为数据换为数据的电路设备。的电路设备。 如调制解调器、电缆驱动器、多路复用输出器如调制解调器、电缆驱动器、多路复用输出器 产生数据的数据源设备或数据用户设备产生数据的数据源设备或数据用户设备 DTE一般与通信信号的调制、编码无关，也不直接连一般与通信信号

7、的调制、编码无关，也不直接连接在传输介质上。接在传输介质上。通信设备通信设备 泛指连接在现场总线上的泛指连接在现场总线上的通信实体与控制设备通信实体与控制设备 既具备某种测量控制功能（既具备某种测量控制功能（DTEDTE），也具有数据通信的能力（），也具有数据通信的能力（DCEDCE） 有能力有能力掌管总线通信权掌管总线通信权的设备叫做总线主设备的设备叫做总线主设备 在一条总线段上可连接多个主设备在一条总线段上可连接多个主设备 某一时刻，一条总线段上只能有一个主设备执行其主设某一时刻，一条总线段上只能有一个主设备执行其主设备的功能备的功能 没有能力对总线主动发起通信没有能力对总线主动发起通信，

8、只能，只能接收接收总线信号、对总线信号、对查询作出相应响应的设备称为总线从设备。查询作出相应响应的设备称为总线从设备。 从设备也被称之为基本设备从设备也被称之为基本设备通信设备通信设备 在网段两端连接成对线缆导体的终点，用以在网段两端连接成对线缆导体的终点，用以防止发防止发生信号反射生信号反射的电子器件。的电子器件。 不同类型现场总线终端器的不同类型现场总线终端器的结构和参数结构和参数有所区别。有所区别。有的终端器只是一个电阻，有的终端器是电阻电容有的终端器只是一个电阻，有的终端器是电阻电容组合电路；其阻值应等于连接电缆的特征阻抗。组合电路；其阻值应等于连接电缆的特征阻抗。 将输入端口接收到的

9、通信信号在将输入端口接收到的通信信号在整形放大整形放大后，转发后，转发到输出端口下游节点的有源设备。到输出端口下游节点的有源设备。 中继器可中继器可增加增加总线的总线的传输距离传输距离和和挂接挂接现场设备现场设备节点节点的数量的数量通信设备通信设备 报文与协议报文与协议泛指泛指通信过程中传送的信息通信过程中传送的信息，包括文本、，包括文本、命令、参数值、图片、声音等命令、参数值、图片、声音等报文属于通信系统中的报文属于通信系统中的软件软件现场总线系统中的报文信息包括现场总线系统中的报文信息包括原始数原始数据、测控参数值、操作指令据、测控参数值、操作指令等等 指一套事先约定好的、共同遵守的指一套

10、事先约定好的、共同遵守的规约规约 规定通信报文内容、格式、次序安排、通信何时进行以规定通信报文内容、格式、次序安排、通信何时进行以及通信如何进行等内容的一组规则及通信如何进行等内容的一组规则。 参与通信的各方需要根据通信协议参与通信的各方需要根据通信协议控制控制数据通信过程，数据通信过程，理解理解通信报文中数据的含义通信报文中数据的含义 总线上的现场设备如何使用总线的一整套总线上的现场设备如何使用总线的一整套规则规则 是一套事先规定的、是一套事先规定的、必须共同遵守的规约必须共同遵守的规约 报文与协议报文与协议图图1.3 现场总线数据通信系统示例现场总线数据通信系统示例现场现场总线总线传感器总

11、线、设备总线和现场总线传感器总线、设备总线和现场总线 现场总线网络化控制系统现场总线网络化控制系统控制器被控过程执行器测量变送给定值被控参数图图1.4 单回路控制系统框图单回路控制系统框图Network-based control systemNetwork-based control system控制器1执行器1测量变送1测量变送n执行器m生产过程现场总线网络图图1.5 控制系统组成环节之间的网络连接控制系统组成环节之间的网络连接 网络化连接网络化连接 传统控制系统的传统控制系统的一对一一对一连接连接 网络化连接网络化连接 Multi-ControllersAOPIDAIPIDAOAI图图1

12、.6 网络化控制系统与传统控制系统的结构比较网络化控制系统与传统控制系统的结构比较1.1.5 1.1.5 早期的现场总线技术早期的现场总线技术 早期早期的现场总线（工业电话线），把传感器、按钮、的现场总线（工业电话线），把传感器、按钮、执行机构等测量控制部件接到某种类型的执行机构等测量控制部件接到某种类型的控制器控制器上，上，例如例如PLCPLC或者是工业计算机。或者是工业计算机。 对控制器的对控制器的输入输入包括按钮、传感器、接触器的位置状态与包括按钮、传感器、接触器的位置状态与数值，数值， 控制器的控制器的输出输出用于驱动信号灯、接触器、开关、调节阀门用于驱动信号灯、接触器、开关、调节阀门

13、等。等。 第一个设备层第一个设备层现场总线：现场总线： 上世纪上世纪7070年代，在年代，在PLCPLC出现的同时，出现的同时，Culter-HammerCulter-Hammer推出了推出了第一个设备层现场总线系统。第一个设备层现场总线系统。 P-NetP-Net用于用于动物饲养系统动物饲养系统，奶制品厂，啤酒厂，农业环，奶制品厂，啤酒厂，农业环境控制等境控制等可以形成网络结构较为复杂的系统可以形成网络结构较为复杂的系统EIA-485EIA-485标准，屏蔽双绞线标准，屏蔽双绞线传输速率为传输速率为76.8Kbps76.8Kbps最大传输距离为最大传输距离为1200m1200m每段最多可以连

14、接每段最多可以连接125125个设备。个设备。每帧数据为每帧数据为5656位，当数据大于位，当数据大于5656位时将自动分割位时将自动分割成几个连续的帧来传输。成几个连续的帧来传输。P-NetP-Net采用分段结构的采用分段结构的多主多主网络系统网络系统, ,网络中可以网络中可以连接多至连接多至3232个主节点。个主节点。 图图1.7 P-Net1.7 P-Net多主网络系统多主网络系统 早期总线技术小结早期总线技术小结 从早期总线技术可以看出工业数据通信与控制网络的特点。从早期总线技术可以看出工业数据通信与控制网络的特点。 它在网络结构、节点种类、通信帧的长度、所处的它在网络结构、节点种类、

15、通信帧的长度、所处的工作环工作环境境、各种通信技术参数、需要考虑解决的问题等方面，都、各种通信技术参数、需要考虑解决的问题等方面，都具有区别于话音通信、计算机通信系统的显著特征。具有区别于话音通信、计算机通信系统的显著特征。 早期总线技术的缺点早期总线技术的缺点 大多是大多是专有通信技术专有通信技术，自成系统，自成系统，不具备开放性不具备开放性。不同生。不同生产厂商的产品之间不能相互通信，通信帧一般较短产厂商的产品之间不能相互通信，通信帧一般较短 开放总线的典型范例开放总线的典型范例CANCAN 有公开统一的技术规范有公开统一的技术规范 多多个芯片制造商：个芯片制造商：MotorolaMoto

16、rola、 IntelIntel、PhilipsPhilips、HitachiHitachi 开放性促进了该技术的发展与推广应用开放性促进了该技术的发展与推广应用 新型控制系统结构新型控制系统结构 网络化控制系统网络化控制系统 控制系统的结构变迁控制系统的结构变迁 基地式基地式气动仪表控制系统气动仪表控制系统 电动电动单元单元组合组合式式模拟仪表模拟仪表控制系统控制系统集中式集中式数字数字控制系统控制系统 集散集散控制系统控制系统 DCSDCS网络化网络化现场控制系统现场控制系统FCSFCS网络化控制系统的特点网络化控制系统的特点 结构上形成设备的结构上形成设备的网络式连接网络式连接 节省大量

17、线缆节省大量线缆、槽架、连接件；、槽架、连接件； 连线设计与接头校对连线设计与接头校对的工作量也大大减少的工作量也大大减少 增加现场控制设备增加现场控制设备无需增设新的电缆无需增设新的电缆 实现了工业数据的实现了工业数据的网络式远程传输与集中管理网络式远程传输与集中管理，扩大了扩大了操作人员的视野操作人员的视野，为远程监视与操作提供了基础条件，为远程监视与操作提供了基础条件 无人值守机站无人值守机站 将控制功能模块置入现场设备，实现了将控制功能模块置入现场设备，实现了全分布式控制全分布式控制系系统统 支持支持总线供电总线供电 为自动化系统与其它信息系统的沟通，实现企业的为自动化系统与其它信息系

18、统的沟通，实现企业的管理管理控制一体化控制一体化创造了条件创造了条件网络集成式控制系统网络集成式控制系统扩大了操作视野扩大了操作视野传统传统 4-20 mA只能看到只能看到 I/O 子系统子系统现场总线现场总线视野可以扩展到现场仪表视野可以扩展到现场仪表控制器控制器控制系统网络控制系统网络现场总线现场总线远程输入远程输入/输出输出子系统子系统控制器控制器控制系统网络控制系统网络控制系统对网络的要求控制系统对网络的要求 1.2 1.2 现场总线系统的特点现场总线系统的特点总线式连接总线式连接开放性开放性互可操作性互可操作性通信的确定性与实时性通信的确定性与实时性环境适应性环境适应性数字与智能化（

19、现场设备的数字与智能化（现场设备的 智能与功能自治性）智能与功能自治性）技术技术特点特点1.3 1.3 以现场总线为基础的企业网络系统以现场总线为基础的企业网络系统控制网络在企业网络系统中的地位与作用控制网络在企业网络系统中的地位与作用 。 ProfibusDevicenet(CAN)广域网PCPC卫星地面站中继器路由器PLCPCH1以太网段网关打印机绘图仪Modem键盘、便携机工作站TCP/Devicenet电话MotorPLCI/OI/OI/O服务器现场控制层FCS制造执行层MES防火墙服务器资源规划层ERP操作站图图1.8 以现场总线为基础的企业网络系统示意图以现场总线为基础的企业网络系

20、统示意图企业网络系统的层次结构企业网络系统的层次结构互连网Internet企业内部网Intranet底层控制网Infranet企业资源规划层ERP制造执行层MES现场控制层FCS图图1.9 1.9 企业网络系统企业网络系统各功能层次各功能层次信息传递示意图信息传递示意图Ethernet现场控制层FCS制造执行层MESEthernet资源规划层ERPEthernet调节阀温度变送器温度变送器温度变送器调节阀Internet控制网络现场控制层面临的问题现场控制层面临的问题控制网络与上层网络的连接方式控制网络与上层网络的连接方式 通过网关连接控制网段与上层网络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采用采用PCIPCI卡连接控制网段与上层网络卡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1.4 1.4 现场总线技术的标准化现场总线技术的标准化1.4 1.4 现场总线技术的标准化现场总线技术的标准化IEC/17BIEC/17B负责制定负责制定低压开关装置低压开关装置与控制装置与控制装置用用控制设备控制设备之间的接口标准之间的接口标准已通过的标准已通过的标准IEC62026IEC6202