【2017年整理】01现场总线概述

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1、网络与总线技术主讲教师: 吴 晔办公室：科技楼3楼Tel:2901631-601Email:几点说明：1 课程安排： 每周2次。2 选课原因： 现场总线技术是目前自动化领域的发展最快的一门新技术；加深对相关课程的理解,拓展知识面。3 听课要求： 掌握网络技术、通信原理、计算机控制等相关基本知识；了解现场总线技术是一些新技术集成与应用的拓展；主动听课，不要为自己的懒惰寻找理由；具有一本教材或参考书。4 预备知识： 基于计算机网络、通信原理、微型计算机原理及其应用、计算机控制系统基本知识。5 授课内容： 系统、全面的介绍网络与总线的基本知识，现场总线的技术特点、应用系统（主要讨论CAN、FF、Lo

2、nWorks、PROFIBUS等的特点、规范、通信控制芯片、接口电路设计），对课程内容进行了必要的删减、增加和补充。6 选用教材： 现场总线技术及其应用，阳宪惠，清华大学出版社，20087 参考书： 现场总线控制网络技术，雷霖，电子工业出版社，2004 从神经元芯片到控制网络，凌志浩，北京航空航天大学出版社，2002 现场总线控制，周明，中国电力出版社，2002 现场总线及工业控制网络技术，陈在平，电子工业出版社，2008参考书： 现场总线控制技术，姚锡禄，高等教育出版社，2006 CAN总线原理和应用系统设计，邬宽明，北京航空航天大学出版社，1996 现场总线控制系统应用实例，韩兵，于飞，化

3、学工业出版社，2006 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，2003对主要参考源的建议： 有关书籍 比较慢，但理论相对成熟一些 有关会议论文集 快，新思想与新方法多，但较为粗糙 有关期刊、报纸 期刊论文要慢一些，相对成熟 报纸快,但不易保存 有关自动化类、IT类、综合及相关行业类的书报杂志，以及相关网站主要参考源 常见的国内自动化类杂志 理论性较强的杂志：自动化学报、控制理论与应用、系统工程理论与实践、仪器仪表学报、模式识别与人工智能、电子学报等 介于理论与应用之间的杂志：信息与控制、控制与决策、自动化仪表、工业自动化及仪表等 技术性或应用性文章较多一点的杂志：

4、化工自动化及仪表、冶金自动化、工业控制计算机等等第一章 现场总线概述1.1 现场总线简介1.2 现场总线是低层控制网络Infranet1.3 现场总线的特点和优点1.4 现场总线的分类与应用领域1.5 控制网络与信息网络的集成技术（企业综合自动化）1.1 现场总线简介 技术发展结果： 随着技术的迅速发展和应用，特别是计算机信息技术，现场总线控制系统已成为自动化领域发展的必然趋势。 工业控制需要： 以现场总线（FieldBus）为基础的全数字控制系统适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向和需要。 全球经济化： 现场总线是全球自动化领域的热点技术，被誉为自动化领域的计算机局域网（In

5、franet），现场总线的研究与应用使自动控制系统的结构和功能发生了巨大变化。 主要介绍具有 代表性 的几种现场总线及其基本原理与应用。1.1.1 现场总线的定义 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（多变量）数字通信的技术。 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/设备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 现场总线是计算机网络、通信、控制和转换等技术的综合和集成，进而实现从最高决策层到最低设备层的综合管理和控制，组成完全开放式控制

6、系统。即 现场总线是以单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用串行总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。现场总线 现场总线属于 控制网络范畴。 采用计算机、控制和网络技术，将各个控制节点智能化，使其具有计算处理和通信等能力。如智能节点技术：测量仪表、传感器、数控马达等采用嵌入式专用微处理或单片机器件。 目的：制定控制网络的通信控制协议规范（控制网络硬件技术和软件开发应用的规范），包括控制层规范（应用层）；通信层规范（物理层，数据链路层）。现场总线 现场总线的节点是现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、执行器和编程器等，不是传统的单功能现场仪表，

7、而是具有综合功能的智能仪表。vALLE N-BRADLEY7 8 94 5 61 2 3. 0 -1.1.2 现场总线的产生和发展过程控制系统的结构变迁： 基地式气动仪表 气动、电动系列的单元组合式仪表 集中式控制系统 集散控制系统 DCS、PLC 网络化现场控制系统 FCS现场总线的产生和发展过程工业控制体系的发展过程： 第一代工业控制体系：50年代前，气动控制系统PCS（Pneumatic Control System），基于513psi的气动信号标准。 第二代工业控制体系：50年代-70年代，模拟式控制系统ACS（Analog Control System），基于010mA或420mA的

8、电流模拟信号。 第三代工业控制体系：70年代开始， “集中控制 ”的中央控制计算机系统CCS（Computer Control System），或DDC（直接数字控制系统）。 第四代工业控制体系：70年代末-80年代开始，分布式控制系统DCS（Distributed Control System）。 第五代工业控制体系：90年代开始，现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）FCS与 DCS： 现场总线将单个分散的现场设备变成网络节点，相互之间连接成可以互通信息、共同完成测量控制任务的网络控制系统。 每个节点实际上是一个智能设备，能够独立完成从控制、检测，到运算、

9、显示、报警等多种任务。 FCS的应用已促使自动化仪表、DCS、可编程控制器（PLC）等自动化领域产品的 体系结构、功能结构（自动化系统） 产生了重大变革，导致工业自动化产品又一次更新换代。网络集成式控制系统1999 User Training 2 1999 Fieldbus Foundation减少了接线与安装传统的 4-20 mA仪表接线方式 ,对每一设备，均需配置一个本安栅，一对接线4-20 mAISISISIS多台设备可以共用一个本安栅，一对接线ISFieldbus1.1.3 现场总线产生的必然性 随着各种复杂的机电一体化设备如汽车，机械加工设备，半导体生产设备和医疗仪器等不断发展，需要

10、有一种智能化程度更高，容错性和可靠性更强的设计。为了达到这一目的，各种子系统就必须通过网络连接起来以达到信息共享，减少布线，降低成本和提高总体可靠性的目的，现场总线已在上述应用领域中被广泛应用和接受。 智能仪表为现场总线的发展奠定了基础。原有的420mA模拟直流回路，只能在一根两芯电缆中单向传输一个参数。使420mA这种信号标准已成为当前控制系统发展的主要瓶颈。为了充分发挥智能仪表能处理多个信息和复杂计算的优越性，应用需求呼唤着具有通信功能、传输信号全数字化的仪表与系统的出现，这正是现场总线的特点所在。现场总线产生的必然性信息技术成为生产制造过程的重要因素。要求信息采集、传输、加工和处理基础上

11、，优化资源配置，高效决策管理等，提高企业的应变能力和竞争能力。现场总线系统是实现生产过程信息集成，实施企业综合自动化的重要基础。现场总线系统适用了信息时代自动化系统的智能化、网络化、综合化的发展需求。现场总线 现场总线控制系统（FCS ）是自动化领域的低层控制网络I nfranet （ Infrastructure Network），它不同于通用的信息（管理）网络，其技术要求和特点有着显著区别。 经济的全球化使竞争日益加剧，要求产品技术含量高，更新换代速度加快。 企业要求提高产品上市时间，改善产品质量，降低产品成本，完善产品服务，这种永无止境的改进和提高的过程，需要系统的概念，达到信息集成，统

12、一组织市场、生产、管理和服务全过程（企业网络）， 低层控制网络（Infranet）是必不可少的。生产现场的网络系统H1控制器和 H1卡高速以太网HSE链接设备H1H1H1H1生产现场的网络系统Multi-ControllersAOPIDAIPIDAOAI传统控制系统的一对一连接生产现场的网络系统网络化连接现场设备n现场设备2现场设备1PLCNetwork-based control system控制器 被控过程执行器测量变送给定值 被控参数控制器 1执行器 1 测量变送 1测量变送 n执行器 m生产过程现场总线网络1.2 现场总线是低层控制网络 Infranet Infranet（Infras

13、tructure Network），使工厂底层网络系统的底层现场设备之间以及生产现场与外界能够实现信息交换，满足企业综合自动化的发展需要。 现场总线是一个开放系统，具有统一标准，能够构成真正的开放互连系统。 现场总线主要完成测量控制任务，多为短帧信息传输，数据传输的 实时性强 ，能够在恶劣环境下保证数据传送的完整性和 可靠性 ，传输速率通常在几十Kbps到数Mbps（属于低带宽网络）。Infranet（ Infrastructure Network） 现场总线技术在控制领域的发展速度、普及程度可以和Internet相媲美。 现场总线传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传输

14、速率低，但实时性高， 现场总线是一种实时控制网络。 局域网用于连接区域内的多台计算机，网络上传输的是大批量的数字信息，如文本、语音、图像等，数据信息量大，要求传输速率高，但不要求实时性， 局域网是一种高速信息网络。 实时性： 一般地过程控制系统的响应时间要求为0.010.5S，制造自动化系统的响应时间是0.52S，IT网络的响应时间为26S。 通讯介质丰富：双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等，实现成本低。局域网需要专用电缆，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。 恶劣环境：现场总线能够工作在粉尘、高温、潮湿、振动、酸（碱）腐蚀环境，特别是在电磁和无线电干扰等恶劣工业环境，它也具备长时间、连续、可靠

15、、完整地传送数据的能力，能够抗工业电网的浪涌、失波、跌落和尖峰干扰等。在可燃或易爆场合，可以使用具有本质安全性能的现场总线。基于现场总线的数据通信系统： 基于现场总线的数据通信系统：发送设备、接受设备、传输介质、传输报文、通信协议等组成。 传输介质：现场总线；传输报文：温度测量值（数据、状态、指令等）；通信协议：数据传输规则，往往是由软件实现的。 现场总线是数据传输的纽带（软、硬件结合体）。现场总线技术产生的意义： 现场总线技术导致自动化系统的深刻变革。使传统的自动控制系统产生革命性变革，变革传统的信号标准、通信标准和系统标准， 变革现有自动控制系统的 体系结构、设计方法、安装调试方法和产品结构。 现场总线技术形成了以控制网络技术为基础的企业信息系统。信息技术已渗透到生产现场的设备层，覆盖从生产车间到企业管理、经营各方面（原料供应、生产制造、调度管理、资源规划、市场销售等）。 现场总线控制网络与Internet的结合，进一步拓展了其应用范围。1.3 现场总线的特点和优点现场总线系统的技术特点： 系统的开放性。相关标准的公开、一致性，通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统具备互可操作性与互用性。不同生产厂家性能类似的设备可实现互换性。互可操作性： 实现互联设备间的信息传输互用性： 不同厂家性能类