现场总线课件第1章.

1、第1讲1.1 现场总线的概念现场总线的概念1.2 现场总线的产生及发展现场总线的产生及发展1.3 现场总线的特点现场总线的特点1.4 工业控制网络体系工业控制网络体系1.5 本书的基本结构本书的基本结构l 总线总线 传送信息的公共通路 串行总线串行总线 并行总线并行总线l 现场总线现场总线 根据国际电工委员会IEC61158标准定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式数字式、串行串行、多点通信多点通信的数据总线。l 现场总线控制系统现场总线控制系统 基于现场总线的控制系统。 l 局域网局域网(Local Area NetworkLAN) 地理范围有限地

2、理范围有限 通信速率高，误码率低通信速率高，误码率低 可采用多种通信介质可采用多种通信介质 多采用分布式控制和广播式通信，可靠性较高多采用分布式控制和广播式通信，可靠性较高l 远程网远程网, ,广域网（广域网（Wide Area NetworkWAN ） 地理范围广，通信线路长地理范围广，通信线路长 采用分布式不规则形网络拓扑结构，低层协议比较复杂采用分布式不规则形网络拓扑结构，低层协议比较复杂 l 现场总线是低带宽的计算机局域网现场总线是低带宽的计算机局域网 通讯距离有限通讯距离有限 信息传输的实时性强，可靠性高，且多为短帧传送信息传输的实时性强，可靠性高，且多为短帧传送 传输速率一般在几传

3、输速率一般在几kbit/skbit/s至至10Mbit/s10Mbit/s之间之间 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层123ISO/OSI模型4567 物理层 数据链路层 应用层现场总线协议l通讯介质的多样性通讯介质的多样性l实时性实时性l信息的完整性信息的完整性、精确性精确性l可靠性可靠性l可互操作性可互操作性l数字特征数字特征现场总线控制网络Infranet(Fieldbus)企业内部网Intranet(Ethernet)互联网Internet举例:一个一般过程控制系统 控制器1执行器 流量流量变送器 液位 控制器2 液位变送器远程传感器和执行机构控制器控制器工控机

4、. . .远程传感器和执行机构控制器现场总线智能自治节点远程传感器和执行机构控制器控制器工控机. . .远程传感器和执行机构控制器现场总线智能自治节点控制器控制器工控机控制器控制器控制器控制器工控机. . .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现场总线控制集散控制集中控制l 集散控制系统集散控制系统 Distributed Control System DCSl 现场总线控制系统现场总线控制系统 Fieldbus Control System FCSl 人机界面人机界面 Human Machine Interface HMIl 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制

5、器 Programmable Logic Controller PLCl制定出国际现场总线通讯和技术标准l自动化厂商按照标准生产各种自动化产品,包括控制器、传感器、 执行机构、 驱动装置及控制软件l实际应用中,使用一根通讯电缆,将所有设备连接到控制器，形成设备及车间级的数字化通讯网络l现场设备与主控制器之间的通讯距离长l现场被控设备高度分散l系统对底层设备有信息集成要求l系统对底层设备有较高的远程诊断、故障报警及参数化要求l对现场环境适应性要求高l 基金会现场总线基金会现场总线(Foundation Fieldbus,FF) 1994年年,由由ISP和和WorldFIP两大集团合并成立现场总两

6、大集团合并成立现场总线基金会线基金会.拥有拥有120多个成员多个成员:AB,ABB,Honeywell等等 采用采用OSI/ISO物理层物理层,数据链路层和应用层数据链路层和应用层,增加了用增加了用户层户层 有低速有低速(H1,31.25kb/s,200m，400m，1200m，1900m)与高速与高速(H2,1Mbps, 2.5Mpbs,750m,500m)之之分分,H2逐渐被逐渐被HSE(100Mb/s,甚至更高甚至更高)取代取代 支持双绞线、同轴电缆、光缆和无线发射等传输介支持双绞线、同轴电缆、光缆和无线发射等传输介质质 应用领域以过程自动化为主应用领域以过程自动化为主,比如化工比如化工

7、,石油石油,污水处污水处理理l 过程现场总线过程现场总线(Process field bus,Profibus) 西门子为首的西门子为首的13家公司家公司 共有共有3种版本种版本lProfibus-FMS（Fieldbus Message Specification）lProfibus-PA（Process Automation）lProfibus-DP（Decentralised Peripherals） 采用采用ISO/OSI的物理层、数据链路层和应用层的物理层、数据链路层和应用层 传输速率为传输速率为9.6kbps-12Mbps,传输距离为传输距离为100m-1.2km 采用总线型、树型

8、、采用总线型、树型、 星型星型 支持双绞线和光纤支持双绞线和光纤 制造自动化和过程控制自动化制造自动化和过程控制自动化, ,电力电力, ,铁路交通铁路交通l 局部操作网络局部操作网络(Local Operating Network,LON) 由美国由美国Echelon公司推出公司推出,摩托罗拉、东芝支持倡导摩托罗拉、东芝支持倡导.组成组成LonMARK互操作协会互操作协会 采用采用OSI模型全部模型全部7层通讯协议层通讯协议 通讯速率从通讯速率从300b/s到到1.5Mb/s,通讯距离可达通讯距离可达2700m 采用总线型、树型采用总线型、树型 支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线、电力线、无线

9、发射支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线、电力线、无线发射等传输介质等传输介质 LonTalk协议固化在协议固化在Neuron芯片中芯片中.每片芯片带每片芯片带3个个8位微处理位微处理器器 最大的应用领域在楼宇自动化最大的应用领域在楼宇自动化,在工业控制领域如石油在工业控制领域如石油,铁路也铁路也有应用有应用l 控制器局域网络控制器局域网络(Controller Area Network,CAN) 由德国由德国 Bosch 开发开发,起初专为汽车工业设计起初专为汽车工业设计. 遵循遵循ISO/OSI模型模型,采用了物理层和数据链路层采用了物理层和数据链路层,应用应用层协议允许用户自行开发层协议允

10、许用户自行开发. 采用短帧结构采用短帧结构,最可靠最可靠 可采用可采用双绞线、同轴电缆、光缆等传输介质双绞线、同轴电缆、光缆等传输介质 通讯速率最高通讯速率最高1Mb/s,最远通讯距离可达最远通讯距离可达10km 成为成为ISO国际标准国际标准. 芯片由摩托罗拉芯片由摩托罗拉,Intel等公司生产等公司生产,价格低廉价格低廉,用量最用量最大大l设备网设备网(DeviceNet) 由由Rockwell推出推出,交由交由ODVA管理后得到全球众多制管理后得到全球众多制造商的支持造商的支持,如如Omron, Hitachi, ABB 采用物理层采用物理层,数据链路层和应用层数据链路层和应用层 可选数

11、据传输速率可选数据传输速率125Kbps,250Kbps,500Kbps 对等（对等（peer to peer)，多主和主从通信方式，多主和主从通信方式 可带电更换网络节点，在线修改网络配置可带电更换网络节点，在线修改网络配置 基于基于CAN的技术的技术,低成本低成本,高可靠性高可靠性l控制网控制网(ControlNet) 由美国由美国Rockwell Automation推出推出,交由交由CI管理后管理后在全世界范围内拥有包括在全世界范围内拥有包括Rockwell Automation、ABB、Honeywell等等70家著名厂商组成的成员单位家著名厂商组成的成员单位. 通讯速率通讯速率5M

12、b/s,通讯距离通讯距离30km 采用物理层采用物理层,数据链路层和应用层数据链路层和应用层 支持总线型支持总线型,树型和星型树型和星型 应用于交通运输应用于交通运输,汽车制造汽车制造,冶金冶金,矿山矿山,电力电力,食品等领食品等领域域lP-Net (Process automation Net) 1984年由丹麦年由丹麦Process data A/s公司提出公司提出, 由由Process-Data Silkeborg Aps 开发。开发。 采用采用OSI/的物理层、数据链路层、网络层、传输层的物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层和应用层 采用屏蔽双绞线采用屏蔽双绞线,数据传输速率为数

13、据传输速率为76.8kbps,传输距离传输距离1.2km 多主控制器多主控制器,主从式总线主从式总线,每段最多可容纳每段最多可容纳32个主控个主控制器制器 应用主要集中农业应用主要集中农业,水产水产,饲养饲养,林业林业,食品等行业食品等行业lWorldFIP(World Factory Instrumentation Protocol) WorldFIP基于基于FIP协议，其最初由法国于协议，其最初由法国于80年代开发，年代开发，并成为法国国家标准和欧洲标准并成为法国国家标准和欧洲标准,有有WorldFIP协会组协会组织织 采用采用ISO/OSI模型的物理层、数据链路层、应用层模型的物理层、数

14、据链路层、应用层 具有单一的总线结构具有单一的总线结构,可适应不同应用领域的需求可适应不同应用领域的需求 不同应用领域采用不同的总线速率不同应用领域采用不同的总线速率,过程控制采用过程控制采用31.25kpbs,制造业为制造业为1Mbps,驱动控制为驱动控制为1-5Mbps 主要应用在过程自动化主要应用在过程自动化,制造自动化制造自动化,电力电力,铁路运输铁路运输l Interbus (International Bus) 1984年由德国年由德国Phoenix Contact公司开发公司开发,后成立后成立Interbus组织组织(Interbus Club) 采用采用OSI/ISO物理层物理

15、层,数据链路层和应用层数据链路层和应用层 集中式主从方案，环型拓扑，传输速率为集中式主从方案，环型拓扑，传输速率为500Kbps InterBus适用于分散输入输出、串行总线的适用于分散输入输出、串行总线的PLC和和PC系统系统 Interbus是一种传感器级的现场总线，令牌网，经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。济性是它的一大特点。 Interbus的应用主要在汽车制造的应用主要在汽车制造,机械制造机械制造,水处理水处理,隧道交通隧道交通,食品食品,轻工轻工,烟草烟草,印刷等行业印刷等行业.l AS-i (Actuator Sensor Interface ) AS-i

16、由德国由德国11家传感器家传感器/执行器制造商针对机床控制执行器制造商针对机床控制中的二进制开中的二进制开/关设备联合开发关设备联合开发,成立成立ASI国际协会国际协会. AS-i系纯粹的主从系统，支持最多系纯粹的主从系统，支持最多31个从节点，每个从节点，每个节点带个节点带4位数据，整个网络共有位数据，整个网络共有124个可寻址输入个可寻址输入/输出。采用黄色的非屏蔽、非绞的双线传输数据和输出。采用黄色的非屏蔽、非绞的双线传输数据和电源。电源。 AS-i可通过具网关功能的主设备（可通过具网关功能的主设备（PLC或或PC）连接）连接至高一级总线系统，特别适用于作为小型至高一级总线系统，特别适用

17、于作为小型PLC的通的通讯总线。讯总线。lSDS (Smart Device System ) SDS专为专为I/O级控制应用设计，以扩展到更高一级总级控制应用设计，以扩展到更高一级总线，由线，由Honeywell Micro Switch Division开发开发 SDS标准定义了应用层、物理层和设备规约。连接标准定义了应用层、物理层和设备规约。连接简单简单I/O设备至设备至PLC或或PC，以垂询方式工作时特别，以垂询方式工作时特别有效。同时可以运行在对等模式下，以提供分散控有效。同时可以运行在对等模式下，以提供分散控制。制。 规定的规定的4种传输速率为种传输速率为125K、250K、500

18、K和和1M，网络中可容纳至多网络中可容纳至多64个节点。个节点。 基于基于CAN的技术的技术,数据传送方式与数据传送方式与DeviceNet类似类似l IECIEC的现场总线标准的现场总线标准用于工业控制系统的用于工业控制系统的IEC61158IEC61158标准标准 用于低压开关设备与控制设备、控制器与用于低压开关设备与控制设备、控制器与电气设备接口的电气设备接口的IEC62026IEC62026标准标准l ISOISO的现场总线标准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用于道路车辆数字信息交换的现场总线标准准ISO11898ISO11898IEC61158采用以下8种现场总线：

19、 类型1：IEC61158技术报告 (即低速FF H1) 类型2：ControlNet (美国Rockwell Automation) 类型3：PROFIBUS (德国Siemens) 类型4：P-Net (丹麦Process Data) 类型5：FF HSE (高速FF,美国Fisher- Rosemount) 类型6：Swift Net (美国Boeing) 类型7：World FIP (法国Alstom) 类型8：Interbus (德国Phoenix Contact) 注：IEC现场总线标准的8种类型都是平等的，并要求类型28对类型1提供接口，但不要求类型28之间提供接口。IEC620

20、26 - (IEC17B Committee),2000年1月 IEC62026 1 一般要求 IEC62026 2 AS-i ( Siemens) IEC62026 3 DeviceNet (Rockwell, Omron) IEC62026 4 Lontalk,现已取消 IEC62026 5 SDS (Honeywell) IEC62026 6 SMCB IEC62026 7 Interbus, 转入IEC61158 *l 国际标准化组织为现场总线制定的标准是TC22，其中影响最大的为ISO 11898.1993，即道路车辆数字信息交换高速通信的控制器局域网络（CAN）。l ISO 118

21、98对CAN只规定了模型的第1、2层，即物理层和数据链路层。应用层的协议可以由不同用户、企业、组织定义，比如DeviceNet就部分沿用了CAN的物理层和数据链路层，自己增加了对应用层的规定。 l 多种总线共存.l 各种现场总线都是从某一特定的行业开始，然后拓展到其它领域.l 大多数总线都成立了相应的国际组织l 每种总线都以一个或几个大型跨国公司为主要支持l 大多数设备制造商都积极参加不止一个总线组织.l 在激烈竞争中出现了协调共存的现象。l 以太网的引入成为新的热点.l现场总线控制系统是全面数字化、网络化的控制系统 l现场总线控制系统的网络结构向简单的方向发展 l现场总线控制系统大量采用成熟

22、的、开放的、通用的技术 l总线式结构总线式结构 l开放性、互操作性与互换性开放性、互操作性与互换性 l彻底的分散控制彻底的分散控制 l信息综合、组态灵活信息综合、组态灵活 l多种传输媒介和拓扑结构多种传输媒介和拓扑结构 l节省硬件数量与投资节省硬件数量与投资l节省安装费用节省安装费用l节省维护开销节省维护开销l用户具有高度的系统集成主动权用户具有高度的系统集成主动权l提高了系统的准确性和可靠性提高了系统的准确性和可靠性传统泵传统泵/阀控制系统结构示意图阀控制系统结构示意图P&V 1P&V 2P&V 3P&V 4P&V 5良工良工良工良工良工CPU大量的电

23、缆和连接大量的电缆和连接 ! !I/O, AD/DA etc. Modules 现场总线泵现场总线泵/阀控制系统结构示意图阀控制系统结构示意图P&V 1P&V 2P&V 3P&V 4P&V 5良工良工良工良工良工CPUDeviceNet 接口接口 只有一根电缆只有一根电缆 !Network Scanner l 基于现场总线的智能化仪表的研制是本世纪整基于现场总线的智能化仪表的研制是本世纪整个控制、管理系统的基础个控制、管理系统的基础 l 基于现场总线的网络设备的软、硬件研制基于现场总线的网络设备的软、硬件研制 l 组态技术的研究，包括网络拓朴结构、网络设

24、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备配置、不同网段互联等技术 l 网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输操作与传输 l 基于现场总线技术的全开放控制系统的集成技基于现场总线技术的全开放控制系统的集成技术术 l功能功能 计算机通讯的功能是可靠地传递信息计算机通讯的功能是可靠地传递信息 现场总线的功能是经济、安全、可靠的传递现场总线的功能是经济、安全、可靠的传递信息信息;正确使用所传信息正确使用所传信息;及时处理所传信息及时处理所传信息l要求要求 对计算机通讯的主要要求是传输速度快对计算机通讯的主要要求是传输速度快

25、 对现场总线的要求不仅是传输速度快对现场总线的要求不仅是传输速度快,而且而且要求响应快要求响应快 控制系统的通信中往往要考虑以下几个问题： 产品怎样互联在一起？产品怎样互联在一起？ 系统中不同产品间要有可靠的互操作性及不同供货系统中不同产品间要有可靠的互操作性及不同供货商的同类产品要有可互换性。商的同类产品要有可互换性。 产品将要交换什么样类型的数据？是控制数据产品将要交换什么样类型的数据？是控制数据( (如如 I/O I/O 等等) )还是信息数据（如图文，声音等）还是信息数据（如图文，声音等） 系统需要什么样的容吐量？系统需要什么样的容吐量？ 产品怎样被组态？产品怎样被组态？ 系统能否在将

26、来可以进一步扩充？系统能否在将来可以进一步扩充？应该根据具体的应用需求来选择不同的网络，不同的应用需求对数据的要求是不同的:l 对数据量要求的不同。网络上要求传送的数据量可能以兆字节或字节或位来计算。负载量的变化，对网络的带宽有不同要求，。l 对数据类型要求不同。要求可能是I/O信息，状态突变的信息或显式报文（Explicit Messaging），程序的 上载/下载 ，诊断信息等l 对网络性能要求不同。可能要求网络主要处理高速离散量或者模拟量，对工业控制网络特别要求确定性和可重复性。l 罗克韦尔自动化提出了三层网络,即设备层，控制层和信息层的体系。3 3INFORMATION LAYERINFORMATION LAYERCONTROL LAYERCONTROL LAYERDEVICE LAYERDEVICE LAYERl 从底层到高层全