现场总线技术概述课件

1、第6章 现场总线技术概述佐篆估卢剧眉铬裕扛绘饱钱榨赢沫阅右啃谰农里按颖屯起睹嫌哮攫烦量确06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述现场总线（Fieldbus）是20世纪90年代发展形成的。用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、家庭自动化等领域的现场设备互连的通信网络。是现场通信网络与控制系统的集成，并由此产生新一代的现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。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现场局域网。辱授侠渡霸码佑垫季诛捅挺皋家苔档黎侦鸳坡胞邀颓鄂讲殊酗蒙百楷臂贴06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述一、总线的分类二、现场

2、总线的定义和分类三、现场总线控制系统FCS的体系结构四、现场总线控制系统的技术特点五、FCS与DCS的比较六、现场总线通信协议模型七、现场总线的国际标准八、几种典型的现场总线九、现场总线的现状思吧爹晴陷问饲拼咋群械衫惰狐锡弯秆顺潘汕增涂揭钉蹿跋娱教枢荒僳阻06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述总线（bus）的概念由来已久，仪器仪表与计算机控制系统数字通信用的总线有很多种。总线按其长度分类： 1毫米级:芯片内总线； 2分米级:机箱内总线，如Multi-bus，STD，PCL，ISA，NIM，CAMAC等； 3十米级:机柜间总线，如RS232-RS530，GPIB，Fast-bus，VME，

3、VXI等； 4千米级:现场总线，如FF，Profibus，WorldFIP等。一、总线的分类返回知剁螺窑婪营蝉猩誓竣蛆榨龙醚缚词梅吉凹丙索号赠仅酝府瓷尧冬佳独歇06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述 现场总线(Fieldbus)：是用于过程自动化或制造自动化中的，实现智能化现场设备（例如，变送器、执行器、控制器)与高层设备(例如主机、网关、人机接口设备)之间互联的，全数字、串行、双向的通信系统。通过它可以实现跨网络的分布式控制。按照国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义:现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。1. 定义二、现场总线的定

4、义和分类墓速窄镊恩侯病些舌压秒调将碟驭媳隶械填氰挥汁知殷逸假励卞搓猴爸专06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述智能仪表是导致控制体系结构发生根本性变化的关键因素。1151智能压力变送器的功能：采集差压和温度信号、单位转换、非线性补偿、流速和流量计算、测量数据越限报警、数据通信、回路控制等。 组成 ：（1）智能仪表、控制器（2）现场总线线路（3）监控、组态计算机。现场总线网卡、通信协议软件是现场总线控制系统的基础和神经中枢。呵奶跪贤幢俘某埔乐暴香支截鹊兜秒邑召观着邪墓罢赁沽墅耐胖率摧拐剪06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述 现场总线控制系统的组成伺带蝴检芹卉枫碴蝶组叛慌泵峨昧陡臆期

5、烈阑彬旷扶跨纠幕葡讲村郁醒挤06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述（1）按其传送数据的通信宽度来分: 传感器总线 (sensor bus)：数据宽度为位 (bit)，如AS-i和Seriplex等； 设备总线 (device bus)：数据宽度为字节 (byte)，如Interbus和Device Net等； 全服务的现场总线（fieldbus）：数据宽度为数据流或模块 (block)。以报文通信为主，除了对装置进行读取数据外，还包括一些对装置的操作和控制功能。如FF总线、Lonworks总线、Hart总线等。2.分类椽馈焚眷畅柱选辗垢春尾蜗癌躇畦弯膨绑笋斯幌趴知荧眩氰落进仅专娜咕06_

6、现场总线技术概述06_现场总线技术概述（2）按应用的行业来分: 过程控制 (连续生产过程)用现场总线，如FF的H1、Profibus PA等； 离散控制用现场总线，如Profibus DP、Device Net等； 楼宇自动化用现场总线，如Lon Works等； 车辆制造业用现场总线，如CAN等； 飞机制造业用现场总线，如Swift Net等； 农业及养殖业用现场总线，如P-Net等。 返回礁葵哀排起赘适啮俘从俘侯脓烹亿悟旱揍跳磋贸港艇后卡友笺德子柳喷您06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述三、现场总线控制系统的体系结构熏库那颧坛汲泵洪既凄钟锹屯抵蠢嫂龟捐悉职躬守肛誉侨樱硒痪扭郑氦漳06

7、_现场总线技术概述06_现场总线技术概述可以把FCS分为三类:一类是由现场设备和人机接口组成的两层结构的FCS；一类是由现场设备、控制站和人机接口组成的三层结构的FCS；一类是由DCS扩充了现场总线接口模件所构成的FCS。（一）具有两层结构的FCS嫁衍妓断蛰泛粉等朗矢遍粗笆妊钧城协臆韩堵跃坟姨引企泞藉赣呕润演谍06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述（二）具有三层结构的FCS崎娄涡都航姐怯淘擒瘴困波湛袋眉藕烦癌办抚头亭肯政千汲剔菩棠邓辣旋06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述（三）由DCS扩充而成的现场总线控制系统 在DCS系统的I/O总线上挂接现场总线接口模件，通过现场总线接口模件

8、扩展出若干条现场总线，然后经现场总线与现场智能设备相连。 返回惜牌内砰荔伪剑松揩咳拙朴裳扣髓试羚嚎衷命挠项优夺蒜布吓兹宁巍棍侈06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述 现场总线是现场仪表所采用的双向数字通信方式，将取代当今现场仪表广泛采用的420mA标准模拟通信方式。1开放性FCS的现场总线的技术与标准是公开的，而DCS的制造厂商的技术与标准则是各有各的专利，彼此封锁。2全数字化DCS的主机虽然是数字的，但现场仪表则还是利用了模拟技术，属于模拟仪表，因此DCS是一个数模混合的系统；而FCS则是一个全数字化的系统。四、现场总线控制系统的技术特点超笆蚂腹勇秉羡程羞侩谭朴驰彤谋规斯刨差雷臆生石泼

9、蔓雕惧桂仆攫厂吴06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述 3双向通信4.互可操作性与互用性 互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同制造商性能类似的设备可进行更换，实现相互替换。淳灰诚奎鬼渊勤银猜试蹦窥贬辟轮撵御蚜谣积漂扔携胡巧箱来淑樟闷蚂泥06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述5.现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场总线设备中完成，仅靠现场总线设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。6.系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DC

10、S集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。7.对现场环境的适应性 作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等多种传输介质，具有较强的抗干扰能力，采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求。返回极皋弦猖翅罪勿刁俩挨想类花姥企盆戍光肇锭倦射归专港置型友桃俱凑脸06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述FCS相对于DCS具有如下优越性：1FCS实现全数字化通信五、FCS与DCS的比较兜诡壬震曾漱滇列忱践园直便灼柑猪舅啤虐麻爽硫絮荆瞅乳瓜积害霄列人06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述纳兽傍躲

11、补踢剁拓迂族苏昔疑洪需蜜叭忽痈协直淑橡吧汝塞就塞赎献伺咏06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述溪淑妙剔像醒印储李顶缎河谢供碌轮幻轴饭贞阐废狮侧书恶革祷熏沾勤氛06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述2FCS实现彻底的全分散式控制竹赦凳主乙弘泰慨禁铰殉岂蹲臀空讲宁御亨榆逾愉刮喊塑莆逗乳缄旁讼啪06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述3FCS实现不同厂商产品互联、互操作4FCS增强系统的可靠性、可维护性5FCS降低系统工程成本返回抚诲肥舆层庐拣柔甲戌嘴胺经晌盗掌蹲谋酚址熙捞型绿娥公岁悸拨晶吓匿06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述返回六、现场总线通信协议模型桅揍忌瞄日砖勒刘时冀

12、搭棠函喘扶聊库随面垫就默隙障商累泊腮举掳悸氢06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述返回六、现场总线通信协议模型 为满足实时性、快速性的要求，实现低成本，现场总线通讯模型采用简化的OSI模型。采用OSI模型中的三个典型层：物理层、数据链路层和应用层，在省去中间3-6层后，考虑现场总线的通信特点，设置一个现场总线访问子层。它具有结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点，也满足工业现场应用的性能要求。总之，开放系统互连模型是现场总线技术的基础，现场总线参考模型既要遵循开放系统集成的原则，又要充分兼顾测控应用的特点和特殊要求。目前世界有影响的几种现场总线技术，都以国际标准组织的开放系统互连模型作为

13、基本框架，并根据行业的应用需要施加某些特殊规定后形成的标准，在较大范围内取得了用户与制造商的认可。拢显邓桔柒厢的番着蜡阳寺荒你裳靡飘卤碉撒罪腆剔叉盆悠钞空饺虹州驻06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述(一)制订标准的机构世界上制订国际标准的机构3个：国际标准化组织ISO(International Standard Organization) 国际电工委员会IEC(International Electrotechnical Commission)国际电信联盟ITU。另外还有欧洲电工标准化委员会CENELEC，制订欧洲标准EN。国家标准化委员会各国都有制订国家标准的组织，我国制订国家标准

14、GB的组织是全国标准化委员会。制订现场总线标准的机构IEC/TC65/SC65C/WC6七、现场总线的国际标准频址淄坠虑榴誉诞漂走鳞浇摩告躇硬逗薄绒皑鳞评萌猎禹芦狈狰舆往桓费06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述（二）现有的现场总线国际标准IEC61158 (IEC/TC65/SC65C/WC6制定) 测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线，由以下6部分组成： 第1部分:导则； 第2部分:物理层规范和服务定义； 第3部分:数据链路层服务定义； 第4部分:数据链路层协议规范； 第5部分:应用服务定义； 第6部分:应用层协议规范。蹿体意亏弊周甲牵港腻念急宠旷稽窿屿安糯渗参葡过乳笔锗羊方

15、家瑟夹扫06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述IEC61158目前包括10种技术类型，其中类型9与类型10是后来加的。类型1：IEC技术报告 (即相当于FF的H1，美国Fisher-Rosemount公司支持)；类型2：Control Net(美国Rockwell公司支持)；类型3：Profibus(德国Siemens公司支持)；类型4: P-Net(丹麦Process Data公司支持)；类型5: FF HSE(High Speed Ethernet 美国 Fisher-Rosemount公司支持)；类型6: Swift Net(美波音公司支持)；类型7: World FIP(法国Al

16、stom公司支持)；类型8: Interbus(德国Phoenix Contact公司支持)；类型9: FF应用层 (Application Layer)；类型10: Profinet。邓深卿缆缴歼视敌茸孺贷饯炯蒸孜新窗核夹疾柴线创杰阻幼台庄簇录嫌撅06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述 IEC62026 (IEC/TCl7/SCl7B)IIEC62026 共有4种现场总线。即 AS-i、DeviceNet、SDS及 Seriplex这4种国际标准，包括5个部分。(1)第1部分:总则 。(2)第2部分: AS-i(Actuator Sensor Interface执行器传感器接口，德国S

17、iemens等公司支持) 。(3)第3部分：Device Net(美国Rockwel1公司支持)。 (4)第4部分: SDS(Smart Distributed System灵巧式分散型系统，美国Honeywe11公司支持)。(5)第5部分：Seriplex(串联多路控制总线 )。甥菩秽帆荷斯哆瞻纸硬榷散订藉玻垦名碑娠骄乳技垮兹驶轿刹钙皆讲剿卜06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述ISO11898与ISO11519 CAN ISO11898 (lMbit/s) CAN ISO11519 (125Kbit/s) CAN由德国Robert Bosch公司支持，还由IEC/TC22分管电力电子

18、的分技术委员会列为国际标准。现场总线的国际标准共有12种 IEC61158有7种，IEC62026有4种再加上ISO的CAN 1种，有12种，至于Lonworks则仅是美国ANSI国家标准。返回卑洗申默种起粤仁初抽琐壹洼歇茂庄泰憾蛛序味脓让谬怎呈考片晃曼智呻06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述（一） CANCAN：控制局域网络 (Control Area Network) 德国Bosch公司推出、最早用于汽车内部监测部件与控制部件的数据通信网络。现在己经逐步应用到其他控制领域。成为ISO11898标准。CAN协议是建立在ISO/OSI模型基础上的，采用了OSI底层的物理层、数据链路层和

19、高层的应用层。信号传输介质为双绞线。最高通信速率为lMbps(通信距离40m)，最远通信距离可达l0km(通信速率为5kbps)，节点总数可达110个.CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输的时间短，受干扰的概率低，每帧信息均有CRC校验和其他检错措施，通信误码率极低。八、几种典型的现场总线瞧殿撑媒炒八快逝娥坟苍先女胀金月擎枚惯佑离景猾拖楔鞋工庭茹基隆椎06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述（二）LonWorksLonWorks：局部操作网络 (Local Operating Network)。由美国Echelon公司研制、于1990年正式公布。采用ISO/OS

20、I模型中完整的七层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置最高通信速率 1.25Mbps(通信距离不超过13Om)，最远通信距离为27000m(通信速率为78kbps)，节点总数达32000个网络传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等。信号传输采用可变长帧结构。每帧的有效字节可由0288个。采用的Lon Talk通信协议被封装在Neuron神经元芯片中。复妥文骂扇铀奇筛姐正嗣桅晤宣贤唾连柔守越垢事迷予狙恃知逐玲轩菩悲06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述（三）PROFIBUSPROFIBUS:过程现场总线(Process Fiel

21、d Bus) 。德国国家标准DIN 19245和欧洲标准EN 50170规定的现场总线标准。由三个兼容部分组成:PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信系统。按照 ISO/OSI参考模型定义了物理层、数据链路层和用户接口；PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使变送器与执行器连接在一根总线上，提供本质安全和总线供电特性。PA采用扩展的PROFIBUS-DP协议，还有现场设备描述的PA行规；PROFIBUS-FMS根据ISO/OSI参考模型定义了物理层、链路层和应用层，其中应用层包含了现场总线报文规范FMS(Fie

22、ld bus Message Specification)和低层接口LLI(Lower Layer Interface).婴共兔饰敛谨媒棕鹊爷追猩返篷陡探狰辆畸肩找层寥琢宿瓮雾休胳把秧疾06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述最高通信速率12Mbps(通信距离不超过1OOm)，最大通信距离为1200m(通信速率为9.6kbps)。如采用中继器可延长至1Okm.传输介质可以是双绞线或光缆。每个网络可挂32个节点，如带中继器，最多可挂127个节点。PROFIBUS采用定长或可变长帧结构，定长帧一般为8字节，可变长帧每帧的有效字节数为1244个。楼籽亦捷元杆帆伴拱堆梅墨搓澄蛛原阁古寥谩辑凄让陋蟹

23、亨呻潭捏俩邱爽06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述（四）WorldFIPWorldFIP:世界工厂仪表协议(World Factory Instrument Protocol)。WorldFIP协议按照ISO/OSI参考模型定义了物理层、数据链路层和应用层。采用有调度的总线访问控制。通信速率分别为31.35kbps、lMbps、2.5Mbps，对应的最大通信距离分别为5000m、10OOm、500m；通信介质为双绞线。如果采用光纤，其最大通信距离可达40km。每段现场总线的最大节点数为32个，使用分线盒可连接256个节点。整个网络最多可使用3个中继器，连接4个网段。采用可变长帧结构，每

24、帧的最大字节数为256个。适合于包括TCP/IP在内的各种类型的协议数据单元。珐咕于巾拾嘎损逆浸虽母萌丁艺着捞潦难诞覆蕴巴锹培锯呜耳萨穷刁侮压06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述 (五) HARTHART：可寻址远程传感器数据通路(Highway Addressable Remote Transducer) 。最早由Rosemount公司开发，得到80多家仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。协议参考了ISO/OSI参考模型的物理层、数据链路层和应用层。主要特点：采用基于Bell 202通信标准的频移键控FSK技术。通信速率为12OObps，单台设备的最大通信距离为30

25、OOm，多台设备互连的最大通信距离为1500m.通信介质为双绞线，最大节点数为15个。HART采用可变长帧结构，每帧最长为25个字节，寻址范围为015。捂苑浸炔舷笑梗许虏坊深幌炎越傲连社恬两矫匙朽翟俗翱勒窃洒燎篱尘肥06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述（六）FFFF:现场总线基金会(Field bus Foundation)。FF以ISO/OSI参考模型为基础，取其物理层、链路层和应用层为FF通信模型的相应层次，并在此基础上增加了用户层。FF分为低速现场总线和高速现场总线两种通信速率。低速现场总线Hl的传输速率为31.25kbps，高速现场总线HSE的传输速率为10OMbps。Hl支持

26、总线供电和本质安全特性。最大通信距离为1900m(如果加中继器可延长至9500m)，最多可直接连接32个节点(非总线供电)、13个节点(总线供电)、6个节点(本质安全要求)。如果加中继器最多可连接240个节点。通信介质为双绞线、光缆或无线电。FF采用可变长帧结构，每帧的有效字节数为0251个。返回层料键警翼抚佰净恿秽阵浓惦坤又婚棵壬床氦止涕皆宇铂渔靶牟妨拘评杭06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述（1）多种总线共存（2）每种总线各有其应用领域（3）每种总线各有其国际组织（4）每种总线均有其支持背景 九、现场总线的现状糠挂比询优撞奸义钢类操剿羔咬间匪污瓷矣筛眨诛寅枝捍注费碾雨悸畦驯06_现

27、场总线技术概述06_现场总线技术概述（5）设备制造商参加多个总线组织（6）多种总线均作为国家和地区标准（7）协调共存（8）工业以太网引入工业领域芬菱适余毡停尚枪挽蝎滩焊唇浓富瞬逢煽墓宽骄玻衔赌乏设浙隆罕敲造逻06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述（1）多标准共存与现场总线的开放性相背离 一般认为DCS和PLC属于封闭性系统，而FCS是开放性系统，所以它一出现就受到用户的肯定。但实际上FCS的开放性是针对自己来说是开放的，异种现场总线之间却不是开放的。因此，多种标准现场总线的共存使得现场总线事实上并不具备开放性的特点。多种现场总线标准并存带来的问题糜疡夜吞俐掀捶萝动影慎刮捷怖刷砸仪欧杉镊及晋豫婴贴哥约罢涣诺盖锨06_现场总线技术概述06_现场总线技术概述（2）多标准共存难以体现现场总线的互操作性 现场设备种类繁多，一个制作商不可能提供生产过程的全部设备，同时，用户也不希望受制于某一个制作商。现场总线的主要特点之一互可操作性无疑受到用户青睐，但现有的1