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1、第五章 现场总线控制系统,FCS概述 FCS的现场总线 工业以太网技术,1. FCS概述,现场总线：用于过程自动化和制造自动化最低层的现场仪表或现场设备互连的通讯网络。 现场总线标准：通讯协议 控制协议通讯技术 控制技术,现场总线特点,适应工业应用环境， 要求实时性强，可靠性高，安全性好。 多为短帧传送， 通信的传输速率相对较低。,减少了接线与安装,传统的,4,-,20,mA,仪表接线方式,4,-,20,mA,IS,IS,IS,IS,多台设备可以共用一个本安栅，一对接线,IS,Fieldbus,FF机构,现场总线组织 现场总线基金会（Fieldbus Foundation） LonMark协会
2、, Profibus协会， 工业以太网协会IEA（ Industrial Ethernet Association）， 工业自动化开放网络联盟IAONA（ Industrial Automation Open Network Alliance） Society of Automotive Engineers（SAE） 制定现场总线标准的国际标准化组织 IEC ISO,现场总线标准化工作,2000年初宣布，IEC现场总线国际标准子集有八种： IEC 61158； ControlNet； Profibus； P-Net； HSE； Newcomer SwiftNet； WorldFIP； Inte
3、rbus-S,其他标准,最早成为国际标准的是CAN，它属于ISO标准：ISO11898 其它有实力、有发展前景的控制网络技术 工业以太网；LonWorks；Modbus；蓝牙、无线局域网；消费电子总线CEBus；光总线等； （过渡型总线HART）,全分布、网络集成式控制系统,现场总线系统是企业的底层网络,2 FCS的现场总线,FF (Foundation FieldBus) ModBus PROFIBUS (Process Field Bus) LON (Local Operating Network) CAN (Control Area Network) HART (Highway Addr
4、essable Remote Transducer),FF,FF规定了两类标准H1：低速现场总线传输：31.25Kbit/s, 1900mH2：高速现场总线传输：1Mbit/s, 750m2Mbit/s, 500m 传输信号：曼彻斯特编码,ModBus通信协议,Modbus 协议是应用于控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。,ModBus,标准的Modbus口是使用RS-232C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇
5、偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。 控制器通信使用主从技术，即仅主设备能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。,ModBus,主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域。 从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和错误检测域。如果在消息接收过程中发生错误，或从设备
6、不能执行其命令，从设备将建立错误消息并把它作为回应发送出去。,Modbus消息帧,RTU消息帧,ASCII消息帧 LRC是将消息中的8Bit的字节连续累加，丢弃了进位,PROFIBUS,PROFIBUS是作为德国国标和欧洲标准的现场总线。 PROFIBUS协议的三个主要部分 PROFIBUS DP（Distributed I/Os） PROFIBUS PA (Process Automation) PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification） PROFIBUS适用于加工自动化领域的应用。（Siemens）,LonWorks,LON可用于工业、交通、
7、楼宇等领域。 LON总线采用LonTalk通信协议，参照了OSI的全部7层，并用芯片固化了协议的全部内容。 LON总线所采用的一系列技术总称为LonWorks。 埃施朗Echelon开发,LonWorks分布式测控网络介绍,LonWorks技术是美国Echelon公司九十年代中期推出的一种用于自动控制领域的网络技术。其网络节点以神经元芯片（Neuron Chip)为核心，由与OSI七层参考模型兼容的LonWorks协议组成分布式智能控制网络的基础，使用事件驱动方式运行，从而实现了真正的分布式控制。 LonWorks技术具有真正的分布性、开放性、互操作性，适应性。它已经被工业界广泛接受，成为控制
8、网络的实际主流标准之一，使得基于LonWorks平台开发的系统已经使用在各种应用领域的控制系统。,CAN,一个简易的两线差动式串行总线系统，CAN 总线可以在噪声强大的环境下运作，并达到高度的数据完整性，开放式架构以及可由使用者自行定义的传输媒介，使它拥有高度的灵活性。 能够在短距离 (40 米) 进行高速 (1 Mbits/s) 数据传输，以及在高达 10,000 米的距离下进行低速 (5 kbits) 传输，多主控端的 CAN 总线拥有高度的容错能力与超强的检错功能。,CAN应用,CAN 是由德国 Bosch 公司所开发，原本面向汽车电子化市场而设计，直至今日，汽车电子化市场仍是它主要的应
9、用范围，但它也是理想的一般工业用总线。 CAN参照了OSI的物理层和数据链路层，并用ASIC固化了这2层协议。 CAN总线应用层的功能由与其连接的微处理器来实现。,CAN的特点,CAN不采用节点地址编码，而是对报文编码，节点通过报文滤波决定是否与其有关，即接受或发送相应的报文。 CAN采用多主工作方式，节点不分主从。 CAN总线节点报文分成不同的优先级，满足不同的实时需求。 CAN总线采用总线仲裁技术，保证优先级高的节点实时传输报文。,CAN的专用集成电路,通信控制器： Philips SJA1000 （CAN 2.0B），Intel82526（2.0A），Intel82527（2.0B） 带
10、微处理器的通信控制器Intel8XC196CACBPhilps 8XC592,HART,HART采用4-20mA模拟信号叠加FSK数字信号的混合传输方式，是一种过渡总线。 HART总线参照了OSI的物理层、链路层和应用层。 采用总线型的网络拓扑结构。,3. 工业以太网技术,工业以太网源于普通以太网。 推进其应用的国际组织：IEA（Industrial Ethernet Association）IAONA （Industrial Automation Network Alliance）,工业以太网的优势,可满足控制系统各个层次的要求，利于管控一体化。 设备成本下降。 用户拥有成本下降。（维护）
11、易与Internet集成。 广泛的开发技术支持。 大量的现有软件资源。,以太网的优势,高速 10M/s、100M/s及更快 比其它媒介处理更多信息 普遍认知 很多书籍 很多经验丰富的技术人员 很多可选的媒介 铜线 光纤 短距离无线 长距离无线 ADSL连接性 拨号连接性 多协议 HSE 其它,在美国Austin的以太网技术人员比全球范围内的现场总线技术人员还多,HSE将用在哪里？,网关 操作台 链路设备 流量计算机 控制器 设备服务器 条形码读码器 单回路调节器 无纸记录仪 本机面板 报警器 票证打印机 称重仪 PLCs 远程I/O,罐区测量系统燃烧炉管理系统压缩机控制透平控制腐蚀监测紧急停车
12、系统(ESD)集成火焰和气体系统集成色谱仪发电装置控制泄漏检测纸幅扫描仪振动监测管壁厚度监测,开放的IP和以太网SCADA结构,FF HSE设备和以太网电台,中央控制室 主站计算机,以太网电台,FF H1仪表,互操作的以太网HSE,仅以太网和TCP/IP不足以实现互操作 是标准应用层和用户层 在控制器层的互操作性 成套单元的集成,完全冗余,混合模式,弱链条 损失完整性 不支持状态传播 不同的数据类型和对象结构,基金会HSE,链路设备 控制器 网关设备,V S D,V S D,V S D,工业以太网面临的问题,通信实时性 环境适应性与可靠性 （结构、连接器） 总线供电 （5类线中的空闲线，10-
13、36V） 本质安全 （防爆安全栅）,非确定性问题的解决措施,提高通信速率 控制网络负荷 （负荷30% 实时） 网络分段技术 （以太网交换机） 提供适应工业环境的元件（密封、坚固、抗震、锁紧、控温）,工业以太网技术展望,未来的IO设备是网络服务器。 FF: “HSE是具有控制功能的Internet，它适合于那些想把全球各处工厂连接起来的公司，通过适当的网络安全保障，工程师和操作员可以解决地球另一端的故障和紧急情况。”,现场总线技术的发展趋势,1.注重系统的开放性 封闭、自成一体的系统定会消亡 2.注重应用系统设备间的互操作性早期的总线技术多注重在通信协议上，而近年来其技术发展逐渐转向应用与用户层
14、的相关规范，如设备描述、标准功能块等。 应用系统设备间的互连不只要完成数据通信，还要构成控制网络，形成测量控制应用系统，而应用与用户层规范与设备间的互可操作性直接相关。设备间的互操作依靠应用层协议 CAN是封装在芯片中的通信协议； 485只是物理层的电气接口规范， 由它们构成控制网络还需借助另外的协议规范 数据信号的传输、数据理解,现场总线技术的发展趋势（续）,3.注重控制网络与公用数据网络的结合 HSE；Profinet；连接 modbus的透明工厂；第3代的Lonworks等。 各种控制网络都在向数据网络挂靠 4.注重使测控设备具备网络浏览功能 具有网络浏览功能的PLC；具有网络浏览功能的远程数据终端 借助通用浏览器工具得到专用设备的数据信息 控制设备走向开放的窗口。,现场总线技术的发展趋势（续）,5.以太网已直接进入控制网络 以太网技术进入控制网络的优势 以太网技术进入控制网络要解决的问题 E网到底可行，E网打尽不现实 我国的EPA标准 6.多种通信方式下的数据传输与数据集成，管控一体化目标下的数据综合利用 有线、无线通信方式的结合； 控制网络、数据网络、电话网络、无线局域网的互连；充分利用现有的网络资源 数据集成，综合利用：共同构成测量控制系统；发布运行、调度信息,异构控制网络互连,总结,FCS概述 FCS的现场总线 工业以太网技术,
