现场总线技术及其应用

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1、第十章 现场总线技术及其应用杨根科杨根科 上海交通大学自动化系上海交通大学自动化系 20072007年年3 3月月内容提要n概述n现场总线的原理和发展概况n几种典型的现场总线n典型控制网络体系结构n小结1 概述n现场总线是近年来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，所以现场总线既是通信网络，又是自控网络概述（续）n现场总线控制系统（Fieldbus Control System, 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

2、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）nFCS对DCS的变革概述（续） FCS的信号传输实现了全数字化 FCS的系统结构是全分散式，它废弃了DCS的输入 输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之 FCS的现场设备具有互操作性 FCS的通信网络为开放式互连网络，既可同层网络 互连，也可与不同层网络互连，用户可极方便地共享 网络数据库 FCS的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用 概述（续）n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（Controller Area

3、Network）网络为基础的现场总线 数字信号串行线 最简单的数据总线，不提供应用层和用户层 2 现场总线的原理和发展概况n现场总线的实质 现场总线的定义 ISA SP50（美国仪表协会标准）中对现场总线的定 义 现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了过程控 制领域的基本控制设备（即场地级设备）之间以及与更高层次自动控 制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系 国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向 传输、多分支结构的通信网络现场总线的原理和发展概况 (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

4、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发展概况 () 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发展概况 () 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部分：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

5、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发展概况 ()n现场总线的结构 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发展概况 () 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

6、：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932V的直流供电电压上现场总线的原理和发展概况 () 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：主战给一站一个机会来应答一次信息 申请令牌：一个站在每回答响应中允许立即发给令牌现场总线的原理和发展概况 () 应用层 提供设备之间及网络要求的数据服务，对现场过程 控制进行支持，

7、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和现场总线报文规 范FMS组成：FAS有3种功能：对象字典服务（读、写及修改对象描述 ）、变量访问服务（通过子索引访问每个对象中数组或记录变 量）、时间服务（发布事件及报警的通知）FMS有3种服务：出版广播数据，用户侦听广播并将其放 入内部缓冲区；客户端发出请求，服务器发出应答；报告分发 （源设备广播事件报告，接收设备侦听广播并将其放入内部队列）现场总线的原理和发展概况 () 用户层 规定标准的功能块供用户组态成系统 有10个基本功能块如AI、AO、DI、DO、 PID等，19个附加的算术功能块现场总线的原理和发展概况 ()n现场总线的发

8、展概况 现场总线是综合自动化的发展需要 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础 现场总线将朝着开放系统、统一标准的方向 发展现场总线的原理和发展概况 ()n现场总线的特点和优点 技术特点 系统的开放性 互操作性和互用性 系统结构的高度分散性 对现场环境的适应性 一对N结构 可控状态 互换性 综合功能 统一组态现场总线的原理和发展概况 () 优点 节省硬件数量与投资 节省安装费用 节省维护开销 用户具有高度的系统集成主动权几种典型的现场总线 1 ControlNetn控制层现场总线ControlNet 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： 在同

9、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 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1 ControlNet (2) ControlNet是基于生产者/消费者模式的网络，它允许在同一链路上有多个控制器并存，支持输入数据或端到端信息的多路发送 ControlNet非常适用于

10、一些控制关系有复杂关联、要求控制信息同步、协调实时控制、数据传输速度要求较高的应用场合 ControlNet是开放的现场总线，由独立性国际组织”控制网国际”（ControlNet International）负责管理， ControlNet International旨在维护和发行ControlNet技术规范，管理成员单位的共同的市场推广工作，同时提供各个厂商产品之间的一致性和互操作性测试服务，保证ControlNet的开放性1 ControlNet (2)ControlNet 技术指标 网络规模 : 在无重复器情况下最多 48 个节点。 网络长度 : 1000m ( 同轴电缆 ) 5Mb/s

11、 ； 1000m 2 个节点， 250 m 48 个节点； 3000m ( 光纤 ) 5Mb/s ； 5000m ( 同轴电缆 ) 5Mb/s 有重复器；超过 30Km ( 光纤 ) 有重复器 通讯速率 : 可调 总线拓扑 : 线性，树型、星型、或三种混合 寻址模式 : 对等、多主和主从；轮询、循环或状态改变 系统特性 : 带电插拔设备，确定性，可重复性，本安选择，充分节点 ID 检测，报文组帧 1 ControlNet () ControlNet协议规范1 ControlNet () 物理层与介质 物理层和介质部分的规范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

12、：物理介质附属子层PMA（ Physical Medium Attachment）和物理层信号子层PLS（ Physical Layer Signalling）。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1 ControlNet () 数据链路层（Data Link Layer） 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（Network Update Time） 基础上的。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

13、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2100ms 网络的存取控制通过同时间域多点存取（Concurrent Time Domain Multiple Access）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机 会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1 ControlNet () 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 类似于电话线路，这样一条逻辑上的通信连接可能跨越了

14、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1 ControlNet () 数据管理层 这部分协议定义了数据类型规范的文法、数据类型取 值范围以及不同数据类型适用的操作 对象模型 对象的建模代表了网络设备的可见的行为，这部分协 议的内容包括：对象建模和术语、对象编址、对象模型、 对象规范格式和规则、对象规范扩展方法、新对象创建规 范等1 ControlNet () 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。

15、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 1 ControlNet () 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分明确， 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 多次才能实现，而且由于数据到达不同网络节点的时

16、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 1 ControlNet (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安全 安装和维护的简单性 网络上节点居于对等地位，可以从任