現場總線的發(fā)展動態(tài)

現場總線的發(fā)展動態(tài)第一頁，共四十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)：現場總線

什么是現場總線：現場總線是應用在生產現場、在測量控制設備之間實現雙向多節(jié)點數字通信的開放型控制網絡系統(tǒng)，主要解決工業(yè)現場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。現場總線是工業(yè)數據通信與控制網絡技術的代名詞，是測控領域的工業(yè)數據通信系統(tǒng)。主要用于：制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇、電力等方面的自動化系統(tǒng)中。

第二頁，共四十二頁，2022年，8月28日早期把現場總線又稱為工業(yè)電話線，通過連線在測控設備之間傳遞數據信息，把傳感器、按鈕、執(zhí)行機構等連接到控制器、或PLC或工業(yè)計算機上。通過相互通信共同執(zhí)行測量控制任務?？偩€上的數據輸入設備包括按鈕、傳感器、接觸器、變送器、閥門等，傳輸其位置狀態(tài)、參數值等數據總線上的輸出數據用于驅動信號燈、接觸器、開關、閥門等工業(yè)數據通信用以滿足信息社會對基礎設備與過程數據信息的需求數字地球、數字礦山、數字…傳遞工農業(yè)生產過程、大氣環(huán)境監(jiān)測、各類交通、樓宇等系統(tǒng)中設備的數字化信息車輛控制等第三頁，共四十二頁，2022年，8月28日總線將分散的有通信能力的測量控制設備作為網絡節(jié)點，連接成能相互溝通信息，共同完成自控任務的控制網絡第四頁，共四十二頁，2022年，8月28日現場總線系統(tǒng)是企業(yè)的底層網絡第五頁，共四十二頁，2022年，8月28日企業(yè)網絡的功能層次第六頁，共四十二頁，2022年，8月28日現場總線是自動化領域的通信、網絡技術,也被稱之為工廠的底層網絡（Infranet）總線是構成自動化系統(tǒng)的紐帶，網絡所傳輸的是控制信息。它是有別于計算機網絡，電視、電話網絡的另一類網絡特點：適應工業(yè)應用環(huán)境，要求實時性強，可靠性高，安全性好。多為短幀傳送，通信的傳輸速率相對較低。第七頁，共四十二頁，2022年，8月28日二.現場總線技術標準

現場總線技術始發(fā)于二十世紀八十年代，但對該項技術的開發(fā)之熱是近年之舉主流現場總線技術FFH1ControlNETProfibusInterbus-SWorldFIPHSEP-Net；SwiftNET第八頁，共四十二頁，2022年，8月28日現場總線的發(fā)展中存在的問題：根據相關資料統(tǒng)計，已出現的現場總線一百多種，其中宣稱為開放型總線的就有40多種多種總線共存，每種總線都在力圖擴充其應用領域每種總線都以一個或多個利益集團支持，標準的斗爭就是利益的斗爭很多設備制造商參加不止一個總線組織，以便與各種系統(tǒng)協(xié)調努力開發(fā)與其他總線、系統(tǒng)的接口，把自己的總線與其它總線連接起來，擴大應用范圍，保存領地以太網進入工業(yè)控制領域，成為新的熱點第九頁，共四十二頁，2022年，8月28日現場總線組織現場總線基金會（FieldbusFoundation）LonMark協(xié)會,Profibus協(xié)會，工業(yè)以太網協(xié)會IEA（IndustrialEthernetAssociation），工業(yè)自動化開放網絡聯(lián)盟IAONA（IndustrialAutomationOpenNetworkAlliance）SocietyofAutomotiveEngineers（SAE）制定現場總線標準的國際標準化組織IECISO第十頁，共四十二頁，2022年，8月28日１、LonWorks總線集成芯片中有3個8位的CPU，第一個CPU實現7層協(xié)議的第一層和第二層，即媒體訪問控制器，第二個CPU完成3-6層的功能，稱為網絡控制器，第三個CPU是應用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務與用戶代碼。芯片中還有存儲信息的緩沖區(qū)，以實現CPU之間的信息傳遞，作為網絡緩沖區(qū)和應用緩沖區(qū)。LonWorksS總線是完全應用7層協(xié)議的現場總線，這是唯一的。通信速率可達1.25Mbps,此時有效距離為130米。每幀有效字節(jié)數0-288個字節(jié)

第十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日第三代LonWorks技術應用系統(tǒng)

（智能樓宇、連鎖店）第十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日LonWorks/Ethernet第十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日２、CAN總線CAN（ControllerAreaNet,簡稱CAN）總線是德國Bocsh公司首先宣布開發(fā)成功的。起初是為汽車工業(yè)設計的，目前已被國際標準化組織批準為國際標準。CAN協(xié)議也遵守7層協(xié)議中的物理層、鏈路層與應用層。

系統(tǒng)結點由單片機、CAN控制器和CAN收發(fā)器組成。CAN總線采用短幀結構傳輸，每幀為8個有效字節(jié)，都配有CRC校驗和其它校驗措施，保證出錯率比較低傳輸介質可以是雙絞線，同軸電纜和光纖。傳輸距離與通信速率有關。最遠距離可達10公里，速率為1Mbps時，傳輸距離為40米。

第十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日汽車內部CAN總線（SAE-J1939）第十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日多網段的車輛內部網絡系統(tǒng)

監(jiān)視屏（駕駛室）終端器發(fā)動機變速器網橋終端器終端器終端器終端器終端器剎車系統(tǒng)減速器路由器網橋剎車照明車軸/懸梁終端器終端器至下一拖車250Kbps拖車子網250Kbps專用子網牽引車子網250Kbps250Kbps牽引車拖車第十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日３、PROFIBUS總線PROFIBUS是一種國際化．開放式．不依賴于設備生產商的現場總線標準。廣泛適用于制造業(yè)自動化．流程工業(yè)自動化和樓宇．交通電力等其他領域自動化。PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術?？蓪崿F現場設備層到車間級監(jiān)控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。

第十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日Profibus與PLC網絡

（電力、冶金、機械加工行業(yè)等）第十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日３、PROFIBUS總線PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUS－DP（DecentralizedPeriphery）．PROFIBUS－PA（ProcessAutomation）．PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification)。

（１）PROFIBUS–DP:是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I／O的通信。使用PROFIBUS－DP可取代辦24VDC或4－20mA信號傳輸。

（２）PORFIBUS－PA：專為過程自動化設計，可使傳感器和執(zhí)行機構聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。

（３）PROFIBUS－FMS：用于車間級監(jiān)控網絡，是一個令牌結構．實時多主網絡。

第十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日３、PROFIBUS總線PROFIBUS提供了三種數據傳輸類型：

1、用于DP和FMS的RS485傳輸。

2、用于PA的IEC1158－2傳輸。

3、光纖

第二十頁，共四十二頁，2022年，8月28日３、PROFIBUS總線1．用于DP／FMS的RS485傳輸技術

由于DP與FMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術和統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，因而，這兩套系統(tǒng)可在同一根電纜上同時操作。

RS-485傳輸是PROFIBUS最常用的的一種傳輸技術。這種技術通常稱之為H2。采用的電纜是屏蔽雙絞銅線。

RS-485傳輸技術基本特征：

（1）網絡拓撲：線性總線，兩端有有源的總線終端電阻。

（2）傳輸速率：9.6Kbit/s12Mbit/s

（3）介質：屏蔽雙絞電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件（EMC）。

（4）站點數：每分段32個站（不帶中繼），可多到127個站（帶中繼）。

（5）插頭連接：最好使用9針D型插頭。

第二十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日３、PROFIBUS總線2．RS－485傳輸設備安裝要點

（1）全部設備均與決線連接。

（2）每個分段上最多可接32個站（主站或站）。

（3）每段的頭和尾各有一個總線終端電阻，確保操作運行不發(fā)生誤差。兩個總線終端電阻必須永遠有電源。

（4）當分段站超過32個時，必須使用中繼器用以連接各總線段。串聯(lián)的中繼器一般不超過3個。

（注：中繼器沒有站地址，但被計算機在每段的最多站數中）

（5）電纜最大長度取決于傳輸速率。如使用A型電纜，則傳輸速率與長度如下：

波特率：（Kbit/s）9.619.293.75187.550015001200

距離／段（M）1200120012001000400200100

第二十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日３、PROFIBUS總線（6）A型電纜參數：

阻抗：135－165Ω電容：＜30pf/m回路電阻：110Ω

（7）RS－485的傳輸技術的PROFIBUS網絡最好使用9針D型插頭。

（8）當連接各站時，應確保數據線不要擰絞，系統(tǒng)在高電磁發(fā)射環(huán)境（如汽車制造業(yè)）下運行應使用帶屏蔽的電纜,屏蔽可提高電磁兼容性（EMC）。

（9）如用屏蔽編織線和屏蔽箔，應在兩端與保護接地連接，并通過盡可能的大面積屏蔽接線來復蓋，以保持良好的傳導性。另外建議數據線必須與高壓線隔離。

（10）超過500Kbit/s的數據傳輸速率時應避免使用短截線段，應使用市場上現有的插頭可使數據輸入和輸出電纜直接與插頭連接，而且總線插頭連接可在任何時候接通或斷開而并不中斷其它站的數據通信。第二十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日３、PROFIBUS總線3用于PA的IEC1158－2傳輸技術

（1）數據IEC1158－2的傳輸技術用于PROFIBUS－PA，能滿足煤炭、化工和石油化工業(yè)的要求。它可保持其本征安全性，并通過總線對現場設備供電。

（2）IEC1158－2是一種位同步協(xié)議，可進行無電流的連續(xù)傳輸，通常稱為H1。

（3）IEC1158－2技術用于PROFIBUS－PA，其傳輸以下列原理為依據：

①．每段只有一個電源作為供電裝置。

②．當站收發(fā)信息時，不向總線供電。

③．每站現場設備所消耗的為常量穩(wěn)態(tài)基本電流。

④．現場設備其作用如同無源的電流吸收裝置。

⑤．主總線兩端起無源終端線作用。

⑥．允許使用線性．樹型和星型網絡。

第二十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日３、PROFIBUS總線IEC1158－2傳輸技術特性：

①．數據傳輸：數字式．位同步．曼徹斯特編碼。

②．傳輸速率：31.25Kbit/s，電壓式。

③．數據可靠性：前同步信號,采用起始和終止限定符避免誤差。

④．電纜：雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式。

⑤．遠程電源供電：可選附件，通過數據線。

⑥．防爆型：能進行本征及非本征安全操作。

⑦．拓撲：線型或樹型，或兩者相結合。

⑧．站數：每段最多32個，總數最多為126個。

⑨．中繼器：最多可擴展至4臺。

第二十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日３、PROFIBUS總線IEC1158傳輸設備安裝要點

（1）分段藕合器將IEC1158－2傳輸技術總線段與RS－485傳輸技術總線段連接。藕合器使RS－485信號與IEC1158－2信號相適配。它們?yōu)楝F場設備的遠程電源供電，供電裝置可限制IEC1158－2總線的電流和電壓。

（2）PROFIBUS－PA的網絡拓撲有樹型和線型結構，或是兩種拓撲的混合。

（3）現場配電箱仍繼續(xù)用來連接現場設備并放置總線終端電阻器。采用樹型結構時連在現場線分段的全部現場設備都并聯(lián)地接在現場配電箱上。

（４）主總線電纜的兩端各有一個無源終端器，內有串聯(lián)的RC元件，R＝100Ω，C＝1цF。當總線站極性反向連接時，它對總線的功能不會有任何影響。

（５）連接到一個段上的站數目最多是32個。如果使用本征安全型及總線供電，站的數量將進一步受到限制。即使不需要本征安全性，遠程供電裝置電源也要受到限制。第二十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日現場總線的前景出路一，各種現場總線統(tǒng)一到1~2種。IEC61158的產生本身就說明這種可能性很小。出路二，開發(fā)所有現場總線通用的接口，成本較高且難度較大。出路三，各國不理睬IEC61158，采用自主知識產權的協(xié)議。這不符合經濟全球化發(fā)展趨勢。出路四，采用已經是通用的國際標準Ethernet、TCP/IP等協(xié)議，并使其在工業(yè)現場成熟應用，易于被廣大國家用戶、集成商、OEM及制造商接受和歡迎。第二十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日現場總線技術的發(fā)展趨勢1.注重系統(tǒng)的開放性封閉、自成一體的系統(tǒng)定會消亡2.注重應用系統(tǒng)設備間的互操作性早期的總線技術多注重在通信協(xié)議上，而近年來其技術發(fā)展逐漸轉向應用與用戶層的相關規(guī)范，如設備描述、標準功能塊等。應用系統(tǒng)設備間的互連不只要完成數據通信，還要構成控制網絡，形成測量控制應用系統(tǒng)，而應用與用戶層規(guī)范與設備間的互可操作性直接相關。設備間的互操作依靠應用層協(xié)議CAN是封裝在芯片中的通信協(xié)議；485只是物理層的電氣接口規(guī)范，由它們構成控制網絡還需借助另外的協(xié)議規(guī)范數據信號的傳輸、數據理解第二十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日發(fā)展趨勢（續(xù)）3.注重控制網絡與公用數據網絡的結合HSE；Profinet；連接modbus的透明工廠；第3代的Lonworks、FIP等，各種控制網絡都在向數據網絡掛靠4.注重使測控設備具備網絡瀏覽功能具有網絡瀏覽功能的PLC；具有網絡瀏覽功能的遠程數據終端借助通用瀏覽器工具得到專用設備的數據信息控制設備走向開放的窗口。第二十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日5.以太網已直接進入控制網絡以太網技術進入控制網絡的優(yōu)勢以太網技術進入控制網絡要解決的問題E網到底可行，E網打盡不現實我國的EPA標準6.多種通信方式下的數據傳輸與數據集成，管控一體化目標下的數據綜合利用有線、無線通信方式的結合；控制網絡、數據網絡、電話網絡、無線局域網的互連；充分利用現有的網絡資源數據集成，綜合利用：共同構成測量控制系統(tǒng)；發(fā)布運行、調度信息發(fā)展趨勢（續(xù)）第三十頁，共四十二頁，2022年，8月28日現場總線被視為基于PC、特別是基于工業(yè)PC的控制技術各種工業(yè)控制計算機、測量控制板卡的供應商是現場總線技術發(fā)展的重要力量以現場總線技術提升產品的串行通信能力，發(fā)展具有數據通信能力的控制網絡新的產品系列，對推廣現場總線技術的應用、對推動測量控制領域的信息化，將起到積極作用?，F場總線的技術發(fā)展有待業(yè)內人士（設備開發(fā)供應商、用戶）的共同努力第三十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日工業(yè)以太網通訊技術隨著信息技術的不斷發(fā)展，信息交換技術覆蓋了各行各業(yè)。在自動化領域，越來越多的企業(yè)需要建立包含從工廠現場設備層到控制層、管理層等各個層次的綜合自動化網絡管控平臺，建立以工業(yè)控制網絡技術為基礎的企業(yè)信息化系統(tǒng)。工業(yè)以太網提供了針對制造業(yè)控制網絡的數據傳輸的以太網標準。該技術基于工業(yè)標準，利用了交換以太網結構，有很高的網絡安全性、可操作性和實效性，最大限度地滿足了用戶和生產廠商的需求。工業(yè)以太網以其特有的第成本、高實效、高擴展性及高智能的魅力，吸引著越來越多的制造業(yè)廠商。第三十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日工業(yè)以太網簡介以太網技術的思想淵源最早可以追溯到1968年。以太網的核心思想是使用共享的公共傳輸信道，這個思想源于夏威夷大學。在局域網家族中，以太網是指遵循IEEE802.3標準，可以在光纜和雙絞線上傳輸的網絡。以太網也是當前主要應用的一種局域網（LAN——LocalAreaNetwork，局域網）類型。目前的以太網按照傳輸速率大致分為以下四種：10Base-T以太網——傳輸介質是銅軸電纜，傳輸速率為10Mbit/s；快速以太網——傳輸速率為100Mbit/s，采用光纜或雙絞線作為傳輸介質，兼容10Base-T以太網；Gigabit以太網——擴展的以太網協(xié)議，傳輸速率為1Gbit/s,采用光纜或雙絞線作為傳輸介質，基于當前的以太網標準，兼容10Mbit/s以太網和100Mbit/s以太網的交換機和路由器設備；10Gigabit以太網——2002年6月發(fā)布，是一種速度更快的以太網技術。支持智能以太網服務，是未來廣域網（WAN——WideAreaNetwork）和城域網（MAN——MetropolitanAreaNetwork）的寬帶解決方案。第三十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日工業(yè)以太網技術是普通以太網技術在控制網絡延伸的產物，前者源于后者但不同與前者。以太網技術經過多年的發(fā)展，特別是它在Internet中廣泛應用，使得它的技術更為成熟，并得到了廣大開發(fā)商與用戶的認同。因此無論從技術上還是產品價格上，以太網較之其他類型網絡技術都具有明顯的優(yōu)勢。另為，隨著技術的發(fā)展，控制網絡與普通計算機網絡、Internet的聯(lián)系更為密切。控制網絡技術需要考慮與計算機網絡連接的一致性，需要提高對現場設備通信能力的要求，這些都是控制網絡設備的開發(fā)者與制造商把目光轉向以太網技術的重要原因。第三十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日工業(yè)以太網與傳統(tǒng)以太網絡的比較辦公室網絡工業(yè)網絡應用場合普通辦公場合工業(yè)場合、工況惡劣，抗干擾性要求較高拓撲結構支持線形、環(huán)形、星形等結構支持線形、環(huán)形、星形等結構，并便于各種結構的組合和轉換，簡單的安裝，最大的靈活性和模塊性，高擴展能力可用性一般的實用性需求，允許網絡故障時間以秒或分鐘計極高的實用性需求，允許網絡故障時間＜300ms以避免生產停頓網絡監(jiān)控和維護網絡監(jiān)控必須有專人員使用專用工具完成網絡監(jiān)控成為工廠監(jiān)控的一部分，網絡模塊可以被HMI軟件如WinCC監(jiān)控，故障模塊容易更換第三十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日工業(yè)以太網產品的設計制造必須充分考慮并滿足工業(yè)網絡應用的需要。工業(yè)現場對工業(yè)以太網產品的要求包括：工業(yè)生產現場環(huán)境的高溫、潮濕、空氣污濁以及腐蝕性氣體的存在，要求工業(yè)級的產品具有氣候環(huán)境適應性，并要求耐腐蝕、防塵和防水。工業(yè)生產現場的粉塵、易燃易爆和有毒性氣體的存在，需要采取防爆措施保證安全生產。工業(yè)生產現場的振動、電磁干擾大，工業(yè)控制網絡必須具有機械環(huán)境適應性（如耐振動、耐沖擊）、電磁環(huán)境適應性或電磁兼容性（EMC——ElectroMagneticCompatibility）等。工業(yè)網絡器件的供電，通常是采用柜內低壓直流電源標準，大多的工業(yè)環(huán)境中控制柜內所需電源為低壓24V直流。采用標準導軌安裝，安裝方便，適用于工業(yè)環(huán)境安裝的要求。工業(yè)網絡器件要能方便地安裝在工業(yè)現場控制柜內，并容易更換。第三十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日工業(yè)以太網應用于工業(yè)自動化中的關鍵問題1、通信實時性問題以太網采用的CSMA/CD的介質訪問控制方式，其本質上是非實時的。平等競爭的介質訪問控制方式不能滿足工業(yè)自動化領域對通信的實時性要求。因此以太網一直被認為不適合在底層工業(yè)網絡中使用。需要有針對這一問題的切實的解決方案。2、對環(huán)境的適應性與可靠性的問題以太網是按辦公環(huán)境設計的，將它用于工業(yè)控制環(huán)境，其環(huán)境適應能力、抗干擾能力等是許多從事自動化的專業(yè)人士所特別關心的。在產品的設計時要特別注重材質、元器件的選擇。使產品在強度、溫度、濕度、振動、干擾、輻射等環(huán)境參數方面滿足工業(yè)現場的要求。還要考慮到在工業(yè)環(huán)境下的安裝要求，例如采用DIN導軌式安