《现场总线及其应用技术》课件

现场总线与控制网络长安大学王会峰2013年9月FieldBusandControlNetwork2023/8/171现场总线与控制网络长安大学FieldBusandCon主要内容现场总线简介、特点与优点数据通信基础与网络互联主要现场总线的介绍现场总线的典型应用现场总线控制系统现场总线与工业以太网的互连技术2023/8/172主要内容现场总线简介、特点与优点2023/8/42参考书目1.李正军.《现场总线及其应用技术》机械工业出版社，20052.阳宪惠.《现场总线技术及其应用》清华大学出版社，19983.甘永梅.《现场总线技术及其应用》机械工业出版社，20004.杨宁.《集散控制系统及现场总线》北航出版社，20015.邬宽明.《现场总线技术应用选编》北航出版社，20012023/8/173参考书目1.李正军.《现场总线及其应用技术》2023/8/参考书目2023/8/174参考书目2023/8/44要求及考试上课认真做笔记认真完成课后作业平时成绩 30％实验成绩60%平时表现及作业40%期末笔试 70％2023/8/175要求及考试上课认真做笔记2023/8/45第一讲现场总线概述2023/8/176第一讲现场总线概述2023/8/461.1现场总线的现状和发展现场总线

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、互联、多变量、多点、多站的通信网络。IEC对现场总线的定义

现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。涉及智能仪表、控制、计算机、数据通信技术2023/8/1771.1现场总线的现状和发展现场总线2023/8/471.1.1现场总线的产生

---控制系统的发展趋势第一代：气动信号控制系统(50年代之前)第二代：电动模拟信号控制系统(50年代至今),4－20mA的模拟量标准信号。第三代：计算机集中控制系统(70年代)第四代：集散式分布控制系统(80年代)2023/8/1781.1.1现场总线的产生

---控第五代：现场总线控制系统(FCS)

突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。

1.1.1现场总线的产生

---控制系统的发展趋势2023/8/179第五代：现场总线控制系统(FCS)1.1.1现场总线的产生传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统

2023/8/1710传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统2023/8/DCS与FCS2023/8/1711DCS与FCS2023/8/411微处理器技术的迅猛发展和广泛应用，使仪表和现场控制设备在性能和功能上有显著的提高；对系统维护管理、测试和监视需求的日益增加；控制领域在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面的要求。1.1.1现场总线的产生---产生背景2023/8/1712微处理器技术的迅猛发展和广泛应用，使仪表和现场控制设备在性能现场通信网络

用于过程及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络现场设备互连

现场设备或仪表指传感器、变送器和执行器等。这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等互操作性

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1.1.2现场总线的本质2023/8/1713现场通信网络1.1.2现场总线的本质2023/8/413分散功能块

FCS废弃了DCS的输入/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，从而构成虚拟控制站 例如：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PID控制和运算功能块。调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输出特性补偿模块，或PID控制和运算模块，甚至阀门特性自检验和自诊断功能。1.1.2现场总线的本质2023/8/1714分散功能块1.1.2现场总线的本质2023/8/414通信线供电

允许现场仪表直接从通信线上获取能量，对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式开放式互连网络

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享1.1.2现场总线的本质2023/8/1715通信线供电1.1.2现场总线的本质2023/8/4151.1.3现场总线的特点和优点

---现场总线的结构特点由于采用智能现场设备，能够把DCS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备中，在现场直接完成采集和控制。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，节约了设备及安装维护费用。2023/8/17161.1.3现场总线的特点和优点

---现场总线的结构2023/8/17172023/8/4171.1.3现场总线的特点和优点

---FCS与DCS的详细对比结构

FCS:一对多：一对传输线接多台仪表，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2023/8/17181.1.3现场总线的特点和优点

---FCS与DCS1.1.3现场总线的特点和优点

---FCS与DCS的详细对比可靠性

FCS: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2023/8/17191.1.3现场总线的特点和优点

---FCS与DCS1.1.3现场总线的特点和优点

---FCS与DCS的详细对比失控状态

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，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”状态2023/8/17201.1.3现场总线的特点和优点

---FCS与DCS1.1.3现场总线的特点和优点

---FCS与DCS的详细对比互换性

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备和仪表，并将不同品牌的仪表互连； DCS:尽管模拟仪表统一了信号标准(4-20mADC)，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2023/8/17211.1.3现场总线的特点和优点

---FCS与DCS1.1.3现场总线的特点和优点

---FCS与DCS的详细对比仪表

FCS:智能仪表，除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外，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、补偿等功能控制

FCS:控制功能分散在各个智能仪表中； DCS:所有控制功能集中在控制站中2023/8/17221.1.3现场总线的特点和优点

---FCS与DCSIFixPrimaryServerIFixSecondaryServerABBOPCServeriFixOPCClientIFixClient1IFixClient2Gateway3NICAC800MAC800MAC800MMISERPABBAC800MiFIX典型ABB的AC800M系统组成2023/8/1723IFixPrimaryServerIFixSecondPlantNetwork/IntranetFirewall

Client/serverNetworkThirdpartyapplicationserverWorkplacesEnterpriseOptimization

SuiteMobile

Operator

ConnectivityServerControlNetwork

RedundantEngineeringWorkplaceApplicationServerAspectServerThirdpartycontrollers,serversetcSerial,OPCorfieldbusFieldBusFieldBusAC800MHIAC800MAC800M2023/8/1724PlantNetwork/IntranetFirew系统的开放性

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互可操作性与互用性现场设备的智能化与功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的适应性1.1.3现场总线的特点和优点

---现场总线的技术特点2023/8/1725系统的开放性1.1.3现场总线的特点和优点

---现节省硬件数量与投资节省安装费用节约维护开销用户具有高度的系统集成主动权提高了系统的准确性与可靠性1.1.3现场总线的特点和优点

---现场总线的优点2023/8/1726节省硬件数量与投资1.1.3现场总线的特点和优点

-1.1.4现场总线标准的制定1984年，IEC开始起草现场总线标准；1993-1998年，制定IEC61158的现场总线物理层规范、链路服务定义及协议规范、应用层服务定义及协议规范1999年，修改IEC61158技术规范，形成8种类型新标准2000年，修改后的IEC61158最终获得通过2023/8/17271.1.4现场总线标准的制定1984年，IEC开始起草现场新标准采用8种类型Type1IEC61158(FF的H1)Type2ControlNet(美国Rockwell公司)Type3PROFIBUS(德国Siemens公司)Type4P-Net(丹麦ProcessData公司)Type5FFHSE(Fisher-Rosemount公司)Type6SwiftBet(美国波音公司)Type7WorldFIP(法国Alstom公司)Type8INTERBUS(德国PhoenixContact公司)2023/8/1728新标准采用8种类型Type1IEC61158(FF的H11.1.5现场总线的现状多种总线共存 世界市场对各种现场总线的需求：过程自动化：15%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP)医药领域：18%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP)加工制造：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet)交通运输：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet)航空，国防：34%(PROFIBUS-FMS,LonWorks,ControlNet,DeviceNet)其它，如楼宇自动化，农业等2023/8/17291.1.5现场总线的现状多种总线共存2023/8/4291.1.5现场总线的现状每种总线各有其应用领域每种总线各有其国际组织每种总线均有其支持背景设备制造商参加多个总线组织多种总线均作为国家和地区的标准协调共存工业以太网引入工业领域2023/8/17301.1.5现场总线的现状每种总线各有其应用领域2023/81.1.6现场总线网络的实现制定标准时参照OSI七层协议标准；大多采用第1层(物理层)、第2层(数据链路层)和第7层(应用层)，并增加第8层用户层。

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、信号传输速率等。 现场总线有两种编码方式：Manchester和NRZ，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。调制方式主要有CPFSK和COFSK。传输介质主要有：有线电缆、光纤和无线介质。2023/8/17311.1.6现场总线网络的实现制定标准时参照OSI七层协议标1.1.6现场总线网络的实现数据链路层

分为两个子层：介质访问控制层(MAC)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；LLC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议。应用层

分为两子层：应用服务层(FMS)，用于为用户提供服务；现场总线存取层(FAS)，用于实现数据链路的连接。2023/8/17321.1.6现场总线网络的实现数据链路层2023/8/4321.1.6现场总线网络的实现用户层 定义了从现场装置中读写信息和向网络中其他装置分派信息的方法，即规定了供用户组态的标准“功能模块”。2023/8/17331.1.6现场总线网络的实现用户层2023/8/4331.1.7现场总线的发展趋势自动化系统和设备将朝着现场总线体系结构方向发展；在未来数年内几大总线标准共存，甚至在一个系统内几种标准的设备通过路由网关互连实现信息共享；我国在这一领域刚刚起步。2023/8/17341.1.7现场总线的发展趋势自动化系统和设备将朝着现场总线1.1.7现场总线的发展趋势具有发展前景的现场总线技术：智能仪表与网络设备开发的软硬件技术；组态技术、包括网络拓扑结构、网络设备、网络互连等；网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输；人机接口、软件技术；现场总线系统集成技术2023/8/17351.1.7现场总线的发展趋势具有发展前景的现场总线技术：21.2.1企业网络信息集成系统的层次结构1.2.2现场总线的作用1.2.3现场总线与上层网络的互联1.2.4现场总线网络集成应考虑的因素1.2企业网络信息集成系统2023/8/17361.2.1企业网络信息集成系统的层次结构1.2企业网络信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；因此一般只包括物理层、数据链路层和应用层；要完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递；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：过程控制层(PCS)、制造执行层(MES)、企业资源规划层(ERP)1.2.1企业网络信息集成系统的层次结构2023/8/1737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、1.2.1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工业局域网企业网Internet过程控制层PCS制造执行层MES企业资源规划层ERP2023/8/17381.2.1企业网络信息集成系统的层次结构现场总线现场总线控工厂中的控制网络系统典型结构简化的CIMS网络体系结构传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统2023/8/1739工厂中的控制网络系统典型结构简化的CIMS网络体系结构20简化的CIMS网络体系结构2023/8/1740简化的CIMS网络体系结构2023/8/440传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统2023/8/1741传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统2023/8/4基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统2023/8/1742基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统2023资源规划层(ERP)以太网段制造执行层(MES)以太网段现场控制层(FCS)Internet控制网络各功能层次的网络类型2023/8/1743资源规划层(ERP)以太网段制造执行层(MES)以太网段现场1.2.1企业网络信息集成系统的层次结构过程控制层

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、A/D转换、数字滤波、温度压力补偿、PID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。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； 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，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。2023/8/17441.2.1企业网络信息集成系统的层次结构过程控制层20231.2.1企业网络信息集成系统的层次结构制造执行层

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，还包括控制组态的设计和下装。 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。2023/8/17451.2.1企业网络信息集成系统的层次结构制造执行层20231.2.1企业网络信息集成系统的层次结构企业资源规划层 在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。 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，对生产过程进行实时的远程监控； 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。2023/8/17461.2.1企业网络信息集成系统的层次结构企业资源规划层201.2.1企业网络信息集成系统的层次结构现场总线与数据局域网的区别用途不同

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、声音和图像等数据信息。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，网络接口尽可能简单，成本尽量降低，数据量一般较小； 数据网络则需要大批量数据传输和处理。2023/8/17471.2.1企业网络信息集成系统的层次结构现场总线与数据局域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2023/8/1748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DCS网段连接到以太网上。第二种方式：将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC机插槽上，在PC机内实现数据交换。第三种方式：将Web服务器直接置入PLC或现场总线设备内，借助Web服务器和通用浏览工具实现数据信息的动态交互。1.2.2现场总线与上层网络的互联2023/8/1749第一种方式：采用专用网关完成不同通信协议的转换，把现场总线网采用专用网关2023/8/1750采用专用网关2023/8/450将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC机插槽上2023/8/1751将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC机插槽上2023/8/控制网络的特点适应工业控制应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好；网络传输的使测控数据及其相关信息，短帧，传输速率低标准支持(国际、国家、地区、企业标准)网络结构

介质、拓扑结构、节点数等网络性能

传输速率、时间同步准确度、访问控制方式等测控系统应用考虑市场及其他因素1.2.4现场总线网络集成应考虑的因素2023/8/1752控制网络的特点1.2.4现场总线网络集成应考虑的因素2021.3现场总线简介基金会现场总线(FF)PROFIBUSLonWorksCANHARTDeviceNet2023/8/17531.3现场总线简介基金会现场总线(FF)2023/8/451.3.1基金会现场总线(FF)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；以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；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；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2023/8/17541.3.1基金会现场总线(FF)前身为以Fisher-Ro1.3.2PROFIBUS德国国家标准和欧洲标准；参考模型也是ISO/OSI模型；由PROFIBUS-DP、-FMS和-PA组成；

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；

PROFIBUS-FMS为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、PLC等一般自动化；

PROFIBUS-PA用于过程自动化。传输速率为9.6Kbps-12Mbps，最大传输距离为9.6Kbps时1200m，1.5Mbps时200m，可用中级器延长至10km，传输介质为双绞线、光缆。2023