ZXQ第一章現(xiàn)場總線技術(shù)概述1

1、過程控制與現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線技術(shù)第二部分教材：現(xiàn)場總線技術(shù)及其應用（第2版） 陽憲惠 清華大學出版社1網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù) 陽憲惠 清華大學出版社2工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡 陽憲惠 清華大學出版社3現(xiàn)場總線及其應用技術(shù) 李正軍 機械工業(yè)出版社4現(xiàn)場總線工業(yè)控制網(wǎng)絡技術(shù) 夏繼強，刑春香 北京航空航天出版社5現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設計和開發(fā) 鄒益仁，馬增良，蒲維 國防工業(yè)出版社6現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)及其應用系統(tǒng)設計 李正軍 人民郵電出版社參考書：(一) 理解現(xiàn)場總線的概念、現(xiàn)場總線系統(tǒng)的 特點、基本組成，掌握現(xiàn)場總線系統(tǒng)的 構(gòu)建方法。(二) 理解掌握數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識。(三) 理解掌握控制網(wǎng)絡基礎(chǔ)

2、知識。(四) 掌握現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設計原則、 思路和方法。教學要求：工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡是近年來發(fā)展形成的自控領(lǐng)域的網(wǎng)絡技術(shù)。是計算機網(wǎng)絡、通信技術(shù)與自控技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。 現(xiàn)場總線是當今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，將對該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。工業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)；生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)絡系統(tǒng)；網(wǎng)絡集成式控制系統(tǒng)；是IT技術(shù)在自控領(lǐng)域的延伸;自控領(lǐng)域的IT技術(shù)。本課程講述數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡的基礎(chǔ)知識，多種總線的技術(shù)特點、通信與網(wǎng)絡規(guī)范、通信控制器、通信接口，控制網(wǎng)絡的設計與應用等。第1章 現(xiàn)場總線技術(shù)概述主要內(nèi)容1.1 現(xiàn)場總線簡介1.2 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的特點

3、1.3 以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的企業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)1.4 現(xiàn)場總線技術(shù)的標準化1.1 現(xiàn)場總線簡介控制網(wǎng)絡與現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡與計算機網(wǎng)絡的區(qū)別數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(網(wǎng)絡)傳感器總線、設備總線和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)早期的現(xiàn)場總線技術(shù)全分布式控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡的要求現(xiàn)場總線(Fieldbus)用于連接多個現(xiàn)場測量控制設備、在各現(xiàn)場設備之間傳遞信號的共享傳輸介質(zhì)現(xiàn)場總線系統(tǒng)指以測量控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點，以雙絞線、屏蔽電纜、光纖、無線等傳輸介質(zhì)為紐帶，把位于生產(chǎn)現(xiàn)場、具備了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力的測量控制設備連接組成的開放式網(wǎng)絡與控制系統(tǒng)?？刂凭W(wǎng)絡與現(xiàn)場總線 控制網(wǎng)絡與現(xiàn)場總線 什么是現(xiàn)場總線技術(shù)？IEC規(guī)范中對現(xiàn)

4、場總線的描述：現(xiàn)場總線是一種應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場控制設備之間、現(xiàn)場設備與監(jiān)控裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術(shù)?？刂凭W(wǎng)絡：由多個分散在生產(chǎn)現(xiàn)場、具有數(shù)字通信能力的測量控制儀表作為網(wǎng)絡節(jié)點而形成的網(wǎng)絡以現(xiàn)場總線作為通信連接的紐帶完成測量控制任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)、控制系統(tǒng)圖1.1 簡單控制網(wǎng)絡示意圖控制網(wǎng)絡與計算機網(wǎng)絡的區(qū)別網(wǎng)絡節(jié)點計算機網(wǎng)絡：計算機、工作站、打印機、顯示終端控制網(wǎng)絡：除了以上設備之外，還有PLC、數(shù)字調(diào)節(jié)器、開關(guān)、馬達、變送器、閥門、按鈕等。為內(nèi)嵌有CPU、單片機或其它專用芯片的設備，或功能簡單的非智能設備 工作環(huán)境計算機網(wǎng)絡：辦公室控制網(wǎng)絡：工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，酷暑嚴寒、粉塵、

5、電磁干擾、震動、易燃易爆環(huán)境（本質(zhì)安全），總線供電的需求 任務計算機網(wǎng)絡：傳輸文件、圖象、話音等。許多情況下有人參與。控制網(wǎng)絡：傳輸工業(yè)數(shù)據(jù)（圖象），承擔自動測控任務。許多情況下要求自動完成特點實時性可靠性的要求高數(shù)據(jù)幀包含的字節(jié)數(shù)少控制網(wǎng)絡是一類特殊的網(wǎng)絡廣泛應用于離散、連續(xù)制造業(yè)，交通、樓宇、家電、以至農(nóng)、林、牧、漁等各行各業(yè)。工業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)工業(yè)數(shù)據(jù)通信在測量、控制設備的各功能單元之間、設備與設備之間、以及這些設備與計算機之間傳遞數(shù)據(jù)信息的過程。工業(yè)數(shù)據(jù)通信:多個工業(yè)控制設備之間二進制數(shù)據(jù)的交換過程它區(qū)別于電話、電報通信，也有別于計算機通信工業(yè)數(shù)據(jù)通信的內(nèi)容生產(chǎn)裝置運行參數(shù)的測量值、控制

6、量、閥門的工作位置開關(guān)狀態(tài)、報警狀態(tài)設備的資源信息與維護信息、零點量程調(diào)校信息系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改信息等 工業(yè)數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的測量控制系統(tǒng)在設備間一對一的并行連線，即點到點布線傳送模擬信號 現(xiàn)場總線系統(tǒng)：一對導線上可掛接多個傳感器、執(zhí)行器、開關(guān)、按鈕、控制設備等，總線是現(xiàn)場設備之間數(shù)字信號的傳輸介質(zhì)，成為數(shù)字信息的公共傳輸通道控制網(wǎng)絡（現(xiàn)場總線系統(tǒng)）按網(wǎng)絡連接方式構(gòu)建數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)數(shù)字信號的串行傳輸，形成數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的規(guī)模三、兩個數(shù)據(jù)節(jié)點的簡單系統(tǒng)成千上萬臺設備的復雜網(wǎng)絡一個汽車組裝生產(chǎn)線可能有多達25萬個I/O點石油煉制過程的一個普通裝置也會有上千臺測量控制設備 圖1

7、.2 基于現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)示例溫度變送器監(jiān)控計算機溫度測量值一組程序現(xiàn)場總線通信設備 發(fā)送器（transmitter）數(shù)據(jù)通信過程中將通信信號發(fā)送到傳輸介質(zhì)（總線）上的發(fā)送電路接收器(receiver)數(shù)據(jù)通信過程中從傳輸介質(zhì)（總線）上接收通信信號的接收電路收發(fā)器(transceiver)將接收器、發(fā)送器組合在一起，借助公用的電路元件進行發(fā)送和接收信號的電子裝置現(xiàn)場總線系統(tǒng)中的網(wǎng)絡節(jié)點一般均作為收發(fā)器數(shù)據(jù)通信設備DCE（Data Communication Equipment)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應的通信信號并發(fā)送到傳輸介質(zhì)上的電路設備，以及把從傳輸介質(zhì)上接收到的通信信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)的電路設備。

8、如調(diào)制解調(diào)器、電纜驅(qū)動器、多路復用輸出器數(shù)據(jù)終端設備DTE(Data Terminal Equipment)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源設備或數(shù)據(jù)用戶設備DTE一般與通信信號的調(diào)制、編碼無關(guān)，也不直接連接在傳輸介質(zhì)上。通信設備 現(xiàn)場設備 (Fieldbus device)泛指連接在現(xiàn)場總線上的通信實體與控制設備既具備某種測量控制功能（DTE），也具有數(shù)據(jù)通信的能力（DCE）總線主設備(bus master)有能力掌管總線通信權(quán)的設備叫做總線主設備在一條總線段上可連接多個主設備某一時刻，一條總線段上只能有一個主設備執(zhí)行其主設備的功能總線從設備(bus slaver)沒有能力對總線主動發(fā)起通信，只能接收總線信

9、號、對查詢作出相應響應的設備稱為總線從設備。從設備也被稱之為基本設備通信設備 終端器（terminator）在網(wǎng)段兩端連接成對線纜導體的終點，用以防止發(fā)生信號反射的電子器件。不同類型現(xiàn)場總線終端器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有所區(qū)別。有的終端器只是一個電阻，有的終端器是電阻電容組合電路；其阻值應等于連接電纜的特征阻抗。中繼器(repeater)將輸入端口接收到的通信信號在整形放大后，轉(zhuǎn)發(fā)到輸出端口下游節(jié)點的有源設備。中繼器可增加總線的傳輸距離和掛接現(xiàn)場設備節(jié)點的數(shù)量通信設備 報文與協(xié)議報文（message）泛指通信過程中傳送的信息，包括文本、命令、參數(shù)值、圖片、聲音等報文屬于通信系統(tǒng)中的軟件現(xiàn)場總線系統(tǒng)中的報

10、文信息包括原始數(shù)據(jù)、測控參數(shù)值、操作指令等協(xié)議(protocol)指一套事先約定好的、共同遵守的規(guī)約通信協(xié)議（Communication Protocol）規(guī)定通信報文內(nèi)容、格式、次序安排、通信何時進行以及通信如何進行等內(nèi)容的一組規(guī)則。參與通信的各方需要根據(jù)通信協(xié)議控制數(shù)據(jù)通信過程，理解通信報文中數(shù)據(jù)的含義總線協(xié)議(Bus Protocol)總線上的現(xiàn)場設備如何使用總線的一整套規(guī)則是一套事先規(guī)定的、必須共同遵守的規(guī)約報文與協(xié)議 圖1.3 現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)示例現(xiàn)場總線傳感器總線、設備總線和現(xiàn)場總線 傳感器總線屬于位(Bit)級總線，其通信幀的長度只有幾個數(shù)據(jù)位或十幾位如ASI（Actuato

11、r Sensor Interface）總線設備總線屬于字節(jié)(Byte)級總線，其通信幀的長度一般為幾個到幾十個字節(jié)如CAN（Control Area Network）總線現(xiàn)場總線則屬于塊(Block)級的總線,其通信幀的長度可達到幾百個字節(jié)，當要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊更長時，可支持分包傳送。如Foundation Fieldbus、Controlnet、Profibus傳感器總線、設備總線可統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)圖1.4 單回路控制系統(tǒng)框圖Network-based control system圖1.5 控制系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)之間的網(wǎng)絡連接 網(wǎng)絡化連接 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的一對一連接 網(wǎng)絡化連接 圖

12、1.6 網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較1.1.5 早期的現(xiàn)場總線技術(shù) 早期的現(xiàn)場總線（工業(yè)電話線），把傳感器、按鈕、執(zhí)行機構(gòu)等測量控制部件接到某種類型的控制器上，例如PLC或者是工業(yè)計算機。對控制器的輸入包括按鈕、傳感器、接觸器的位置狀態(tài)與數(shù)值，控制器的輸出用于驅(qū)動信號燈、接觸器、開關(guān)、調(diào)節(jié)閥門等。第一個設備層現(xiàn)場總線：上世紀70年代，在PLC出現(xiàn)的同時，Culter-Hammer推出了第一個設備層現(xiàn)場總線系統(tǒng)。早期(80年代)出現(xiàn)至今還在應用的幾種現(xiàn)場總線 General Electric的Genius I/O;Phoenix的Interbus;TURCK的Senseplex;Pro

13、cess Data 的PNETGenius I/O 在PLC之間、PLC與人機界面之間傳遞數(shù)據(jù)信息 令牌總線,采用分支受限制的總線拓撲； 網(wǎng)段節(jié)點數(shù)32個；每個節(jié)點的輸入、輸出 均為1024位， 傳輸距離約1000米/傳輸速率153.6K時;2250米/傳輸速率38.4K時； 屏蔽雙絞線，光纜； 采用FSK頻移鍵控調(diào)制信號 Interbus在物理連接方式屬于直線總線，數(shù)據(jù)傳輸屬于數(shù)據(jù)環(huán)的方式總線最多帶有64個節(jié)點,每個節(jié)點的輸入、輸出數(shù)據(jù)為16位覆蓋距離最遠可達12.5公里典型傳輸速率為500Kbps 物理信號連接遵循EIA485標準采用單總幀結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)幀中有效位的比率高Senseplex最初

14、用于德國科隆福特汽車公司機器人的焊接臂上。工作環(huán)境靠近電磁場,抗噪聲、抗電磁干擾方面的能力很強，在上述惡劣環(huán)境中的工作狀態(tài)良好 Senseplex系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)；連接采用75歐姆同軸電纜；使用FSK頻移鍵控調(diào)制信號；采用總線拓撲，支持總線供電和本質(zhì)安全;節(jié)點總數(shù)為32/64/120個每個節(jié)點的數(shù)據(jù)輸入、輸出位均為8位。主節(jié)點與最遠從節(jié)點之間的距離為200米，使用中繼器可使該距離增加至400米。傳輸速度為187KP-Net用于動物飼養(yǎng)系統(tǒng)，奶制品廠，啤酒廠，農(nóng)業(yè)環(huán)境控制等可以形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)較為復雜的系統(tǒng)EIA-485標準，屏蔽雙鉸線傳輸速率為76.8Kbps最大傳輸距離為1200m每段最多可以連

15、接125個設備。每幀數(shù)據(jù)為56位當數(shù)據(jù)大于56位時P-Net采用分段結(jié)構(gòu)的多主網(wǎng)絡系統(tǒng),網(wǎng)絡中可以連接多至32個主節(jié)點。 圖1.7 P-Net多主網(wǎng)絡系統(tǒng) 小 結(jié)從早期總線技術(shù)可以看出工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡的特點。它在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、節(jié)點種類、通信幀的長度、所處的工作環(huán)境、各種通信技術(shù)參數(shù)、需要考慮解決的問題等方面，都具有區(qū)別于話音通信、計算機通信系統(tǒng)的顯著特征。早期總線技術(shù)的缺點大多是專有通信技術(shù)，自成系統(tǒng)，不具備開放性。不同生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品之間不能相互通信，通信幀一般較短 開放總線的典型范例CAN有公開統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范多個芯片制造商：Motorola、 Intel、Philips、Hitachi開放

16、性促進了該技術(shù)的發(fā)展與推廣應用 新型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡化控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變遷 基地式氣動儀表控制系統(tǒng) 電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)集中式數(shù)字控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng) DCS網(wǎng)絡化現(xiàn)場控制系統(tǒng)FCS網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的特點 結(jié)構(gòu)上形成設備的網(wǎng)絡式連接節(jié)省大量線纜、槽架、連接件；連線設計與接頭校對的工作量也大大減少 增加現(xiàn)場控制設備無需增設新的電纜實現(xiàn)了工業(yè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡式遠程傳輸與集中管理，擴大了操作人員的視野，為遠程監(jiān)視與操作提供了基礎(chǔ)條件無人值守機站 將控制功能模塊置入現(xiàn)場設備，實現(xiàn)了全分布式控制系統(tǒng)支持總線供電為自動化系統(tǒng)與其它信息系統(tǒng)的溝通，為實現(xiàn)企業(yè)的管理控制一體化創(chuàng)造了條件網(wǎng)絡集成式

17、控制系統(tǒng)擴大了操作視野傳統(tǒng) 4-20 mA只能看到 I/O 子系統(tǒng)現(xiàn)場總線視野可以擴展到現(xiàn)場儀表控制器控制系統(tǒng)網(wǎng)絡現(xiàn)場總線遠程輸入/輸出子系統(tǒng)控制器控制系統(tǒng)網(wǎng)絡網(wǎng)絡化、全分布式控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡的要求 開放性、互可操作性、通信的實時性、對環(huán)境的適應性 開放性：通信協(xié)議公開，能與任一遵守相同標準的其它廠商設備互連為系統(tǒng)互可操作性：互連設備間的信息傳送與溝通；互用：不同生產(chǎn)廠家性能類似的設備可實現(xiàn)相互替換通信的實時性：具有嚴格的時序和定時要求達不到實時性要求或因時間同步等問題影響了網(wǎng)絡節(jié)點間的動作時序，甚至會造成災難性的后果。環(huán)境適應性在高溫、嚴寒、粉塵等惡劣環(huán)境下能正常工作，能抗震動、抗電磁

18、干擾、在易燃易爆環(huán)境下能保證本質(zhì)安全，有能力支持總線供電等 1.2 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的特點總線式連接結(jié)構(gòu)特點開放性互可操作性通信的確定性與實時性環(huán)境適應性數(shù)字與智能化（現(xiàn)場設備的智能與功能自治性）技術(shù)特點控制網(wǎng)絡在企業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)中的地位與作用控制網(wǎng)絡面臨的問題控制網(wǎng)絡與上層網(wǎng)絡的連接方式1.3 以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的企業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)控制網(wǎng)絡在企業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)中的地位與作用 企業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) Internet-Intranet-Infranet的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)底層控制網(wǎng) 功能層次企業(yè)資源規(guī)劃層ERP（Enterprise Resource Planning）制造執(zhí)行層MES（Manufactu

19、ring Execution System）現(xiàn)場控制層FCS（Field Control System）信息類型：運行參數(shù)的測量值、控制量、閥門的工作位置、開關(guān)狀態(tài)、報警狀態(tài)、設備的資源與維護信息、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、零點量程調(diào)校信息等。 圖1.8 以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的企業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)示意圖企業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖1.9 企業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)各功能層次信息傳遞示意圖現(xiàn)場控制層面臨的問題控制網(wǎng)絡種類繁多，形形色色的現(xiàn)場總線再加上DCS、PLC、SCADA等網(wǎng)絡內(nèi)部的通信一致性差，個異性強控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡存在較大差異通信協(xié)議，網(wǎng)絡節(jié)點類型等有較大差異控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡實現(xiàn)信息交換有難度實時性、環(huán)境適應性方面還

20、面臨許多問題需要解決控制網(wǎng)絡與上層網(wǎng)絡的連接方式 采用專用網(wǎng)關(guān)完成不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，把控制網(wǎng)段或DCS連接到以太網(wǎng)上 將現(xiàn)場總線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)卡都置入工業(yè)PC機的PCI插槽內(nèi)，在PC機內(nèi)完成數(shù)據(jù)交換。實現(xiàn)控制網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡的連接將WEB服務器直接置入PLC或現(xiàn)場控制設備內(nèi)，借助WEB服務器和通用瀏覽工具，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的動態(tài)交互 通過網(wǎng)關(guān)連接控制網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡 采用PCI卡連接控制網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡 1.4 現(xiàn)場總線技術(shù)的標準化現(xiàn)場總線的百花齊放與興盛發(fā)展各種總線一百多種，其中宣稱為開放型總線的就有40多種 歐洲、北美、亞洲的許多國家都投入巨額資金與人力進行研究開發(fā)形成了各式各樣的企業(yè)、國家、地區(qū)、

21、及國際現(xiàn)場總線標準1.4 現(xiàn)場總線技術(shù)的標準化現(xiàn)場總線組織現(xiàn)場總線基金會（Fieldbus Foundation）LonMark協(xié)會, Profibus協(xié)會，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會IEA（ Industrial Ethernet Association），工業(yè)自動化開放網(wǎng)絡聯(lián)盟IAONA（ Industrial Automation Open Network Alliance）Society of Automotive Engineers Inc.（SAE）現(xiàn)場總線國際標準化組織及標準化進程IEC/TC65負責測量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信國際標準化工作于1984年就開始著手總線標準的制定，致力于推出世界上單一的現(xiàn)場總線標準，于1993年制定了IEC61158-2歷經(jīng)波及全球的現(xiàn)場總線標準大戰(zhàn)，16年的艱難歷程后，于2000年初宣布8種現(xiàn)場總線共同構(gòu)成IEC現(xiàn)場總線國際標準