工业控制网络

1、工工 业业 控控 制制 网网 络络（现场总线）（现场总线）主讲教师：葛广军主讲教师：葛广军1. 什么是工业控制网络（现场总线）？2.学习本门课程的主要目的是什么？3. 学习本门课程都需要具备哪些基础？4. 本门课程将主要讲述哪些内容？问题：问题：电子技术（模拟电子技术和数字电子技术）单片机/微处理器/微控制器/ARM（嵌入式系统）、CPLD/FPGA、DSP技术数据通信与计算机网络学习本门课程需具备的基础学习本门课程需具备的基础了解现场总线，熟悉其特点、优点组建一个具体的现场总线网络（系统）时，知道如何选用现场总线设计现场总线通信接口及其节点促进现场总线技术在我国的应用与发展学习本门课程的主要

2、目的学习本门课程的主要目的绪论数据通信与计算机网络基础CANCAN总线总线ProfiBusProfiBus总线总线其他现场总线简介及现场总线发展趋势介绍本门课程的主要内容本门课程的主要内容现场总线工业控制网络技术 夏继强等，北航出版社，2005.5现场总线控制网络技术 雷霖，电子工业出版社，2004.4现场总线技术及其应用 阳宪惠，清华大学出版社，2008集散控制与现场总线 刘国海，机械工业出版社，2006 现场总线技术及其应用 甘永梅等，机械工业出版，2004.5现场总线技术应用选编(上下册) 邬宽明，北航出版社，2003.1参考书目：参考书目：1.1 工业控制网络的特点1.2 典型控制网络

3、体系结构1.3 工业控制系统的发展历程1.4 现场总线的概念1.5 现场总线系统的组成与体系结构1.6 现场总线的技术特点及优缺点 1.7 网络布线与安装1.8 现场总线标准1.9 现场总线应用领域第第1 1章章 绪绪 论论现场总线定义现场总线定义原本是指现场设备之间的公用信号传输线；后来被定义为应用在生产现场，在测量设备之间实现双向串行多节点数字通信技术1.1 1.1 工业控制网络的特点工业控制网络的特点工业控制网络指以具有通信能力的传感器、执行器、测控仪表作为网络节点、以现场总线作为通信介质，连接成开放式、数字化、多节点通信，从而完成测量控制任务的网络。工业控制网络是应用于企业信息系统现场

4、控制层和过程监控层的网络通信技术，属于一种特殊类型的计算机网络。工业控制网络特别强调数据传输的完整性、可靠性和实时性。1.1 1.1 工业控制网络的特点工业控制网络的特点作为普通计算机网络节点的PC或其他种类的计算机、工作站，都可以成为工业控制网络的节点。但工业控制网络的节点大都是具有计算与通信能力的测量控制设备。它们可能具有嵌入式CPU，但功能比较单一，其计算或其他能力通常远不及普通PC，也没有键盘、显示器等人机交互接口；有的甚至不带CPU、单片机，而只有简单的通信接口。具有通信能力的以下设备都可以成为控制网络的节点成员：1.1 1.1 工业控制网络的特点工业控制网络的特点限位开关、感应开关

5、等各类开关条形码阅读器光电传感器温度、压力、流量、物位等各种传感器、变送器可编程控制器PLCPID等数字控制器各种数据采集装置作为监视操作设备的监控计算机、工作站及其外设各种调节阀马达控制设备变频器机器人作为控制网络连接设备的中继器、网桥、网关等1.2 1.2 典型控制网络体系结构典型控制网络体系结构u 工业控制网络的基本层次 信息层 控制系统的最上层 通信的主要特点：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

6、设备，通过网关设备可以连接入因特网1.2 1.2 典型控制网络体系结构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1.2 1.2 典型控制网络体系结构典型控制网络体系结构 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

7、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1.2 1.2 典型控制网络体系结构典型控制网络体系结构1.3 1.3 工业控制系统的发展历程工业控制系统的发展历程工业控制系统的发展经历了以下5个阶段：气动信号控制系统（气动信号控制系统（Pneumatic Control SystemPneumatic Control System，PCS PCS ）u人工控制阶段，使用35psi（压力单位，每平方英寸几磅）的标准气动信号，操作人员通过对生产现场的巡视来了解生产过程，并在现场直接把被控对象的参数调整在预定值上。

8、 u缺点：仪表信号不能传送给别的仪表或系统u年代： 20世纪50年代以前 电动信号模拟控制系统电动信号模拟控制系统u使用0.002-0.01MPa的气压信号，4-20mA电流模拟信号或1-5V直流电压信号等模拟信号向集中控制室传输信号，为模拟式电子仪表与电动单元组合的自动控制系统u缺点：线缆较多，信号变化缓慢，信号传输的抗干扰能 力差u年代： 20世纪50年代1.3 1.3 工业控制系统的发展历程工业控制系统的发展历程集中式数字控制系统集中式数字控制系统u经历了直接数字控制、集中型计算机控制和分层计算机控制三个发展阶段，开始用数字信号代替模拟信号，并且企图用一台计算机取代控制室的几乎所有仪表盘

9、。u年代：20世纪60年代u特点：控制集中，危险集中，因此对中央控制计算机要求 高，一旦计算机出现某种故障，就会造成所有控制回 路瘫痪、生产停产的严重局面。 1.3 1.3 工业控制系统的发展历程工业控制系统的发展历程DCSDCS（Distributed Control SystemDistributed Control System）集散控制系统）集散控制系统/ /分散控分散控制系统制系统/ /分布式控制系统分布式控制系统u把当时的微处理器、计算机数字通信等技术应用到工业控制领域，分为过程控制级、控制管理级和生产管理级，把控制功能分散到若干台控制站，在监控操作站进行集中监控操作。u年代：20

10、世纪70年代中期u特点：充分体现了管理的集中性和控制的分散性，但不同 厂家的设备不能互连在一起，互换和互操作性较 差，难以组成大范围信息共享的网络系统。1.3 1.3 工业控制系统的发展历程工业控制系统的发展历程 FCS（Fieldbus Control System）现场总线控制系统）现场总线控制系统u 代表工业自动化控制发展的最新阶段，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系：向下深入到现场的每一台仪表与执行结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能；向上连接到生产管理、企业经营的方方面面，为企业提供全面的解决方案。u 年代：20世纪80年

11、代中后期u 特点：使模拟和数字混合控制系统最终转变为全数字控制系统。1.3 1.3 工业控制系统的发展历程工业控制系统的发展历程u 在企业网络中的地位：处于企业网络的底层，是构成企业网络的基础。u 在企业网络中的作用：主要是为自动化系统传递数字信息（包括生产运行参数的测量值、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、零点量值调校信息等），借助现场总线把控制设备连接成控制系统。简言之，现场总线系统在实施生产过程控制、为企业网络提供、传输、集成生产数据方面，发挥着重要作用。工业控制系统的发展过程具有以下特点：计算机技术在工业控制系统中起到越来越重要的作用

12、信息的集成度越来越高控制功能越来越“接近”现场现场仪表的测控能力越来越强1.3 1.3 工业控制系统的发展历程工业控制系统的发展历程 现场总线一般被看作是一个系统、一个网络或一个网络系统，它应用于现场测量和/或控制目的。 目前，现场总线，也称为现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）、现场总线系统、现场总线网络、现场总线网络系统或现场总线网络控制系统，已经成为工业控制网络的代名词工业控制网络的代名词。1.4 1.4 现场总线的概念现场总线的概念 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： 安装在制造制造或过程过程区域的

13、现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式数字式、串行串行、多点通信多点通信的数据总线数据总线称为现场总线现场总线。 1.4 1.4 现场总线的概念现场总线的概念 第2版（Ed2.0）IEC61158-2用于工业控制系统中的现场总线标准第2部分：物理层规范（Physical Layer Specification）与服务定义（Server definition）又进一步指出： 现场总线是一种用于底层底层工业控制和测量设备，如变送器（transducers）、执行器（actuators）和本地控制器（local controllers）之间的数字式数字式、串行串行、多点通多点通信信的数据总线数

14、据总线。 1.4 1.4 现场总线的概念现场总线的概念对现场总线概念的理解和解释还存在一些不同的表述。 之一：现场总线一般是指一种用于连接现场设备，如传感器（sensors）、执行器以及像PLC、调节器（regulators）、驱动控制器等现场控制器的网络网络； 1.4 1.4 现场总线的概念现场总线的概念 对现场总线概念的不同的表述之二： 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行双向串行多节点数字数字通信的系统，也被称为开放式开放式、数数字化字化、多点多点通信的底层控制网络网络； 1.4 1.4 现场总线的概念现场总线的概念 对现场总线概念的不同的表述之三： 现场总线是

15、一种串行串行的数字数字数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（现场设备）之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备（车间级设备）之间的联系； 对现场总线概念的不同的表述之四： 现场总线是连接控制系统中现场装置的双向数字双向数字通信网络网络；或现场总线是从控制室连结到现场设备的双向全数字双向全数字通信总总线线；1.4 1.4 现场总线的概念现场总线的概念 对现场总线概念的不同的表述之五： 现场总线是用于过程自动化和制造自动化（最底层最底层）的现场设备或现场仪表互连的现场数字数字通信网络网络，是现场通信网现场通信网络络与控制系统控制系统的集成集成； 对现场总线概念的不同的表述之六： 在

16、自动化领域，“现场总线”一词是指安装在现场的计算机、控制器以及生产设备等连接构成的网络网络； 对现场总线概念的不同的表述之七：现场总线是应用在生产现场、在测量控制设备之间实现工业数据通信、形成开放型测控网络的新技术新技术，是自动化领域的计算计算机局域网机局域网，是网络集成网络集成的测控系统测控系统。1.4 1.4 现场总线的概念现场总线的概念 现场总线的本质含义 现场通信网络 开放式互联网络 现场设备互联 互操作性 分散功能块 通信线供电 现场总线将朝着开放系统、统一标准的方向发展。 1.5.1 现场总线系统的组成1.5.2 现场总线控制系统的体系结构1.5 1.5 现场总线系统的组成与体系结

17、构现场总线系统的组成与体系结构现场总线系统现场总线系统硬件硬件软软 件件总线电缆总线电缆总线设备总线设备组态工具软件组态工具软件 组态通信软件组态通信软件 控制器编程软件控制器编程软件 用户程序软件用户程序软件 设备接口通信软件设备接口通信软件 设备功能软件设备功能软件 监控组态软件监控组态软件 系统平台软件系统平台软件系统应用软件系统应用软件图图1 1 现场总线系统的组成现场总线系统的组成 1.5.1 1.5.1 现场总线系统的组成现场总线系统的组成硬件硬件：u总线电缆，总线电缆，又称为通信线、通信介质（媒体/媒介/介体）。u连接在通信线上的设备称为总线设备总线设备，亦称为总线装置、节点（主

18、节点、从节点）、站点（主站、从站）。又分为总线主设备和总线从设备。1.5.1 1.5.1 现场总线系统的组成现场总线系统的组成 软件软件u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。包括组态工具软件、组态通信软件、监控组态软件和设备编程软件 。u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。 1.5.1 1.5.1 现场总线系统的组成现场总线系统的组成 组态工具软件组态工具软件为用计算机进行设备设置、为用计算机进行设备设置、网络组态提供平台并按现场总线协议规范网络组态提供平台并按现场总线协

19、议规范（ProtocolSpecification）与组态通信软件交与组态通信软件交换信息的工具软件；换信息的工具软件； 组态通信软件组态通信软件为计算机与总线设备进行通为计算机与总线设备进行通信，读取总线设备参数或将总线设备配置、网信，读取总线设备参数或将总线设备配置、网络组态信息传送至总线设备而使用的软件；络组态信息传送至总线设备而使用的软件； 控制器编程软件控制器编程软件为用户程序提供编程环境为用户程序提供编程环境的软件平台；的软件平台； 用户程序软件用户程序软件根据系统的工艺流程及其他根据系统的工艺流程及其他要求而编写的要求而编写的PLC（控制器）应用程序；（控制器）应用程序； 设备接

20、口通信软件设备接口通信软件根据现场总线协议规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；行通信的软件； 设备功能软件设备功能软件使总线设备实现自身功能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；（不包括现场总线通信部分）的软件； 监控组态软件监控组态软件运行于监控计算机（通常也运行于监控计算机（通常也称为上位机）上的软件，具有实时显示现场设称为上位机）上的软件，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。记录、趋势图分析及报表打

21、印等功能。1.5.1 1.5.1 现场总线系统的组成现场总线系统的组成变送器传感器变送器传感器；执行器执行器；控制器控制器；监控监视计算机；网桥网关/中继器/集线器/交换机/路由器；其他现场总线设备。1.5.2 1.5.2 现场总线控制系统的体系结构现场总线控制系统的体系结构 实现现场控制层、制造执行层及资源规划层之间的实现现场控制层、制造执行层及资源规划层之间的连接与信息传输连接与信息传输 如电源、电源阻抗器、终端器、电缆等如电源、电源阻抗器、终端器、电缆等 DeviceNet（设备网）为一种（设备网）为一种适用于工业控制底层的现场总适用于工业控制底层的现场总线线 指示灯（指示灯（Light

22、）可以根据）可以根据需要给出相应的状态指示需要给出相应的状态指示 光电传感器（光电传感器（Photoelectric Sensor）为一种检测用的开关）为一种检测用的开关 操作员接口（操作员接口（Operator Interface）为）为现场直接输入操作命令提供了条件现场直接输入操作命令提供了条件 变送器（变送器（Transducer）属于输入设）属于输入设备（如温度变送器、压力变送器等）备（如温度变送器、压力变送器等） 阀（阀（Valve）和交流驱动器（）和交流驱动器（AC Drive）为执行器（如电磁阀、变）为执行器（如电磁阀、变频器等），属于输出设备频器等），属于输出设备 人机界面（人

23、机界面（HMIHuman Machine Interface）是一种复杂的输入输出）是一种复杂的输入输出设备，可以接受各种参数及命令并给设备，可以接受各种参数及命令并给出所需的文字数字或图形显示出所需的文字数字或图形显示 PLC1、PLC2均均为控制器，可以为控制器，可以配置成一个为主配置成一个为主站，一个为从站，站，一个为从站，也可配制成两个也可配制成两个均为主站均为主站 输入输出（输入输出（I/O）可以外接）可以外接现场的离散量和或模拟量设现场的离散量和或模拟量设备备 图图1-2 DeviceNet 1-2 DeviceNet 现场总线控制系统体系结构现场总线控制系统体系结构属于输入设备的

24、条形码识别属于输入设备的条形码识别器（器（Bar Code Reader0） 只与只与ControlNet 相相连的设备为连的设备为I/O Controller1、Controller2接在接在DeviceNet与与ControlNet之间，既起到控制作用，又沟通之间，既起到控制作用，又沟通了了DeviceNet与与ContorlNet之间的联系之间的联系 通过远程访问路由（读取每一个数据包中的地通过远程访问路由（读取每一个数据包中的地址然后决定如何传送的专用、智能型的网络设址然后决定如何传送的专用、智能型的网络设备）设备（备）设备（Remote Access Router Device）可将

25、）可将EtherNet与与Internet（互联网）连接起来，并将（互联网）连接起来，并将信息传送至信息传送至Internet上的显示工作站（上的显示工作站（Display Station） Computer1作为上位作为上位机，主要用于监控机，主要用于监控 作为执行器（变频器）的作为执行器（变频器）的智能速度控制器（智能速度控制器（Smart Speed Controller） Controller4与三层网络皆连接，网络功与三层网络皆连接，网络功能最为强大，可处理来自三层网络的信能最为强大，可处理来自三层网络的信息息 Controller3、Computer1接在接在ControlNet和

26、和EtherNet之之间，间，Controller3与与Controller1、Controller2的作用类似，的作用类似，但它与但它与EtherNet之间相互传输的信息允许更多。之间相互传输的信息允许更多。 图图1-3 1-3 罗克韦尔推出的现场总线控制系统体系结构罗克韦尔推出的现场总线控制系统体系结构 只与只与EtherNet相连的相连的设备为设备为Computer2 现场总线网桥和小型现场总线网桥和小型PLC还连接到高速以还连接到高速以太网太网HSE（High Speed EtherNet，即，即FF H2）上，）上，HSE的速率为的速率为1Mbps、2.5Mbps和和100Mbps

27、连 接 在连 接 在 H S E 与与 E t h e r N e t 之 间 的 设 备 为 监 控 计 算 机之 间 的 设 备 为 监 控 计 算 机（Supervisory Computer）、操作站（）、操作站（Operator Console）及）及现场总线网关（现场总线网关（Fieldbus Gateway） FF意为现场总线基金会（意为现场总线基金会（Fieldbus Foundation），），而而FF现场总线也被称为基金会现场总线，有时就现场总线也被称为基金会现场总线，有时就写为写为FF（Foundation Fieldbus） 图图1-4 FF1-4 FF现场总线控制系统

28、体系结构现场总线控制系统体系结构 设备级网络（设备级网络（Device level network）为低速现场总线）为低速现场总线（Low Speed Fieldbus），即），即FF H1，其速率为，其速率为31.25kbps（bps也可写作也可写作b/s或或bit/s），它连接现场传感器和执行器，它连接现场传感器和执行器（Field Sensors and Actuations）及现场总线网桥）及现场总线网桥（Fieldbus Bridge）和小型）和小型PLC（Small PLC） 现场总线是当今3C技术，即通信（Communication）、 计算机（Computer）、控制（Cont

29、rol）技术发展的结 合点。 现场总线是过程控制技术、自动化仪表技术、计算机网 络技术三大技术发展的交汇点。 现场总线是信息技术、网络技术的发展在控制领域的体 现。 现场总线是信息技术、网络技术发展到现场的结果。1.6 1.6 现场总线的技术特点及其优缺点现场总线的技术特点及其优缺点 现场总线是自动化领域技术发展的热点之一， 将对传统的工业自动化带来革命，从而开创工 业自动化的新纪元。 现场总线控制系统必将逐步取代传统的独立控制系 统、集中采集控制系统和集散控制系统DCS （Distributed Control System），成为本世纪自动控制 系统的主流。1.6 1.6 现场总线的技术特

30、点及其优缺点现场总线的技术特点及其优缺点 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l 现场总线将通信线（总线总线电缆）延伸到延伸到工业现场现场（制 造或过程区域），或总线电缆就是直接安装在工业现 场的；l 现场总线完全适应完全适应于工业现场环境工业现场环境。 1.6.1 1.6.1 现场总线的技术特点现场总线的技术特点2、数字、数字通信网络 l 现场底层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数字信号；l 中上层中上层的控制器、监控监视计算机等设备之间的数 据传送均用数字信号数字信号；l 各层各层设备之间的信息交换均用数字信号均用数字信号。

31、1.6.1 1.6.1 现场总线的技术特点现场总线的技术特点3、开放互连、开放互连网络 l 现场总线标准、协议规范是公开公开的，所有 制造商都必须遵守；l 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不同层网络互连，而不管其 制造商是哪一家；l 用户可共享网络资源共享网络资源。 1.6.1 1.6.1 现场总线的技术特点现场总线的技术特点4、现场设备互连、现场设备互连网络l 现场总线通过一根通信线将所需的各个现现 场设备场设备（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。 1.6.1 1.6.1

32、现场总线的技术特点现场总线的技术特点5、结构与功能高度分散、结构与功能高度分散的系统l 现场总线的系统结构结构具有高度分散高度分散性；l 现场总线的系统功能功能实现了高度分散高度分散，现场设备由 分散的功能模块构成。 现场总线废弃了DCS的控制站及其输入输出单元，从根本上改变了DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，通过将控制功能高度分散到现场设备这一途径，实现了彻底分散控制。 1.6.1 1.6.1 现场总线的技术特点现场总线的技术特点6、现场设备的互操作性互操作性与互换性互换性l 互操作性：不同厂商的现场设备可以互连互连， 互相之间可以进行信息交换并可统一组态组态； l 互换性：不同厂商

33、的性能类似的现场设备可 以互相替换替换。 现场总线中现场设备所具有的互操作性与互换性是DCS无法具备的。 1.6.1 1.6.1 现场总线的技术特点现场总线的技术特点1）一个总线电缆直接互连）一个总线电缆直接互连N台现场设备，电缆用量大大减少（台现场设备，电缆用量大大减少（DCS几百根甚几百根甚至几千根）；至几千根）；2）端子、槽盒、桥架、配线板等连接附件用量大大减少。）端子、槽盒、桥架、配线板等连接附件用量大大减少。1）采用人机界面、本身具有显示功能的现场设备或监视计算机代替显示仪表，使仪）采用人机界面、本身具有显示功能的现场设备或监视计算机代替显示仪表，使仪表的数量大大减少；表的数量大大减

34、少；2）输入输出转换器（卡件）的数量大大减少。在）输入输出转换器（卡件）的数量大大减少。在DCS系统中所用的系统中所用的420mA线路线路只能获得一个测量参数，且与控制站中的输入输出单元一对一的直接连接，因只能获得一个测量参数，且与控制站中的输入输出单元一对一的直接连接，因此输入输出单元数量多。而在现场总线中，一台现场设备可以测量多个参数，此输入输出单元数量多。而在现场总线中，一台现场设备可以测量多个参数，并将他们以所需的数字信号形式通过总线电缆进行传送，因此对单独的输入输并将他们以所需的数字信号形式通过总线电缆进行传送，因此对单独的输入输出转换器（卡件）的需要少。出转换器（卡件）的需要少。l

35、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，即对现场环境的适应性等特点决定和派生了其一系列优点。l（1）导线和连接附件大量减少l（2）仪表和输入输出转换器（卡件）大量减少l（3）设计、安装和调试费用大大降低l（4）维护开销大幅度下降l（5）系统的可靠性提高l（6）系统测量与控制精度提高1）因有优点（）因有优点（1），故原来），故原来DCS繁琐的原理图设计在现场总线中变得简单易行；繁琐的原理图设计在现场总线中变得简单易行；2）优点（）优点（1）的存在和标准接插件的使用使得安装和校对的工作量大大减少；）的存在和标准接插件的使用使得安装和校对的工作量大大减少；3）可根据需要将系统分为几

36、个部分分别调试，使调试工作变得灵活方便；）可根据需要将系统分为几个部分分别调试，使调试工作变得灵活方便；4）强大的故障诊断功能（见（）强大的故障诊断功能（见（8）使调试工作变得轻松愉快。）使调试工作变得轻松愉快。1）系统的高可靠性（见（）系统的高可靠性（见（5）使系统出现故障的几率大大减小；）使系统出现故障的几率大大减小；2）强大的故障诊断功能使故障的早期发现、定位和排除变得快速而有效，系统正常）强大的故障诊断功能使故障的早期发现、定位和排除变得快速而有效，系统正常运行时将更长，维护停工时间大大减小。运行时将更长，维护停工时间大大减小。1）系统结构与功能的高度分散性决定了系统的高可靠性；）系统

37、结构与功能的高度分散性决定了系统的高可靠性；2）现场总线协议规范对通信可靠性方面的严格规定保证了通信的高可靠性。）现场总线协议规范对通信可靠性方面的严格规定保证了通信的高可靠性。 在现场总线中，各种开关量、模拟量就近转变成数字信号，所有总线设备间均采在现场总线中，各种开关量、模拟量就近转变成数字信号，所有总线设备间均采用数字信号进行通信，避免了信号的衰减和变形，减少了传送误差。用数字信号进行通信，避免了信号的衰减和变形，减少了传送误差。1.6.2 1.6.2 现场总线的优缺点现场总线的优缺点1）现场设备具有互操作性和互换性，损坏的设备可用功能类似的任何厂家的设备替）现场设备具有互操作性和互换性

38、，损坏的设备可用功能类似的任何厂家的设备替换，实现换，实现“即插即用即插即用”；2）当需要增加现场设备时，无需架设新的电缆，可就近接到原有的电缆上；）当需要增加现场设备时，无需架设新的电缆，可就近接到原有的电缆上；3）系统扩展所需的组态时间大大减少。）系统扩展所需的组态时间大大减少。1）用户可以通过同层网络或上层网络对现场设备进行参数设置，而不必到现场对每）用户可以通过同层网络或上层网络对现场设备进行参数设置，而不必到现场对每一个设备逐个进行配置；一个设备逐个进行配置；2）利用网络组态工具软件可以迅速而方便地组建现场总线网络，配置网络参数；）利用网络组态工具软件可以迅速而方便地组建现场总线网络

39、，配置网络参数；3）由于现场总线的开放性、互操作性与互换性，用户可以自由地集成不同厂商、不）由于现场总线的开放性、互操作性与互换性，用户可以自由地集成不同厂商、不同品牌的产品和网络，从而构成所需的系统。同品牌的产品和网络，从而构成所需的系统。1）可以诊断和显示各种故障，如总线设备和连接器的断路、短路故障以及通信故障）可以诊断和显示各种故障，如总线设备和连接器的断路、短路故障以及通信故障和电源故障等；和电源故障等；2）可以将各种状态及故障信息传送到控制室中的监视监控计算机，大大减少了使）可以将各种状态及故障信息传送到控制室中的监视监控计算机，大大减少了使用和维护人员不必要的现场巡视。当现场总线安

40、装在恶劣环境中时，这尤其具有用和维护人员不必要的现场巡视。当现场总线安装在恶劣环境中时，这尤其具有重要意义。重要意义。1）可以在控制室远程监视现场设备和系统的各种运行状态；）可以在控制室远程监视现场设备和系统的各种运行状态；2）可以在控制室对现场设备及系统进行远程控制。）可以在控制室对现场设备及系统进行远程控制。l（7）系统具有优异的远程监控功能l（8）系统具有强大的（远程）故障诊断功能l（9）设备配置、网络组态和系统集成方便自由l（10）现场设备更换和系统扩展更为方便l（11）为企业信息系统的构建创造了重要条件1）使用现场总线系统的企业信息网络分为现场控制层、过程监控层和企业经营管理）使用现

41、场总线系统的企业信息网络分为现场控制层、过程监控层和企业经营管理层；层；2）现场总线或者构成了企业信息系统的现场控制层（设备层），或者构成了企业信）现场总线或者构成了企业信息系统的现场控制层（设备层），或者构成了企业信息系统的基本框架，与企业的局域网连接起来，即可构成企业信息系统；息系统的基本框架，与企业的局域网连接起来，即可构成企业信息系统；3）为现场总线设备及系统的各种运行状态、故障信息、各种控制信息进入（企业）为现场总线设备及系统的各种运行状态、故障信息、各种控制信息进入（企业）公用数据网络创造了条件，使管理者能得到更多的决策依据，为管理者做出各种公用数据网络创造了条件，使管理者能得到更

42、多的决策依据，为管理者做出各种正确决策提供了有力的支持。正确决策提供了有力的支持。1.6.2 1.6.2 现场总线的优缺点现场总线的优缺点 例子例子：与传统的DCS方案相比，美国阿拉斯加West Sak ARCO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：l减少接线端子84；l减少I/O卡件数量93；l减少控制仪表面板空间70；l减少室内接线98；l由于远程诊断而减少维护工作量5080；l扩展油田所需组态时间减少90；l节省电缆费用69%。1.6.2 1.6.2 现场总线的优缺点现场总线的优缺点现场总线的不足之处：现场总线的不足之处： 网络通信中数据包的传输延迟、通信系统的瞬时

43、错误和数据包丢失、发送与到达次序的不一致等，都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，使得控制系统的分析和综合变得更复杂，使控制系统的性能受到负面影响。因此，如何使控制网络满足控制系统对通信实时性、确定性的要求，是现场总线系统在设计和运行中应该关注的重要问题。1.6.2 1.6.2 现场总线的优缺点现场总线的优缺点1.7 1.7 网络布线和安装网络布线和安装 现场总线控制系统（FCS）的数字化通信特征，使FCS的布线与安装和传统的模拟控制系统有很大区别。 l（1）电缆总长度的限制 l（2）网络的扩充l（3）屏蔽、接地与极性l（4）本质安全l（5）现场总线设备的在线安装与拆除l（6）实际安装的一些要

44、求为了保障信息传输的可靠性，需限制现场总线系统的电缆敷设长度。（1 1）电缆总长度的限制）电缆总长度的限制限制主要取决于电缆的类型、网络的拓扑结构和挂接设备的数量及类型。（1 1）电缆总长度的限制）电缆总长度的限制l所谓总长度，是指干线长度与支线长度之和。下图所示的现场总线是由1条干线和3条支线所组成的。其中干线的长度为240m，分支1、分支2和分支3的长度分别为80m、120m和40m，因此电缆总长度为480m。（1 1）电缆总长度的限制）电缆总长度的限制K在电缆总长度为在电缆总长度为480m的情况下，只选择的情况下，只选择A型型或或B型电缆。可以用下式来判断是否符合要求：型电缆。可以用下式

45、来判断是否符合要求： 式中，式中，L1，L2，Ln是每一种电缆实际是每一种电缆实际使用长度；使用长度；L1max，L2max，Lnmax是每一是每一种电缆所允许的最大长度。种电缆所允许的最大长度。（2 2）网络的扩充）网络的扩充l总线网段由主干和分支构成。网络的扩充最大长度包括主干和分支线的总和。l网络扩充分支线长度的取值：分支线越短越好，分支的总长度取决于分支数目和每个分支上的设备个数。建议值如表所列。 （2 2）网络的扩充）网络的扩充网络扩充中使用中继器：如果总线长度超过网络扩充中使用中继器：如果总线长度超过1900m，需使用中继器，在任何两个设备之，需使用中继器，在任何两个设备之间最多可

46、使用间最多可使用4个中继器，可得到个中继器，可得到9500m的总的总长。长。 （3 3）屏蔽、接地与极性）屏蔽、接地与极性 6当使用屏蔽电缆时，要将各支线的屏蔽与干线的当使用屏蔽电缆时，要将各支线的屏蔽与干线的屏蔽连接在一起，最后集中于一点进行接地。屏蔽连接在一起，最后集中于一点进行接地。6依据低速现场总线标准，整条电缆上只允许一依据低速现场总线标准，整条电缆上只允许一点接地，总线任何一端都不允许接地，屏蔽层不点接地，总线任何一端都不允许接地，屏蔽层不能当做电源线。能当做电源线。 6现场设备区分极性，当做有极性设备处理。现场设备区分极性，当做有极性设备处理。 （4 4）本质安全）本质安全 l本

47、质安全技术是在易燃易爆环境下使用电气设备时保证安全的一种方法。l基本思想：限制危险场所电气设备中的能量，使其在任何故障状态下所产生的电火花或发热量不足以点燃易燃、易爆物质。现场总线：所连接的设备数量和电缆长度有严格的限制。现场总线需要使用专用的现场总线安全栅或电现场总线需要使用专用的现场总线安全栅或电流隔离器，不能使用一般的安全栅或其他网络流隔离器，不能使用一般的安全栅或其他网络的安全栅。的安全栅。（4 4）本质安全）本质安全 非本质安全系统：一条现场总线上一般可以连接非本质安全系统：一条现场总线上一般可以连接1632台现场总线设备。对于本质安全系统，由每一个安台现场总线设备。对于本质安全系统

48、，由每一个安全栅引出的现场总线只能安装全栅引出的现场总线只能安装26台现场总线设备。台现场总线设备。（4 4）本质安全）本质安全 设计和安装应注意事项设计和安装应注意事项：安全栅和隔离器不允许安装在危险场所；位于危险场所的终器必须是本质安全的，对于电缆的电气性能，如电容、电感以及电感电阻比都有一定的要求。（4 4）本质安全）本质安全 l本质安全技术是在易燃易爆环境下使用电气设备时保证安全的一种方法。它的基本思想是限制危险场所电气设备中的能量，使其在任何故障状态下所产生的电火花或发热量不足以点燃易燃、易爆物质。（5 5）现场总线设备的在线安装与拆除）现场总线设备的在线安装与拆除 当现场总线正在工

49、作的时候，现场总线设备可以安装到现场总线上，或者从现场总线上拆除。注意事项：（1）注意避免现场总线的两根导线短路、碰屏蔽或接地。（2）通信速度不同的现场总线设备不能连接在同一路现场总线上，但具有相同通信速度的总线供电设备和非总线供电设备可以连接在同一路现场总线上。（3）非现场总线设备是不允许连接到现场总线上的。在查找故障时，应使用高阻抗的数字化仪表。（6 6）实际安装的一些要求）实际安装的一些要求 l现场总线设备安装的要求如下：J选择类型适当、尺寸合理的电缆。J从整体确定连接箱的位置。J合理地选择每网段上的电源和终端器。J尽可能将同一个控制回路的设备安排在同一网段上。J总线网段或各支线不宜过长

50、。J同一网段上不宜接过多设备。J避免多级配线。 了解现场总线准的必要性：某种现场总线是否已被列入国际标准或和其他有关标准，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。1.8 1.8 现场总线标准现场总线标准标准不仅是一个产品规范，还起着领导其所在领域高新技术发展的特殊作用。1.8 1.8 现场总线标准现场总线标准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，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，降低了成本。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。 国际上制订国际标准的机构有3个： 国际标准化组织

51、 ISO(International Organization for Standardization) 国际电工委员会IEC（International Electrotechnical Commission） 国际电信联盟ITU（International Telecommunication Union）。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（Standardization Administration of China）。 1.8 1.8 现场总线标准现场总线标准1.8.1 现场总线国际标准1.8.2 现场总线中国标准1.8.3 现场总线地区

52、与国家标准及其他现场总线1.8.4学习现场总线标准的目的与意义1.8 1.8 现场总线标准现场总线标准现场总线国际标准主要包括以下现场总线国际标准主要包括以下5 5个：个：ISO11898ISO11898ISO11519ISO11519IEC61158IEC61158IEC62026IEC62026IEC61784IEC617841.8.1 1.8.1 现场总线国际标准现场总线国际标准ISO11898ISO11898是现场总线最早的国际标准，针对主要影响是现场总线最早的国际标准，针对主要影响车辆、运输工具等方面的车辆、运输工具等方面的CANCAN总线。总线。ISO11519ISO11519同同

53、ISO11898ISO11898一样，也是针对道路交通运输工具制一样，也是针对道路交通运输工具制订的现场总线标准。区别在于订的现场总线标准。区别在于ISO11898ISO11898针对高速针对高速CANCAN（Control Area NeoworkControl Area Neowork），），ISO11519ISO11519针对低速针对低速CANCAN和和VANVAN（Vehicle Area NetworkVehicle Area Network）。）。IEC61158IEC61158和和IEC62026IEC62026协议簇是两个国际电工委员会制定的应用协议簇是两个国际电工委员会制定的

54、应用于工业控制领域的现场总线标准。于工业控制领域的现场总线标准。 J IEC61158IEC61158标准的第标准的第4 4版定义了版定义了2020种现场总线、实时以太网种现场总线、实时以太网/ /工工业以太网。业以太网。J IEC62026IEC62026（控制电器与电器设备接口）标准比较简单，包括（控制电器与电器设备接口）标准比较简单，包括四种协议。四种协议。IEC61784IEC61784（连续和离散制造用现场总线行规）是对（连续和离散制造用现场总线行规）是对IEC61158IEC61158的的解释和补充，涉及解释和补充，涉及除除IEC61158IEC61158报告外报告外7 7个协议簇

55、的个协议簇的1818个工业个工业自动化网络协议子集自动化网络协议子集。 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。从1984年开始制定该标准到目前为止，IEC61158共有4个不同的版本(19842007) 。1.8.1 1.8.1 现场总线国际标准现场总线国际标准1.8.1 1.8.1 现场总线国际标准现场总线国际标准Type1 IEC/TS61158 现场总线Type2 CIP 现场总线/实时以太网Type3 PROFIBUS 现场总线Type4 P-NET 现场总线/实时以太网Type5 FF HSE 高速以太网(实时以太网)Type6 SwiftNet

56、被撤销被撤销Type7 WorldFIP 现场总线Type8 INTERBUS 现场总线/实时以太网Type9 FF H1 现场总线IEC61158 v4IEC61158 v4定义的定义的2020种总线标准种总线标准Type10 PROFINET 实时以太网Type11 TCnet 实时以太网Type12 EtherCAT 实时以太网Type13 Ethernet Powerlink 实时以太网Type14 Type14 EPAEPA（中国）（中国） 实时以太网实时以太网Type15 MODBUS-RTPS 实时以太网Type16 SERCOS-, 现场总线Type17 VNET/IP 实时以

57、太网Type18 CC-Link 现场总线Type19 SERCOS- 实时以太网Type20 HARTHART 现场总线 IEC61158系列标准是概念性的技术规范，不涉及现场总线的具体实现。为使设计人员、实现者和用户能够方便地进行产品设计、应用选型比较以及实际工程系统的选择，制定了IEC61784系列配套标准。IEC61784涉及到7个协议簇18个工业自动化网络协议子集的通信行规。IEC61158与与IEC61784IEEE61784涉及的涉及的7个协议簇的个协议簇的18个个工业自动化网络协议子集工业自动化网络协议子集lFoundation FieldbusFoundation Field

58、bus ( 包括FF H1，FF HSE，FF H2)lControlNetControlNet（包括ControlNet，EtherNet/IP）lPROFIBUSPROFIBUS（包括PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA，PROFINet）lP-NetP-Net（包括P-Net RS-485，P-Net RS232）lWorldFIPWorldFIP（包括 WorldFIP ， WorldFIP with subMMS， WorldFIP minimal for TCP/IP）lInterbusInterbus（包括Interbus，Interbus for TCP/IP，Int

59、erbus minimal）lSwiffNetSwiffNet（包括SwiffNet transport，FF SwiffNet full stack）IEC 62026制订的是控制器与电器设备之间的接口标准，为涉及设备层的现场总线标准。 IEC62026定义了四种协议：1.8.1 1.8.1 现场总线国际标准现场总线国际标准（1）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：执行器传感执行器传感器接口（器接口（AS-iAS-i：Actuator sensor interfaceActuator sensor interface）（2）IEC62

60、026-3（2000-07） 低压开关设备和控制低压开关设备和控制设备设备 控制器控制器- -设备接口设备接口 第3部分：DeviceNetDeviceNet （3）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：智能分布式智能分布式系统（系统（SDSSDS：Smart distributed systemSmart distributed system）（4）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(Serial Multiplexed Control Bu