现场总线技术.ppt

1、第六章 计算机网络,6.1 计算机网络概述 6.2 计算机网络体系结构 6.3 开放式系统互连参考模型 6.4 自动重发请求(ARQ)法 6.5 滑动窗口技术 6.6 数据链路控制协议 6.7 局域网技术 6.8 局域网的网络互连 6.9 TCP/IP协议 6.10 Client/Server模型及历程,第七章 现场总线,内容提要,现场总线的原理和发展概况 现场总线的概念 现场总线系统的组成与体系结构 现场总线的技术特点 现场总线标准 几种典型的现场总线 现场总线应用领域,概述,现场总线控制系统（Fieldbus Control System, FCS）是由现场总线和现场设备组成的控制系统，这

2、是继电式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS后的新一代控制系统。,概述,FCS对DCS的变革,现场总线控制系统打破了传统控制系统的结构形式。采用了智能现场设备，实现了彻底的分散控制。,概述, FCS的信号传输实现了全数字化 FCS的系统结构是全分散式，它废弃了DCS的输入输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之 FCS的现场设备具有互操作性 FCS的通信网络为开放式互连网络，既可同层网络互连，也可与不同层网络互连，用户可极方便地共享网络数据库 FCS的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用,总结,现场总线是应用在生产现场

3、、在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的开放型控制网络技术。,现场总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的控制网络。,现场总线技术可概括如下： 制订出国际现场总线通信及技术标准； 自动化厂商按照标准生产各种自动化类产品，包括控制器、传感器、执行机构、驱动装置及控制软件； 实际应用中，使用一根通信电缆，将所有现场设备连接到控制器，形成设备及车间级的数字化通信网络。,总之，现场总线是过程控制技术、仪表技术和计算机网络技术三个不同领域结合的产物。,现场总线的体系结构 现场总线网络结构是按照OSI参考模型建立的，OSI参考模型共分7层：物理层、

4、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表达层和应用层，现场总线将上述7层简化为3层，分别由OSI参考模式的第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层组成，并增加了用户层,通信模型与协议,现场总线控制系统根据现场环境的要求，对OSI的七层参考模型进行了优化，采用OSI参考模型中的3个对应层，即物理层、数据链路层和应用层，并将OSI参考模型中的第36层简化为一个现场总线访问子层。,现场总线协议模型特点： 结构简单、执行协议直观、价格低廉等。,现场总线的特点,现场总线的特点,现场总线的特点,典型控制网络体系结构,工业控制网络的基本层次,典型控制网络体系结构 (), 信息层 控制系统的最上层 通信的主

5、要特点：通信数据量大，通信的发生较为集中，要求有高速链路支持，对实时性要求不高 通信范围从车间级到全厂级甚至因特网范围，与数据库技术、互联网技术、数据分析和处理技术紧密关联 可连接的设备包括控制器、PC、操作员站、高速I/O、其它局域网设备，通过网关设备可以连接入因特网,典型控制网络体系结构 (), 控制层 处于控制的中间层次 连接不同的可编程设备、控制器、人机终端等，通过网关设备与信息层相连，很多应用实时性要求较高，包括I/O的实时刷新、互锁信息和控制器等之间报文的报文传递等 通信特点是要求有较高的网络速率，实时性要求高的情况下要求通信是确定的、可重复的,典型控制网络体系结构 (), 设备层

6、 控制网络的最底层 面向大量的现场设备，包括离散型的I/O（光电传感器、接近开关等），温度变送器、流量计等较为复杂的设备，通过扫描器或网关设备将数据传送到控制层 通信特点是速度要求不一定很高，有一定的智能和容错能力，要求网络节点设备的经济性、智能化，设备添加/删除简单方便，故障诊断和纠错容易，适应现场的不同恶劣条件,现场总线的特点,现场总线的特点,几种有影响力的现场总线,国际上具有一定影响力且已经占有一定市场份额的现场总线主要有以下几种：,Profibus总线 LonWorks总线 CAN总线 基金会现场总线FF,Profibus由三个兼容版本组成：,ProfibusDP,ProfibusFM

7、S,ProfibusPA,ProfibusDP 高速低成本通信，设备级控制系统与分散式I/O的通信。 ProfibusFMS 用于车间级监控网络，是一个令牌结构的实时多主网络，用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、可编程序控制器、低压开关设备等一般自动化控制。 ProfibusPA 专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并有本质安全规范，用于对于安全性要求高的场合及由总线供电的站点。,几种典型的现场总线2 LonWorks,LonWorks现场总线 LonWorks（Local Operating Network，局域操作网络）是1991年美国Echelon公司

8、推出的通用总线，它提供了完整的端到端的控制系统解决方案，可同时应用在装置级、设备级、工厂级等任何一层总线中，并提供实现开放性互操作控制系统所需的所有组件，使控制网络可以方便地与现有的数据网络实现无缝集成,2 LonWorks (), LonTalk通信协议是LonWorks技术的核心，它提供了OSI参考模型的全部7层服务,几种典型的现场总线3 CAN,CAN总线 CAN是德国Bosch公司从20世纪初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，1993年11月国际标准化组织ISO正式颁布了关于CAN总线的ISO11898标准，目前CAN得到了Motorola

9、、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域,3 CAN (), CAN总线的主要特点 通信介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤，通信距离最远可达10km（5kb/s），最高速率可达1Mb/s（40m) 网络上任意一个节点均可以主动向其它节点发送数据，是一种多主总线，可以方便地构成多机备份系统 网络上的节点可以定义成不同的优先级，利用接口电路中线与功能，巧妙地实现无破坏性的基于优先权的仲裁 数据帧中的数据字段长度最多为8B，在每帧中都有CRC校验及其它检错措施 网络上的节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能,3 CAN (), CAN总线的网络

10、结构 CAN总线也是建立在ISO参考模型基础上的，不过只采用了其中最关键的两层，即物理层和数据链路层,3 CAN (), 物理层的主要内容是规定通信介质的机械、电气、功能和规程特性 数据链路层的主要功能是将要发送的数据进行包装，即加上差错校验位、数据链路协议的控制信息、头尾标记等附加信息组成数据帧，从物理信道上发送出去，在接收道数据帧后，再把附加信息去掉，得到通信数据 媒体访问控制子层MAC：传输规则 逻辑控制子层LLC：报文的滤波和报文的处理 CAN总线的物理层和数据链路层的功能在CAN控制器中完成,3 CAN (), CAN总线协议 CAN通信协议规定有4种不同的帧格式，即数据帧、远程帧、

11、错误帧和超载帧 CAN总线基于下列5条基本规则进行通信协调： 总线访问 仲裁 编码/解码 出错标注 超载标注,几种典型的现场总线 4 FF,FF总线 FF（Foundation Fieldbus，现场总线基金会）是国际公认的唯一不附属于某企业的公正非商业化的国际标准化组织，其宗旨是制定统一的现场总线国际标准，无专利许可要求，可供任何人使用 FF总线由低速FF_H1和高速FF_HSE组成，其协议规范建立在OSI参考模型之上,4 FF (), FF_H1：以OSI参考模型为基础的四层结构模型，采用令牌总线介质访问技术，用于工业生产现场设备连接 FF_HSE：采用基于Ethernet(IEEE 80

12、2.3)+TCP/IP的六层结构，主要用于制造业（离散控制）自动化以及逻辑控制、批处理和高级控制等场合,几种有影响力的现场总线应用场合,Profibus: Lon：广泛应用在楼宇自动化，家庭自动化，保安系统，办公设备，运输设备，工业过程控制等行业。 CAN: 汽车，工业控制等离散控制领域。 FF：过程自动化控制领域，如化工，电力厂实验系统，废水处理，油田等行业。,（1）DP主要用于工厂自动化。 （2）FMS主要用于纺织，楼宇自动化，可编程控制器，低压开关等。 （3）PA主要用于过程自动化。,典型控制网络体系结构,工业控制网络的基本层次,典型控制网络体系结构 (), 信息层 控制系统的最上层 通

13、信的主要特点：通信数据量大，通信的发生较为集中，要求有高速链路支持，对实时性要求不高 通信范围从车间级到全厂级甚至因特网范围，与数据库技术、互联网技术、数据分析和处理技术紧密关联 可连接的设备包括控制器、PC、操作员站、高速I/O、其它局域网设备，通过网关设备可以连接入因特网,典型控制网络体系结构 (), 控制层 处于控制的中间层次 连接不同的可编程设备、控制器、人机终端等，通过网关设备与信息层相连，很多应用实时性要求较高，包括I/O的实时刷新、互锁信息和控制器等之间报文的报文传递等 通信特点是要求有较高的网络速率，实时性要求高的情况下要求通信是确定的、可重复的,典型控制网络体系结构 (),

14、设备层 控制网络的最底层 面向大量的现场设备，包括离散型的I/O（光电传感器、接近开关等），温度变送器、流量计等较为复杂的设备，通过扫描器或网关设备将数据传送到控制层 通信特点是速度要求不一定很高，有一定的智能和容错能力，要求网络节点设备的经济性、智能化，设备添加/删除简单方便，故障诊断和纠错容易，适应现场的不同恶劣条件,现场总线应用领域,现场总线技术的应用领域十分广泛，凡属设备间需要数据通信的场合都需要它 连续、离散制造业，如电力、石化、冶金、纺织、造纸，过程自动化仪表；火车、汽车、轮船、机器人、数控机床；智能传感器 楼宇自控、仓储； 智能交通、环境监测（大气、水污染监测网络） 农、林、水利、养殖等 其技术与产品在工业控制计算机、测控板卡、仪器仪表、系统集成、应用系统等领域都有良好的发展前景,按钮，阀门,模电量输入输出,测大豆分离蛋白生