工业数据通信与控制网络-第1章现场总线技术概述[详细]

1、工业数据通信与控制网络,Im Glad to Meet You!,1网络化控制系统现场总线技术 阳宪惠 清华大学出版社 2工业数据通信与控制网络 阳宪惠 清华大学出版社 3现场总线及其应用技术 李正军 机械工业出版社 4现场总线工业控制网络技术 夏继强，刑春香 北京航空航天出版社 5现场总线控制系统的设计和开发 邹益仁，马增良，蒲维 国防工业出版社,参考书：,教材：现场总线技术及其应用（第2版） 阳宪惠 清华大学出版社,(一) 理解现场总线的概念、现场总线系统的 特点、基本组成，掌握现场总线系统的 构建方法。 (二) 理解掌握数据通信基础知识。 (三) 理解掌握控制网络基础知识。 (四) 掌握

2、现场总线控制系统的设计原则、 思路和方法。,教学要求：,平时：30 课程设计：70,作业：20,小作业：完成课程相关内容任务,出勤、提问：10,课程设计 （基于现场总线的XX系统设计）,课堂测试,中期检查：第7周初步方案设计答辩PPT，20%,最终答辩：第14周答辩（答辩学生评和报告老师评各占一半），50%,考核方式：,编号 匿名,目标,工业数据通信与控制网络是近年来发展形成的自控领域的网络技术。是计算机网络、通信技术与自控技术结合的产物。 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，将对该领域的技术发展产生重要影响。 工业数据通信系统；生产现场网络系

3、统；网络集成式控制系统；是IT技术在自控领域的延伸;自控领域的IT技术。 本课程讲述数据通信与控制网络的基础知识，多种总线的技术特点、通信与网络规范、通信控制器、通信接口，控制网络的设计与应用等。,课程概述：,第1章 现场总线技术概述主要内容,1.1 现场总线简介 1.2 现场总线系统的特点 1.3 以现场总线为基础的企业网络系统 1.4 现场总线技术的标准化,1.1 现场总线简介,控制网络与现场总线 控制网络与计算机网络的区别 数据通信系统(网络) 传感器总线、设备总线和现场总线 网络化控制系统 早期的现场总线技术 全分布式控制系统 控制系统对网络的要求,现场总线(Fieldbus) 用于连

4、接多个现场测量控制设备、在各现场设备之间传递信号的共享传输介质 现场总线系统 指以测量控制设备作为网络节点，以双绞线、屏蔽电缆、光纤、无线等传输介质为纽带，把位于生产现场、具备了数字计算和数字通信能力的测量控制设备连接组成的开放式网络与控制系统。,控制网络与现场总线,控制网络与现场总线,什么是现场总线技术？ IEC规范中对现场总线的描述：现场总线是一种应用于生产现场，在现场控制设备之间、现场设备与监控装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。 控制网络： 由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点而形成的网络 以现场总线作为通信连接的纽带 完成测量控制任务的网络系统、

5、控制系统,图1.1 简单控制网络示意图,控制网络与现场总线,控制网络与计算机网络的区别,网络节点 计算机网络：计算机、工作站、打印机、显示终端 控制网络：除了以上设备之外，还有PLC、数字调节器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内嵌有CPU、单片机或其它专用芯片的设备，或功能简单的非智能设备 工作环境 计算机网络：办公室 控制网络：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供电的需求,任务 计算机网络：传输文件、图象、话音等。许多情况下有人参与。 控制网络：传输工业数据（图象），承担自动测控任务。许多情况下要求自动完成 特点 实时性 可靠性的要求高 数据帧

6、包含的字节数少 控制网络是一类特殊的网络 广泛应用于离散、连续制造业，交通、楼宇、家电、以至农、林、牧、渔等各行各业。,控制网络与计算机网络的区别,工业数据通信系统,工业数据通信 在测量、控制设备的各功能单元之间、设备与设备之间、以及这些设备与计算机之间传递数据信息的过程。 工业数据通信: 多个工业控制设备之间二进制数据的交换过程 它区别于电话、电报通信，也有别于计算机通信 工业数据通信的内容 生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置 开关状态、报警状态 设备的资源信息与维护信息、零点量程调校信息 系统组态、参数修改信息等,工业数据通信的网络结构 传统的测量控制系统在设备间一对一的并行

7、连线，即点到点布线传送模拟信号 现场总线系统：一对导线上可挂接多个传感器、执行器、开关、按钮、控制设备等，总线是现场设备之间数字信号的传输介质，成为数字信息的公共传输通道 控制网络（现场总线系统）按网络连接方式构建数据通道，实现数字信号的串行传输，形成数据通信网络。 工业数据通信网络的规模 三、两个数据节点的简单系统 成千上万台设备的复杂网络 一个汽车组装生产线可能有多达25万个I/O点 石油炼制过程的一个普通装置也会有上千台测量控制设备,工业数据通信系统,图1.2 基于现场总线的数据通信系统示例,温度变送器,监控 计算机,温度测量值,一组程序,现场总线,通信设备,发送器（transmitte

8、r） 数据通信过程中将通信信号发送到传输介质（总线）上的发送电路 接收器(receiver) 数据通信过程中从传输介质（总线）上接收通信信号的接收电路 收发器(transceiver) 将接收器、发送器组合在一起，借助公用的电路元件进行发送和接收信号的电子装置 现场总线系统中的网络节点一般均作为收发器,数据通信设备DCE（Data Communication Equipment) 将数据转换为对应的通信信号并发送到传输介质上的电路设备，以及把从传输介质上接收到的通信信号转换为数据的电路设备。 如调制解调器、电缆驱动器、多路复用输出器 数据终端设备DTE(Data Terminal Equipm

9、ent) 产生数据的数据源设备或数据用户设备 DTE一般与通信信号的调制、编码无关，也不直接连接在传输介质上。,通信设备,现场设备 (Fieldbus device) 泛指连接在现场总线上的通信实体与控制设备 既具备某种测量控制功能（DTE），也具有数据通信的能力（DCE） 总线主设备(bus master) 有能力掌管总线通信权的设备叫做总线主设备 在一条总线段上可连接多个主设备 某一时刻，一条总线段上只能有一个主设备执行其主设备的功能 总线从设备(bus slaver) 没有能力对总线主动发起通信，只能接收总线信号、对查询作出相应响应的设备称为总线从设备。 从设备也被称之为基本设备,通信设

10、备,终端器（terminator） 在网段两端连接成对线缆导体的终点，用以防止发生信号反射的电子器件。 不同类型现场总线终端器的结构和参数有所区别。有的终端器只是一个电阻，有的终端器是电阻电容组合电路；其阻值应等于连接电缆的特征阻抗。 中继器(repeater) 将输入端口接收到的通信信号在整形放大后，转发到输出端口下游节点的有源设备。 中继器可增加总线的传输距离和挂接现场设备节点的数量,通信设备,报文与协议,报文（message） 泛指通信过程中传送的信息，包括文本、命令、参数值、图片、声音等 报文属于通信系统中的软件 现场总线系统中的报文信息包括原始数据、测控参数值、操作指令等,协议(pr

11、otocol) 指一套事先约定好的、共同遵守的规约 通信协议（Communication Protocol） 规定通信报文内容、格式、次序安排、通信何时进行以及通信如何进行等内容的一组规则。 参与通信的各方需要根据通信协议控制数据通信过程，理解通信报文中数据的含义 总线协议(Bus Protocol) 总线上的现场设备如何使用总线的一整套规则 是一套事先规定的、必须共同遵守的规约,报文与协议,图1.3 现场总线数据通信系统示例,现场总线,传感器总线、设备总线和现场总线,传感器总线属于位(Bit)级总线，其通信帧的长度只有几个数据位或十几位 如ASI（Actuator Sensor Interf

12、ace，执行器传感器接口）总线 设备总线属于字节(Byte)级总线，其通信帧的长度一般为几个到几十个字节 如CAN（Control Area Network）总线 现场总线则属于块(Block)级的总线,其通信帧的长度可达到几百个字节，可支持分包传送。 如Foundation Fieldbus、Controlnet、Profibus 传感器总线、设备总线可统称为现场总线,现场总线网络化控制系统,图1.4 单回路控制系统框图,Network-based control system,图1.5 控制系统组成环节之间的网络连接,网络化连接 传统控制系统的一对一连接 网络化连接,图1.6 网络化控制系

13、统与传统控制系统的结构比较,1.1.5 早期的现场总线技术,早期的现场总线（工业电话线），把传感器、按钮、执行机构等测量控制部件接到某种类型的控制器上，例如PLC或者是工业计算机。 对控制器的输入包括按钮、传感器、接触器的位置状态与数值， 控制器的输出用于驱动信号灯、接触器、开关、调节阀门等。 第一个设备层现场总线： 上世纪70年代，在PLC出现的同时，Culter-Hammer推出了第一个设备层现场总线系统。 早期(80年代)出现至今还在应用的几种现场总线,Genius I/O,在PLC之间、PLC与人机界面之间传递数据信息 令牌总线,采用分支受限制的总线拓扑； 网段节点数32个；每个节点的

14、输入、输出 均为1024位， 传输距离约1000米/传输速率153.6K时;2250米/传输速率38.4K时； 屏蔽双绞线，光缆； 采用FSK （Frequency-shift keying）频移键控调制信号,Interbus,在物理连接方式属于直线总线，数据传输属于数据环的方式 总线最多带有64个节点,每个节点的输入、输出数据为16位 覆盖距离最远可达12.5公里 典型传输速率为500Kbps 物理信号连接遵循EIA485标准 采用单总帧结构,数据帧中有效位的比率高,Sensoplex,最初用于德国科隆福特汽车公司机器人的焊接臂上。工作环境靠近电磁场,抗噪声、抗电磁干扰方面的能力很强，在上述

15、恶劣环境中的工作状态良好 Sensoplex系统采用主从结构； 连接采用75欧姆同轴电缆； 使用FSK频移键控调制信号； 采用总线拓扑，支持总线供电和本质安全; 节点总数为32/64/120个 每个节点的数据输入、输出位均为8位。 主节点与最远从节点之间的距离为200米，使用中继器可使该距离增加至400米。 传输速度为187K,P-Net,用于动物饲养系统，奶制品厂，啤酒厂，农业环境控制等 可以形成网络结构较为复杂的系统 EIA-485标准，屏蔽双绞线 传输速率为76.8Kbps 最大传输距离为1200m 每段最多可以连接125个设备。 每帧数据为56位，当数据大于56位时将自动分割成几个连续

16、的帧来传输。 P-Net采用分段结构的多主网络系统,网络中可以连接多至32个主节点。,图1.7 P-Net多主网络系统,早期总线技术小结,从早期总线技术可以看出工业数据通信与控制网络的特点。 它在网络结构、节点种类、通信帧的长度、所处的工作环境、各种通信技术参数、需要考虑解决的问题等方面，都具有区别于话音通信、计算机通信系统的显著特征。 早期总线技术的缺点 大多是专有通信技术，自成系统，不具备开放性。不同生产厂商的产品之间不能相互通信，通信帧一般较短 开放总线的典型范例CAN 有公开统一的技术规范 多个芯片制造商：Motorola、 Intel、Philips、Hitachi 开放性促进了该技

17、术的发展与推广应用,新型控制系统结构 网络化控制系统,控制系统的结构变迁 基地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 网络化现场控制系统FCS,网络化控制系统的特点,结构上形成设备的网络式连接 节省大量线缆、槽架、连接件； 连线设计与接头校对的工作量也大大减少 增加现场控制设备无需增设新的电缆 实现了工业数据的网络式远程传输与集中管理，扩大了操作人员的视野，为远程监视与操作提供了基础条件 无人值守机站 将控制功能模块置入现场设备，实现了全分布式控制系统 支持总线供电 为自动化系统与其它信息系统的沟通，实现企业的管理控制一体化创造了条件,网络

18、集成式控制系统,扩大了操作视野,传统 4-20 mA 只能看到 I/O 子系统,现场总线 视野可以扩展到现场仪表,控制器,控制系统网络,现场总线,远程输入/输出,子系统,控制器,控制系统网络,控制系统对网络的要求,开放性、互可操作性、通信的实时性、对环境的适应性 开放性：通信协议公开，能与任一遵守相同标准的其它厂商设备互连为系统 互可操作性： 互连设备间的信息传送与沟通； 互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换 通信的实时性：具有严格的时序和定时要求 达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的动作时序，甚至会造成灾难性的后果。 环境适应性 在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下能正常

19、工作，能抗震动、抗电磁干扰、在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力支持总线供电等,1.2 现场总线系统的特点,总线式连接结构特点 开放性 互可操作性 通信的确定性与实时性 环境适应性 数字与智能化（现场设备的 智能与功能自治性）,技术特点,控制网络在企业网络系统中的地位与作用 控制网络面临的问题 控制网络与上层网络的连接方式,1.3 以现场总线为基础的企业网络系统,控制网络在企业网络系统中的地位与作用,企业网络系统的层次结构 Internet-Intranet-Infranet的网络结构 互联网企业内部互联网底层控制网 功能层次 企业资源规划层ERP（Enterprise Resource P

20、lanning） 制造执行层MES（Manufacturing Execution System） 现场控制层FCS（Field Control System） 信息类型：运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点量程调校信息等。,图1.8 以现场总线为基础的企业网络系统示意图,企业网络系统的层次结构,网络连接层次 功能层次,图1.9 企业网络系统各功能层次信息传递示意图,现场控制层面临的问题,控制网络种类繁多，形形色色的现场总线再加上DCS、PLC、SCADA等 网络内部的通信一致性差，个异性强 控制网络与信息网络存在较大差异

21、 通信协议，网络节点类型等有较大差异 控制网络与信息网络实现信息交换有难度 实时性、环境适应性方面还面临许多问题需要解决,控制网络与上层网络的连接方式,采用专用网关完成不同通信协议的转换，把控制网段或DCS连接到以太网上 将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC机的PCI(Personal Computer Interface)插槽内，在PC机内完成数据交换。实现控制网段与上层网络的连接 将WEB服务器直接置入PLC或现场控制设备内，借助WEB服务器和通用浏览工具，实现数据信息的动态交互,通过网关连接控制网段与上层网络,采用PCI卡连接控制网段与上层网络,1.4 现场总线技术的标准化,现场总线的

22、百花齐放与兴盛发展 各种总线一百多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种 欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究开发 形成了各式各样的企业、国家、地区、及国际现场总线标准,1.4 现场总线技术的标准化,现场总线组织 现场总线基金会（Fieldbus Foundation） LonMark协会, Profibus协会， 工业以太网协会IEA（ Industrial Ethernet Association）， 工业自动化开放网络联盟IAONA（ Industrial Automation Open Network Alliance） 美国汽车工程师协会-Society of Automotive Engineers Inc.（SAE）,现场总线国际标准化组织及标准化进程 IEC/TC65 负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作 于1984年就开始着手总线标准的制定，致力于推出世界上单一的现场总线标准，于1