工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用及實踐 課件 項目1-任務(wù)1.1-工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)-任務(wù)1.2-現(xiàn)場總線

1任務(wù)1-工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)任務(wù)2-現(xiàn)場總線技術(shù)認知任務(wù)3-現(xiàn)場總線通信技術(shù)認知項目1-工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)認知2項目1-工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)認知任務(wù)1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)1.1工業(yè)控制系統(tǒng)與控制網(wǎng)絡(luò)1.2工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程及特點1.3常見工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)3工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是指安裝在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的一種全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，是應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的計算機網(wǎng)絡(luò)。由分散在不同空間位置的智能化儀器儀表、控制器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備組成的通信網(wǎng)絡(luò)，解決現(xiàn)場設(shè)備之間的數(shù)字通信以及現(xiàn)場設(shè)備和上一級控制系統(tǒng)之間的通信問題，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場自動化控制任務(wù)。具體的說是在一個企業(yè)范圍內(nèi)將信號檢測、數(shù)據(jù)傳輸、處理、存儲、計算、控制等設(shè)備或系統(tǒng)連接在一起，以實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的資源共享、信息管理、過程控制、經(jīng)營決策，并能夠訪問企業(yè)外部資源和提供限制性外部訪問，使得企業(yè)的生產(chǎn)、管理和經(jīng)營能夠高效地協(xié)調(diào)動作，從而實現(xiàn)企業(yè)集成管理和控制的一種網(wǎng)絡(luò)。項目1-工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)認知4項目1-工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)認知5項目1-工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)認知6項目1-工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)認知7項目1-工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)認知8項目1-工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)認知9項目1-工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)認知10工業(yè)以太網(wǎng)項目1-工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)認知112.1現(xiàn)場總線的認知2.2現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)2.3現(xiàn)場總線的特點2.4現(xiàn)場總線的本質(zhì)2.5現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀2.6

常用現(xiàn)場總線任務(wù)2現(xiàn)場總線技術(shù)認知項目1-工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)認知12任務(wù)2現(xiàn)場總線技術(shù)認知項目1-工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)認知132.1

現(xiàn)場總線的認知---定義現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點、多站的通信網(wǎng)絡(luò)。IEC對現(xiàn)場總線的定義

現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術(shù)。142.1現(xiàn)場總線的認知---產(chǎn)生

---控制系統(tǒng)的發(fā)展第一代：氣動信號控制系統(tǒng)(50年代之前)

信號采用0.02～0.1MPa的氣動信號標準。各測控儀表自成體系，既不能與其他儀表或系統(tǒng)連接，也不能與外界進行信息溝通，操作人員只能通過現(xiàn)場巡視來了解生產(chǎn)情況。15第二代：電動模擬信號控制系統(tǒng)(50年代至今)，4－20mA的模擬量標準信號。

通過模擬量信號將生產(chǎn)現(xiàn)場的運行參數(shù)與信息傳送到集中控制室，操作人員可在控制室內(nèi)了解現(xiàn)場生產(chǎn)情況，并實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的操作和控制。上個世紀六七十年代占據(jù)主導(dǎo)地位，但存在著模擬信號精度低、易受干擾等缺點。2.1現(xiàn)場總線的認知---產(chǎn)生

---控制系統(tǒng)的發(fā)展16第三代：計算機集中控制系統(tǒng)（DDC)(70年代)

DDC是

DirectDigitalControl簡稱，直接數(shù)字控制系統(tǒng)，計算機通過模擬量輸入通道(AI)和開關(guān)量輸入通道(DI)采集實時數(shù)據(jù)，然后按照一定的規(guī)律進行計算，最后發(fā)出控制信號，并通過模擬量輸出通道(AO)和開關(guān)量輸出通道(DO)直接控制生產(chǎn)過。2.1現(xiàn)場總線的認知---產(chǎn)生

---控制系統(tǒng)的發(fā)展17第四代：DCS控制系統(tǒng)(80年代)DCS是DistributedControlSystem，分布式控制系統(tǒng)，

國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)(DCS)于上個世紀八、九十年代占據(jù)主導(dǎo)地位，是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機控制系統(tǒng)，

核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機用于集中監(jiān)視管理功能，下位機分散下放到現(xiàn)場實現(xiàn)分布式控制，上/下位機通過控制網(wǎng)絡(luò)互相連接以實現(xiàn)相互之間的信息傳遞。2.1現(xiàn)場總線的認知---產(chǎn)生

---控制系統(tǒng)的發(fā)展18第五代：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)2.1現(xiàn)場總線的認知---產(chǎn)生

---控制系統(tǒng)的發(fā)展IEC和現(xiàn)場總線基金會FF（FieidbusFoundation）的定義:現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)。也就是說基于現(xiàn)場總線的系統(tǒng)是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，用總線相連實現(xiàn)信息的相互交換，使得不同網(wǎng)絡(luò)、不同現(xiàn)場設(shè)備之間可以信息共享，現(xiàn)場設(shè)備的各種運行參數(shù)狀態(tài)信息以及故障信息等通過總線傳送到遠離現(xiàn)場的控制中心而控制中心又可以將各種控制維護組態(tài)命令送往相關(guān)的設(shè)備從而建立起了具有自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)。簡單說，現(xiàn)場總線就是以數(shù)字通信替代了傳統(tǒng)4-20mA模擬信號及普通開關(guān)量信號的傳輸，是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。FCS（FieldBusContorlSyestem），現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)19第五代：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)2.1現(xiàn)場總線的認知---產(chǎn)生

---控制系統(tǒng)的發(fā)展FCS是第五代過程控制系統(tǒng)，是由PLC、DCS發(fā)展而來的。FCS與PLC及DCS之間有聯(lián)系，又有本質(zhì)的區(qū)別。PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的特點、性能和差異的分析。202.2現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)任務(wù)2現(xiàn)場總線技術(shù)認知項目1-工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)認知1.ISO/OSI模型

為了實現(xiàn)不同設(shè)備之間的互聯(lián)與通信，1978年國際標準化組織ISO(InternationalOrganizationforStandardization)提出了一個試圖使各種計算機在世界范圍內(nèi)互聯(lián)為網(wǎng)絡(luò)的標準框架，即開放式通信系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI(OpenSystemInterconnection)1983年其成為正式國際標準(ISO7498)。212.2現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)任務(wù)2現(xiàn)場總線技術(shù)認知項目1-工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)認知7應(yīng)用層6表示層5會話層4傳輸層3網(wǎng)絡(luò)層2數(shù)據(jù)鏈路層1物理層OSI參考模型如圖所示，該模型將計算機網(wǎng)絡(luò)的通信過程分為7個層次，規(guī)定了每一層的功能以及對上一層所提供的服務(wù)。OSI參考模型1.ISO/OSI模型222.2現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)任務(wù)2現(xiàn)場總線技術(shù)認知項目1-工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)認知序號層名英文名接口要求工作任務(wù)第一層物理層Physicallayer物理接口定義比特流傳輸?shù)诙訑?shù)據(jù)鏈路層DataLink介質(zhì)訪問方案成幀、糾錯第三層網(wǎng)絡(luò)層Network路由器選擇選線、尋址第四層傳輸層Transport數(shù)據(jù)傳輸收發(fā)數(shù)據(jù)第五層會話層Session對話結(jié)構(gòu)同步第六層表示層Presentation數(shù)據(jù)表達編譯第七層應(yīng)用層Applicstion應(yīng)用操作協(xié)調(diào)、管理1.ISO/OSI模型232.2現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)任務(wù)2現(xiàn)場總線技術(shù)認知項目1-工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)認知2.現(xiàn)場總線通信模型

現(xiàn)場總線是工業(yè)控制現(xiàn)場的底層網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場存在大量的傳感器、控制器、執(zhí)行器等設(shè)備，并被零散地分布在一個較大的工作范圍內(nèi)。由這些設(shè)備組成的工業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò)，某個節(jié)點面向控制的信息量并不大，信息傳輸?shù)娜蝿?wù)也相對比較簡單，但系統(tǒng)對實時性、快速性的要求較高。對于這樣的控制系統(tǒng)要構(gòu)成開放式的互聯(lián)系統(tǒng)，需要考慮以下幾個重要問題：

1）采用什么樣的通信模型合適？是采用ISO/OSI的完全模型還是在此基礎(chǔ)上做進一步的簡化？

2）采用什么樣的協(xié)議合適？是否需要實現(xiàn)OSI的全部功能？

3）所選擇的通信模型能適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境要求和系統(tǒng)性能要求嗎？

242.2現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)任務(wù)2現(xiàn)場總線技術(shù)認知項目1-工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)認知8用戶層7應(yīng)用層6未使用5432數(shù)據(jù)鏈路層1物理層現(xiàn)場總線系統(tǒng)為了滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的實時性和快速性要求，也為了實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的低成本，對ISO/OSI參考模型進行了簡化和優(yōu)化，除去了實時性不高的中間層，增加了用戶層，構(gòu)成了現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)模型2.現(xiàn)場總線通信模型25現(xiàn)場總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，具有以下特點：（1）系統(tǒng)的開放性

現(xiàn)場總線致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。用戶可根據(jù)自己的需要，通過現(xiàn)場總線把來自不同廠商的產(chǎn)品組成大小隨意的開放互連系統(tǒng)。（2）互操作性與互用性

互操作性是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實現(xiàn)相互替換。（3）現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性

它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性

現(xiàn)場總線構(gòu)成一種新的全分散式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，從根本上改變了集中與分散相結(jié)合的DCS體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。（5）對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性

現(xiàn)場總線是專為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計的，支持各種通信介質(zhì)，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。2.3現(xiàn)場總線技術(shù)的特點

26由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。現(xiàn)場總線的優(yōu)點如下：（1）節(jié)省硬件數(shù)量與投資

由于分散在現(xiàn)場的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、測量、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的調(diào)節(jié)器、計算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，并可減少控制室的占地面積。2.3現(xiàn)場總線技術(shù)的特點--優(yōu)勢

27（2）節(jié)省安裝費用

現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時，無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，又減少了設(shè)計、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗工程的測算資料表明，可節(jié)約安裝費用60％以上。2.3現(xiàn)場總線技術(shù)的特點--優(yōu)勢

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（3）節(jié)省維護開銷

現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通信將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護停工時間，同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，連線簡單而減少了維護工作量。2.3現(xiàn)場總線技術(shù)的特點--優(yōu)勢

29（4）用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)

用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品而限制了使用設(shè)備的選擇范圍，不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過程中的主動權(quán)牢牢掌握在用戶手中。（5）提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性

現(xiàn)場設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差。簡化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場設(shè)備內(nèi)部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于它的設(shè)備標準化，功能模塊化，因而還具有設(shè)計簡單，易于重構(gòu)等優(yōu)點。（4）用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)

用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品而限制了使用設(shè)備的選擇范圍，不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過程中的主動權(quán)牢牢掌握在用戶手中。2.3現(xiàn)場總線技術(shù)的特點--優(yōu)勢

30（4）用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)

用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品而限制了使用設(shè)備的選擇范圍，不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過程中的主動權(quán)牢牢掌握在用戶手中。（5）提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性

現(xiàn)場設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差。簡化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場設(shè)備內(nèi)部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于它的設(shè)備標準化，功能模塊化，因而還具有設(shè)計簡單，易于重構(gòu)等優(yōu)點。

（5）提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性

現(xiàn)場設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差。簡化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場設(shè)備內(nèi)部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于它的設(shè)備標準化，功能模塊化，因而還具有設(shè)計簡單，易于重構(gòu)等優(yōu)點。。2.3現(xiàn)場總線技術(shù)的特點--優(yōu)勢

311）現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)

用于過程及制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的通信網(wǎng)絡(luò)。2）現(xiàn)場設(shè)備互連

現(xiàn)場設(shè)備或儀表指傳感器、變送器和執(zhí)行器等。這些設(shè)備通過一對傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等。3）互操作性

對不同廠商不同品牌的現(xiàn)場設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需要的控制回路，并且具備相互操作的功能。2.4現(xiàn)場總線的本質(zhì)32

4）分散功能塊

把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。 例如：流量變送器不僅具有流量信號變換、補償和累加輸入模塊，而且有PID控制和運算功能塊。調(diào)節(jié)閥的基本功能是信號驅(qū)動和執(zhí)行，還內(nèi)含輸出特性補償模塊，或PID控制和運算模塊，甚至閥門特性自檢驗和自診斷功能。2.4現(xiàn)場總線的本質(zhì)335）通信線供電

總線傳輸信息時能給設(shè)備供電。應(yīng)用環(huán)境：要求本征安全的低功耗現(xiàn)場儀表，可采用這種供電方式。2.4現(xiàn)場總線的本質(zhì)6）開放式互連網(wǎng)絡(luò)

既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可以與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，還可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享。342.5現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀-