现场总线技术(重庆大学罗克韦尔自动化实验室)

1、现场总线技术现场总线技术重庆大学罗克韦尔自动化实验室重庆大学罗克韦尔自动化实验室现场总线的由来现场总线的由来 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息

2、系统。现场总线统为基础的企业信息系统。现场总线(fieldbus)(fieldbus)就是顺就是顺应这一形势发展起来的新技术。应这一形势发展起来的新技术。现场总线的由来现场总线的由来计算机控制系统计算机控制系统检测输入设备中央计算机控制输出设备生产过程检测变量操作变量现场总线的由来现场总线的由来集中式控制系统集中式控制系统检测输入设备中央计算机控制输出设备生产过程检测变量操作变量CRT操作台现场总线的由来现场总线的由来分布式控制系统（分布式控制系统（DCSDCS）现场总线的由来现场总线的由来分布式控制系统（分布式控制系统（DCSDCS）I/O4-20 mAAnalyzerPLC4-20 mA控

3、制站控制站操作站操作站LAN现场总线的由来现场总线的由来基于现场总线的分布式控制系统（基于现场总线的分布式控制系统（FCSFCS）现场总线的定义现场总线的定义根据根据IEC的标准定义的标准定义：“安装在制造和过程区域的现场安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向串行传输、多线通信的数据总线称为现场总线。串行传输、多线通信的数据总线称为现场总线。现场总线的定义现场总线的定义现场总线的含义现场总线的含义 (1)(1)现场通信网络现场通信网络 用于用于过程自动化过程自动化和和制造自动化制造自动化现场仪表或现场设备互连的通信

4、网络；现场仪表或现场设备互连的通信网络； (2)(2)现场仪表互连现场仪表互连 网络互连设备是传感器、变送器、执行器、控制器等现场仪表；网络互连设备是传感器、变送器、执行器、控制器等现场仪表； (3)(3)功能块分散功能块分散 构成控制系统的多个构成控制系统的多个功能块分散功能块分散在多台现场仪表或现场设备中；在多台现场仪表或现场设备中； (4)(4)互操作性互操作性 不同厂家的现场仪表或现场设备可以互相通信，并可以统一组态；不同厂家的现场仪表或现场设备可以互相通信，并可以统一组态； (5)(5)互连网络系统互连网络系统 现场仪表和控制室设备之间构成互连网络系统。现场仪表和控制室设备之间构成互

5、连网络系统。现场总线的类型现场总线的类型目前国际上是目前国际上是多种多种现场总线现场总线并存并存，IECIEC现场总线标准现场总线标准(IEC(IEC6 61158)1158)是迄今为止制定时间最长、投票次数最多、意见分歧最大的国际是迄今为止制定时间最长、投票次数最多、意见分歧最大的国际标准之一。标准之一。IECIEC于于20002000年年1 1月月4 4日公布投票结果。日公布投票结果。 IEC61158IEC61158采用以下采用以下8 8种种现场总线：现场总线：类型类型1 1：IEC61158IEC61158技术报告技术报告 ( (即即FF H1)FF H1)类型类型2 2：Contro

6、lNetControlNet ( (美国美国Rockwell)Rockwell)类型类型3 3：PROFIBUS (PROFIBUS (德国德国Siemens)Siemens)类型类型4 4：P-NET (P-NET (丹麦丹麦Process Data)Process Data)类型类型5 5：FF (FF (美国美国Fisher-Rosemount)Fisher-Rosemount)类型类型6 6：Swift Net (Swift Net (美国美国Boyin)Boyin)类型类型7 7：World FIP (World FIP (法国法国Alston)Alston)类型类型8 8：Inte

7、rbus (Interbus (德国德国Phoenix Contact)Phoenix Contact)注：注：IECIEC现场总线标准的现场总线标准的8 8种类型都是平等的，并要求类型种类型都是平等的，并要求类型2 28 8对类型对类型1 1提供接提供接口，但不要求类型口，但不要求类型2 28 8之间提供接口。之间提供接口。现场总线的类型现场总线的类型除了上述八种类型外，还有其他一些现场总线：除了上述八种类型外，还有其他一些现场总线：LonworksLonworks：美国：美国EchelonEchelon公司推出并与摩托罗拉、东芝公司共同倡公司推出并与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，采用全部导，

8、采用全部7 7层协议。层协议。DeviceNetDeviceNet：由原：由原ABAB即现在的罗可韦尔公司推出的。即现在的罗可韦尔公司推出的。CANCAN：德国：德国BOSCHBOSCH公司推出的公司推出的HARTHART：美国：美国Fisher-RosemountFisher-RosemountAS-IAS-I：执行器：执行器- -传感器接口的，传感器接口的，RS-485RS-485：不能称为现场总线，却是现场总线的鼻祖。：不能称为现场总线，却是现场总线的鼻祖。现场总线回顾现场总线回顾制定一个统一的现场总线一直没能实现的原因：制定一个统一的现场总线一直没能实现的原因： 每种总线的产生都有其一

9、定的应用背景，如每种总线的产生都有其一定的应用背景，如Profibus在制造业，在制造业，WorldFIP、FF在过程控制行业，在过程控制行业，P_Net在农业自动化领域。在农业自动化领域。 每种总线都有一个或多个大公司，且多是大型跨国公司为背景。如每种总线都有一个或多个大公司，且多是大型跨国公司为背景。如WordFIP主要由主要由Alstom公司支持，公司支持，Profibus以以Siemens公司为主要支持，公司为主要支持，ControlNet则以则以Rockwell公司为主要背景。公司为主要背景。 每种总线都力图开发其应用领域，以扩张其势力范围。每种总线都力图开发其应用领域，以扩张其势力

10、范围。 每种总线大多将自己作为国家或者地区标准，以加强自己的竞争地位，每种总线大多将自己作为国家或者地区标准，以加强自己的竞争地位，如如P-Net以成为丹麦标准，以成为丹麦标准，Profibus已成为德国标准，已成为德国标准，WorldFIP已成为法已成为法国标准。国标准。NetLinx 工业控制网络新纪元工业控制网络新纪元Rockwell AutomationEthernet,ControlNet,DeviceNet,Ethernet,ControlNet,DeviceNet, NetLinx下的三层网络下的三层网络Information Level(EtherNet/IP)Device L

11、evel(DeviceNet)Station MMI24vdc509 -BODModular I/OBlock I/OMicro DriveControl Level(ControlNet)Gateway or Linking DeviceProgrammable Device Support PCMotor StarterMicro PLCOperator InterfaceDriveServoGateway or Linking DeviceMaintenance PCDesktop PCController以太网络信息层以太网络信息层控制层网络控制层网络设备层网络设备层网络三层网络的着眼

12、点三层网络的着眼点信息层：信息层： 高速报文传送高速报文传送 高容量数据共享高容量数据共享控制层控制层 高速高速I/OI/O信息和报文的传送信息和报文的传送 有效的数据共享有效的数据共享 确定性和可重复性确定性和可重复性设备层设备层 有类似于控制层的要求，但更强调降低费用、系统调试时间有类似于控制层的要求，但更强调降低费用、系统调试时间设备网设备网DeviceNet设备网设备网连接工业现场设备连接工业现场设备DeviceNet总线含义总线含义DeviceNetDeviceNet是是9090年代中期发展起来的一种基于年代中期发展起来的一种基于CANCAN技术技术的开放型、符合全球工业标准的低成本

13、、高性能的通的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络信网络DeviceNetDeviceNet把可编程序控制器、传感器、光电开关、操把可编程序控制器、传感器、光电开关、操作员终端、电动机保护器、变频器和软起动器等现场作员终端、电动机保护器、变频器和软起动器等现场智能设备连接起来，是分布式控制系统减少现场智能设备连接起来，是分布式控制系统减少现场I/OI/O接接口和布线数量，将控制功能下载到现场设备的理想解口和布线数量，将控制功能下载到现场设备的理想解决方案决方案DeviceNet总线现状总线现状DeviceNet由开放式设备网供货商协会由开放式设备网供货商协会ODVA（Open D

14、eviceNet Vendors Association）组织和管理，）组织和管理，ODVA是一个负责是一个负责DeviceNet协议的制定和增补工作的国际组织。协议的制定和增补工作的国际组织。现有供货商会员现有供货商会员316个，已开发了个，已开发了350多种多种DeviceNet产品。产品。DeviceNet产品增长势头迅猛，在美国和日本，它所占的市场份产品增长势头迅猛，在美国和日本，它所占的市场份额已达额已达50%以上，它每年正以高于以上，它每年正以高于150%的惊人速度不断增长的惊人速度不断增长几乎所有世界著名的电器和自动化元件生产上都在大力开发几乎所有世界著名的电器和自动化元件生产上

15、都在大力开发DeviceNet产品，如产品，如ABB、Rockwell、Phoenix、Contacts、Omron、Hitachi、Cutler-Hammer等等用户对设备网的要求用户对设备网的要求 布线方便布线方便 小尺寸物理设备小尺寸物理设备 低节点成本增加到相关设备低节点成本增加到相关设备 快速呼应时间快速呼应时间 设备组态和诊断的带宽设备组态和诊断的带宽 支持控制器支持控制器/系统系统 支持多销售商设备支持多销售商设备网络化设备的市场要求网络化设备的市场要求减少劳动力开支减少劳动力开支在许多情况下，减少硬件成本在许多情况下，减少硬件成本接线错误最少接线错误最少诊断功能有助于解决焦急的

16、问题诊断功能有助于解决焦急的问题资源快速分配给下一个任务资源快速分配给下一个任务诊断功能提供预兆故障报警诊断功能提供预兆故障报警诊断功能有助于排除故障诊断功能有助于排除故障减少故障点减少故障点传统网络和传统网络和DeviceNetDeviceNet网络的比较网络的比较Control Networke.g. DH+,ControlNetRemoteI/ORackA1-5 vDC4-20 ma120 vAC24 vDCTADDI/O 网络e.g. RIOA1-5 vDC4-20 ma120 vAC24 vDC24vdc509 -BODTADDDevice Network24vdc509 -BODT

17、DeviceNet传统传统DeviceNetDeviceNet电缆结构电缆结构+24VDC ( V+ )+0VDC ( V- )CAN-HCAN-L屏蔽电缆屏蔽电缆空蓝白红黑它总共有五根线它总共有五根线:电力线有电力线有+24VDC, 0VDC 通讯线有通讯线有CAN-H, CAN-L 屏蔽电缆屏蔽电缆 DeviceNet拓扑结构拓扑结构TapZero DropShort DropsDaisy Chain max20 feetNodeNodeNodeNodeNodeNodeNode终端电阻终端电阻主线主线 TrunkBranching DropNodeNodeNodeNode终端电阻终端电阻支

18、线支线节点节点DeviceNet连接方式连接方式多端口连接器多端口连接器T型分接器型分接器干线段干线段 -注塑小型连接器支线支线 - 注塑连接器 - 0 到 20 英尺. - 小型和微型设备现场安装现场安装干线干线连接器连接器 -螺纹型 -弯曲型典型的密封型连接方式典型的密封型连接方式还有开放式连接菊花链路连接方式粗主线粗主线 Thick Trunk通讯速度通讯速度 125 Kbaud 250 Kbaud 500 Kbaud最长主线距离最长主线距离 500m (1640 ft) 250m (820ft) 100m (328 ft)最长支线距离最长支线距离 20 ft 20 ft 20 ft最多

19、节点最多节点 64 64 64细主线细主线 Thin Trunk通讯速度通讯速度 125 Kbaud 250 Kbaud 500 Kbaud最长主线距离最长主线距离 100m (328 ft) 100m (328ft) 100m (328 ft)最长支线距离最长支线距离 20 ft 20 ft 20 ft最多节点最多节点 64 64 64扁平主线扁平主线 Flat Trunk通讯速度通讯速度 125 Kbaud 250 Kbaud 500 Kbaud最长主线距离最长主线距离 420m (1378 ft) 200m (656 ft) 75m (246 ft)最长支线距离最长支线距离 20 ft

20、20 ft 20 ft最多节点最多节点 64 64 64DeviceNet的性能特点的性能特点采用基于采用基于CANCAN的广播方式工作，网络上任一个节点均可在任的广播方式工作，网络上任一个节点均可在任一时刻主动向网络上其它节点发送信息，而不分主从。一时刻主动向网络上其它节点发送信息，而不分主从。(2) (2) 网上可容纳网上可容纳6464个节点地址，每个节点支持的个节点地址，每个节点支持的I/OI/O数量没有限数量没有限制。制。(3) (3) 采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低，具有极好采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低，具有极好的检错效果，具有的检错效果，具有CRCCRC校验和

21、其它检错措施，保证了数据出校验和其它检错措施，保证了数据出错率低。错率低。(4) (4) 通信介质为独立双绞总线，信号和电源承载于同一电缆。通信介质为独立双绞总线，信号和电源承载于同一电缆。(5) (5) 支持设备的热插拔，无需网络断电。支持设备的热插拔，无需网络断电。(6) (6) 采用非破坏性逐位仲裁机制，保证了通信的实时性。采用非破坏性逐位仲裁机制，保证了通信的实时性。DeviceNet的网络介质的网络介质ThickThinFlatDeviceNet的网络介质的网络介质Flat MediaRound MediaDevicePortDeviceLinkDeviceBoxT-PortKwik

22、LinkTrunk CableDrop CableAccessoriesFlat CableDeviceNet上的设备上的设备-扫描器扫描器设备网的管理者设备网的管理者DeviceNet Scaner 网络扫描器网络扫描器DeviceNet上的设备上的设备-传感器传感器各种传感器各种传感器DeviceNet上的设备上的设备-操作界面操作界面DeviceNet上的设备上的设备-电力设备电力设备小型电机控制器中型变频调速器电机保护器变频器通讯适配器电机启动器DeviceNet上的设备上的设备-I/O设备设备深入到现场的输入深入到现场的输入/输出设备输出设备控制网控制网ControlNet控制网概貌

23、控制网概貌ControlNet 的历史与发展的历史与发展ControlNet最早于最早于1995年年10月面世。月面世。1997，7月由月由Rockwell等等22家企业联合家企业联合发起成立了发起成立了ControlNet International 组织，组织，Rockwell 公司把技术转让给了公司把技术转让给了该组织。该组织是非盈利性的，主要负责推广、发展该组织。该组织是非盈利性的，主要负责推广、发展ControlNet技术，提供技术，提供测试和组织培训等。测试和组织培训等。ControlNet Internatinal 组织也取得了很大的发展、，到目前成员公司已扩组织也取得了很大的发

24、展、，到目前成员公司已扩大到大到50多个。多个。ABB Roboties、Honeywell Inc.、Omron Electronics Inc.等。等。ControlNet International 组织的网址是组织的网址是工业界对控制层网络的要求工业界对控制层网络的要求 实时功能实时功能 确定性和可重复性确定性和可重复性 控制器之间的互锁控制器之间的互锁 对等报文发送对等报文发送 诊断功能使停机时间最小诊断功能使停机时间最小 人机界面人机界面 (MMI) 支持编程支持编程24vdc509 -BODInformationDiscrete D

25、eviceAutomation and ControlProcess DeviceFTPControlNet的使命的使命在单根实际电缆上支持两种类型的信息传输： 对时间有苛求的控制和I/O数据：I/O刷新和对等互锁 指定最高的优先权 确定性和可重复性 无时间苛求信息：报文发送和程序上载/下载 指定较低的优先权 不允许牺牲控制和I/O数据功能为了建立罗克韦尔自动化和其它自动化系统供应商控制为了建立罗克韦尔自动化和其它自动化系统供应商控制体系结构，必须提供可靠的高速应用信息传输。体系结构，必须提供可靠的高速应用信息传输。ControlNet的主要技术特点的主要技术特点 网络功能：同一链路支持控制信

26、息、网络功能：同一链路支持控制信息、I/O数据、编程数据数据、编程数据 网络的拓扑：线形、星形、树型、以及以上的任何拓扑的混合网络的拓扑：线形、星形、树型、以及以上的任何拓扑的混合 网络速度：网络速度：5Mbit/s（最大）（最大） 单网络长度：单网络长度：（同轴电缆）（同轴电缆）1000m带带2个节点，个节点，250m带带48个节点。（光纤）个节点。（光纤） 3000m 网络节点数：网络节点数：99个最大可编址节点，不带中继器的网段最多个最大可编址节点，不带中继器的网段最多48个节点个节点 I/O数据触发方式：论询（数据触发方式：论询（Poll），周期性发送（），周期性发送（Cyclic）/

27、状态改变发送状态改变发送（Change of State) 网络刷新时间：可组态网络刷新时间：可组态2100ms 数据分组大小：可变长数据分组大小：可变长0 510字节字节 网络和系统特性：可带电插拔，确定性和可重复性。网络和系统特性：可带电插拔，确定性和可重复性。ControlNet的拓扑结构的拓扑结构R段 # 3段#4RRRR“树型树型”段 # 1段 # 2RR段 # 1RR段 # 4R段 # 2“星型星型”段 # 3段 # 6R= 中继器ControlNet用户获得的利益用户获得的利益 灵活的控制系统体系结构灵活的控制系统体系结构 I/O控制和编程在同一网络上完成 从每个节点，甚至适配器

28、上进行网络存取 使用户编程过程简单化和增加功能使用户编程过程简单化和增加功能 用户可选择控制和I/O刷新速率 刷新速率恒定，可增加或减少节点 对远程逻辑机架消除块传输编程 在线反馈带宽利用率 开放网络开放网络 对其它自动化供应商可用技术参数和网络技术规范 罗克韦尔自动化产品罗克韦尔自动化产品 PLC-5Cs, 1771 and Flex I/O适配器, PanelView MMI, PC卡,交流变频器, 电动机保护器, 编程和组态ControlNet用户获得的利益用户获得的利益 高速 (5 Mb/s) 控制和I/O网络 改进I/O性能 改进对等通信 灵活的安装方式 可以在干线的任何地方安装设备

29、 可选冗余介质 在同一物理链路上支持多达99个节点 先进网络能力 确定性 - 知道数据传输的时刻 可重复性 - 传输时间恒定，甚至当设备接入网络或折除时 生产者生产者/客户模式：客户模式：多主结构，多信道广播输入和对等通信ControlNet上的设备上的设备-变频器变频器22222222变频调速器控制网适配器模块（同轴电缆方式）变频调速器控制网适配器模块（同轴电缆方式）ControlNet上的设备上的设备-变频器变频器非冗余非冗余000光缆光缆转换器转换器TX RX000冗余介质冗余介质TX RX变频器控制网适配器模块（光缆方式）变频器控制网适配器模块（光缆方式）ControlNet上的设备上

30、的设备I/O输入输出设备输入输出设备操作员面板操作员面板计算机接口卡计算机接口卡 “Old Way” = 源源/目标方式目标方式 通常被主/从方式所采用“The time is 8:00”“The time is 8:00”“The time is 8:00”“The time is 8:00”“The time is 8:00”“New Way” = 生产者生产者/消费者方消费者方式式also referred to as “Publisher/Subscriber”contains all Source/Destination capabilities, plus additional c

31、apabilities for NetLinx的基本技术设置设置控制控制数据采集数据采集生产者生产者/消费者服务方式消费者服务方式NetLinx网络的三大功能Controller控制器 Drive1Sensor Drive3Drive2Data AcquisitionALLEN-BRADLEY789456123.0- F1F6F2F7F3F8F4F9F5F10P Pa an ne el lV Vi ie ew w 5 55 50 0vHMIAnalog I/O 传输效率非常低传输效率非常低 - RIO, Profibus, Interbus S传统控制方式-源/目标方式Controller D

32、rive1Sensor Drive3Drive2Data AcquisitionALLEN-BRADLEY789456123.0- F1F6F2F7F3F8F4F9F5F10P Pa an ne el lV Vi ie ew w 5 55 50 0vHMIAnalog I/O Change-of-State 状态改变状态改变 - Sensor produces data only when object is present. Cyclic 周期性循环周期性循环- Analog I/O can send one value (pressure) every 50 ms, and another

33、 value (temperature) every 500 ms Multicast 多点传送多点传送- simultaneous data consumption. 传输效率非常高传输效率非常高使用NetLinx技术的控制方式 如果支持通过网络进行设置，常常需如果支持通过网络进行设置，常常需要在主站中编程要在主站中编程 否则就需要点对点的进行设置否则就需要点对点的进行设置Controller Drive1Sensor Drive3Drive2Programmable Device SupportALLEN-BRADLEY789456123.0- F1F6F2F7F3F8F4F9F5F10P

34、 Pa an ne el lV Vi ie ew w 5 55 50 0vHMIAnalog I/O ( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M1Size: 32 words| / |N23:5/00( )N22:1/06( )O.0.1/10| |I.0.2/04( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M0Size: 32 words传统的设备配置方式Very Efficient, devices communicate directly - not through bottlenecks 编程器直接通过网络进行编程 通过网络直接对设备进行组态Controll

35、er Drive1Sensor Drive3Drive2Programmable Device SupportALLEN-BRADLEY789456123.0- F1F6F2F7F3F8F4F9F5F10P Pa an ne el lV Vi ie ew w 5 55 50 0vHMIAnalog I/O ( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M1Size: 32 words| / |N23:5/00( )N22:1/06( )O.0.1/10| |I.0.2/04( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M0Size: 32 words使用NetLinx技术的

36、设备配置方式Controller Drive1Sensor Drive3Drive2Data AcquisitionALLEN-BRADLEY789456123.0- F1F6F2F7F3F8F4F9F5F10P Pa an ne el lV Vi ie ew w 5 55 50 0vHMIAnalog I/O 主站通过轮询的方式采集数据 主站通过逻辑梯形图程序获取数据 数据需要被存储后进行转发( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M1Size: 32 words| / |N23:5/00( )N22:1/06( )O.0.1/10| |I.0.2/04( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M0Size: 32 words传输效率低下传输效率低下DH+ & RIO, Profibus FMS & DP 等网络等网络传统的数据采集方式 设备数据通过广播方式进行传输 任何设备都可以消费/享用数据 减少信息量，无需编程高效率地利用了网络带宽和处理器能力高效率地利用了网络带宽和处理器能力Controller Drive1Sensor Drive3Drive2Data AcquisitionALLEN-BRADLEY789456123.0- F1F6F2F7F3F8F4F9F5F1