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1、现场总线技术及其应用,第1讲徐若锋,2,联系方式,邮箱： 手机：13645201158 办公室：教4-509A,3,参考书,教材 李正军，现场总线及其应用技术，机械工业出版社，2005 顾洪军，工业企业网与现场总线技术及其应用，人民邮电出版社，2002 夏德海，现场总线技术，中国电力出版社，2003,4,第1章 绪论,1.1 现场总线的概念 1.2 现场总线的产生及发展 1.3 现场总线的特点 1.4 工业控制网络体系 1.5 本书的基本结构,5,1.1现场总线的概念,总线传送信息的公共通路 串行总线 并行总线 现场总线根据国际电工委员会IEC61158标准定义，现场总线是指安装在生产过程区域
2、的现场设备和仪表与控制室内的自动控制装置和系统之间数字式、串行、多点、双向通信的数据总线。 现场总线控制系统基于现场总线的控制系统,6,7,1.1.1现场总线是低带宽的计算机局域网,局域网(Local Area NetworkLAN) 地理范围有限 通信速率高，误码率低 可采用多种通信介质 多采用分布式控制和广播式通信，可靠性较高 远程网,广域网（Wide Area NetworkWAN ） 地理范围广，通信线路长 采用分布式不规则形网络拓扑结构，低层协议比较复杂 现场总线是低带宽的计算机局域网 通讯距离有限 信息传输的实时性强，可靠性高，且多为短帧传送 传输速率一般在几kbit/s至10Mb
3、it/s之间,8,1.1.2现场总线是一种数字通信协议,物理层,数据链路层,应用层,现场总线协议,9,对现场总线的通讯协议的要求,通讯介质的多样性 实时性 信息的完整性、精确性 可靠性 可互操作性 数字特征,10,1.1.3现场总线是开放式、数字化、多点通信的底层控制网络,11,1.2现场总线的产生及发展,举例:一个一般过程控制系统,控制器1,执行器,流量,流量变送器,液位,控制器2,液位变送器,12,1.2.1现场总线的产生,现场总线控制,集散控制,集中控制,13,与现场总线相关的术语,集散控制系统Distributed Control System DCS 现场总线控制系统Fieldbus
4、 Control System FCS 人机界面Human Machine Interface HMI 可编程逻辑控制器Programmable Logic Controller PLC,14,现场总线技术的内容,制定出国际现场总线通讯和技术标准 自动化厂商按照标准生产各种自动化产品,包括控制器、传感器、 执行机构、 驱动装置及控制软件 实际应用中,使用一根通讯电缆,将所有设备连接到控制器，形成设备及车间级的数字化通讯网络,15,现场总线适用的场合,现场设备与主控制器之间的通讯距离长 现场被控设备高度分散 系统对底层设备有信息集成要求 系统对底层设备有较高的远程诊断、故障报警及参数化要求 对现
5、场环境适应性要求高,16,1.2.2几种流行的现场总线,基金会现场总线(Foundation Fieldbus,FF) 1994年,由ISP和WorldFIP两大集团合并成立现场总线基金会.拥有120多个成员:AB,ABB,Honeywell等 采用OSI/ISO物理层,数据链路层和应用层,增加了用户层 有低速(H1,31.25kb/s,200m，400m，1200m，1900m)与高速(H2,1Mbps, 2.5Mpbs,750m,500m)之分,H2逐渐被HSE(100Mb/s,甚至更高)取代 支持双绞线、同轴电缆、光缆和无线发射等传输介质 应用领域以过程自动化为主,比如化工,石油,污水处
6、理,17,1.2.2几种流行的现场总线,过程现场总线(Process field bus,Profibus) 西门子为首的13家公司 共有3种版本 Profibus-DP（Decentralised Peripherals） Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification） Profibus-PA（Process Automation） 采用ISO/OSI的物理层、数据链路层和应用层 传输速率为9.6kbps-12Mbps,传输距离为100m-1.2km 采用总线型、树型、 星型 支持双绞线和光纤 制造自动化和过程控制自动化,电力,铁路交通,18,1.2
7、.2几种流行的现场总线,局部操作网络(Local Operating Network,LON) 由美国Echelon(埃施朗)公司推出,摩托罗拉、东芝支持倡导.组成LonMARK互操作协会 采用OSI模型全部7层通讯协议 通讯速率从300b/s到1.5Mb/s,通讯距离可达2700m 采用总线型、树型 支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线、电力线、无线发射等传输介质 LonTalk协议固化在Neuron芯片中.每片芯片带3个8位微处理器 最大的应用领域在楼宇自动化,在工业控制领域如石油,铁路也有应用,19,1.2.2几种流行的现场总线,控制器局域网络(Controller Area Networ
8、k,CAN) 由德国 Bosch 开发,起初专为汽车工业设计. 遵循ISO/OSI模型,采用了物理层和数据链路层,应用层协议允许用户自行开发. 采用短帧结构,最可靠 可采用双绞线、同轴电缆、光缆等传输介质 通讯速率最高1Mb/s,最远通讯距离可达10km 成为ISO国际标准. 芯片由摩托罗拉,Intel等公司生产,价格低廉,用量最大,20,1.2.2几种流行的现场总线,设备网(DeviceNet) 由Rockwell推出,交由ODVA管理后得到全球众多制造商的支持,如Omron, Hitachi, ABB 采用物理层,数据链路层和应用层 可选数据传输速率125Kbps,250Kbps,500K
9、bps 对等（peer to peer)，多主和主从通信方式 可带电更换网络节点，在线修改网络配置 基于CAN的技术,低成本,高可靠性,21,1.2.2几种流行的现场总线,控制网(ControlNet) 由美国Rockwell Automation推出,交由CI管理后在全世界范围内拥有包括Rockwell Automation、ABB、Honeywell等70家著名厂商组成的成员单位. 通讯速率5Mb/s,通讯距离30km 采用物理层,数据链路层和应用层 支持总线型,树型和星型 应用于交通运输,汽车制造,冶金,矿山,电力,食品等领域,22,1.2.2几种流行的现场总线,P-Net (Proce
10、ss automation Net) 1984年由丹麦Process data A/s公司提出, 由Process-Data Silkeborg Aps 开发。 采用OSI/的物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层 采用屏蔽双绞线,数据传输速率为76.8kbps,传输距离1.2km 多主控制器,主从式总线,每段最多可容纳32个主控制器 应用主要集中农业,水产,饲养,林业,食品等行业,23,1.2.2几种流行的现场总线,WorldFIP(World Factory Instrumentation Protocol) WorldFIP基于FIP协议，其最初由法国于80年代开发，并成为法国国家标
11、准和欧洲标准,有WorldFIP协会组织 采用ISO/OSI模型的物理层、数据链路层、应用层 具有单一的总线结构,可适应不同应用领域的需求 不同应用领域采用不同的总线速率,过程控制采用31.25kpbs,制造业为1Mbps,驱动控制为1-5Mbps 主要应用在过程自动化,制造自动化,电力,铁路运输,24,1.2.2几种流行的现场总线,Interbus (International Bus) 1984年由德国Phoenix Contact公司开发,后成立Interbus组织(Interbus Club) 采用OSI/ISO物理层,数据链路层和应用层 集中式主从方案，环型拓扑，传输速率为500Kb
12、ps InterBus适用于分散输入输出、串行总线的PLC和PC系统 Interbus是一种传感器级的现场总线，令牌网，经济性是它的一大特点。 Interbus的应用主要在汽车制造,机械制造,水处理,隧道交通,食品,轻工,烟草,印刷等行业.,25,1.2.2几种流行的现场总线,AS-i (Actuator Sensor Interface ) AS-i由德国11家传感器/执行器制造商针对机床控制中的二进制开/关设备联合开发,成立ASI国际协会. AS-i系纯粹的主从系统，支持最多31个从节点，每个节点带4位数据，整个网络共有124个可寻址输入/输出。采用黄色的非屏蔽、非绞的双线传输数据和电源。
13、 AS-i可通过具网关功能的主设备（PLC或PC）连接至高一级总线系统，特别适用于作为小型PLC的通讯总线。,26,1.2.2几种流行的现场总线,SDS (Smart Device System ) SDS专为I/O级控制应用设计，以扩展到更高一级总线，由Honeywell Micro Switch Division开发 SDS标准定义了应用层、物理层和设备规约。连接简单I/O设备至PLC或PC，以垂询方式工作时特别有效。同时可以运行在对等模式下，以提供分散控制。 规定的4种传输速率为125K、250K、500K和1M，网络中可容纳至多64个节点。 基于CAN的技术,数据传送方式与Device
14、Net类似,27,1.2.3现场总线的国际标准,IEC的现场总线标准 用于工业控制系统的IEC61158标准 用于低压开关设备与控制设备、控制器与电气设备接口的IEC62026标准 ISO的现场总线标准 用于道路车辆数字信息交换的现场总线标准ISO11898,28,IEC61158采用以下8种现场总线：类型1：IEC61158技术报告 (即低速FF H1)类型2：ControlNet (美国Rockwell Automation)类型3：PROFIBUS (德国Siemens)类型4：P-Net (丹麦Process Data)类型5：FF HSE (高速FF,美国Fisher- Rosemo
15、unt)类型6：Swift Net (美国Boeing)类型7：World FIP (法国Alstom)类型8：Interbus (德国Phoenix Contact)注：IEC现场总线标准的8种类型都是平等的，并要求类型28对类型1提供接口，但不要求类型28之间提供接口。,IEC61158标准,29,IEC61158标准,Type1 TS61158 现场总线 Type2 ControlNet 和 EtherNet/IP现场总线 Type3 Profibus现场总线 Type4 P-NET现场总线 Type5 FF HSE现场总线 Type6 Swift-Net 现场总线 Type7 WorldFIP现场总线 Type8 INTERBUS现场总线 Type9 FF H1现场总线 Type10 Profinet现场总线,30,IEC62026标准,IEC62026 - (IEC17B Committee),2000年1月IEC62026 1 一般要求IEC62026 2 AS-i ( Siemens)IEC62026 3 DeviceNet (Rockwell, Omron)IEC62026 4 Lontalk,现已取消IEC62026 5 SDS (Honeywell)IEC62026 6 SMCB IEC62026 7 Interbus, 转入IEC61158*,
