第1章 现场总线概述

1、现场总线技术王鑫国2联系方式v邮箱： v手机：v办公室：机电学科楼D3123参考书v教材：李正军，现场总线及其应用技术，机械工业出版社，2005v阳宪惠，现场总线技术及其应用（第2版），清华大学出版社， 20084 课程要求及考核方式v课程性质：专业选修课v课时：24学时v成绩评定方式：平时30%+考试70%5教学内容及学时分配（江浦）v第1章 现场总线概述（2学时）v第3章 串行通信接口技术（1学时）v第4章 CAN总线（5学时）v第5章 LonWorks现场总线（6学时）v第6章 PROFIBUS现场总线（5学时）v第7章 基金会现场总线FF（3学时）v实验（2学

2、时）6教学内容及学时分配（浦江）v第1章 现场总线概述（2学时）v第3章 串行通信接口技术（1学时）v第4章 CAN总线（5学时）v第5章 LonWorks现场总线（6学时）v第6章 PROFIBUS现场总线（4学时）v第7章 基金会现场总线FF（2学时）v实验（4学时）7第1章 现场总线概述1.1 现场总线的现状与发展1.2 基于现场总线的企业网络信息集成系统1.3 现场总线简介81.1 现场总线的现状与发展现场总线的基本概念现场总线的产生现场总线的本质现场总线的特点和优点现场总线标准的制定现场总线的现状现场总线网络的实现现场总线的发展趋势9现场总线的基本概念现场总线的基本概念101112控

3、制系统的五个发展阶段 （1 1）初级控制系统）初级控制系统 时间时间：2020世纪世纪5050年代以前年代以前；特点特点：所用的设备主要是安装所用的设备主要是安装在生产现场、具有简单测控功能的在生产现场、具有简单测控功能的基地式仪表基地式仪表。此阶段的控。此阶段的控制系统均简单。制系统均简单。 （2 2）模拟仪表控制系统）模拟仪表控制系统 时间时间：60年代至年代至70年代后期年代后期；特点特点：以电子管、晶体管、以电子管、晶体管、集成电路为核心的气动和电动集成电路为核心的气动和电动单元组合式仪表单元组合式仪表两大系列两大系列，它它们分别以压缩空气和直流电源作为动力，在仪表内部实行电们分别以压

4、缩空气和直流电源作为动力，在仪表内部实行电压并联传输，外部实行电流串联传输压并联传输，外部实行电流串联传输 （采用（采用4-20mA4-20mA的模拟信的模拟信号标准号标准），以减小传输过程的干扰。），以减小传输过程的干扰。 1.1.1 现场总线的产生现场总线的产生13基于调节器的单回路自动控制14（3 3）集中式数字控制系统）集中式数字控制系统（DDCDDC） 时间：时间：8080年代初；特点：用数字计算机代替控制室内的年代初；特点：用数字计算机代替控制室内的仪表来完成控制系统功能。仪表来完成控制系统功能。（4 4）集散控制系统（）集散控制系统（DCSDCS） 组成：由组成：由现场控制站、现

5、场控制站、以及多台计算机构成；以及多台计算机构成； 在在DCSDCS系统中，测量仪表、变送器一般为模拟仪表，控制系统中，测量仪表、变送器一般为模拟仪表，控制器为数字式，因而它又是一种模拟数字混合系统。器为数字式，因而它又是一种模拟数字混合系统。 各厂家的产品互换与互操作有一定的局限性。各厂家的产品互换与互操作有一定的局限性。15变送器DCS调节阀DCS传统控制方式16基于DCS的自动控制系统17 （5）现场总线控制系统（）现场总线控制系统（FCS） 特点：特点：把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，通过现场总线控制系统把标准化

6、的解决方案，通过现场总线控制系统把DCS的集散系的集散系统结构变成了新型全分布式系统结构，把控制功能彻底下放统结构变成了新型全分布式系统结构，把控制功能彻底下放到现场，是继到现场，是继DCS后的又一代控制系统。后的又一代控制系统。 Up to 1900 Meters in length现场总线控制方式现场智能仪表现场智能控制设备18现场总线设备19 FCSFCS与与DCSDCS的比较的比较FCSDCSI/O CPU.FCSFCS控制在现场中完成控制在现场中完成DCSDCS控制在控制站中完成控制在控制站中完成FCSDCSAIAOPIDAIAIAOPIDPID20FCS是网络化、全分布式控制系统是

7、网络化、全分布式控制系统AIPIDAOLASPT101PV101PIC101FFFFFF21FCSDCSDDC远程传感器和执行机构远程传感器和执行机构. . .远程传感器和执行机构现场总线智能自治节点工控机控制器控制器. . .远程传感器和执行机构控制器控制器现场总线智能自治节点现场总线智能自治节点不同类型控制系统的结构比较22现场总线的产生背景现场总线的产生背景231.1.2 现场总线的本质现场总线的本质v现场通信网络v现场设备互联v互操作性v分散功能块v通信线供电v开放式互连网络241.1.3 现场总线的特点和优点vDCS：一对一的物理连接vFCS：总线连接vFCS简化了系统结构、节约硬件

8、设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件vFCS与DCS结构比较现场总线的结构特点2526v表1-1 FCS与DCS的详细对比 系统结构可靠性失控状态互换性仪表功能控制方式27现场总线的技术特点v系统的开放性通信协议公开v互操作性与互换性 v现场设备的智能性与功能自治性v系统结构的高度分散性v对现场环境的适应性28现场总线的优点v节省硬件数量与投资v节省安装费用v节省维护开销v用户具有高度的系统集成主动权v提高了系统的准确性和可靠性29FCSDCSFCSDCSFCSFCS下装下装FCSDCSFCSDCSFCSDCSDCSClassic I/ODigital BussesFoxboroF

9、CSDCSFCSDCSFCS下装下装DCSFCSDCSFCSDCSDCS现场控制机柜FoxboroFCSDCSFCSDCSFCS下装下装DCSFCSDCSFCSDCS256 I/ODCS控制机柜接线端子FCSDCSFCSDCSFCS下装下装FCSDCSFCSDCSFCSDCSDCS256 I/O256 I/O机柜内部对比FCSDCSFCSDCSFCS下装下装DCSFCSDCSFCSDCS256 I/O256 I/ODCS现场布线现场布线FCSDCSFCSDCSFCS下装下装DCSFCSDCSFCSDCSFCS现场布线现场布线35现场总线系统的劣势v在现场总线系统中，网络成为控制系统不可缺少的组

10、成部分之一。v网络通信中数据包的传输延迟、通信系统的瞬时错误和数据包丢失，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。v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。36现场总线的适用场合v现场设备与主控制器之间的通讯距离长现场设备与主控制器之间的通讯距离长v现场被控设备高度分散现场被控设备高度分散v系统对底层设备有信息集成要求系统对底层设备有信息集成要求v系统对底层设备有较高的远程诊断系统对底层设备有较高的远程诊断、故障报故障报警及参数化要求警及参数化要求v对现场环境适应性要求高对现场环境适应性要求高371.1.4

11、现场总线标准的制定vIEC的现场总线标准用于工业控制系统的IEC61158现场总线标准 用于低压开关设备与控制设备、控制器与电气设备接口的IEC62026标准vISO的现场总线标准用于道路车辆数字信息交换的现场总线标准ISO1189838IEC61158采用以下采用以下8种种现场总线：现场总线： 类型类型1：IEC61158技术报告技术报告 (即低速即低速FF H1) 类型类型2：ControlNet (美国美国Rockwell 公司公司) 类型类型3：PROFIBUS (德国德国Siemens公司公司) 类型类型4：P-Net (丹麦丹麦Process Data公司公司) 类型类型5：FF

12、HSE (高速高速FF,美国美国Fisher- Rosemount公司公司) 类型类型6：Swift Net (美国美国波音波音Boeing) 类型类型7：World FIP (法国法国Alstom公司公司) 类型类型8：Interbus (德国德国Phoenix Contact公司公司) IEC61158标准标准39IEC62026标准标准IEC62026 - (IEC17B Committee),2000年年1月月 IEC62026 1 一般要求一般要求 IEC62026 2 AS-i ( Siemens) IEC62026 3 DeviceNet (Rockwell, Omron) IE

13、C62026 4 Lontalk IEC62026 5 SDS (Honeywell) IEC62026 6 SMCB IEC62026 7 Interbus, 转入转入IEC61158 *40ISO 11898标准标准v国际标准化组织为现场总线制定的标准是国际标准化组织为现场总线制定的标准是TC22TC22，其，其中影响最大的为中影响最大的为ISO 11898.1993ISO 11898.1993，即道路车辆数字，即道路车辆数字信息交换信息交换高速通信的控制器局域网络（高速通信的控制器局域网络（CANCAN）。）。vISO 11898ISO 11898对对CANCAN只规定了模型的第只规定了

14、模型的第1 1、2 2层，即物理层，即物理层和数据链路层。应用层的协议可以由不同用户、层和数据链路层。应用层的协议可以由不同用户、企业、组织定义，比如企业、组织定义，比如DeviceNetDeviceNet就部分沿用了就部分沿用了CANCAN的物理层和数据链路层，自己增加了对应用层的规的物理层和数据链路层，自己增加了对应用层的规定。定。 411.1.5 现场总线的现状1、多种总线共存、多种总线共存2、各种总线各有其应用领域、各种总线各有其应用领域3、每种总线各有其国际组织、每种总线各有其国际组织4、每种总线均有其支持背景、每种总线均有其支持背景5、设备制造商参加多个总线组织、设备制造商参加多个

15、总线组织6、多种总线均作为国家和地区标准、多种总线均作为国家和地区标准7、协调共存、协调共存8、工业以太网引入工业领域、工业以太网引入工业领域421.1.6 现场总线网络的实现v现场总线的基础是数字通信，通信必须有协议v现场总线=硬件接口+通信协议v大多支持OSI的1、2、7层，有的增加第8层用户层1、物理层2、数据链路层分为两个子层：MAC、LLC；MAC有三种协议：轮询协议、令牌总线协议、总线仲裁协议3、应用层（为用户应用提供接口）4、用户层（提供功能模块）431.1.7 现场总线技术的发展趋势v发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为关注的焦点v自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方

16、向前进v几大总线标准共存v具有发展前景的现场总线技术有：44基于现场总线的智能化仪表的研制基于现场总线的网络设备的软、硬件研制 组态技术的研究，包括网络拓朴结构、网络设备配置、不同网段互联等技术 网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输 基于现场总线技术的全开放控制系统的集成技术 451.2 1.2 企业网络信息集成系统企业网络信息集成系统1.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构v现场总线是底层控制网络v现场总线需要与上层信息系统交换数据v企业网络信息集成系统应具有3层结构：PCSMESERP46典型的企业网络结构图局域网NT 服务器Internet监控工作站其它工作站现场总线接口

17、差压变送器调节阀差压变送器 差压变送器温度变送器企业资源规划层（ERP）制造执行层（MES）过程控制层（PCS）现场总线网段47企业网络信息集成系统的层次结构图互连网Internet企业内部网Intranet现场总线控制网FCS企业资源规划层ERP制造执行层MES过程控制层PCS481、过程控制层采用现场总线将最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互联常见的现场总线网络拓扑结构： 环形网 总线网 树形网 令牌总线网492、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、报警和趋势分析等功能。关键技术是以太网与底层现场设备网络间的接口还为先进控制和远程操作优化提供支撑环境。3、企业资

18、源规划层将监控层的数据库中的信息转入上层的关系数据库中，对数据进行进一步分析和整理，实现管控一体化504、现场总线与局域网的区别n应用场合不同（工业现场-通信与办公）n具有各自的技术特点（实时性安全性可靠性-大批量数据传输与处理）n两种网络将具有越来越紧密的联系（需求互补，两者之间需要信息交换）511.2.3 现场总线与上层网络的互联 52通过网关连接控制网段与上层网络 监视操作计算机以太网段Server网关/控制器网桥控制网段控制网段53采用PCI卡连接控制网段与上层网络 监视操作计算机PCI控制网段控制网段以太网段541.2.4 现场总线网络集成应考虑的因素 551.3 现场总线简介国际上

19、存在几十种现场总线标准比较流行的主要有：FF、CAN、DeviceNet、LonWorks、PROFIBUS、HART、INTERBUS、CC-Link、ControlNet、WorldFIP、P-Net、SwiftNet等现场总线。561.3.1基金会现场总线(Foundation Fieldus,FF)1994年,由ISP和WorldFIP两大集团合并成立现场总线基金会采用OSI/ISO物理层,数据链路层和应用层,增加了用户层有低速H1（31.25kb/s，1900m）与高速H2（1Mbps, 2.5Mpbs，750m，500m）之分,H2逐渐被HSE(100Mb/s,甚至更高)取代支持双

20、绞线、同轴电缆、光缆和无线发射等传输介质应用领域以过程自动化为主,比如化工,石油,污水处理57FF总线的网络结构总线的网络结构操作站操作站.交换机交换机HSE链接设备链接设备H1总线HSE链接设备链接设备HSE现场设备现场设备H1总线FF现场总线的典型应用现场总线的典型应用591.3.2 控制器局域网(Controller Area Network,CAN)由德国 Bosch公司开发,起初专为汽车工业设计.遵循ISO/OSI模型,采用了物理层和数据链路层,应用层协议允许用户自行开发.采用短帧结构,最可靠通讯速率最高1Mb/s,最远通讯距离可达10km成为ISO国际标准.芯片由摩托罗拉,Inte

21、l等公司生产,价格低廉,用量最大汽车内部网络汽车内部网络 CAN总线总线611.3.3 DeviceNet由Rockwell公司于1994年推出基于CAN总线技术,低成本,高可靠性采用物理层,数据链路层和应用层价格低，效率高，特别适合制造业、工业控制、电力系统等行业的自动化62以PLC为主站的DeviceNet网段电机驱动I/O card手持终端PLCDeviceNet631.3.4 LonWorks由美国Echelon公司推出,摩托罗拉、东芝支持倡导.组成LonMARK互操作协会采用OSI模型全部7层通讯协议通讯速率从300b/s到1.5Mb/s,通讯距离可达2700m采用总线型、树型支持双

22、绞线、同轴电缆、光缆和红外线、电力线、无线发射等传输介质LonTalk协议固化在Neuron芯片中，每片芯片带3个8位微处理器最大的应用领域在楼宇自动化，在工业控制领域如石油，铁路也有应用64LonWorks总线的网络结构总线的网络结构监控计算机监控计算机78Kbps双绞线路由器路由器1.25Mbps双绞线主干通道10Kbps电力线网关网关其它总线网络现场现场节点节点现场现场节点节点现场现场节点节点路由器路由器现场现场节点节点现场现场节点节点651.3.5 Profibus由西门子为主的十几家公司共同推出共有3种版本vProfibus-FMS（Fieldbus Message Specific

23、ation）vProfibus-PA（Process Automation）vProfibus-DP（Decentralised Peripherals）Prefabs-DP用于现场控制器与分散I/O之间的数据通信； Profibus-FMS用来解决车间级通信任务；Profibus PA用于过程自动化,可连现场变送器、执行器。66传输速率为9.6kbps-12Mbps,传输距离为100m-1.2km采用总线型、树型、 星型支持双绞线和光纤Profibus采取主站之间的令牌传递方式和主从之间的主、从通信方式。 Profibus-DP允许构成单主站或多主站系统。 主要应用于制造自动化和过程控制自动

24、化,电力,铁路交通67Profibus总线的网络结构总线的网络结构操作员站操作员站Profibus-DPPLC监控层监控层工程师站工程师站Profibus-FSM或Ethernet现场层现场层Profibus-PADP/PA耦合器68基于基于Profibus总线控制系统应用实例总线控制系统应用实例:整套装置100万，可节省安装费用50%以上吸收吸收塔塔吸收吸收塔塔DP/PA-LinkET 200MRemote I/OIndustrial Ethernet / FSMS7 400 ControllerPROFIUS DPS7 400 ControllerEngineeringStation ES

25、OperatorStation OSPROFIBUS PA691.3.6 HARTHART的英文含义HART总线采用基于Bell 202 通信标准的 FSK技术，在420mA的模拟信号上叠加了一个频率信号, 因此能同时传送模拟和数字信号而不相互干扰能实现总线供电和本质安全防爆 用于过程控制70HART总线的网络结构总线的网络结构基本主设备基本主设备安全栅安全栅现场仪表现场仪表现场仪表现场仪表现场仪表现场仪表副主设备副主设备HART至少需要一个主设备和一个现场仪表； 现场仪表和副主设备均为并联，连接点可置于网络的任意位置； 网络工作时，现场仪表可被更换，副主设备也可被连到网上。 711.3.7

26、Interbus (International Bus)1984年由德国Phoenix公司开发,后成立Interbus组织(Interbus Club)采用OSI/ISO物理层,数据链路层和应用层物理层采用RS485串行通信标准集中式主从方案，环型拓扑，传输速率为500KbpsInterbus是一种传感器级的现场总线，令牌网，经济性是它的一大特点。Interbus的应用主要在汽车制造,机械制造,水处理,隧道交通,食品,轻工,烟草,印刷等行业。721.3.8 CC-Link1996年三菱电机公司主导唯一起源于亚洲的总线系统广泛用于三菱PLC731.3.9 ControlNet1997年由美国Ro

27、ckwell Automation推出的面向控制层的实时性现场总线网络通讯速率5Mb/s,通讯距离30km采用物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层支持总线型,树型和星型应用于交通运输,汽车制造,冶金,矿山,电力,食品等领域741.3.10 WorldFIP(World Factory Instrumentation Protocol) WorldFIP其最初由法国于80年代开发，并成为法国国家标准和欧洲标准WorldFIP产品在法国的市场占有率大约60%，在欧洲市场大约占25%主要应用在发电与输配电、制造自动化、铁路运输、地铁等自动化领域751.3.11 P-Net (Process automation Net)1984年由丹麦Process data A/s公司提出, 采用OSI/的物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层采用屏蔽双绞线,数据传输速率为76.8kbps,传输距离1.2km多主控制器,主从式总线,每段最多可容纳32个主控制器，总线访问通过虚拟令牌在主站直接循环传递应用主要集中农业,水产,饲养,林业,食品等行业761.3.12 SwiftNet美国波音公司支持主要用于航空和航天等领域结构简单、实时性高只有物理层和数据链路层771.3.13 AS-i (Actuator Sensor Interface )AS