第1章 现场总线技术概述

1、问题：1。为什么要学习现场总线这门课程？为什么要学习？目的2。通过这门课程你能学到什么？你学到了什么？内容3。如何学习这门课程？如何学习？方法，为什么要学？背景现场总线是自动化技术发展领域的热点之一，被称为自动化领域的计算机局域网。现场总线给自动化领域带来了变革，就像计算机网络给单台计算机带来变革一样。它的出现将对这一领域的技术发展产生重要影响。现场总线技术随着微电子技术、计算机网络技术、通信技术和控制技术的发展而发展，这一技术的发展给自动化系统带来了深刻的变化。因此，信息技术迅速渗透到生产现场的设备层，涵盖从生产车间到企业管理和运营的各个方面，沟通从原材料供应、制造到生产调度、资源规划乃至营

2、销的各个环节，逐步形成一个基于控制网络的企业信息系统。现场总线在离散制造、过程工业、交通运输、建筑、国防、环保、农业、林业、畜牧业等行业的自动化系统中具有广阔的应用前景。掌握现场总线的概念。掌握通信和网络的基本知识。学会阅读和理解现场总线协议/规范，能够设计通用设备的现场总线通信接口。掌握典型现场总线系统的基本应用技术，为现场总线系统设计和现场总线分析打下一定基础。目的，学什么？内容、现场总线概念、组成、特点和优势现场总线通信和网络基础知识国际标准现场总线和其他主流现场总线协议/规范现场总线节点设计和现场总线系统应用技术基础，如何学习？方法：理论与实践相结合，讲座与自学相结合。课程特点：知识点

3、多，交叉性强。课堂：基础、重点和难点。自学：扩展知识和联系其他特定的现场总线。第一章：现场总线技术概述，1.1现场总线概念，1.2现场总线系统组成和体系结构，1.3现场总线技术特点和优势，1.4现场总线应用领域，1.5现场总线标准，1.6现场总线发展历史和发展趋势，1.1现场总线后来被定义为一种应用于生产领域，实现测控设备之间双向串行多节点数字通信的技术。随着技术内容的不断发展和更新，现场总线已经成为控制网络技术的代名词。1.1现场总线的概念，在国际电工委员会制定的国际标准IEC61158中，现场总线的定义是：安装在制造或过程区域的现场设备和控制室中的自动控制设备之间的数字、串行和多点通信数据

4、总线称为现场总线。1.1现场总线的概念，第二版(Ed2.0)工业控制系统的IEC61158-2现场总线标准第2部分：物理规范和服务器定义进一步指出，现场总线是一种工业控制和测量设备，如传感器、执行器和本地控制器之间的数字、串行和多点通信数据总线。1.1现场总线的概念，理解和解释现场总线的概念有几种不同的表达方式。现场总线通常指用于连接现场设备的网络，例如传感器、致动器和现场控制器，例如可编程逻辑控制器、调节器和驱动控制器。1.1现场总线概念现场总线概念的不同表达现场总线是一种用于生产现场，实现计算机测控设备之间双向串行多节点数字通信的系统，也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络；1.1现

5、场总线的概念现场总线的不同表达现场总线概念现场总线是一种串行数字数据通信链路，用于通信生产过程领域的基本控制设备(现场设备)和更高级自动控制领域的自动控制设备(车间设备)之间的连接；1.1现场总线的概念现场总线概念的不同表达现场总线是连接控制系统中现场设备的双向数字通信网络；现场总线是连接控制室和现场设备的双向全数字通信总线。1.1现场总线的概念现场总线概念的不同表达现场总线是一种现场数字通信网络，用于过程自动化和制造自动化(底层)中现场设备或现场仪表的互联，是现场通信网络和控制系统的集成；1.1现场总线的概念现场总线概念的不同表达在自动化领域，“现场总线”一词是指由安装在现场的计算机、控制器

6、和生产设备组成的网络；现场总线是一种应用于生产领域的新技术，它实现了测控设备之间的工业数据通信，形成了一个开放的测控网络。它是自动化领域的计算机局域网，是一个网络综合测控系统。1.1现场总线的概念一般而言，现场总线应被视为用于现场测量和/或控制的系统、网络或网络系统。现场总线控制系统现场总线系统现场总线网络系统现场总线网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络

7、控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络控制系统网络连接到通信线路的设备称为总线设备，也称为总线设备、节点(主节点、从节点)和站(主站、从站)。1.2.1现场总线系统的组成，软件包括：系统平台软件：为系统建设和运行以及系统应用软件编程提供环境、条件或工具的基础软件。包括配置工具软件、配置通信软件、监控配置软件和设备编程软件。系统应用软件：

8、为实现系统和设备的各种功能而编写的软件，包括系统用户程序软件、设备接口通信软件和设备功能软件。1.2.1现场总线系统的组成，软件包括：组态工具软件，为计算机进行设备组态和网络组态提供平台，并根据现场总线协议规范与组态通信软件交换信息，如RSNetWorxforDeviceNet、控制网和以太网/IP。配置通信软件是计算机用来与总线设备通信、读取总线设备参数或将总线设备配置和网络配置信息传输到总线设备(如RSLinx)的软件。1.2.1现场总线系统的组成，软件包括：监控组态软件，运行在监控计算机(通常称为上位机)上，具有实时显示现场设备运行状态参数和故障报警信息、记录数据、分析趋势图和打印报表等

9、功能。监控组态软件使用户通过简单生动的组态工作实现系统的监控功能。监控组态软件也称为上位机监控组态软件，如RSView32。1.2.1现场总线系统的组成，软件包括：为系统应用软件提供编程环境的平台软件。当设备是控制器/可编程逻辑控制器时，设备编程软件是控制器编程软件，例如RSLogix500(用于SLC500系列和ML系列控制器的基于窗口的32位梯形图逻辑编程软件)和RSLogix5000(用于罗技平台中包括的各种控制器(例如控制器xTM)的编程软件)。1.2.1现场总线系统的组成，软件包括：系统用户程序软件根据系统的工艺流程或功能及其他要求编写的系统级用户应用程序。该程序通常在作为主站的控制

10、器或计算机中运行。设备接口通信软件是根据现场总线协议/规范编写的软件，用于总线设备之间通过总线电缆的通信。设备功能软件是使总线设备实现其自身功能的软件(现场总线通信除外)。1.2.1现场总线系统的组成，1.2.2现场总线控制系统的体系结构，离散/模拟输入/输出设备，指示灯：状态指示，光电传感器：检测开关，操作员界面：输入操作命令，阀门和交流驱动器：执行器，输出设备，变送器(传感器):输入设备人机界面：输入/输出设备参数，命令和显示，1.2.2现场总线控制系统的体系结构，智能速度控制器：执行器，条形码识别器：输入设备，控制，网关，上位机：监控，连接三层网络，远程访问路由设备1.2.2现场总线控制

11、系统架构，图4FFHSE网络架构(架构)，链路设备：核心桥、网关时间释放链路调度器、31.25kbps、100Mbps、主机系统、以太网交换机、高速以太网、配置、监控、现场信息控制信息、1.2.2现场总线控制系统执行器系统(输出设备)； 控制器；监控和监视计算机；网桥网关/中继器/集线器/交换机/路由器(网络互连设备)；其他现场总线设备。在现场总线控制系统中，总线设备主要分为六类：(1.3)现场总线的技术特点和优势，这是3C技术发展的结合点，即通信、计算机和控制技术。现场总线是过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术的交汇点。现场总线是信息技术和网络技术在控制领域发展的体现。现场总线是信息

12、技术和网络技术发展的产物。1.3现场总线的技术特点和优势是自动化技术发展的热点之一，它将给传统的工业自动化带来革命，开创工业自动化的新时代。现场总线控制系统将逐步取代传统的独立控制系统、集中采集控制系统和分布式控制系统(DCS)，成为本世纪自动控制系统的主流。与传统系统如集散控制系统相比，现场总线(系统)具有以下特点：现场总线将通信线路(总线电缆)延伸到工业领域(制造或过程领域)，或者总线电缆直接安装在工业领域；现场总线完全适用于工业现场环境，因为它是为此目的而设计的。1.3.1现场总线的技术特性和数字通信网络的特性2数字信号用于现场底部变送器的传感器、执行器和控制器之间的信号传输；数字信号用

13、于中上层控制器、监控计算机和其他设备之间的数据传输。数字信号用于各级设备之间的信息交换。传统的集散控制系统通信网络是在操作站和控制站之间，现场仪表和控制站的输入输出单元之间采用一对一的模拟信号传输。1.3.1现场总线的技术特征和开放互连网络的特征3现场总线标准和协议规范是开放的，所有制造商必须遵守；现场总线网络是开放的，它可以实现同层网络或不同层网络的互连，而不管制造商是谁。用户可以共享网络资源。1.3.1现场总线的技术特征和现场设备互连网络的特征4 N现场设备通过一条通信线路直接互连，从而构成现场设备的互连网络。1.3.1现场总线的技术特征，具有高度分散结构和功能的系统特征5现场总线的系统结

14、构是高度分散的；现场总线的系统功能高度分散，现场设备由分散的功能模块组成。现场总线抛弃了集散控制系统控制站及其输入/输出单元，从根本上改变了集散控制系统的集中式和分散式分散控制系统。通过将控制功能高度分散到现场设备，实现了完全分散控制。1.3.1现场总线网络的技术特点、互操作性和互换性特点6互操作性：不同厂家的现场设备可以互连，可以相互交换信息，可以统一配置；互换性：不同制造商生产的性能相似的现场设备可以相互替换。现场总线中现场设备的互操作性和互换性是集散控制系统所不具备的。现场总线的优点现场总线的特点，如现场适应性、数字化、开放性、分散性、设备互连性、互操作性和互换性，决定并衍生出一系列的优

15、点：减少了大量的电线和连接附件。优点1一条总线电缆直接连接N个现场设备，电缆消耗大大减少(原来分散控制系统的数百甚至数千条信号和控制电缆减少为一条总线电缆)；端子、槽盒、桥架、接线板等连接附件大大减少。现场总线的优点，大大减少了仪表和输入输出转换器(卡)的数量。优点2:通过使用人机界面、具有显示功能的现场设备或监控计算机代替显示仪表，大大减少了仪表的数量；输入输出转换器(卡)的数量大大减少。分散控制系统中使用的(420)毫安线路只能获得一个测量参数，并且直接与控制站中的输入输出单元一一连接，因此有许多输入输出单元。在现场总线系统中，现场设备可以测量多个参数，并以所需数字信号的形式通过总线电缆传

16、输这些参数，因此不需要单独的输入/输出转换器(卡)。现场总线的优点设计、安装和调试的成本大大降低。优点3:在现场总线中，复杂的集散控制系统的原理图设计变得简单可行；大大减少了安装和校对的工作量；根据需要，系统可以分为几个部分分别进行调试，使得调试工作灵活方便；强大的故障诊断功能使调试变得轻松愉快。现场总线的优势，显著降低维护成本优势4系统的高可靠性大大降低了系统故障的概率；强大的故障诊断功能使故障的早期检测、定位和排除变得快速有效，系统正常运行时间更长，维护停机时间大大减少。现场总线的优势和提高系统可靠性的优势5系统结构和功能的高度分散决定了系统的高可靠性；现场总线协议规范对通信可靠性(通信介

17、质、消息检查、消息纠错、重复地址检测等)有严格的规定。)以确保通信的高可靠性。现场总线的优势及系统测控精度的提高6现场总线中，各种开关量和模拟量都在附近转换成数字信号，所有总线设备都使用数字信号进行通信，避免了信号衰减和变形，减少了传输误差。换句话说，现场总线采用数字信号通信的数字特性，从根本上提高了系统的测控精度。现场总线的优点该系统具有出色的远程监控功能优点7它可以远程监控现场设备的各种运行状态现场总线的优点该系统具有强大的(远程)故障诊断功能优点8可以诊断和显示各种故障，如总线设备和连接器的开路和短路故障、通信故障和电源故障；各种状态和故障信息可以传输到控制室的监控计算机，大大减少了用户和维护人员不必要的现场检查。当现场总线安装在恶劣环境中时，这一点尤其重要。1.3.2现场总线的优势、方便自由的设备配置、网