工业数据通信与控制网络第章现场总线技术概述

工业数据通信与控制网络I’mGladto

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1．《网络化控制系统——现场总线技术》阳宪惠清华大学出版社2．《工业数据通信与控制网络》阳宪惠清华大学出版社3．《现场总线及其应用技术》李正军机械工业出版社4．《现场总线工业控制网络技术》夏继强，刑春香北京航空航天出版社5．《现场总线控制系统的设计和开发》邹益仁，马增良，蒲维国防工业出版社参考书：教材：《现场总线技术及其应用（第2版）》

阳宪惠清华大学出版社(一)理解现场总线的概念、现场总线系统的

特点、基本组成，掌握现场总线系统的

构建方法。(二)理解掌握数据通信基础知识。(三)理解掌握控制网络基础知识。(四)掌握现场总线控制系统的设计原则、思路和方法。教学要求：平时：30％课程设计：70％作业：20％小作业：完成课程相关内容任务出勤、提问：10％课程设计（基于现场总线的XX系统设计）

课堂测试中期检查：第7周初步方案设计答辩PPT，20%最终答辩：第14周答辩（答辩学生评和报告老师评各占一半），50%考核方式：编号匿名目标工业数据通信与控制网络是近年来发展形成的自控领域的网络技术。是计算机网络、通信技术与自控技术结合的产物。

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计算机局域网。它的出现，将对该领域的技术发展产生重要影响。工业数据通信系统；生产现场网络系统；网络集成式控制系统；是IT技术在自控领域的延伸;自控领域的IT技术。本课程讲述数据通信与控制网络的基础知识，多种总线的技术特点、通信与网络规范、通信控制器、通信接口，控制网络的设计与应用等。课程概述：第1章现场总线技术概述

主要内容1.1现场总线简介1.2现场总线系统的特点1.3以现场总线为基础的企业网络系统1.4现场总线技术的标准化1.1现场总线简介控制网络与现场总线控制网络与计算机网络的区别数据通信系统(网络)传感器总线、设备总线和现场总线网络化控制系统早期的现场总线技术全分布式控制系统控制系统对网络的要求现场总线(Fieldbus)用于连接多个现场测量控制设备、在各现场设备之间传递信号的共享传输介质现场总线系统指以测量控制设备作为网络节点，以双绞线、屏蔽电缆、光纤、无线等传输介质为纽带，把位于生产现场、具备了数字计算和数字通信能力的测量控制设备连接组成的开放式网络与控制系统。控制网络与现场总线

控制网络与现场总线

什么是现场总线技术？IEC规范中对现场总线的描述：现场总线是一种应用于生产现场，在现场控制设备之间、现场设备与监控装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。控制网络：由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点而形成的网络以现场总线作为通信连接的纽带完成测量控制任务的网络系统、控制系统图1.1简单控制网络示意图控制网络与现场总线

控制网络与计算机网络的区别网络节点计算机网络：计算机、工作站、打印机、显示终端控制网络：除了以上设备之外，还有PLC、数字调节器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内嵌有CPU、单片机或其它专用芯片的设备，或功能简单的非智能设备

工作环境计算机网络：办公室控制网络：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供电的需求

任务计算机网络：传输文件、图象、话音等。许多情况下有人参与。控制网络：传输工业数据（图象），承担自动测控任务。许多情况下要求自动完成特点实时性可靠性的要求高数据帧包含的字节数少控制网络是一类特殊的网络广泛应用于离散、连续制造业，交通、楼宇、家电、以至农、林、牧、渔等各行各业。控制网络与计算机网络的区别工业数据通信系统工业数据通信在测量、控制设备的各功能单元之间、设备与设备之间、以及这些设备与计算机之间传递数据信息的过程。工业数据通信:多个工业控制设备之间二进制数据的交换过程它区别于电话、电报通信，也有别于计算机通信工业数据通信的内容生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置开关状态、报警状态设备的资源信息与维护信息、零点量程调校信息系统组态、参数修改信息等

工业数据通信的网络结构传统的测量控制系统在设备间一对一的并行连线，即点到点布线传送模拟信号

现场总线系统：一对导线上可挂接多个传感器、执行器、开关、按钮、控制设备等，总线是现场设备之间数字信号的传输介质，成为数字信息的公共传输通道控制网络（现场总线系统）按网络连接方式构建数据通道，实现数字信号的串行传输，形成数据通信网络。工业数据通信网络的规模三、两个数据节点的简单系统成千上万台设备的复杂网络一个汽车组装生产线可能有多达25万个I/O点石油炼制过程的一个普通装置也会有上千台测量控制设备

工业数据通信系统图1.2基于现场总线的数据通信系统示例温度变送器监控计算机温度测量值一组程序现场总线通信设备

发送器（transmitter）数据通信过程中将通信信号发送到传输介质（总线）上的发送电路接收器(receiver)数据通信过程中从传输介质（总线）上接收通信信号的接收电路收发器(transceiver)将接收器、发送器组合在一起，借助公用的电路元件进行发送和接收信号的电子装置现场总线系统中的网络节点一般均作为收发器数据通信设备DCE（DataCommunicationEquipment)将数据转换为对应的通信信号并发送到传输介质上的电路设备，以及把从传输介质上接收到的通信信号转换为数据的电路设备。如调制解调器、电缆驱动器、多路复用输出器数据终端设备DTE(DataTerminalEquipment)产生数据的数据源设备或数据用户设备DTE一般与通信信号的调制、编码无关，也不直接连接在传输介质上。通信设备

现场设备(Fieldbusdevice)泛指连接在现场总线上的通信实体与控制设备既具备某种测量控制功能（DTE），也具有数据通信的能力（DCE）总线主设备(busmaster)有能力掌管总线通信权的设备叫做总线主设备在一条总线段上可连接多个主设备某一时刻，一条总线段上只能有一个主设备执行其主设备的功能总线从设备(busslaver)没有能力对总线主动发起通信，只能接收总线信号、对查询作出相应响应的设备称为总线从设备。从设备也被称之为基本设备通信设备

终端器（terminator）在网段两端连接成对线缆导体的终点，用以防止发生信号反射的电子器件。不同类型现场总线终端器的结构和参数有所区别。有的终端器只是一个电阻，有的终端器是电阻电容组合电路；其阻值应等于连接电缆的特征阻抗。中继器(repeater)将输入端口接收到的通信信号在整形放大后，转发到输出端口下游节点的有源设备。中继器可增加总线的传输距离和挂接现场设备节点的数量通信设备

报文与禽协议报文（mes峰sag杯e）泛指通信过程撒中传送的滋信息，包括葛文本、扇命令、亏参数值宇、图片膛、声音誓等报文属于挨通信系统征中的软件现场总线劫系统中的桃报文信息弓包括原始数据呼、测控参谱数值、操俭作指令等协议(pro怜toco伏l)指一套事危先约定好挂的、共同鸦遵守的规约通信协座议（Com美mun茅ica垦tio涉nP土rot挎oco庸l）规定通缺信报文祸内容、依格式、足次序安雕排、通灭信何时展进行以雕及通信向如何进躲行等内孩容的一兰组规则。参与通信确的各方需焦要根据通赏信协议控制数据通授信过程南，理解通信报啄文中数鸽据的含骗义总线协晨议(Bus算Pro认toco顿l)总线上叙的现场手设备如题何使用除总线的斩一整套规则是一套事尝先规定的寇、必须共盏同遵守这的规约报文与协爽议图1.3现场总遥线数据闪通信系休统示例现场总敬线传感器总龟线、设备美总线和现顿场总线传感器总晶线属于位(Bit矛)级总线，其若通信帧的滚长度只有训几个数据催位或十几驱位如ASI（Actu暑ator彩Sen盲sor下Inte宝rfac工e，执行笋器传感罢器接口叹）总线设备总黎线属于字节(By疯te)级总线，其笋通信帧的惭长度一般洁为几个到残几十个字烧节如CAN（Cont袍rol吧Area挪Net尿work）总线现场总线则属于块(Bl穿ock桥)级的总线,其通信帧的谈长度可达到劳几百个素字节，躲可支持分包丹传送。如Foun痛dati壶onF绩ield掘bus、Cont帖roln牌et、Prof米ibus传感器总厘线、设备鹊总线可统劈燕称为现场遵总线现场总线营网络化控惩制系统图1.4单回路唉控制系收统框图Netw沸ork-容base堡dco杀ntro膀lsy抵stem图1.5控制系使统组成香环节之劣间的网晚络连接网络化连南接传统控葛制系统总的一对一连接奸网北络化连接图1.6网络化犁控制系康统与传坦统控制委系统的腾结构比都较1.1.鱼5早期的现莫场总线技少术早期的现场总锐线（工业饿电话线）致，把传感完器、按钮烘、执行机漏构等测量绸控制部件恐接到某种取类型的控制器上，例如PLC或者是扰工业计请算机。对控制赵器的输入包括按钮少、传感器够、接触器饥的位置状狱态与数值乳，控制器的输出用于驱拼动信号桑灯、接屠触器、宇开关、子调节阀懂门等。第一个骄设备层现场总族线：上世纪70年代，在PLC出现的同存时，Cul谷ter趋-Ha久mme私r推出了搬第一个台设备层驻现场总帐线系统燥。早期(80年代)出现至齿今还在掩应用的奶几种现播场总线Gen氧ius府I/科O在PLC之间、PLC与人机界扇面之间传递固数据信息令牌总线,采用分支裹受限制的瓜总线拓扑挠；网段节点慕数32个；每翅个节点续的输入屑、输出辽均为1024位，传输距纽奉离约100诊0米/传输速率153.辉6K时;225奶0米/传输速虎率38.4脏K时；屏蔽双绞堆线，光缆用；采用FSK（Freq猴uenc坐y-sh胞ift恰keyi英ng）频移范键控调赴制信号Inte得rbus在物理连告接方式属谋于直线总线，数据传毫输属于数据环的方式总线最锦多带有64个节点,每个节点稼的输入、穿输出数据循为16位覆盖距离宋最远可达12.绕5公里典型传输阁速率为500持Kbp传s物理信号沙连接遵循EIA－485标准采用单总帧结收构,数据帧东中有效想位的比绢率高Sen鄙sop星lex最初用哄于德国恳科隆福特汽车公剩司机器是人的焊售接臂上辅。工作夜环境靠尤近电磁吼场,抗噪声、抗电磁液干扰方面的能猛力很强，授在上述恶正劣环境中看的工作状音态良好Sen盒sop煤lex系统采挽用主从结拌构；连接采用75欧姆同轴电堂缆；使用FSK频移键控康调制信号燃；采用总惰线拓扑归，支持爱总线供哈电和本弟质安全;节点总数滚为32/6签4/12格0个每个节粗点的数足据输入会、输出央位均为8位。主节点拒与最远笛从节点孟之间的豪距离为200米，使用中参继器可使笔该距离增额加至400米。传输速穷度为187州KP-Ne跨t用于动物饲躬养系统，奶制患品厂，恒啤酒厂炼，农业命环境控盼制等可以形元成网络芽结构较窑为复杂别的系统EIA玻-48悲5标准，摆屏蔽双例绞线传输速梳率为76.别8Kb相ps最大传很输距离长为1200句m每段最多粒可以连接125个设备。每帧数禾据为56位，当数退据大于56位时将拍自动分罚割成几州个连续执的帧来字传输。P-N泻et采用分段棍结构的多主网络系片统,网络中桌可以连践接多至32个主节鲜点。图1.7持P-韵Net多主网络刮系统早期总线脑技术小结从早期怨总线技利术可以从看出工帽业数据蔬通信与顿控制网叫络的特星点。它在网络启结构、节俭点种类、咱通信帧的话长度、所太处的工作环境、各种什通信技吸术参数垂、需要睡考虑解艇决的问冒题等方撑面，都适具有区惕别于话柏音通信拔、计算筒机通信丧系统的枕显著特芦征。早期总题线技术肠的缺点大多是专有通信网技术，自成系总统，不具备村开放性。不同生薯产厂商的疗产品之间腥不能相互杠通信，通涛信帧一般澡较短开放总线饿的典型范户例CAN有公开统辣一的技术秩规范多个芯片口制造商符：Mot借oro妨la、Inte碌l、Phi蒸lip错s、Hit战ach梦i开放性促毅进了该技择术的发展梁与推广应割用新型控固制系统蛛结构—网络化控减制系统控制系移统的结香构变迁基地式气动仪表拜控制系统电动单元组合式模拟仪表控制系辞统集中式数字控制系冻统集散控制系统DCS网络化现场控奶制系统FCS网络化鼠控制系告统的特刷点结构上舍形成设矿备的网络式缺连接节省大量广线缆、槽架、妥连接件；连线设谷计与接刷头校对的工作量舟也大大减者少增加现尸场控制竞设备无需增擦设新的演电缆实现了工攻业数据的网络式远咏程传输与宗集中管理，扩大了操宋作人员的刻视野，为远程爱监视与操竹作提供了捷基础条件无人值守勿机站将控制桃功能模否块置入觉现场设状备，实沃现了全分布喇式控制系统支持总线供电为自动化加系统与其耻它信息系毕统的沟通路，实现企库业的管理控预制一体扫化创造了条太件网络集成阿式控制系献统扩大了欺操作视赚野传统4-2慌0mA只能看短到I杂/O伍子系统现场总妻线视野可以赛扩展到现裹场仪表控制器控制系统抗网络现场总制线远程输奸入/输仓出子系统控制器控制系统喉网络控制系统渴对网络的右要求开放性棋、互可动操作性房诚、通信趟的实时象性、对念环境的企适应性开放性记：通信协议零公开，能续与任一遵赖守相同标存准的其它京厂商设备挤互连为系宵统互可操作约性：互连设备盒间的信息劈燕传送与沟沙通；互用：薪不同生闪产厂家谜性能类革似的设轨备可实谊现相互幸替换通信的传实时性雀：具有严格的时助序和定时币要求达不到实滔时性要求佣或因时间忌同步等问拿题影响了舍网络节点贪间的动作凑时序，甚帆至会造成筹灾难性的件后果。环境适应样性在高温、灾严寒、粉宗尘等恶劣淘环境下能菠正常工作灿，能抗震牺动、抗电高磁干扰、家在易燃易怜爆环境下洞能保证本饰质安全，压有能力支糖持总线供某电等1.2现场总线披系统的特易点总线式蒜连接－迷－结构特植点开放性互可操针作性通信的确稼定性与实咳时性环境适豪应性数字与智苏能化（现覆场设备的肯智能与功缓能自治性透）技术特爱点控制网挥络在企纱业网络携系统中灯的地位关与作用控制网侍络面临的惜问题控制网姜络与上尤层网络锦的连接惊方式1.3以现场悔总线为独基础的呀企业网骡络系统控制网朋络在企亦业网络谢系统中伞的地位剪与作用企业网络命系统的层纽奉次结构Inte汗rnet煌-Int渠rane逼t-In种fran府et的网络结跟构互联网－扇企业内部都互联网－银底层控制冬网功能层有次企业资源毯规划层ERP（Ent奏erp园ris年eR垄eso损urc据eP敏lan太nin网g）制造执惨行层MES（Manu边fact歼urin锻gEx堵ecut摊ion扛Syst驶em）现场控墓制层FCS（Fiel貌dCo锦ntro铅lSy滚stem）信息类讯型：运林行参数帝的测量蔬值、控乏制量、古阀门的肌工作位尽置、开堆关状态侦、报警酒状态、院设备的拥资源与倒维护信己息、系士统组态奸、参数升修改、眉零点量附程调校查信息等。图1.8以现场佩总线为饭基础的瘦企业网么络系统问示意图企业网棍络系统屡的层次洪结构网络连接月层次刘功能层赏次图1.9企业网络凶系统各功能材层次信息传递告示意图现场控跌制层面磁临的问讯题控制网络吵种类繁多苦，形形色安色的现场盐总线再加举上DCS、PLC、SCA旅DA等网络内恩部的通信一致严性差，个异性强控制网络婚与信息网估络存在较瘦大差异通信协铲议，网络节点类型等有较大差贞异控制网络绩与信息网科络实现信烟息交换有震难度实时性、环境适应挖性方面还面授临许多问葬题需要解喇决控制网络束与上层网让络的连接铃方式采用专用网关完成不同通除信协议柄的转换，把控膜制网段猛或DCS连接到以佩太网上将现场总线税网卡和以毁太网卡都置入既工业PC机的PCI(Pers究onal狼Com售pute抽rIn剂terf尖ace)插槽内，在PC机内完成忍数据交换。实现杜控制网垃段与上黎层网络拉的连接将WEB服务器直接置入PLC或现场咐控制设医备内，浓借助WEB服务器和廊通用浏览驻工具，实德现数据信工息的动态有交互通过网关时连接控制轰网段与上引层网络采用PCI卡连接斥控制网毕段与上云层网络1.4现场总阶线技术姻的标准炎化现场总趁线的百旅花齐放散与兴盛旧发展各种总线色一百多种攻，其中宣摆称为开放型总现线的就有40多种欧洲、北付美、亚洲伐的许多国熟家都投入勿巨额资金置与人力进积行研究开财发形成了各式各样的企业替、国家毛、地区晨、及国偷际现场甜总线标缝准1.4现场总变线技术僚的标准态化现场总损线组织现场总法线基金问会（Fiel笋dbus论Fou算ndat互ion）Lon田Mar哭k协会,Pro蚁fib蒜us协会，工业以太缩慧网协会IEA（Indu眯stri瓦alE彻ther运net杜Asso死ciat洪ion），工业自动址化开放网烧络联盟IAON持A（Indu按stri凶alA芬utom肉atio端nOp士enN活etwo刺rkA皮llia宵nce）美国汽车较工程师协我会-Soc册iet稼yo绞fA住uto众mot驶ive未En妇gin厨eer胆sI皂nc.（SAE）现场总线趁国际标准概化组织及没标准化进跌程IEC/衬TC65负责测量和抖控制系托统数据扁通信国际标固准化工昂作于1984年就开始戏着手总线变标准的制勉定，致力于炉推出世飞界上单性一的现攀场总线鼠标准，于1993年制定贩了IEC6鉴1158膨-2历经波使及全球汪的现场酸总线标升准大战滴，16年的艰难塑历程后，菜于200志0年初宣盗布8种现场风总线共答同构成IEC现场总证线国际强标准子主集IEC细6115凯8；Con允tro威lNe伞t；Prof侧ibus；P-Ne拦t；Hig批hS县pee像dE殊the裹rne饰t；New望com男er原Swi救ftN病et；Worl盼dFIP；Int赔erb码us-次S以后该珍标准又盆增加为10种，13种实时以滑太网在态没有形拉成正式奔标准之穷前已有14个子集IEC/爷17B负责制定低压开衣关装置与控制装吐置用控制设笼备之间的接驶口标