现场总线-工业通信与网络技术 教案 第1讲 概论

工业通信与网络技术教案第1页课程题目第1讲概论（1）现场总线的概念、系统组成、网络架构、现场总线的发展历程课时2学时教学目的：1．了解现场总线的发展历程；2．掌握现场总线的概念、系统组成、网络架构；3．了解现场总线的应用。教学重点与难点：重点：现场总线的概念、组成及网络架构等；难点：现场总线的系统组成及网络架构。教学方法与手段：方法：讲授法手段：课堂教学教学内容与课时分配：1.现场总线的发展历程及应用实例；1学时2.现场总线的概念、系统组成和网络架构。1学时教具：作业与思考：教学后记：第1讲绪论（1）一、学习本门课程的主要目的1）掌握现代通信与网络的基本概念、基础知识；2）学会阅读并理解现场总线协议/规范/标准；3）能够初步设计一般设备的以太网/现场总线通信接口；4）掌握或了解以太网/典型现场总线系统的基本应用技术；5）为进行工业通信网络设计和网络（系统）分析以及撰写工业通信领域的各种通信网络规范奠定一定的基础。二、本门课程的主要内容1）现代通信与网络基本技术；2）基于UART的简单串行通信技术；3）主流（典型）现场总线/（工业）以太网/协议/规范/标准；4）现场总线/（工业）以太网线节点设计；5）现场总线系统应用技术基础。三、课时及授课内容安排第1章概论4学时；第2章网络基础4学时；第3章通信基础8学时；第4章基于UART的简单串行通信（4学时）；第5章CAN总线6学时；第6章DeviceNet总线4学时；第7章实时以太网与工业以太网2学时。四、主要参考教材1）AndrewS.Tanenbaum，DavidJ.Wetherall著.严伟，潘爱民和李晓明译.《计算机网络》（第5版）.清华大学出版社，20122）WilliamStallings著.王海，张娟和张艳译.《数据与计算机通信》（第九版）.电子工业出版社，20123）佟为明.《工业通信与网络技术》.校内教材，2013五、课程内容扩展随着互联网+、能源互联网、工业4.0、智能电网、工业互联网、物联网、智慧家居等概念的提出及其技术的发展，工业通信与网络技术（现场总线技术）已成为自动化及电气工程领域当前和今后的发展热点之一，已在各民用和国防领域中获得了广泛应用；其技术范畴包括数据通信与计算机网络基础知识、CAN总线、DeviceNet、ControlNet、基于UART的简单串行通信、Modbus、EtherNet等内容。图1-1工业4.0图1-2互联网+图1-3工业4.0九大科技支柱图1-4工业4.0三大趋势图1-5互联网对我们生活的改变图1-6互联网对我们生活的影响图1-7机场行李称重管理系统图1-8高速公路现场子站监控结构图图1-9汽车总线生产线现场总线控制系统图1-10工业网络在汽车电子领域的应用图1-11汽车总线上的电子设备图1-12大豆分离蛋白现场总线控制系统图1-13工业4.0图1-14基于现场总线的企业能源计量系统图1-15上海世博园区配电网现场总线监控系统配置图图1-16低压开关柜传统方式与现场总线智能化方式的比较图1-17能源互联网运行场景示意图图1-18基于通信的智能电网组成六、现场总线的发展历程1．机械式（液动式、气动式）仪表缺点：仪表体积较大，适合单机控制。年代：20世纪30年代到40年代初。2．电动仪表使用4-20mA电流环模拟信号。缺点：线缆较多。年代：20世纪50年代。3．CCS（ComputerControlSystem）中央控制计算机系统包括2种类型：1）SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）监视控制与数据采集系统。2）DDL（DirectDigitalControl）直接数字控制系统。年代：约1962年。特点：控制集中，危险集中，对中央控制计算机要求高。4．DCS（DistributedControlSystem）集散控制系统/分散控制系统/分布式控制系统DCS是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。年代：约1976年。5．FCS（FieldbusControlSystem）现场总线控制系统年代：约1972年。总结（FCS产生的原因）：1）生产力水平的发展所要求；2）由简到繁、再由繁到简的螺旋式上升发展过程。七、现场总线的概念国际电工委员会制定的国际标准IEC61158对现场总线（Fieldbus）的定义是：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的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。现场总线一般应被看作是一个系统、一个网络或一个网络系统，甚至是一个测控系统，它应用于现场测量和/或控制目的，通常被称为：1）现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）2）现场总线3）现场总线系统4）现场总线网络5）现场总线网络系统6）现场总线网络控制系统7）网络控制系统NCS（NetworkControlSystem）八、现场总线系统的组成和网络架构1．现场总线系统的组成图1-19现场总线系统的组成硬件部分：1）总线电缆，又称为通信线、通信介质（媒体/媒介/介体）。2）连接在通信线上的设备称为总线设备，亦称为总线装置、节点（主节点、从节点）、站点（主站、从站），包括变送器、执行器、控制器等。软件部分：1）系统平台软件：为系统构建、运行以及为系统应用软件编程而提供环境、条件或工具的基础软件。包括网络配置软件、通信工具软件、监控组态软件和设备编程软件。2）系统应用软件：为实现系统以及设备的各种功能而编写的软件，包括系统用户程序软件、设备接口通信软件和设备功能软件。3）网络配置软件——为用计算机进行总线设备/节点网络配置提供平台并按现场总线协议/规范与通信工具软件交换信息的工具软件。如DeviceNetManager、RSNetWorxforDeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP。4）通信工具软件——为计算机与总线设备进行通信，按现场总线协议/规范读取总线设备参数/配置信息、网络配置信息、程序传送至总线设备而使用的软件，如RSLinx。5）监控组态软件——运行于监控计算机(通常也称为上位机)上的通过简单形象的组态工作即可实现系统监控功能的软件，具有实时显示现场设备运行状态参数、故障报警信息，并进行数据记录、趋势图分析及报表打印等功能。监控组态软件亦称上位机监控组态软件，如RSView32。6）设备编程软件——为系统应用软件提供编程环境的平台软件。当设备为控制器/PLC时，设备编程软件即为控制器编程软件，如RSLogix500（用于SLC500系列和ML系列控制器的32位基于Windows的梯形图逻辑编程软件）、RSLogix5000（用于Logix平台所包括的各种控制器（如ControlLogixTM）的编程软件）。7）系统用户程序软件——根据系统的工艺流程或功能及其它要求而编写的系统级的用户应用程序。该程序一般运行于作为主站的控制器中或计算机中。8）设备接口通信软件——根据现场总线协议/规范而编写的用于总线设备之间通过总线电缆进行通信的软件。9）设备功能软件——使总线设备实现自身功能（不包括现场总线通信部分）的软件。2．现场总线控制系统的网络架构图1-20DeviceNet现场总线控制系统网络架构图1-21罗克韦尔推出的现场总线控制系统体系结构图1-22FFHSE网络架构在现场总线控制系统中，总线设备主要分为6类：1）变送器／传感器；2）执行器；3）控制器；4）监控／监视计算机；5）网桥／网关/中继器/集线器/交换机/路由器；6）其他现场总线设备。工业通信与网络技术教案第1页课程题目第2讲概论（2）现场总线的技术特点及优点、制定现场总线标准的机构、现场总线的国际标准、现场总线中国标准、现场总线的分类课时2学时教学目的：1．了解制定现场总线标准的机构；2．掌握现场总线的国际标准、现场总线的中国标准；3．掌握现场总线的分类和现场总线的技术特点及优点，思考思考标准的更改与现场总线发展的关系。教学重点与难点：重点：现场总线的技术特点及优点、现场总线的国际标准；难点：现场总线的国际标准。教学方法与手段：方法：讲授法手段：课堂教学教学内容与课时分配：1.现场总线的技术特点及优点、制定现场总线标准的机构；1学时2.现场总线的国际标准、现场总线中国标准、现场总线的分类。1学时教具：作业与思考：教学后记：备注教学内容工业通信与网络技术教案第14页备注教学内容第2讲绪论（2）一、现场总线的技术特点及优点1．现场总线的技术特点与DCS等传统的系统相比，现场总线（系统）有以下特点：1）现场通信网络现场总线将通信线（总线电缆）延伸到工业现场（制造或过程区域），或总线电缆就是直接安装在工业现场的；现场总线完全适应于工业现场环境，因为它就是为此而设计的。2）数字通信网络现场底层的变送器／传感器、执行器、控制器之间的信号传输均用数字信号；中／上层的控制器、监控／监视计算机等设备之间的数据传送均用数字信号；各层设备之间的信息交换均用数字信号。3）开放互连网络现场总线标准、协议／规范是公开的，所有制造商都必须遵守；现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连，也可实现不同层网络互连，而不管其制造商是哪一家；用户可共享网络资源。4）现场设备互连网络现场总线通过一根通信线将所需的各个现场设备（如变送器／传感器、执行器、控制器）互相连接起来，即用一根通信线直接互连N个现场设备，从而构成了现场设备的互连网络。5）结构与功能高度分散的系统现场总线的系统结构具有高度分散性；现场总线的系统功能实现了高度分散，现场设备由分散的功能模块构成。6）现场设备的互操作性与互换性互操作性：同一制造商或不同制造商提供的两个或多个现场设备交换信息和使用这些信息正确地执行特定功能的能力。互换性：不用改变系统内的其他元件，用一个制造商提供的设备替代另一个制造商提供的设备的能力。2．现场总线的优点现场总线所具有的数字化、开放性、分散性、互操作性与互换性及对现场环境的适应性等特点决定和派生了其一系列优点：1）导线和连接附件大量减少；2）仪表和输入／输出转换器（卡件）大量减少；3）设计、安装和调试费用大大降低；4）维护开销大幅度下降；5）系统可靠性提高；6）系统测量与控制精度提高；7）系统具有优异的远程监控功能；8）系统具有强大的（远程）故障诊断功能；9）设备配置、网络组态和系统集成方便自由；10）现场设备更换和系统扩展更为方便；11)为企业信息系统的构建创造了重要条件。与传统的DCS方案相比，美国阿拉斯加WestSakARCO油田（自然环境十分恶劣）采用某现场总线所带来的节省情况如下：a、减少接线端子84％；b、减少I/O卡件数量93％；c、减少控制仪表面板空间70％；d、减少室内接线98％；e、由于远程诊断而减少维护工作量50~80％；f、扩展油田所需组态时间减少90％；g、节省电缆费用69%。二、了解以至掌握现场总线国际标准和其它相关标准的必要性1）某种现场总线是否已被列入国际标准或／和其它有关标准，是衡量其是否已成为或将成为国际主流现场总线的重要的、甚至是决定性的因素之一；2）在当今数字技术时代，标准不仅是一个产品规范，而且还起着领导其所在领域高新技术发展的特殊作用；3）现场总线标准确保了每种总线设备/软件都具有广阔的市场，这有助于大批量生产，甚至可以采用大规模集成（LSI）或超大规模集成（LVSI）技术，从而降低了成本；4）现场总线的开放性及互操作性与互换性均是以其标准为前提的。三、制定现场总线标准的机构国际上制订国际标准的机构有3个：1）国际标准化组织ISO(InternationalOrganizationforStandardization)；2）国际电工委员会IEC（InternationalElectrotechnicalCommission）；3）国际电信联盟ITU（InternationalTelecommunicationUnion）。各个国家均有制订国家标准的组织，我国制定国家标准的组织是中国标准化管理委员会SAC（StandardizationAdministrationofChina）。IEC国际标准的制定过程：—预备阶段；—提案阶段；—准备阶段；—委员会阶段；—征询意见阶段；—批准阶段；—出版阶段。（标志：PPUB：PublicationIssued，出版发行即认为国际标准形成）四、现场总线国际标准据统计，世界上已有现场总线100多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种，仅国际标准现场总线即达25种。IEC61158：工业控制系统用现场总线（FieldbusforuseinindustrialControlSystem）。IEC62026：低压开关设备和控制设备（Low-VoltageSwitchgearandControlgear）用现场总线（设备层现场总线）。ISO11898：道路交通工具－数字信息交换－用于高速通信的控制器局域网（CAN）。ISO11519：道路交通工具－低速串行数据通信。1.IEC61158：IEC61158是制定时间最长、投票次数最多、意见分歧最大的国际标准之一。到目前为止，IEC61158共有4个不同的版本(1984～2007)。原因：1）各大公司为了从自己专用的技术中取得更多、更大的利润，并不迫切希望现场总线标准早日问世；2）他们不得不开发打破垄断、全面开放的现场总线，与其自身利益相矛盾，是无奈之举；3）一旦国际标准与其技术产品不符，就投反对票；4）一些小国在技术、经济上依附大国，投票中摇摆，不能自主；5）IEC是多极化组织，代表分别来自各大国及各大公司，斗争的复杂性反复性不可避免；6）技术上，没有一种现场总线对所有领域都是最好的。IEC61158第1版（ED1.0）（1984-1993-1998），如下图：图1-23IEC61158第1版（ED1.0）内容2.IEC61158第2版（ED2.0）(1999-2000)IEC61158第2版（ED2.0）包括以下部分：IEC61158-2（2000-08）工业控制系统用现场总线标准－第2部分：物理层规范与服务定义；IEC61158-3（2000-01）测量与控制用数字式数据通信系统－工业控制系统用现场总线－第3部分：数据链路服务定义；IEC61158-4（2000-01）测量与控制用数字式数据通信系统－工业控制系统用现场总线－第4部分：数据链路协议规范；IEC61158-5（2000-01）测量与控制用数字式数据通信系统－工业控制系统用现场总线－第5部分：应用层服务定义；IEC61158-6（2000-01）测量与控制用数字式数据通信系统－工业控制系统用现场总线－第6部分：应用层协议规范。注：第2版IEC61158于2000年成为正式国际标准。进入IEC61158第2版的现场总线有以下8种类型（Type），如下图：图1-24IEC61158第2版（ED2.0）-8种现场总线3.IEC61158第3版（ED3.0）(2000-2002)IEC61158第3版（ED3.0）也包括IEC61158-2至IEC61158-6这几部分。其IEC61158-3至IEC61158-6的标题（Title）与第2版对应部分的标题相同。第3版IEC61158-2的标题为：IEC61158-2TR测量与控制用数字式数据通信系统－工业控制系统用现场总线－第2部分：物理层规范。IEC61158第3版（ED3.0）共有10种现场总线。IEC61158第3版规定了以下10种类型的网络协议：Type1PhL：扩展的IEC61158-2:1993扩展的FOUDATIONTMFieldbus功能扩展的WorldFIP®DLL：IECTS61158-3，TS61158-4扩展的FOUDATIONFieldbus功能扩展的WorldFIPAL：IECTS61158-5，TS61158-6Type2PhL：ControlNetTMDLL：ControlNetAL：ControlNetandEthernet/IPTMType3：PROFIBUSTMType4：P-NET®Type5：PhL：无DLL：无AL：FFHSEType6：SwiftNetTMType7：WorldFIPType8：INTERBUS®Type9：PhL：无DLL：无AL：Type1的一部分，与FF相同Type10：PROFInetTM其中，PhL、DLL、AL分别为物理层、数据链路层、应用层。4.IEC61158第4版（ED4.0）(2003-2007)IEC61158第4版包括：IEC/TR61158-1总则；IEC61158-2物理层服务定义与协议规范；IEC61158-300数据链路服务定义；IEC61158-400数据链路协议规范；IEC61158-500应用层服务定义；IEC61158-600应用层协议规范。IEC61158第4版（ED4.0）-19种现场总线。IEC61158第4版规定了以下20种类型的现场总线、工业以太网/实时以太网：Type1IEC/TS61158现场总线Type2CIP现场总线/实时以太网Type3PROFIBUS现场总线Type4P-NET现场总线/实时以太网Type5FFHSE高速以太网(实时以太网)Type6SwiftNet被撤销Type7WorldFIP现场总线Type8INTERBUS现场总线/实时以太网Type9FFH1现场总线Type10PROFINET实时以太网Type11TCnet实时以太网Type12EtherCAT实时以太网Type13EthernetPowerlink实时以太网Type14EPA实时以太网Type15MODBUS-RTPS实时以太网Type16SERCOS-Ⅰ,Ⅱ现场总线Type17VNET/IP实时以太网Type18CC-Link现场总线Type19SERCOS-Ⅲ实时以太网Type20HART现场总线IEC61158采纳多种现场总线的原因：1）技术原因。目前尚没有一种现场总线对所有应用领域在技术上都是最优的。2）利益驱动。5.IEC62026（1995-2001）-4种现场总线1）IEC62026-1（2000-07）低压开关设备和控制设备―控制器-设备接口（CDIs：Controller-deviceinterface）－第1部分：总则（Generalrules）；2）IEC62026-2（2000-07）低压开关设备和控制设备―控制器-设备接口－第2部分：执行器传感器接口（AS-i：Actuatorsensorinterface）；3）IEC62026-3（2000-07）低压开关设备和控制设备―控制器-设备接口－第3部分：DeviceNet；4）IEC62026-5（2000-07）低压开关设备和控制设备―控制器-设备接口－第5部分：智能分布系统（SDS：Smartdistributedsystem）；5）IEC62026-6（2001-11）低压开关设备和控制设备―控制器-设备接口－第6部分：Seriplex(SerialMultiplexedControlBus(串行多路控制总线))；6）IEC62026-1、2、3、5于2000年7月作为正式国际标准出版；7）IEC62026-6于2001年11月作为正式国际标准出版；8）IEC62026曾有过IEC62026-4，其标题为：IEC62026-4用于低压开关设备和控制设备的控制电路设备和开关元件（Controlcircuitdeviceandswitchingelements）－第4部分：Lontalk，因该协议不适合作为设备层的通用协议而被移去。6.ISO11898（1993）-高速CANISO11898的标题为：1）ISO11898:1993道路交通工具（RoadVehicle）－数字信息交换（Interchangeofdigitalinformation）－用于高速通信（Forhigh-speedcommunication）的控制器局域网（CAN）；2）ISO11898:1993描述CAN的一般结构，包括CAN物理层和数据链路层的详细技术规范，规定装备有CAN的道路交通工具电子控制单元之间以125kbit/s～1Mbit/s传送速率进行数字信息交换的各种特性。7.ISO11519（1994-1995）-低速CAN和VANISO11519的各部分如下：1）ISO11519-1：1994道路交通工具－低速串行数据通信－第1部分：总则与定义（Generalanddefinitions）；2）ISO11519-2：道路交通工具－低速串行数据通信－第2部分：低速控制器局域网（CAN）；3）ISO11519-3：1994道路交通工具－低速串行数据通信－第3部分：交通工具局域网（VAN）。ISO11519-1说明用于道路交通工具的速率不大于125kbit/s的低速串行数据通信的一般定义；ISO11519-2、3分别说明用于道路交通工具速率不大于125kbit/s的CAN和VAN通信网络的数据链路层和物理层，规定其网络的一般结构。五、现场总线中国标准1.与IEC61158相应的现场总线中国标准：1）GB/T20540-2006测量和控制数字式数据通信工业控制系统用现场总线类型3：PROFIBUS；2）GB/Z20541-2006测量和控制数字式数据通信工业控制系统用现场总线类型10：PROFINET；3）GB/T20171-2006用于工业测量与控制系统的EPA系统结构与通信规范。1）GB/T19760-2008CC-Link控制与通信网络规范2.与IEC61158相应的现场总线中国机械行业标准：1