第九章-现场总线控制系统

1、第九章 现场总线控制系统,分散控制系统与现场总线控制系统课件,现场总线（Fieldbus）是用于过程自动化或制造自动化中的、实现智能化现场设备（例如，变送器、执行器、控制器）与高层设备（例如主机、网关、人机接口设备）之间互联的、全数字、串行、双向的通信系统。通过它可以实现跨网络的分布式控制。,现场总线概述,现场总线基本概念,现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。 国际电工委员会IEC和现场总线基金会FF,现场总线概述,现场总线基本概念,现场总线概述,现场总线基本概念,现场总线本质,现场通信网络 现场设备互连 互操作性 分散功能块 现场总线供电 开放式互

2、连网络,现场总线概述,现场总线的产生,现场总线控制系统（FCS）是继基地式气动仪表控制系统（PCS）、电动单元组合式模拟仪表控制系统（ACS）、集中式数字控制系统（CCS）、分散控制系统（DCS）后的新一代控制系统。 现场总线系统是全数字系统，现场设备在不同程度上都具有数字计算和数字通信能力。一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，另一方面也为提供丰富的控制信息和实现远程传送创造了条件。,现场总线概述,现场总线的产生,现场总线控制系统（FCS）是现场总线通信网络和自动化系统的结合体，不但具有数字通信功能，还具有现场控制功能和控制网络管理功能。,现场总线概述,DCS、RI/O和FCS的比较,DC

3、S的处理器模件与I/O模件之间不但可以通过厂家专用的通信协议进行数据交互，还可以通过某种现场总线协议进行数据交互。另外，在DCS系统中，为了与距离电子设备间较远的某个子系统进行数据交互，还使用了远程I/O设备，通过某种协议的数据总线将远程I/O中的多个I/O数据与电子设备间的处理器模件进行数据交互。现场总线控制系统通过现场总线技术，将现场的智能设备串联在一起组成控制系统。,现场总线概述,DCS、RI/O和FCS的比较,为了更好的理解现场总线，可以根据处理器模件，I/O模件，控制策略所处的位置以及I/O模件是否具有微处理机等来对以上几个比较容易混淆的概念进行区分。,现场总线概述,DCS、RI/O

4、和FCS的比较,现场总线概述,DCS、RI/O和FCS的比较,现场总线概述,现场总线通信系统,现场总线通信系统由数据发送设备、接收设备、传输介质、传输报文和通信协议等几部分组成。根据传输通信帧的长短，可将数据总线分为传感器总线、设备总线和现场总线。 帧长度为几个或几十个数据位的总线为传感器总线，属于位级总线，如ASI（Actuator Sensor Interface）总线。 帧长度为几个到几十个字节的总线为设备总线，属于字节级总线，如CAN（Control Area Network）总线。,现场总线概述,现场总线通信系统,帧长度可达几百个字节的数据块级总线为现场总线，其与控制直接相关的数据帧

5、长度一般只有几个或几十个字节，如基金会现场总线（Foundation Fieldbus）、PROFIBUS等。 不过，在许多应用场合，人们还是习惯于把传感器总线、设备总线等统称为现场总线。,现场总线概述,现场总线技术现状及发展,世界上已出现各式各样的现场总线100多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种。 国际标准化组织ISO，IEC也加入现场总线标准的制定工作。最早成为国际标准的是CAN，它属于ISO1198标准。但IEC/TC65主持的制定现场总线标准的工作经历了20多年的坎坷。它于1984年就开始着手总线标准的制定，初衷是致力于推出世界上单一的现场总线标准。,现场总线概述,现场总线技术现

6、状及发展,漫长的国际标准制定过程（16年），产生了妥协和折衷性质的IEC61158现场总线国际标准，2000年包含了8种类型的现场总线。到2007年11月增加到20类，采纳了经过市场考验的20种主要类型的现场总线、工业以太网和实时以太网，其中包括中国自主研发的EPA实时以太网标准。,现场总线概述,现场总线技术现状及发展,IEC/17B的工作要顺利的多，它负责制定低压开关装置与控制设备的控制装置接口标准，即IEC62026国际标准已经通过。包括第2部分ASI，第3部分DeviceNet，第4部分智能分布式系统SDS(Smart Distrbuted System)，第5部分Seriplex,现场

7、总线概述,现场总线技术现状及发展,CAN是控制局域网络（Control Area Network）的缩写，它是由德国Bosch公司推出、最早用于汽车内部监测部件与控制部件的数据通信网络。现在已经逐步发展应用于其他控制领域。CAN规范现已被国际标准化组织采纳，成为ISO11898标准。CAN已成为工业数据通信的主流技术之一。 CAN协议也是建立在ISO/OSI模型基础上的，它采用了OSI底层的物理层、数据链路层和高层的应用层，其信号传输介质为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。,几种典型的现场总线,CAN,最高通信速率为1Mbps（通信距离40m），最远通信距离可达10Km（通信速率为5Kbps）

8、，节点总数可达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，因而传输的时间短，受干扰的概率低，每帧信息均有CRC校验和其他检错措施，通信误码率极低。CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，这时故障节点与总线脱离，使其他节点的通信不受影响。,几种典型的现场总线,CAN,CAN设备可被置于无任何内部活动的睡眠方式，以降低系统功耗，其睡眠状态可通过总线激活或系统内部条件被唤醒。 CAN总线上任一节点均可在任意时刻主动地向其他节点发起通信，节点不分主从，通信方式灵活。CAN总线上的节点信息可按实时性要求分成不同的优先级。,几种典型的现场总线,CAN,CAN采用载波监

9、听多路访问、逐位仲裁的非破坏性总线仲裁技术。一是先听再讲，二是当多个节点同时向总线发送报文引起冲突时，优先级低的节点主动退出发送，最高优先级的节点不受影响地继续传输数据，极大节省了总线仲裁时间。 CAN只需通过报文过滤就可实现点对点、一点对多点和全局广播等几种数据交互方式，无需专门调度。,几种典型的现场总线,CAN,PROFIBUS是过程现场总线（Process Field Bus）的缩写，是IEC61158规定的现场总线国际标准之一。它也是德国国家标准DIN 19245和欧洲标准EN 50170所规定的现场总线标准，以及中国国家标准（GB/T 20540.1-2006 GB/T 20540.

10、6-2006）规定的现场总线标准。它主要面向工厂自动化和流程自动化。 PROFIBUS由三个兼容部分组成：即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS，以满足工厂网络中的多种应用需求。,几种典型的现场总线,PROFIBUS,PROFIBUS-DP按照ISO/OSI参考模型定义了物理层、数据链路层和用户接口。专为自动控制系统与设备级分散I/O之间的通信而设计，用于高速数据传输。可以建成单主站或多主站系统。 PROFIBUS-DP代表了PROFIBUS的技术精华和特点，有时也把PROFIBUS-DP泛指为PROFIBUS。 DP具有V0，V1，V2三个版本。 V0规定

11、了周期性数据交换所需的基本通信功能，提供了对PROFIBUS的数据链路层的基本技术描述、站点诊断、模块诊断及特定通道诊断功能。,几种典型的现场总线,PROFIBUS,V1包括依据过程自动化的需求而增加的功能，如用于参数赋值、操作、智能现场设备的可视化和报警处理等非周期的数据通信及更复杂类型的数据通信。 V2包括有根据驱动技术的需求而增加的其他功能，如同步从站模式、实现运动控制中时钟同步的数据传输、从站对从站通信、驱动器设定值的标准化配置等。,几种典型的现场总线,PROFIBUS,PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，物理层采用IEC1158-2标准，能支持现场总线供电，具有本质安全特点，通

12、信速率固定为31.25Kbps，可使变送器与执行器连接在一根总线上。PROFIBUS-PA采用扩展的PROFIBUS-DP协议，另外还有现场设备描述的PA行规。,几种典型的现场总线,PROFIBUS,PROFIBUS-FMS根据ISO/OSI参考模型定义了物理层、链路层和应用层，其中应用层包含了现场总线消息规范FMS（Fieldbus Message Specification）和低层接口LLI（Lower Layer Interface）。适用于承担车间级通用性数据通信，可提供信息量大的相关服务，完成中等传输速率的周期性和非周期性通信任务，用于主站和主站之间的通信任务。不过，FMS目前的市场

13、份额非常小，近年来，已经逐渐被基于以太网的产品所替代。,几种典型的现场总线,PROFIBUS,PROFIBUS-DP和FMS均采用RS-485作为物理层的连接接口。连接简单，总线允许增加和减少接点，分步投入不会影响其他节点的操作。 PROFIBUS-DP和FMS传输速率可在9.6Kbps12Mbps选择，但挂接在同一网段上的所有设备需要选用同一传输速度。信号传输距离的最大长度取决于传输速度。如选用最高速率12Mbps时，最大通信距离不超过100m，选用9.6Kbps时，最大通信距离为1200m。如果采用中继器可延长至10km。传输介质可以是双绞线或光缆。每个网络可挂32个节点，如带中继器，最多

14、可挂127个节点。,几种典型的现场总线,PROFIBUS,PROFIBUS采用定长或可变长帧结构，定长帧一般为8字节，可变长帧每帧的有效字节数为1244个。近年来，多家公司联合开发PROFIBUS通信系统的专用集成电路芯片，目前已经能将PROFIBUS-DP协议全部集成在一块芯片之中。例如，被称为PROFIBUS控制器的SPC3芯片、主站控制器PBM芯片、从站控制器PBS01芯片等等。,几种典型的现场总线,PROFIBUS,随着以太网技术由企业网络的上层向下层渗透，为方便实现信息集成，PROFIBUS国际组织又发展了建立在交互式以太网和TCP/IP协议基础上的PROFINET标准，使用了大量P

15、ROFIBUS固有的用户界面规范，且充分考虑了与原有PROFIBUS产品的兼容和互联。并成为IEC61158规定的实时以太网的国际标准之一，也是中国国家标准（GB/Z 20541.1-2006，GB/Z 20541.2-2006）规定的现场总线标准。,几种典型的现场总线,PROFIBUS,WorldFIP意为世界工厂仪表协议(World Factory Instrument Protocol),是欧洲现场总线标准EN50170-3。 WorldFIP协议按照ISO/OSI参考模型定义了物理层、数据链路层和应用层。WorldFIP采用有调度的总线访问控制。采用屏蔽双绞线时，通信速率为31.35k

16、bps、1Mbps、2.5Mbps， 对应的最大通信距离分别为5000m、1000m、500m。如果采用光纤，通信速率为5Mbps，在高速网段为25Mbps，其最大通信距离可达40km。每段现场总线的最大节点数为32个，使用分线盒可连接256个节点。整个网络最多可以使用3个中继器，连接4个网段。,几种典型的现场总线,WorldFIP,WorldFIP采用可变长帧结构，每帧的最大字节数为256个。适合于包括TCP/IP在内的各种类型的协议数据单元。WorldFIP有周期和非周期两种数据传输，变量寻址和报文寻址两种寻址方式，由应用层提供变量和消息两种访问服务，具有完备的网络和系统管理。 World

17、FIP可以提供各种专用通信芯片，例如具有总线仲裁器功能的FULLFIP2、具有总线仲裁器功能并且支持双处理器结构的FIPIU2、以及无总线仲裁器功能MICROFIP等等。,几种典型的现场总线,WorldFIP,HART是可寻址远程传感器数据通路（Highway Addressable Remote Transducer）的缩写。 HART协议参考了ISO/OSI参考模型的物理层、数据链路层和应用层。其主要特点是采用基于Bell 202通信标准的频移键控FSK技术。在现有的420mA模拟信号上叠加FSK数字信号，以1200Hz的信号表示逻辑1，以2200Hz的信号表示逻辑0，通信速率为1200b

18、ps，单台设备的最大通信距离为3000m，多台设备互连的最大通信距离为1500m，通信介质为双绞线，最大节点数为15个。,几种典型的现场总线,HART,HART采用可变长帧结构，每帧最长为25个字节，寻址范围为015。当地址为0时，处于420mA与数字通信兼容状态。而当地址为115时，则处于全数字状态。HART协议的应用层规定了三类命令：第一类是通用命令，适用于遵循HART协议的所有产品；第二类称为普通命令，适用于遵循HART协议的大多数产品；第三类称为特殊命令，适用于遵循HART协议的特殊设备。另外HART还为用户提供了设备描述语言DDL（Device Description Languag

19、e）。,几种典型的现场总线,HART,HART通信协议允许两种通信模式。一种是“问答式”，即主设备向从设备发出命令，从设备予以回答，每秒可交换两次数据。一种是“成组模式”，即无需主设备发出请求，从设备自动连续发出数据，速率每秒提高到3.7次，只适用于点对点连接方式，不适用于多站连接方式。,几种典型的现场总线,HART,HART是一种模拟向数字过渡的通信方式，由于目前使用420mA标准的现场仪表大量存在，HART仍会应用好多年。HART既具有常规模拟仪表性能，又具有数字通信性能，用户可将智能化仪表与现有模拟系统一起使用，逐步实现仪表的数字化。,几种典型的现场总线,HART,ControNet是I

20、EC标准类型2，主要用于PLC与计算机之间的通信网络，也可在逻辑控制或过程控制系统中用于连接串行、并行的I/O设备、人机接口等。数据传输速率为5Mbps，可寻址节点数99。在一般应用场合，物理介质财务用RG-6/U电视电缆和标准连接器，传输距离1000m，在野外、危险场合及高电磁干扰场合，可采用光纤，距离可达25km。,几种典型的现场总线,ControlNet,EtherNet-ControlNet-DeviceNet的网络结构式ControlNet的典型应用形式。采用并行时间域多路存取CTDMA（Concurrent Time Domanin Multiple Access）通信方式，为生产

21、者与消费者通信模式。产生发送报文的节点为生产者，接受数据的节点为消费者。发送的报文按内容进行标识，当节点接受数据时，仅需识别报文的特定标识符，数据包不需要目的地址。数据源只需将数据发送一次，多个需要该数据的节点通过标识符来获取报文数据，同时从网络中获取同一数据源的数据。,几种典型的现场总线,ControlNet,这种传输模式的优点是提高了网络带宽的有效使用率，数据一旦发送到网络上，多个节点能同时接收，当更多设备加载到网络时也不会增加网络的通信量。由于数据同时到达各节点，可实现各节点的精确同步化。 ControlNet针对网络传输数据的需要，设计了通信调度的时间分片方法，即可以满足对时间有严格要

22、求的控制数据的传输需要，又可满足信息量大、对时间没有苛求的数据与程序传输等。,几种典型的现场总线,ControlNet,此方法根据网络应用情况将网络运行时间划分为一系列等间隔的时间片，每个时间片被划分为3部分：预留带宽部分、非预留带宽部分和维护部分。预留带宽部分用于保证每个需要发送有严格时间要求数据的节点有机会发送报文，所有对时间有严格要求的报文都必须在这段时间发送出去。非预留带宽部分用于传输没有严格时间要求的数据，所有节点按着排队顺序发送报文。维护带宽部分用于发送维护报文，以进行节点时钟同步，以及发布一些重要的网络链路参数。,几种典型的现场总线,ControlNet,ControlNet的数

23、据传输具有确定性和可重复性，适于传输实时报文。在信息吞吐量大的场合，对时间有严格要求的数据传输总比其它数据传输有更高的优先权。,几种典型的现场总线,ControlNet,DeviceNet是一种基于CAN技术的开放型通信网络，主要用于构建底层控制网络，其网络节点由嵌入了CAN通信控制器芯片的设备组成。Device Net是IEC62026国际标准的第3部分，也是欧洲标准EN50325。 可作为DeviceNet节点的设备包括开关型I/O设备、模拟量输入输出的现场设备、温度调节器、条形阅读器、机器人、伺服电机、变频器等，具有产品系列丰富的特点。一些国家的汽车行业、半导体行业、低压电器行业都采用该

24、技术推进行业的标准化。,几种典型的现场总线,DeviceNet,DeviceNet上的节点不分主从，网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上其它节点发起通信。各网络节点嵌入CAN通信控制器芯片，网络通信物理信令和介质访问控制遵循CAN协议。采用CAN的非破坏性总线逐位仲裁技术。在CAN技术的基础上增加了面向对象、基于连接的通信技术。提供了请求-应答和快速I/O数据通信两种通信方式。,几种典型的现场总线,DeviceNet,可容纳64个节点地址。支持125Kbps，250Kbps和500Kbps等3种通信速率。采用短帧格式，传输时间短，抗干扰能力强。每帧都有CRC校验及其他校验措施。支持设备热插

25、拔，支持总线供电和单独供电。,几种典型的现场总线,DeviceNet,ASI（Actuator-Sensor-Interface）是执行器或传感器接口，它是一种用在控制器（主站）和传感器/执行器（从站）之间双向交换信息的总线网络，属于底层自控设备的工业数据通信网络。ASI总线系统的开发是由11个公司联合赞助和规划的，它得到德国科技工业部的支持，诸多科研机构和ASI协会也加入到这个队伍中来，由此形成了一个世界性的组织ASI国际协会，这个组织对任何公司和企业都是开放的。ASI是IEC62026国际标准的第2部分。,几种典型的现场总线,ASI,一个ASI总线系统通过它主站中的网关可以和多种现场总线（

26、如FF、Profibus、CAN）相连接。ASI主站可以作为上层现场总线的一个节点服务器，在它的下面又可以挂接一批ASI从站。ASI总线主要运用于具有开关量特征的传感器和执行器系统，传感器可以是各种原理的位置接近开关以及温度、压力、流量、液位开关等。执行器可以是各种开关阀门，电/气转换器以及声、光报警器，也可以是继电器、接触器、按钮等低压开关电器。,几种典型的现场总线,ASI,当然ASI总线也可以连接模拟量设备，只是模拟信号的传输要占据多个传输周期。必须注意的是在连接主站和从站的两芯电缆上除传输信号外，同时还提供工作电源。 ASI总线是在分析了传统的I/O并行和树型结构的优缺点以及开关量技术特

27、点后发展起来的，它省去了各种I/O卡、分配器的控制柜，节约了大量的连接电缆。因采用了两芯扁平电缆和特殊的穿刺安装技术，能很方便地将传感器/执行器连接到ASI网络上。,几种典型的现场总线,ASI,ASI总线是一个主从系统，主站和所有的从站可双向交换信息，当主站与上层现场总线进行通信时，主站担当了ASI和上层网络信息交换的出入口。每个网段只有一个主节点，最多可连接31个从节点，每个从节点最多可有4个开关量I/O口。典型传输速率为167Kbps。 因ASI主要传输的是开关量，所以它的数据结构比较简单，有效数据一般只有45位，用户仅需关心数据格式、传输率和参数配置等。,几种典型的现场总线,ASI,AS

28、I总线在许多方面采取了抗干扰措施。在接收数据时，进行错误检验，出错误后信息可以重发。在系统部件出现故障时主站会很快检测到故障信息，并自动与发生故障的从站切断通信联系，通知操作人员故障地址，以便及时进行维修。主站还具备网络运行监视功能，在任何时刻用户都能得到系统中所有从站当前运行状态的完整资料。,几种典型的现场总线,ASI,FF是现场总线基金会（Fieldbus Foundation）的缩写。现场总线基金会是国际公认的、唯一不附属于某企业的、非商业化的国际标准化组织。其宗旨是制定单一的国际现场总线标准。FF协议的前身是以美国Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、Yokog

29、awa、ABB、Siemens等80家公司制定的ISP协议，和以Honeywell公司为首、联合欧洲等地的150家公司制定的World FIP协议。迫于用户的压力，支持ISP和World FIP的两大集团于1994年9月握手言和，成立了现场总线基金会FF（Fieldbus Foundation）。,几种典型的现场总线,FF,FF是为适应自动化系统，特别是过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而专门设计的。FF适合在流程工业的生产现场工作，能适应本质安全防爆的要求，还可通过通信总线为现场设备提供工作电源。为适应离散过程和间歇过程控制的需要，还扩展了新的功能块。FF为当今世界上具有较强影响力的现

30、场总线技术之一。 FF现场总线是一项完整的控制网络技术，除了像CAN那样的数据通信技术外，还包括像标准化功能块那样的能集成控制应用功能的规范内容，即基于FF就可以构建执行自动化功能的控制网络。,几种典型的现场总线,FF,FF以ISO/OSI参考模型为基础，取其物理层、链路层和应用层为FF通信模型的相应层次，并在此基础上增加了用户层。基金会现场总线分为低速现场总线和高速现场总线两种通信速率。低速现场总线HI的传输速率为31.25kbps，高速现场总线HSE的传输速率为100Mbps，H1支持总线供电和本质安全特性。最大通信距离为1900m（如果加中继器可延长至9500m），最多可直接连接32个节点（非总线供电），13个节点（总线供电），6个节点（本质安全要求）。如果加中继器最多可连接240个节点。通信介质为双绞线、光缆或无线电。,几种典型的现场总线,FF,FF采用可变长帧结构，每帧的有效字节数为0251个。 截止目前，全世界已有500多个用户和制造商成为现场总线基金会的成员。基金会成员所生产的自动化设备占世界市场的90%以上。基金会强调中立与公正。所有的成员均可以参加规范的制订和评估，所有的技术成果由基金会拥有和控制。由中立的第三方负责产品的注册和测试等等。 因此，基金会现场总线具有一定的