工业网络技术 课件 01 现场总线的产生与发展

现场总线的产生与发展一、现场总线的概念二、现场总线的产生背景三、现场总线的发展五、现场总线的各种标准四、现场总线的特点及未来趋势一、现场总线的概念在工业4.0时代，各种通信技术的蓬勃发展为企业实现智能化和自动化带来了诸多可能。尤其是在工业互联网的技术架构中，需要通过车间现场各类通信方式接入不同设备、系统和产品，采集并上传海量数据。目前，在工业自动化控制领域，车间现场应用最广泛的技术是工业以太网技术和工业现场总线技术。现场总线(Fieldbus)是近年来在工业领域中迅速发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。现场总线具有简单、可靠、经济实用等显著优点。一、现场总线的概念现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。现场总线是自动化领域中的底层数据通信网络，连接最底层的现场控制器和现场智能仪表设备，以及自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。现场总线以数字通信替代了传统42omA模拟信号及普通开关量信号的传输，并遵循ISO/OSI参考模型的全部或部分通信协议。OSI(OpenSystemInterconnect,开放系统互联）参考模型是ISO（国际标准化组织）和CCITT（国际电报电话咨询委员会）联合制定的网络体系结构模型，为开放式互联信息系统提供了—种功能结构的框架，从低到高分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。一、现场总线的概念可以通过以下两点理解现场总线：第—，根据工厂自动化信息网络分层结构（工厂管理级、车间监控级、现场设备级），可知现场总线位千生产控制和网络机构底层，是工厂底层设备之间的通信网络。工厂底层应用现场总线技术的好处在于可以实现工厂信息纵向集成的透明通信，即从管理层到自动化底层的数据存取。第二，如图1所示的现场总线控制系统结构基千ISO/OSI7层参考模型搭建，根据应用需求，该结构可以简化。需要指出的是，在实际应用中，该模型只是一个参考模型，不同种类的现场总线协议栈有较大的区别，通常会对该模型进行简化，以获得更低的通信延迟和更快的速度，从而更有利千实现现场总线的实时特性。二、现场总线的产生背景现场总线大致出现在20世纪80年代末到90年代初，当时，随着生产规模的日益扩大，工厂的设备有了互联的需求（此阶段的互联需求主要定位千远程的1/0数据传输，以及生产线内部不同设备的数据交换）。企业希望通过综合掌握多点的运行参数与信息，进而实现多点信息的操作控制。但受制于当时的技术水平，每个厂商的产品都自成体系，不同厂商的设备之间不能实现互联互通，想实现更大范围信息共享的网络系统还存在很多困难。图1现场总线控制系统结构二、现场总线的产生背景随着相关技术的不断发展，并结合各种应用场景的实际需求，涌现出了许多具有代表性的现场总线技术，如基金会现场恁线(FoundationFieldbus,FF)、LonWorks现场总线、HART现场总线、CAN现场总线、DeviceNet现场急线、PROFIBUS现场总线、lnterbus现场总线、WorldFIP现场总线、CC-Link现场总线等。这些现场总线各具特点并拥有各自特定的应用范围。由于现场急线种类繁多，通信协议也干差万别，因此至今现场总线的标准也未能统—，最终形成各种现场总线内容相对独立的IEC61158标准。三、现场总线的发展现场总线是一种用于工业自动化系统的通信网络技术，它允许现场设备（如传感器、执行器和控制器）之间进行数据交换和通信。以下列出现场总线发展历史中的一些关键里程碑：1.20世纪80年代：最早的现场急线概念开始出现。2.20世纪90年代：现场总线技术得到了广泛的应用和发展。一些重要的现场总线标准（如FF和DeviceNet)开始出现。3.21世纪00年代：宽带技术的快速发展为现场总线的进一步发展奠定了基础。工业网络处理标准（如Ethernet/IP和PROFINET)的出现将工业网络带入自动化领域。4.21世纪10年代至今：现场总线技术不断演进和发展。工业网络的应用越来越广泛，实时网络标准（如EtherCAT和POWERLINK)也得到了推广和采用。随着时间的推移，现场恁线技术不断改进，提供了更高的数据传输速度＼更强的可靠性和更灵活的配置选项。它已成为工业自动化系统中的重要组成部分，为设备之间的通信和数据交换提供了可靠的解决方案。四、现场总线的特点及未来趋势1.多种标准共存：现场总线有多种不同的标准，如PROFIBUS、Modbus、FF、DeviceNet等。这些标准大多都有其特定的优势和适用范围，可以根据应用需求选择适合的标准。2.标准化：随着现场总线技术的普及，标准化的需求逐渐增加。国际电工委员会(IEC)等标准化组织开始制定现场总线安全标准，如IEC61158和IEC61784系列。3.可靠性和功能增强：现场总线系统通常具有高可靠性，以确保在故障清况下仍能保持系统的稳定运行。总线设计可以提供备用通信路径，以防止单点故障导致整个系统故障。同时，现场总线系统增加了更多安全协议功能，如支持更高的数据传输速率、更复杂的控制算法、更强大的诊断和监测功能等。四、现场总线的特点及未来趋势4.开放性和互操作性：现场总线的开放性和互操作性是关键因素。许多现场总线标准都是开放的，通过标准化接口和协议，不同厂商的设备可以更容易地进行集成和交互。这种开放性使得用户可以选择最适合其需求的设备和解决方案。5.网络拓扑：现场总线网络拓扑结构—直在不断变化。最初的现场急线网格拓扑是基千主从结构的，后来发展催生了更灵活的分布式控制系统(DCS)和控制器局域网络(CAN)等。6.接地化：随着接地技术的成熟和广泛应用，现场总线也开始向以太网方向发展。Ethernet/IP和PROFINET等协议成为现场总线领域的重要趋势，提供更高的带宽和更广泛的应用支持。总体来说，现场总线在工业自动化中扮演着重要的角色。现场总线技术在过去几十年中取得了显著的发展，为设备之间的通信和控制提供了可靠的解决方案。随着技术的不断发展，现场总线系统将不断演进和改进，以满足不断变化的工业需求。五、现场总线的各种标准常见的现场总线标准有以下几个：1.PROFIBUS：这是一种广泛应用千工业自动化领域的现场急线标准。2.Modbus:这是一种通用的串行通信协议，用于连接现场设备和监控系统，广泛应用于工业控制和自动化领域。3.DeviceNet:这是一种基于CAN总线的现场总线标准，用千连接和控制工业设备，主要应用千机械和