现场总线技术概述

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1、工业现场总线与控制网络第1章 现场总线技术概述现场总线技术简介 现场总线与控制网络现场总线与控制网络 控制网络与计算机网络控制网络与计算机网络 数据通信数据通信 网络网络化控制控制 全分布式全分布式控制系统控制系统 控制系统对控制网络的要求控制系统对控制网络的要求 控制网络在企业网络系统中的地位与作用控制网络在企业网络系统中的地位与作用 控制网络与上层网络的连接方式控制网络与上层网络的连接方式主要内容现场总线技术简介 现场总线技术是近年来在自控领域发展形成的新技术现场总线技术是近年来在自控领域发展形成的新技术 是计算机网络、通信技术与自控技术结合的产物是计算机网络、通信技术与自控技术结合的产物

2、 它适应了企业信息集成、管理控制一体化的发展需求它适应了企业信息集成、管理控制一体化的发展需求 是是ITIT技术在自控领域延伸的产物（自控领域的技术在自控领域延伸的产物（自控领域的ITIT技术）技术） 现场总线系统是现场总线系统是 工业工业数据通信系统数据通信系统； 生产现场的生产现场的网络系统网络系统； 网络集成式网络集成式控制系统控制系统。 本课程讲述本课程讲述 数据通信与控制网络的基础知识数据通信与控制网络的基础知识 多种总线的技术特点、通信与网络规范、通信控制器、通多种总线的技术特点、通信与网络规范、通信控制器、通 信接口信接口 控制网络的设计与应用等控制网络的设计与应用等现场总线技术

3、是工业数据通信与控制网络领域的技术综称 现场总线原本指生产现场各控制设备之间的通现场总线原本指生产现场各控制设备之间的通 信传输线信传输线 在技术发展初期现场总线其被定义为在技术发展初期现场总线其被定义为 应用于应用于生产现场生产现场，在现场控制设备之间、现场控制，在现场控制设备之间、现场控制 设备与监控装置之间实行双向、串行、多节点设备与监控装置之间实行双向、串行、多节点数字数字 通信通信的技术的技术 随着网络化控制系统的技术发展，现场总线成随着网络化控制系统的技术发展，现场总线成 为工业数据通信与控制网络技术的代名词为工业数据通信与控制网络技术的代名词 工业数据通信在各功能单元之间、在测量

4、、控制设备之间、控在各功能单元之间、在测量、控制设备之间、控 制设备与与监控计算机之间传递数据信息制设备与与监控计算机之间传递数据信息 多个工业控制设备之间二进制数据的交换过程多个工业控制设备之间二进制数据的交换过程 区别于电话、电报通信，也有别于计算机通信区别于电话、电报通信，也有别于计算机通信 工业数据通信的内容工业数据通信的内容 生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置 开关状态、报警状态开关状态、报警状态 设备的资源信息与维护信息、零点量程调校信息设备的资源信息与维护信息、零点量程调校信息 系统组态、参数修改信息等系统组态、参数修

5、改信息等 控制网络 由多个分散在生产现场、由多个分散在生产现场、 具有数字通信能力的测量具有数字通信能力的测量 控制仪表作为网络节点而控制仪表作为网络节点而 形成的网络形成的网络 以现场总线作为通信连接纽以现场总线作为通信连接纽 带的带的网络系统网络系统与与控制系统控制系统 完成测量控制任务完成测量控制任务 控制网络是一类控制网络是一类特殊网络特殊网络 广泛应用于广泛应用于离散、连续制离散、连续制 造业，交通、楼宇、家电造业，交通、楼宇、家电 、以至农、林、牧、渔等、以至农、林、牧、渔等 各行各业。各行各业。示例 网络结构 一对导线上挂接多个传感器、执行器、开关、按钮，控制一对导线上挂接多个传

6、感器、执行器、开关、按钮，控制 设备，总线是现场设备之间数字信号的传输介质，是数字设备，总线是现场设备之间数字信号的传输介质，是数字 信息的公共传输通道信息的公共传输通道 按网络连接方式构建数据通道，形成数据通信网络，实现按网络连接方式构建数据通道，形成数据通信网络，实现 数字信号的串行传输，数字信号的串行传输， 传统测量控制系统在设备间一对一连线，点到点布线传送模拟信号传统测量控制系统在设备间一对一连线，点到点布线传送模拟信号 网络规模网络规模。 三、两个数据节点的简单系统三、两个数据节点的简单系统 成千上万台设备的复杂网络成千上万台设备的复杂网络 一个汽车组装生产线可能有多达一个汽车组装生

7、产线可能有多达2525万个万个I/OI/O点点 石油炼制过程的一个普通装置也会有上千台测量控制设石油炼制过程的一个普通装置也会有上千台测量控制设 备备 控制网络与计算机网络的区别 网络节点网络节点 计算机网络：计算机、工作站、打印机、显示终端计算机网络：计算机、工作站、打印机、显示终端 控制网络：除了以上设备之外，还有控制网络：除了以上设备之外，还有PLCPLC、数字调节器、数字调节器、 开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内嵌有开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内嵌有CPUCPU、单、单 片机或其它专用芯片的设备，或功能简单的非智能设备片机或其它专用芯片的设备，或功能简单的非智能设备 工作

8、环境工作环境 计算机网络：办公室计算机网络：办公室 控制网络：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、控制网络：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、 震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供电的需求震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供电的需求 任务任务 计算机网络：传输文件、图象、话音等计算机网络：传输文件、图象、话音等 通常情况下有人参与通常情况下有人参与 控制网络：传输工业数据（图象），承担自动控制网络：传输工业数据（图象），承担自动 测控任务测控任务 通常情况下要求自动完成通常情况下要求自动完成 特点特点 实时性实时性 可靠性的要求高可靠性的要求高 数据帧包含的字节数少数据帧包含的字

9、节数少生产现场的网络系统网络化连接 传统控制系统的一对一连接 网络化连接 网络化控制系统 Network-based control system全分布式网络化控制系统网络化控制系统的特点 结构上形成设备的网络式连接结构上形成设备的网络式连接 节省大量线缆、槽架、连接件；节省大量线缆、槽架、连接件； 连线设计与接头校对的工作量也大大减少连线设计与接头校对的工作量也大大减少 增加现场控制设备无需增设新的电缆增加现场控制设备无需增设新的电缆 实现了工业数据的网络式远程传输与集中管理，扩大了操作扩大了操作 人员的视野，人员的视野，为远程监视与操作提供了基础条件 无人值守机站 将控制功能模块置入现场设

10、备，实现了全分布式控制系统 支持总线供电 为自动化系统与其它信息系统的沟通，为实现企业的管理控 制一体化创造了条件网络集成式控制系统扩大了操作视野传统 4-20 mA 只能看到 I/O 子系统现场总线 视野可以扩展到现场仪表控制器控制系统网络现场总线远程输入/输出 子系统控制器控制系统网络控制系统网络化连接引发的问题 网络成为控制系统不可缺少的组成部分 网络是控制系统各组成部件之间信息传递通道 网络通信存在不确定性 数据包的传输延迟 通信系统的瞬时错误造成的数据包丢失 发送与到达次序的不一致 网络通信的不确定性会使控制系统的性能受到负面影响 通信传输迟延有可能为控制系统增添迟延环节 不确定性使

11、得控制系统的分析和综合变得更加复杂 网络应满足控制系统对通信实时性、确定性的相关要求 成为现场总线系统在设计和运行中应关注的重要问题 控制系统对网络的要求 开放性、互可操作性、通信的实时性、对环境的适应性开放性、互可操作性、通信的实时性、对环境的适应性开放性：通信协议公开，能与任一遵守相同标准的其它厂商设备开放性：通信协议公开，能与任一遵守相同标准的其它厂商设备 互连为系统互连为系统 互可操作性：互可操作性： 互连设备间的信息传送与沟通；互连设备间的信息传送与沟通； 互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换 通信的实时性：具有严格的时序和定时

12、要求通信的实时性：具有严格的时序和定时要求 达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的 动作时序，甚至会造成灾难性的后果。动作时序，甚至会造成灾难性的后果。 环境适应性环境适应性 在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下能正常工作，能抗震动、抗电磁在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下能正常工作，能抗震动、抗电磁 干扰、在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力支持总线供电等干扰、在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力支持总线供电等 传感器总线、设备总线和现场总线 传感器总线属于位传感器总线属于位(Bit)(Bit)级总线，其通信帧的长度只有几个数级总线

13、，其通信帧的长度只有几个数 据位或十几位据位或十几位 如如ASIASI（Actuator Sensor InterfaceActuator Sensor Interface）总线）总线 设备总线属于字节设备总线属于字节(Byte)(Byte)级总线，其通信帧的长度一般为几级总线，其通信帧的长度一般为几 个到几十个字节个到几十个字节 如如CANCAN（Control Area NetworkControl Area Network）总线）总线 现场总线则属于块现场总线则属于块(Block)(Block)级的总线级的总线, ,其通信帧的长度可达到其通信帧的长度可达到 几百个字节，当要传输的数据块再

14、长时，可支持分包传送。几百个字节，当要传输的数据块再长时，可支持分包传送。 如如Foundation FieldbusFoundation Fieldbus、ControlnetControlnet、ProfibusProfibus 传感器总线、设备总线可统称为现场总线传感器总线、设备总线可统称为现场总线 早期的现场总线技术SenseplexSenseplex 最初用于德国科隆福特汽车公司机器人的焊接臂上。最初用于德国科隆福特汽车公司机器人的焊接臂上。 工作环境靠近电磁场工作环境靠近电磁场, ,抗噪声、抗噪声、抗电磁干扰抗电磁干扰方面的能方面的能 力很强，在上述恶劣环境中的工作状态良好力很强，

15、在上述恶劣环境中的工作状态良好 SenseplexSenseplex系统采用主从结构；系统采用主从结构； 连接采用连接采用7575欧姆同轴电缆；欧姆同轴电缆； 使用使用FSKFSK频移键控调制信号；频移键控调制信号； 采用总线拓扑，支持总线供电和本质安全采用总线拓扑，支持总线供电和本质安全; ; 节点总数为节点总数为32/64/12032/64/120个个 每个节点的数据输入、输出位均为每个节点的数据输入、输出位均为8 8位。位。 主节点与最远从节点之间的距离为主节点与最远从节点之间的距离为200200米，使用中继米，使用中继 器可使该距离增加至器可使该距离增加至400400米。米。 传输速度为传输速度为187K187KP-Net 用于动物饲养系统，奶制品厂，啤酒厂，农业环境 控制等 可以形成网络结构较为复杂的系统 EIA-485标准，屏蔽双铰线 传输速率为76.8Kbps 最大传输距离为1200m 每段最多可以连接125个设备。 每帧数据为56位当数据