第一章 现场总线概述.ppt

1、第1章现场总线概述，学院：信息工程学院发言人：黄韩QQ:418392036 QQ群：19663385手机参考书目，1现场总线和工业以太网及其应用技术，李政军，机械工业出版社，2011年9月，第1版。2现场总线技术，刘泽祥编写，机械工业出版社，2011年2月，第1版。3.现场总线技术及其应用，甘主编。机械工业出版社，第一版，2004。学习目的：了解各种现场总线的原理和技术规范以及节点开发的一般过程，为将来某一总线的应用打下良好的基础。学习要求：认真听讲，阅读教材，完成作业。评估：通常的结果，测试结果，技术发展的历史回顾，如何对待今天的学习价值观，我们该怎么办？1.1现场

2、总线的现状与发展，现场总线是现场仪表与控制系统和控制室之间的一个完全分散、完全数字化、智能化、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。根据国际电工委员会对现场总线的定义，现场总线是一种应用于生产现场，实现现场设备之间、现场设备与控制设备之间双向、串行、多节点数字通信的技术。这是由负责测控系统数据通信部分国际标准化的IEC/TC65 SC65/WG6定义的。现场总线是自动化技术发展领域的热点之一，被称为自动化领域的计算机局域网。作为工业数据通信网络的基础，它沟通了生产过程中现场级控制设备与更高控制管理水平之间的联系。它不仅是一个基础网络，而且是一个开放的、新型的、完全分布式的控制系统。这种以智

3、能传感、控制、计算机和数据通信为主要内容的综合技术已经引起了全世界的关注，并成为自动化技术发展的一个热点，这将导致自动化系统结构和设备的深刻变化。是通用汽车公司提出的用于制造自动化的局域网协议。网络主干、1.2.2现场总线控制系统架构、智能速度控制器：执行器、条形码识别器：输入设备、控制、网关、上位机：监控、连接到三层网络、远程访问路由设备、显示工作站、信息还原、图3罗克韦尔推出的现场总线控制系统图4 FF健康安全环保网络架构(架构)、链路设备：核心桥、网关时间释放链路调度器、31.25kbps、100Mbps、主机系统、以太网交换机、高速以太网、配置、监控、现场信息控制信息、 1.1.1现场

4、总线的产生始于20世纪50年代的过程控制领域。20世纪70年代，数字计算机被引入测控系统，而计算机提供集中控制处理。 20世纪80年代，微处理器被应用于控制领域，它们被嵌入到各种仪器和设备中，形成了分布式控制系统。智能设备以微处理器为核心，执行信息采集、显示、处理、传输和优化控制等功能。一些具有专家辅助推理分析和决策能力的数字智能仪表产品具有自动量程转换、自动调零、自校准和自诊断等功能，还可以提供故障诊断、历史信息报告、状态报告和趋势图等功能。此外，从实际应用的角度来看，控制行业也不断在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新的要求。因此，现场总线应运而生。基于现场总线的分布式控制系

5、统将是继集散控制系统之后的又一代控制系统。现场总线和4-20mA系统有什么区别？现场总线设备在总线上并行连接，所有设备通过总线接收和发送数字信号。现场总线设备可以向网络上的其他设备提供任意数量的信息总线。它具有循环冗余校验功能，可以保证接收设备得到正确的数据。多节点现场总线不需要点对点布线。1.1.2现场总线有不同的定义，因为标准在本质上并不统一。但是现场总线的本质意义主要体现在以下六个方面。1现场通信网络是用于过程和制造自动化中现场设备或现场仪器互连的通信网络。2现场设备互连现场设备或现场仪器指传感器、变送器和执行器等。这些设备通过一对传输线相互连接，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电

6、源线等。并且可以根据当地条件选择不同类型的传输介质。互操作性现场设备或现场仪器有很多种，没有一个制造商能够提供一个工厂所需的所有现场设备，因此不可避免地要将不同制造商的产品相互连接起来。现场设备的互连是一项基本要求。只有实现了互操作性，用户才能自由地集成FCS。例如，汽车机械制造设备、电气自动化设备。4分散功能块现场总线放弃了集散控制系统的输入输出单元和控制站，将集散控制系统控制站的功能块分散到现场仪表，形成虚拟控制站。由于功能块分散在多个现场仪表中，可以统一配置，用户可以灵活选择各种功能块，形成所需的控制系统，实现完全分散控制。5通信线路电源通信线路电源模式允许现场仪器直接从通信线路吸收能量

7、。对于需要本质安全的低功率现场仪表，可以采用这种供电模式。6开放互连网络现场总线是一种开放的互连网络，可以与同层网络或不同层网络互连，也可以实现网络数据库的共享。1.1.3现场总线的特点和优势，1现场总线的结构特点现场总线打破了传统控制系统的结构。传统的模拟控制系统采用一对一的设备连接，按照控制回路进行连接。由于现场总线控制系统使用数字信号代替模拟信号，它可以在一对导线上传输多种信号，如运行参数值、多种设备状态、故障信息等。通信线路用于直接互连N个现场设备，从而形成现场设备的互连网络。1.2.2现场总线控制系统架构，离散/模拟输入/输出设备，指示灯：状态指示，光电传感器：检测开关，操作员界面：

8、输入操作命令，阀门和交流驱动器：执行器，输出设备，变送器(传感器):输入设备，控制器：主站和从站。图1-1现场总线控制系统与集散控制系统结构比较现场总线控制系统与传统控制系统(如集散控制系统)结构比较如图1-1所示。现场总线的技术特征(1)系统的开放性是指相关标准的一致性和开放性，强调标准的一致性和符合性。(2)互操作性和互操作性这里的互操作性是指实现互联设备和系统之间的信息传输和通信，可以实现点到点和点到多点的数字通信。互操作性意味着来自不同制造商的具有相似性能的设备可以互换以实现互操作性。(3)现场设备的智能化和功能自主化，将传感测量、补偿计算、工程量处理和控制的功能分散到现场设备上，仅通

9、过现场设备就能完成自动控制的基本功能，并能随时诊断设备的运行状态。(4)系统结构高度分散。由于现场设备本身可以完成自动控制的基本功能，现场总线形成了一种全新的全分布式控制系统架构。(5)对现场环境的适应性作为工厂网络底部的现场总线，它是专门为在现场环境中工作而设计的。它可以支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等。抗干扰能力强。现场总线的优势由于现场总线的上述特点，特别是现场总线系统结构的简化，控制系统从设计、安装、调试到正常生产运行和维护都显示出其优势。(1)节省硬件和投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备可以直接执行各种传感、控制、报警和计算功能，因此可以减少变送器的数

10、量，不再需要独立的控制器和计算单元。(2)节省安装成本现场总线系统的连接非常简单。由于一对双绞线或一根电缆通常可以连接多个设备，因此电缆、端子、槽盒和桥架的消耗大大减少，连接设计和接头校对的工作量也大大减少。(3)节省维护费用由于现场控制设备具有自诊断和简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关的诊断和维护信息发送到控制室，用户可以查询所有设备的运行和诊断维护信息，以便尽早分析故障原因并迅速排除故障，从而由于简化了系统结构和简单的接线，缩短了维护停机时间，减少了维护工作量。(4)用户在系统集成方面有高度的主动性。用户可以自由选择不同制造商提供的设备来集成系统。(5)提高系统的准确性和可靠性。由于

11、现场总线设备的智能化和数字化，与模拟信号相比，从根本上提高了测控精度，减少了传输误差。1.1.4现场总线标准的制定国际电工委员会非常重视现场总线标准的制定。早在1984年，国际电工委员会/TC65/SC65C/WG6工作组就成立了，并开始起草现场总线标准。从IEC 61158现场总线标准15年的发展经验和IEC全国委员会的积极参与和激烈争论程度来看，在数字技术时代，该标准不仅是一个产品规范，而且对高新技术的发展起着特殊的导向和推动作用。1.1.5现场总线的现状，国际电工委员会/国际标准协会(IEC/ISA)自1984年开始研究现场总线标准，但统一标准尚未完成。1.与多条总线共存的现场总线的国际

12、标准IEC61158采用八种协议类型和一些其他的现场总线。每一种总线都有其背景和应用领域。每条总线都有自己的应用领域，每条总线都试图扩展自己的应用领域，以扩大自己的影响范围。在某个应用领域取得良好性能的总线，往往会根据需要进一步发展到其他领域。例如，PROFIBUS在差压基础上开发了差压变送器，适用于过程工业。每辆巴士都有自己的国际组织，大多数巴士都成立了相应的国际组织，试图在制造商和用户之间制造影响，以获得更多的支持，同时试图表明他们的技术是开放的。每辆巴士都有它的背景。每辆巴士都基于一家或几家大型跨国公司。公司的利益与公共汽车的发展密切相关。例如，现场总线主要由西门子支持，控制网主要由罗克

13、韦尔支持，而世界工厂主要由阿尔斯通支持。罗克韦尔自动化罗克韦尔公司是世界著名的电子控制和通信公司，年销售额达70亿美元，在工业自动化、航空电子、通信和电子商务领域处于全球领先地位。罗克韦尔公司目前在全球40多个国家和地区的450多个城市雇佣了约40，000名员工。公司的全球网络使公司能够与世界各地的客户密切合作，充分了解他们的需求，并作为合作伙伴向他们提供先进的技术、产品和系统以及快速可靠的服务和支持。通过下面的介绍，你会对我们公司有更多的了解您可以了解罗克韦尔公司的品牌、该公司从事的业务，以及该公司将如何与您并肩工作，以满足您未来的业务需求。该公司期待着加强其在世界各地的伙伴关系。在洛克威尔

14、，公司为客户的成功而奋斗。你成功了，我们也成功了。世界金融集团(WorldFIP)董事长兼首席执行官唐戴维斯(Don H. Davis)(由法国阿尔斯通公司支持)，阿尔斯通是发电和轨道交通基础设施领域的全球领导者，其创新和环保的领先技术已成为行业的参考基准。阿尔斯通建造了世界上最快的列车和最强大的全自动地铁列车。阿尔斯通还为利用水电、天然气、煤炭和核电等各种能源的电厂提供交钥匙综合电厂解决方案和相关服务。阿尔斯通集团是全球500强企业之一，在全球70多个国家和地区拥有近65，000名员工。2006/07财年的销售业绩达到190亿欧元。5、设备制造商参与多个总线组织大多数设备制造商积极参与多个总

15、线组织，有些公司甚至参与24个总线组织。许多种类的公共汽车被认为是国家或地区标准，其中大多数认为自己是国家或地区标准，以加强其竞争地位。7.协调共存展示了在激烈竞争中协调共存的前景。工业以太网简介工业以太网的引入已经成为一个新的热点。工业以太网在工业自动化和过程控制市场上发展迅速。几乎所有的远程输入/输出接口技术供应商都提供支持TCP/IP协议的以太网接口，如西门子、罗克韦尔、通用电气法努克等。他们销售自己的可编程逻辑控制器产品，但同时提供与远程输入/输出和基于个人电脑的控制系统连接的接口。1.4现场总线应用领域、汽车装配线现场总线控制系统、1.4现场总线应用领域、大豆分离蛋白现场总线控制系统

16、、1.4现场总线应用领域、基于现场总线的企业能源计量系统、1.4现场总线应用领域、上海世博会园区配电网现场总线监控系统配置图、打印机、后台系统、站控单元、全球定位系统、调度中心、区间1、区间2、区间3、区间N、其他智能设备、电流互感器、数字量、控制输出、电流互感器、电流互感器、电流互感器、电流互感器、电流互感器、数字量、 数字量、控制输出、控制输出、控制输出、1.4现场总线应用领域，低压开关柜传统方式与现场总线智能方式的比较，1.4现场总线应用领域，基于以太网的CBZ-8000变电站自动化系统，1.4现场总线应用领域，基于现场总线的配电网自动化系统，1.1.6现场总线网络实现，现场总线是定义硬

17、件接口和通信协议的标准。 参照国际标准化组织的开放系统互连协议，采用第一层、第二层和第七层，即物理层、数据链路层和应用层，增加第八层，即用户层。1物理层物理层定义信号的编码和传输方法、传输介质、接口的电气和机械特性、信号传输速率等。现场总线有两种编码方式：曼彻斯特和NRZ，现场总线的传输介质主要包括有线电缆、光纤和无线介质。2数据链路层数据链路层分为两个子层，即媒体访问控制层和逻辑链路控制层。媒体访问控制的功能是控制通过传输媒体传输的信号的发送和接收，而有限责任公司层控制数据链路，以确保数据传输到指定的设备。现场总线网络中的设备可以是主站，也可以是从站。主站有权控制数据的发送和接收，而从站只有权响应主站的访问。应用层的功能是传输现场设备数据和访问现场总线变量。4用户层用户层是现场总线标准的一个新层，是现场总线控制系统开放和互操作的关键。用户层定义了从现场设备