第1讲现场总线技术概述

1、11.1.1 现场总线定义现场总线定义p现场总线现场总线现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。互联、多变量、多点、多站的通信网络。p国际电工委员会（国际电工委员会（IEC）对现场总线的定义）对现场总线的定义p涉及智能仪表、控制、计算机、数据通信技术涉及智能仪表、控制、计算机、数据通信技术现场总线概述现场总线概述2p 现场通信网络现场通信网络用于过程及制造自动化的现场设备或现场仪表互用于过程及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络连的

2、通信网络p 现场设备互连现场设备互连现场设备或仪表、传感器、变送器和执行器等。现场设备或仪表、传感器、变送器和执行器等。这些设备通过这些设备通过一对一对传输线互连，传输线可以使用传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等p 互操作性互操作性对不同厂商不同品牌的现场设备统一组态，构成对不同厂商不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路，并且具备相互操作的功能所需要的控制回路，并且具备相互操作的功能1.1.4 现场总线的本质现场总线的本质现场总线概述现场总线概述3p 分散功能块分散功能块FCS废弃了废弃了DCS的输入的输入/输出单元和控制站，把

3、输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站从而构成虚拟控制站例：流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输例：流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输入模块，而且有入模块，而且有PID控制和运算功能块。控制和运算功能块。 调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输出特性调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输出特性补偿模块，或补偿模块，或PID控制和运算模块，甚至阀门特性自检控制和运算模块，甚至阀门特性自检验和自诊断功能。验和自诊断功能。1.1.4 现场总线的本质现场总线的本质现场总线概述现场总线概述4p 通信线

4、供电通信线供电允许现场仪表直接从通信线上获取能量，允许现场仪表直接从通信线上获取能量，对于要求对于要求的低功耗现场仪表，的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式可采用这种供电方式p 开放式互连网络开放式互连网络既可与同层网络互连，也可以与不同层既可与同层网络互连，也可以与不同层网络互连，还可以实现网络数据库的共网络互连，还可以实现网络数据库的共享享1.1.4 现场总线的本质现场总线的本质现场总线概述现场总线概述51.1.5 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点FCS与与DCS的对比的对比现场总线概述现场总线概述结构结构FCS: 一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号一对多：一对传输线接

5、多台仪表，双向传输多个信号DCS: 一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号可靠性可靠性FCS: 可靠性好：数字信号传输抗干扰能力强，精度高；可靠性好：数字信号传输抗干扰能力强，精度高；DCS: 可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰“失控失控”状态状态FCS: 操作员在控制室既可以了解现场设备或现场仪表的工作状况，操作员在控制室既可以了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处于也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处

6、于操作员的远程监视与可控状态之中；操作员的远程监视与可控状态之中；DCS:操作员在控制室既不能了解模拟仪表的工作状态，也不能对其操作员在控制室既不能了解模拟仪表的工作状态，也不能对其进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对仪表处于进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对仪表处于“失控失控”状状态态61.1.5 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点FCS与与DCS的对比的对比现场总线概述现场总线概述互换性互换性FCS: 用户可以自由选择不同制造商提供的性能价格比最优的现场设用户可以自由选择不同制造商提供的性能价格比最优的现场设备和仪表，并将不同品牌的仪表互连；备和仪表，并将不同品牌的仪表

7、互连；DCS:尽管模拟仪表统一了信号标准尽管模拟仪表统一了信号标准(4-20mA DC)，可大部分参数仍，可大部分参数仍由制造厂自定，致使不同品牌的仪表互换难度较大由制造厂自定，致使不同品牌的仪表互换难度较大仪表仪表FCS: 智能仪表，除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外，智能仪表，除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外，还具有数字通信能力，并且具有控制和运算的能力；还具有数字通信能力，并且具有控制和运算的能力；DCS: 模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能控制控制FCS: 控制功能分散在各个智能仪表中；控制功能分散在各个智能仪表中；DCS: 所有

8、控制功能集中在控制站中所有控制功能集中在控制站中71.1.5 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点结构特点结构特点p由于采用智能现场设备，能够把由于采用智能现场设备，能够把DCS系统中处于系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备中，在现场直接完成采集和控制。备中，在现场直接完成采集和控制。p由于不需要其他的模数转换器件，且一对电线能由于不需要其他的模数转换器件，且一对电线能传输多个信号，因而简化了系统结构，节约了设传输多个信号，因而简化了系统结构，节约了设备及安装维护费用。备及安装维护费用。现场总线概述现场总线概述8p系统的开放性系统

9、的开放性通信协议公开，各不同厂家的设备之间可通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换进行互连并实现信息交换p互可操作性与互用性互可操作性与互用性p现场设备的智能化与功能自治性现场设备的智能化与功能自治性p系统结构的高度分散性系统结构的高度分散性p对现场环境的适应性对现场环境的适应性1.1.5 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点技术特点技术特点现场总线概述现场总线概述9p节省硬件数量与投资节省硬件数量与投资p节省安装费用节省安装费用p节约维护开销节约维护开销p用户具有高度的系统集成主动权用户具有高度的系统集成主动权p提高了系统的准确性与可靠性提高了系统的准确性与可靠性1.

10、1.5 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点优点优点现场总线概述现场总线概述101.1.8 现场总线网络的实现现场总线网络的实现p 制定标准时参照制定标准时参照OSI七层协议标准七层协议标准p 大多采用第大多采用第1层层(物理层物理层)、第、第2层层(数据链路数据链路层层)和第和第7层层(应用层应用层)，并增加第，并增加第8层用户层。层用户层。p 物理层：定义了信号的编码与传送方式、物理层：定义了信号的编码与传送方式、传送介质、接口的电气及机械特性、信号传送介质、接口的电气及机械特性、信号传输速率等传输速率等 现场总线有两种编码方式：现场总线有两种编码方式：Manchester和和NRZ，

11、前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。前者采用基带传输，后者采用频带传输。传输介前者采用基带传输，后者采用频带传输。传输介质主要有：有线电缆、光纤和无线介质。质主要有：有线电缆、光纤和无线介质。应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链数据链路层路层物理层物理层现场总线概述现场总线概述111.1.8 现场总线网络的实现现场总线网络的实现p 数据链路层数据链路层 分为两个子层：介质访问控制层分为两个子层：介质访问控制层(MAC)和逻辑链路控制层和逻辑链路控制层(LLC)。MAC对传输介质传送的信号进行发送和接收控制；对传输

12、介质传送的信号进行发送和接收控制；LLC对数据链进对数据链进行控制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线上的设备可以是行控制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线上的设备可以是主站，也可以是从站。主站，也可以是从站。MAC层的三种协议：集中式轮询协议、令牌总线协议和总线仲裁协层的三种协议：集中式轮询协议、令牌总线协议和总线仲裁协议。议。p应用层应用层 分为两子层：应用服务层分为两子层：应用服务层(FMS)，用于为用户提供服务；现场总线，用于为用户提供服务；现场总线存取层存取层(FAS)，用于实现数据链路的连接，用于实现数据链路的连接p用户层用户层 定义了从现场装置中读写信息和向网络中其他装置分

13、派信息的方法，定义了从现场装置中读写信息和向网络中其他装置分派信息的方法，即规定了供用户组态的标准即规定了供用户组态的标准“功能模块功能模块”现场总线概述现场总线概述121.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构企业网络信息集成系统的层次结构p现场总线网络直接面向生产过程，因此要求很高现场总线网络直接面向生产过程，因此要求很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性；的实时性、可靠性、数据完整性和可用性；p因此一般只包括物理层、数据链路层和应用层；因此一般只包括物理层、数据链路层和应用层；p要完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递；要完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递；p统一的企业网络信息集成

14、系统应具有三层结构，统一的企业网络信息集成系统应具有三层结构，从底向上依次是：从底向上依次是：过程控制层过程控制层(PCS)、制造执行制造执行层层(MES)、企业资源规划层企业资源规划层(ERP)现场总线概述现场总线概述131.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构企业网络信息集成系统的层次结构现场总线现场总线控制网络现场总线控制网络工业局域网工业局域网企业网企业网Internet过程控制层过程控制层PCS制造执行层制造执行层MES企业资源规划层企业资源规划层ERP现场总线概述现场总线概述141.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构企业网络信息集成系统的层次结构p过程控制层过程控制层 依照现

15、场总线的协议标准，智能设备采用功能块的结构，依照现场总线的协议标准，智能设备采用功能块的结构，通过组态设计，完成数据采集、通过组态设计，完成数据采集、A/D转换、数字滤波、温度转换、数字滤波、温度压力补偿、压力补偿、PID控制等功能。智能转换模块对传统检测仪表控制等功能。智能转换模块对传统检测仪表的电流电压进行数字转换和补偿。的电流电压进行数字转换和补偿。l过程控制层的拓扑结构过程控制层的拓扑结构 环形网：时延确定性好，重载时网络效率高；环形网：时延确定性好，重载时网络效率高； 总线网：成本低，时延不确定，重载时效率低；总线网：成本低，时延不确定，重载时效率低； 树形网：可扩张性好，频带较宽，

16、但节点间通信不便；树形网：可扩张性好，频带较宽，但节点间通信不便； 令牌总线网：物理上是总线网，逻辑上是令牌网。令牌总线网：物理上是总线网，逻辑上是令牌网。现场总线概述现场总线概述151.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构企业网络信息集成系统的层次结构p制造执行层制造执行层 从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋势分析等功能，还包括控制组态的设计和下装。势分析等功能，还包括控制组态的设计和下装。l 通过总线接口转换器实现现场总线网段和以太网段的连接。通过总线接口转换器实现现场总线网段和以太网段的连接。p企业资

17、源规划层企业资源规划层在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。l首先将中间监控层的数据库中的信息转入上层关系数据库中，首先将中间监控层的数据库中的信息转入上层关系数据库中，使远程用户能通过浏览器查询网络运行状态，对生产过程进行实使远程用户能通过浏览器查询网络运行状态，对生产过程进行实时的远程监控；时的远程监控；l对数据进行进一步的分析和整理，为相关的各种管理、经营决对数据进行进一步的分析和整理，为相关的各种管理、经营决策提供支持，实现管控一体化。策提供支持，实现管控一体化。现场总线概述现场总线概述161.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构

18、企业网络信息集成系统的层次结构p现场总线与数据局域网的区别现场总线与数据局域网的区别l用途不同用途不同现场总线主要用于对生产、生活设备的控制；现场总线主要用于对生产、生活设备的控制；数据网络主要用于通信、办公，提供文字、声音和图数据网络主要用于通信、办公，提供文字、声音和图像等数据信息。像等数据信息。l技术要求不同技术要求不同现场总线要求具备高度的实时性、安全性和可靠性，现场总线要求具备高度的实时性、安全性和可靠性，网络接口尽可能简单，成本尽量降低，数据量一般较网络接口尽可能简单，成本尽量降低，数据量一般较小；小；数据网络则需要大批量数据传输和处理。数据网络则需要大批量数据传输和处理。现场总线

19、概述现场总线概述17现场总线与管理信息网络的特性比较特性现场总线管理信息网络监视与控制能力强弱可靠性与故障容限高高实时响应快中信息报文长度短长OSI相容性低中、高体系结构与协议复杂性低中、高通信功能级别中级大范围通信速率低、中高抗干扰能力强中现场总线概述现场总线概述181.2.2 现场总线与上层网络的互联现场总线与上层网络的互联p第一种方式：采用专用网关完成不同通信第一种方式：采用专用网关完成不同通信协议的转换，把现场总线网段或协议的转换，把现场总线网段或DCS网段网段连接到以太网上。连接到以太网上。p第二种方式：将现场总线网卡和以太网卡第二种方式：将现场总线网卡和以太网卡都置入工业都置入工业

20、PC机插槽上，在机插槽上，在PC机内实现数机内实现数据交换。据交换。p第三种方式：将第三种方式：将Web服务器直接置入服务器直接置入PLC或现场总线设备内，借助或现场总线设备内，借助Web服务器和通服务器和通用浏览工具实现数据信息的动态交互。用浏览工具实现数据信息的动态交互。现场总线概述现场总线概述19采用专用网关现场总线概述现场总线概述20将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC机插槽上现场总线概述现场总线概述21p控制网络的特点l 适应工业控制应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好；l 网络传输的是测控数据及其相关信息，短帧，传输速率低p标准支持(国际、国家、地区、企业标准)p网络结构介

21、质、拓扑结构、节点数等p网络性能传输速率、时间同步准确度、访问控制方式等p测控系统应用考虑p市场及其他因素1.2.3 现场总线网络集成应考虑的因素现场总线网络集成应考虑的因素现场总线概述现场总线概述221.3.1 基金会现场总线基金会现场总线(FF)1.3.2 PROFIBUS1.3.3 LonWorks1.3.4 CAN1.3.5 HART现场总线概述现场总线概述1.3 现场总线简介现场总线简介23p前身为以Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等公司的ISP协议，以及以Honeywell为首的WorldFIP协议，合并后成立现场总线基金会；p以

22、ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层，并增加用户层；p分低速H1(31.25Kbps,距离1900m)和高速H2(1Mbps,750m和2.5Mbps,500m)两种通信速率；p介质支持双绞线、光缆和无线发射，传输信号采用曼彻斯特编码1.3.1 基金会现场总线基金会现场总线现场总线概述现场总线概述24p德国国家标准和欧洲标准；p参考模型也是ISO/OSI模型；p由PROFIBUS-DP、-FMS和-PA组成；l PROFIBUS-DP型用于分散外设间的高速传输，适用于加工自动化领域的应用；l PROFIBUS-PA用于过程自动化。l PROFIBUS-FMS为现

23、场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、PLC等一般自动化；p传输速率为9.6Kbps-12Mbps，最大传输距离为9.6Kbps时1200m，1.5Mbps时200m，可用中继器延长至10km，传输介质为双绞线、光缆。1.3.2 Profibus现场总线现场总线现场总线概述现场总线概述25p由美国Echelon公司和Motorola、Toshiba公司倡导；p采用ISO/OSI模型的全部七层协议；p通信速率300bps-1.5Mbps，支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频等多种介质；p采用Neuron芯片，包含3片8位CPU，分别完成1-2层、3-6层协议和应用处理；p鼓励OEM开发商运用LonWo

24、rks和神经元芯片开发自己的应用产品。1.3.3 LonWorks现场总线概述现场总线概述26p是控制器局域网的简称，由德国BOSCH公司提出，得到Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司支持；p采用ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层；p通信速率最高1Mbps/40m，传输介质为双绞线；p采用短帧结构传输，传输时间短，受干扰的概率低；1.3.4 CAN现场总线概述现场总线概述27p 是是Highway Addressable Remote Transducer的缩写，的缩写，即可寻址远程传感高速通道。由即可寻址远程传感高速通道。由Rosemount

25、公司提出，并公司提出，并于于1993年成立年成立HART通信基金会；通信基金会；p 特点是在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟特点是在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的工业过程控制的过渡性产品；系统向数字系统转变过程中的工业过程控制的过渡性产品；p 由物理层、数据链路层和应用层组成。物理层采用由物理层、数据链路层和应用层组成。物理层采用FSK(频频移键控移键控)技术在技术在4-20mA信号上叠加一个频率信号，代表信号上叠加一个频率信号，代表0和和1；p 支持点对点主从应答方式和多点广播方式，数据更新速率支持点对点主从应答方式和多点广播方式，数据更新速率

26、为为2-3次次/秒，传输距离最大秒，传输距离最大3000m1.3.5 HART现场总线概述现场总线概述28以太网通信特性以太网通信特性p 以太网通信特性以太网通信特性l负荷越小，碰撞越负荷越小，碰撞越少少l负荷在负荷在10%左右时，左右时， 基本无碰撞基本无碰撞p 负荷在负荷在25%以下时，以下时， 以太网的通信响应时以太网的通信响应时间明显短于令牌网间明显短于令牌网 （如（如 ARCnet）现场总线概述现场总线概述29一般商用环境下的以太网负荷一般商用环境下的以太网负荷p 瞬时流量变化大，无法预测瞬时流量变化大，无法预测p 网络负荷波动大网络负荷波动大p 网络节点越多，碰撞越频繁网络节点越多

27、，碰撞越频繁 因此在商用环境下，无通信响应因此在商用环境下，无通信响应实时性可言实时性可言现场总线概述现场总线概述30工业控制网络通信特点工业控制网络通信特点p传输的信息量少，信息长度都比较小传输的信息量少，信息长度都比较小l周期性信息较多周期性信息较多测量、控制信息l非周期性信息较少非周期性信息较少用户操作指令、组态信息、诊断信息等等报警等突发性事件信息l需要传输的信息少需要传输的信息少l网络负荷较为平稳网络负荷较为平稳l信息流向具有明显的方向性信息流向具有明显的方向性l节点数少节点数少现场总线概述现场总线概述31今天的以太网优势今天的以太网优势昨天的以太网昨天的以太网今天的以太网今天的以太

28、网网络拓扑网络拓扑总线型总线型星型、总线型星型、总线型集线器集线器共享式共享式交换式交换式通信速率通信速率几几MM10、100、1000M、传输介质传输介质粗同轴电缆粗同轴电缆光纤、粗缆、细缆、双绞线光纤、粗缆、细缆、双绞线通信方式通信方式半双工半双工半双工、全双工半双工、全双工芯片成本芯片成本高于高于$1000$1000十几人民币十几人民币芯片应用环境芯片应用环境商业级商业级工业级芯片已有问世工业级芯片已有问世应用应用商业终端商业终端几乎所有领域几乎所有领域软硬件资源软硬件资源有限有限丰富丰富被认知程度被认知程度不熟悉不熟悉非常熟悉、几乎无需培训非常熟悉、几乎无需培训现场总线概述现场总线概述

29、32p 以太网完全能满足工业控制网络通信实时性要求以太网完全能满足工业控制网络通信实时性要求p 以太网具有以太网具有ARCnet等专用网络所无法比拟的优势：等专用网络所无法比拟的优势：l技术通用，与信息网络技术通用，与信息网络IT技术兼容技术兼容l价格低廉价格低廉l供应方便供应方便l培训、维护简单培训、维护简单与令牌网相比，以太网的优势与令牌网相比，以太网的优势现场总线概述现场总线概述33什么是工业以太网什么是工业以太网p工业以太网工业以太网l技术上，工业以太网与商用以太网（即技术上，工业以太网与商用以太网（即ISO/IEC 8802; IEC 61784-1; IEEE Std 1588:2

30、002; IEEE 802.1D&Q标准）标准兼容标准）标准兼容l应用在工业自动化环境（主要指生产现场环境）应用在工业自动化环境（主要指生产现场环境）l必须满足工业控制网络通信的需求必须满足工业控制网络通信的需求p将以太网技术应用于控制器间、甚至是现场设备间的工业通信将以太网技术应用于控制器间、甚至是现场设备间的工业通信p支持现场区域的支持现场区域的Internet能力，但必须满足现场区域的工业通信自动能力，但必须满足现场区域的工业通信自动化网络的以下特征化网络的以下特征l实时性，即时间确定性通信；实时性，即时间确定性通信；l现场设备（如驱动器）时间同步的行为现场设备（如驱动器）时间同步的行为

31、l充分而频繁的交换非常小的数据记录充分而频繁的交换非常小的数据记录现场总线概述现场总线概述34工业以太网的技术要求工业以太网的技术要求p （1）具有较好的响应实时性）具有较好的响应实时性l 工业控制网络不仅要求传输速度快，而且在工业自动化控制工业控制网络不仅要求传输速度快，而且在工业自动化控制中还要求响应快，即响应实时性要好，一般为为毫秒中还要求响应快，即响应实时性要好，一般为为毫秒0.1秒秒级级p （2）容错性要求）容错性要求l 在网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新在网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新建立新的网络链路建立新的网络链路p （3）力求简洁）力求简洁

32、l 以减小软硬件开销，从而减低设备成本，同时也可以提高系以减小软硬件开销，从而减低设备成本，同时也可以提高系统的健壮性统的健壮性p （4）开放性要好）开放性要好l 工业控制网络尽量不要采用专用网络工业控制网络尽量不要采用专用网络现场总线概述现场总线概述35需要解决的关键技术需要解决的关键技术p通信实时性技术通信实时性技术p总线供电技术总线供电技术p互可操作技术互可操作技术p远距离传输技术远距离传输技术p网络安全技术网络安全技术p可靠性与抗干扰技术可靠性与抗干扰技术p本质安全本质安全p现场总线概述现场总线概述36国家国家“863”计划组织攻关情况计划组织攻关情况p一个重点课题一个重点课题l“基于

33、高速以太网技术的现场总线控制设备基于高速以太网技术的现场总线控制设备”（编号：（编号：2001AA413010）l承担单位：浙江大学承担单位：浙江大学l参加单位：浙大中控、中科院沈阳自动化所、大连理工大学、参加单位：浙大中控、中科院沈阳自动化所、大连理工大学、清华大学清华大学p二个面上课题二个面上课题l“现场级无线以太网协议研究及设备开发现场级无线以太网协议研究及设备开发”（编号：（编号：2001AA413610）承担单位：中科院沈阳自动化所l“基于基于蓝牙蓝牙技术的工业现场设备、监控网络其及关键技技术的工业现场设备、监控网络其及关键技术研究术研究” 承担单位：重庆邮电学院现场总线概述现场总线概述37已取得的成果已取得的成果p工业以太网关键技术攻关工业以太网关键技术攻关l 解决了：以太网实