《现场总线技术》课件

杨根科上海交通大学自动化系2005年9月内容提要概述现场总线的原理和开展概况几种典型的现场总线典型控制网络体系结构小结概述现场总线是近年来迅速开展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题，所以现场总线既是通信网络，又是自控网络概述〔续〕现场总线控制系统〔FieldbusControlSystem,FCS〕是由现场总线和现场设备组成的控制系统，这是继电式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS后的新一代控制系统概述〔续〕FCS对DCS的变革

概述〔续〕概述〔续〕现场总线的分类◆全功能数字网络—提供从物理层到用户层的所有功能，标准化工作比较完善◆传感器网络—以CAN〔ControllerAreaNetwork〕网络为根底的现场总线◆数字信号串行线—最简单的数据总线，不提供给用层和用户层现场总线的原理和开展概况现场总线的原理和开展概况(2)

★现场总线的本质含义—现场通信网络—现场设备互联—互操作性—分散功能块—通信线供电—开放式互联网络现场总线的原理和开展概况()◆现场总线的协议—现场总线一般采用国际标准组织ISO的开放系统互联〔OSI〕协议，OSI协议是为计算机联网而制定的7层参考模型，只要网络中所有要处理的要素都是通过共同的路径进行通信的，那么不管它是不是计算机网络都可以使用该协议—各厂家在实际制定自己的通信协议时，往往依据侧重点的不同，仅实现该7层协议的子集现场总线的原理和开展概况()◆现场总线系统组成—从物理结构来看，现场总线系统有两个主要组成局部：现场设备和传输介质，其中现场设备由现场微处理芯片及外围电路构成，传输介质可以使用双绞线、同轴电缆、光纤等—现场总线的拓扑结构有很多种，如总线型、环型、树型、星型等现场总线的原理和开展概况()现场总线的结构

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现场总线网络结构是按照OSI参考模型建立的，OSI参考模型共分7层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表达层和应用层，现场总线将上述7层简化为3层，分别由OSI参考模式的第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层组成，并增加了用户层现场总线的原理和开展概况()◆物理层－传输介质：铜导线、无线电和电缆 －传输速率和距离：31.25Kbps,1900m〔加中继延长) －网络拓扑：总线型、树型、点对点型—网络设备数量：一个通信段可连接32台设备，使用中断器可接240台设备 －支持总线供电：总线上既传送数字信号，又要为现场设备提供电源能量。数字信号以31.25Hz的频率调制到9－32V的直流供电电压上

现场总线的原理和开展概况()◆数据链路层★规定了物理层与应用层之间的接口，并控制对传输介质的访问 ★现场总线网络存取控制方式有3种： －令牌传送：一个站必须持有令牌，才能开始一次对话，完成信息传送后即将令牌交还链路活动调度器LAS，LAS根据预先的组态或调度算法将令牌送交给下一个令牌申请者—立即响应：主战给一站一个时机来应答一次信息—申请令牌：一个站在每答复响应中允许立即发给令牌

现场总线的原理和开展概况()◆应用层★提供设备之间及网络要求的数据效劳，对现场过程控制进行支持，为用户提供一个简单的接口 ★应用层由现场总线访问子层FAS和现场总线报文标准FMS组成： －FAS有3种功能：对象字典效劳〔读、写及修改对象描述〕、变量访问效劳〔通过子索引访问每个对象中数组或记录变量〕、时间效劳〔发布事件及报警的通知〕 －FMS有3种效劳：出版播送数据，用户侦听播送并将其放入内部缓冲区；客户端发出请求，效劳器发出应答；报告分发〔源设备播送事件报告，接收设备侦听播送并将其放入内部队列〕 现场总线的原理和开展概况()现场总线的原理和开展概况()现场总线的开展概况◆现场总线是综合自动化的开展需要◆智能仪表为现场总线的出现奠定了根底◆现场总线将朝着开放系统、统一标准的方向开展现场总线的原理和开展概况()现场总线的原理和开展概况()几种典型的现场总线–1ControlNet控制层现场总线ControlNet

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ControlNet是近年来推出的一种新的面向控制层的实时性现场总线网络，它提供如下功能：

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在同一物理介质链路上提供时间关键性I/O数据和报文数据，包括程序的上载/下载，组态数据和端到端的报文传递等通信支持

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对于连续和离散过程控制应用场合，均具有高度确定性和可重复性功能—确定性：预见数据何时能够可靠传输到目标的能力—可重复性：指数据的传输时间不受网络节点添加/删除情况或网络繁忙状况影响而保持恒定的能力★

它作为ControlLogix的通信背板，构成新一代控制器，能同时完成逻辑、过程、拖动和运动控制1ControlNet(2)1ControlNet(2)1ControlNet()◆ControlNet协议标准1ControlNet()★物理层与介质—物理层和介质局部的标准规定了同轴电缆和光缆介质标准与设计的一些参考信息。—物理层包括两个子层：物理介质附属子层PMA〔PhysicalMediumAttachment〕和物理层信号子层PLS〔PhysicalLayerSignalling〕。PMA子层包含了发送和接收总线信号必须的电路，而PLS子层执行位表示和计时器功能，以及与MAC〔向上〕和PMA子层的信息交换1ControlNet()★数据链路层〔DataLinkLayer〕—数据链路层的首要任务是管理介质的存取权。DLL协议是建立在一个固定长度、不断重复的网络刷新时间NUT〔NetworkUpdateTime〕根底上的。NUT以同步方式管理链路上的不同节点，如果网络上的节点的NUT时间与当前链路上的NUT时间不一致，它就不能获得在链路上的数据传输权。不同的链路可能有不同的NUT值，NUT可以在组态过程中确定，取值范围为2～100ms—网络的存取控制通过同时间域多点存取〔ConcurrentTimeDomainMultipleAccess〕的时间滑动算法实现。网络传输时间被分割成不断重复的网络传输时间，通过调节在一个时间段内不同节点传输数据的时机控制整个网络的通信，对于不同的网络节点，通过指定不同的NUT来选择网络传输的节拍1ControlNet()★网络与传输层—网络与传输层的任务是建立和维护连接。连接的概念类似于线路，这样一条逻辑上的通信连接可能跨越了多个不同类型的链路，但对于通信双方而言，这个连接是固定的、一致的。每个连接都被赋予一个连接标识，代表与之相连的通信资源，在通信过程中，只需指出连接的标识符即可，而不必指明其它连接参数

1ControlNet()1ControlNet()

★设备描述

—通过定义每一类型设备的核心标准，可以实现不同厂商相似设备间互操作性和互换性。一般说来，相似设备具有大致相同的行为，产生/消费相同的数据集，包含相似的可组态参数集。相似设备间这些信息的正式定义就称为设备描述—ControlNet协议中已经定义的设备描述包括：条形码扫描器、PLC、位置控制器、秤、信息显示器、交直流驱动、伺服驱动、接触器、电机启动器、软启动器、人机接口、启动阀等

1ControlNet()★生产者/消费者通信模式—传统的源/目的通信模式的优点是通信的内容和形式都十清楚确，在传送的报文中都包含了明确的源和地址信息，但是在这种模式下，当同一数据源上的数据向网络上其它多个节点发送数据时，必须经过屡次才能实现，而且由于数据到达不同网络节点的时间可能因网络上节点数目的不同而变化，不同节点之间的同步变得很困难—生产者/消费者通信允许网络上的不同节点同时存取同一个源的数据，在这种模式下，每个数据被分配一个唯一的标识，根据具体的标识，网络上多个不同的节点可以接收来自同一发送者的数据。数据经过同样的时间传送到不同的节点，可以实现通信的精确同步1ControlNet(结束)◆ControlNet的优点：★同一链路上满足I/O数据、实时互锁、端到端报文传输和编程/组态信息等应用的多样的通信要求★是确定性的、可重复的控制网络，适合离散控制和过程控制★同一链路上允许多个控制器同时并存★输入数据和端到端信息的多路发送支持★可选的介质冗余和本征平安★安装和维护的简单性★网络上节点居于对等地位，可以从任意节点实现网络存取★灵活的拓扑结构〔总线型、树型、星型等〕和介质选择〔同轴电缆、光纤和其它〕几种典型的现场总线–2DeviceNet2DeviceNet()◆DeviceNet不仅可以作为设备级的网络，还可以作为控制级的网络，通过DeviceNet提供的效劳还可以实现以太网上的实时控制。较之其它的一些现场总线，DeviceNet不仅可以接入更多、更复杂的设备，还可以为上层提供更多的信息和效劳◆DeviceNet最初由Rockwell公司设计，目前由ODVA〔OpenDeviceNetVendorsAssociation〕致力于支持DeviceNet产品和标准的进一步开发。此外，Rockwell，GE，ABB，Hitachi，Omron等公司也致力于DeviceNet的推广2DeviceNet()◆

DeviceNet的主要特点：

★采用基于CAN的多主方式工作★逐位仲裁模式的优先级对等通信建立了用于数据传输的生产者/消费者传输模型

★DeviceNet的直接通信距离最远为500m，通信速率最高可达500kb/s

★DeviceNet上可容纳64个节点地址，每个节点支持的I/O数量无限制

★采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低，检错效果好

★通信介质为独立双绞总线，信号与电源承载于同一电缆

★支持设备的热插拔，无需网络断电

★DeviceNet的接入设备可选择光隔离设计，由外部供电设备与由总线供电的设备共享总线电缆2DeviceNet()◆DeviceNet协议标准—沿用了CAN协议标准所规定的总线网络的物理层和数据链路层，定义了不同的报文格式、总线访问仲裁规那么及故障检测和故障隔离的方法2DeviceNet()★物理层和介质—物理层标准定义了DeviceNet的总线拓扑结构以及网络元件，具体包括接地、粗缆和细缆混合结构、网络端接和电源分配—采用的典型拓扑结构是干线－分支结构—线缆包括〔干线〕和细缆〔分支线〕，总线线缆采用五线制电缆，包括了2条信号线，2条24V电源线和一条屏蔽线，支持总线供电—设备连接可选用开放/封装端头两种—提供125/250/500Kbps三种可选的通讯波特率，最大拓扑距离为500米，每个网络段最大可达64个节点2DeviceNet()★数据链路层－遵循CAN协议标准，并由CAN控制器芯片实现－CAN是基于播送方式的协议，支持多主形式传输。传输的帧被分配一个标识符，每个节点根据标识符确定是否接收这些帧－提供数据帧、出错帧、远程帧和过载帧等多种帧格式，数据帧每帧信息都有CRC校验和其它校验措施，数据传输误码率极低，有严重故障的节点可自动从网络上切除－采用非破坏性逐位仲裁的方法解决共享介质总线访问冲突问题。网络上每个节点拥有一个唯一的标识符，这个标识符的值决定了仲裁中优先级的大小，优先级值小的节点在竞争仲裁中为获胜的一方2DeviceNet()

★报文传送—I/O报文：适用于实时性要求较高和面向控制的数据，它提供了在报文发送过程和多个报文接收过程之间的专用通信路径，通常使用优先级高的连接标识符，通过一点或多点连接进行信息交换，连接标识符提供了I/O报文的相关信息，在I/O报文利用连接标识符发送之前，报文的发送和接收设备都必须先进行设定，设定的内容包括源和目的对象的属性，以及数据生产者和消费者的地址—显式的报文：适用于两个设备间多用途的点对点报文传递，常用于节点的配置、问题诊断等，通常使用优先级低的连接标识符，并且该报文的相关信息包含在显式报文数据帧的数据场中2DeviceNet()★数据通信方式—循环〔Cyclic〕方式：适用于一些模拟设备，可以根据设备的信号发生的速度，灵活设定循环进行数据通信的时间间隔—状态改变〔ChangeofState〕方式：适用于离散的设备，采用事件触发方式，当设备状态发生改变时才发生通信—选通〔Strobed〕方式：利用8B的报文播送，64个二进制位的值对应网络上64个可能的节点，通过位的标识，指定要求响应的从设备—查询〔Polled〕方式：I/O报文直接依次发送到各个从设备2DeviceNet()★应用层—DeviceNet使用了对象的概念来描述应用层的协议，对象模型提供了组成和实现DeviceNet产品构成元件的属性、效劳和行为几种典型的现场总线–3ProfibusProfibus现场总线〔ProcessFieldbus〕◆Profibus是德国20世纪90年代制定的国家工业现场总线协议标准，其应用领域包括加工制造、过程和建筑自动化，如今已成为国际化的开放式现场总线标准，即EN50170欧洲标准◆Profibus是一种不依赖于厂家的开放式现场总线标准，采用Profibus标准后，不同厂商所生产的设备不需对其接口进行特别调整就可通信。Profibus为多主从结构，可方便地构成集中式、集散式和分布式控制系统3Profibus()◆针对不同的应用场合，Profibus分为3个系列：★Profibus-DP〔DecentralizedPeriphery〕：用于传感器和执行器级的高速数据传输，传输速率可达12Mb/s，一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环数据传送方式工作3Profibus()3Profibus()★Profibus-FMS〔FieldbusMessageSpecification〕：用于车间级智能主站间通用的通信，它提供了大量的通信效劳，用以完成以中等传输速度进行的循环和非循环的通信任务3Profibus()◆Profibus协议标准：符合OSI参考模型3Profibus()★Profibus-FMS：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息标准〔FieldbusMessageSpecification，FMS〕和低层接口〔LowerLayerInterface，LLI〕 —FMS：向用户提供了可选用的通信效劳 — LLI：协调通信关系，提供第二层访问接口★Profibus-DP：定义了第一、二层和用户接口，用户接口规定了设备可调用的应用功能，并详细说明设备行为★Profibus-PA：PA的数据传输采用扩展的Profibus-DP协议，根据IEC1158-2标准，支持本征平安性和总线供电3Profibus()3Profibus()

★Profibus的数据链路层

－DP、FMS、PA的数据链路层相同－采用主从结构，主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从传送方式几种典型的现场总线–4FF4FF()4FF()◆FF总线的优点：—设备互操作性—改善的过程数据—对进程更多的了解—提高工厂设备平安性能，满足日益严格的控制设备平安要求—提供预测性维护能力—大大减少了网络安装费用几种典型的现场总线—5LonWorksLonWorks现场总线〔LocalOperatingNetworks〕◆LonWorks是1991年美国Echelon公司推出的通用总线，它提供了完整的端到端的控制系统解决方案，可同时应用在装置级、设备级、工厂级等任何一层总线中，并提供实现开放性互操作控制系统所需的所有组件，使控制网络可以方便地与现有的数据网络实现无缝集成5LonWorks()5LonWorks()

★物理层—支持多种传输介质，不同的介质通过路由器实现互联， —支持总线型、环型、树型等拓扑结构5LonWorks()★数据链路层—采用改进的改进的带预测的CSMA/CD算法，减少冲突的出现，提高传输效率—支持优先级★网络层—网络地址采用域〔255个子网〕、子网〔127个节点〕、节点三层结构支持大网—每个神经元芯片有唯一的48位ID地址5LonWorks()★传送层、会话层—四类报文效劳：确认、请求/响应、重复/非确认重复、非确认—支持网络认证★表示层—采用网络变量作表示层数据，简化分布式应用的编程★应用层—用NeuronC语言在神经元芯片中编程5LonWorks()5LonWorks()◆LonWorks的操作系统LNS★采用多客户/多效劳器结构，提供了功能强大的网络管理平台，完成一系列网络管理功能★通过内含的TCP/IP功能，可完成Infranet与Internet、Intranet的无缝集成★LNS的分层结构〔装置级采用LonWorks、系统级采用TCP/IP〕允许数据网络与控制网络相互利用彼此信息5LonWorks()◆LonWorks控制系统的特点★系统具有无中心控制的真正分布式控制节点模式，使控制节点尽量靠近被控设备★开放式系统结构，具有良好的互操作性★系统组态灵活，重新构造或修改配置很任意，增加或减少控制节点不必改变网络的物理结构★控制节点间可通过多种通信媒体连接，组网简单，本钱大大降低★系统整体可靠性高，控制节点故障只影响与其相连的设备，不会造成系统或子系统瘫痪★网络通信协议已固化在控制节点内部，节点编程简单，应用开发周期大大缩短★系统总体本钱降低，升级改造费用低几种典型的现场总线—6CANCAN总线〔ControllerAreaNetwork〕◆CAN是德国Bosch公司从20世纪初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，1993年11月国际标准化组织ISO正式公布了关于CAN总线的ISO11898标准，目前CAN得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域6CAN()◆CAN总线的主要特点★通信介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤，通信距离最远可达10km〔5kb/s〕，最高速率可达1Mb/s〔40m)★用数据块编码方式代替传统的站地址编码方式，用一个11位或29位二进制数组成的标识码来定义211或1129个不同的数据块，让各节点通过滤波的方法分别接收指定标识码的数据★网络上任意一个节点均可以主动向其它节点发送数据，是一种多主总线，可以方便地构成多机备份系统★网络上的节点可以定义成不同的优先级，利用接口电路中线与功能，巧妙地实现无破坏性的基于优先权的仲裁★数据帧中的数据字段长度最多为8B，在每帧中都有CRC校验及其它检错措施★网络上的节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能6CAN()◆CAN总线的网络结构★CAN总线也是建立在ISO参考模型根底上的，不过只采用了其中最关键的两层，即物理层和数据链路层

6CAN()★物理层的主要内容是规定通信介质的机械、电气、功能和规程特性★数据链路层的主要功能是将要发送的数据进行包装，即加上过失校验位、数据链路协议的控制信息、头尾标记等附加信息组成数据帧，从物理信道上发送出去，在接收道数据帧后，再把附加信息去掉，得到通信数据—媒体访问控制子层MAC：传