工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 課件 01 現(xiàn)場總線的產(chǎn)生與發(fā)展

現(xiàn)場總線的產(chǎn)生與發(fā)展一、現(xiàn)場總線的概念二、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生背景三、現(xiàn)場總線的發(fā)展五、現(xiàn)場總線的各種標(biāo)準(zhǔn)四、現(xiàn)場總線的特點(diǎn)及未來趨勢一、現(xiàn)場總線的概念在工業(yè)4.0時代，各種通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展為企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化和自動化帶來了諸多可能。尤其是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)中，需要通過車間現(xiàn)場各類通信方式接入不同設(shè)備、系統(tǒng)和產(chǎn)品，采集并上傳海量數(shù)據(jù)。目前，在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域，車間現(xiàn)場應(yīng)用最廣泛的技術(shù)是工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)?，F(xiàn)場總線(Fieldbus)是近年來在工業(yè)領(lǐng)域中迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)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?，F(xiàn)場總線具有簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等顯著優(yōu)點(diǎn)。一、現(xiàn)場總線的概念現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線?，F(xiàn)場總線是自動化領(lǐng)域中的底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，連接最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備，以及自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。現(xiàn)場總線以數(shù)字通信替代了傳統(tǒng)42omA模擬信號及普通開關(guān)量信號的傳輸，并遵循ISO/OSI參考模型的全部或部分通信協(xié)議。OSI(OpenSystemInterconnect,開放系統(tǒng)互聯(lián)）參考模型是ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）和CCITT（國際電報電話咨詢委員會）聯(lián)合制定的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型，為開放式互聯(lián)信息系統(tǒng)提供了—種功能結(jié)構(gòu)的框架，從低到高分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層。一、現(xiàn)場總線的概念可以通過以下兩點(diǎn)理解現(xiàn)場總線：第—，根據(jù)工廠自動化信息網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)（工廠管理級、車間監(jiān)控級、現(xiàn)場設(shè)備級），可知現(xiàn)場總線位千生產(chǎn)控制和網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)底層，是工廠底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)。工廠底層應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)的好處在于可以實(shí)現(xiàn)工廠信息縱向集成的透明通信，即從管理層到自動化底層的數(shù)據(jù)存取。第二，如圖1所示的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基千ISO/OSI7層參考模型搭建，根據(jù)應(yīng)用需求，該結(jié)構(gòu)可以簡化。需要指出的是，在實(shí)際應(yīng)用中，該模型只是一個參考模型，不同種類的現(xiàn)場總線協(xié)議棧有較大的區(qū)別，通常會對該模型進(jìn)行簡化，以獲得更低的通信延遲和更快的速度，從而更有利千實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線的實(shí)時特性。二、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生背景現(xiàn)場總線大致出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代末到90年代初，當(dāng)時，隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，工廠的設(shè)備有了互聯(lián)的需求（此階段的互聯(lián)需求主要定位千遠(yuǎn)程的1/0數(shù)據(jù)傳輸，以及生產(chǎn)線內(nèi)部不同設(shè)備的數(shù)據(jù)交換）。企業(yè)希望通過綜合掌握多點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)與信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)信息的操作控制。但受制于當(dāng)時的技術(shù)水平，每個廠商的產(chǎn)品都自成體系，不同廠商的設(shè)備之間不能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，想實(shí)現(xiàn)更大范圍信息共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還存在很多困難。圖1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二、現(xiàn)場總線的產(chǎn)生背景隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，并結(jié)合各種應(yīng)用場景的實(shí)際需求，涌現(xiàn)出了許多具有代表性的現(xiàn)場總線技術(shù)，如基金會現(xiàn)場恁線(FoundationFieldbus,FF)、LonWorks現(xiàn)場總線、HART現(xiàn)場總線、CAN現(xiàn)場總線、DeviceNet現(xiàn)場急線、PROFIBUS現(xiàn)場總線、lnterbus現(xiàn)場總線、WorldFIP現(xiàn)場總線、CC-Link現(xiàn)場總線等。這些現(xiàn)場總線各具特點(diǎn)并擁有各自特定的應(yīng)用范圍。由于現(xiàn)場急線種類繁多，通信協(xié)議也干差萬別，因此至今現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)也未能統(tǒng)—，最終形成各種現(xiàn)場總線內(nèi)容相對獨(dú)立的IEC61158標(biāo)準(zhǔn)。三、現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)場總線是一種用于工業(yè)自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它允許現(xiàn)場設(shè)備（如傳感器、執(zhí)行器和控制器）之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信。以下列出現(xiàn)場總線發(fā)展歷史中的一些關(guān)鍵里程碑：1.20世紀(jì)80年代：最早的現(xiàn)場急線概念開始出現(xiàn)。2.20世紀(jì)90年代：現(xiàn)場總線技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。一些重要的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)（如FF和DeviceNet)開始出現(xiàn)。3.21世紀(jì)00年代：寬帶技術(shù)的快速發(fā)展為現(xiàn)場總線的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)處理標(biāo)準(zhǔn)（如Ethernet/IP和PROFINET)的出現(xiàn)將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)帶入自動化領(lǐng)域。4.21世紀(jì)10年代至今：現(xiàn)場總線技術(shù)不斷演進(jìn)和發(fā)展。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越廣泛，實(shí)時網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)（如EtherCAT和POWERLINK)也得到了推廣和采用。隨著時間的推移，現(xiàn)場恁線技術(shù)不斷改進(jìn)，提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速度＼更強(qiáng)的可靠性和更靈活的配置選項(xiàng)。它已成為工業(yè)自動化系統(tǒng)中的重要組成部分，為設(shè)備之間的通信和數(shù)據(jù)交換提供了可靠的解決方案。四、現(xiàn)場總線的特點(diǎn)及未來趨勢1.多種標(biāo)準(zhǔn)共存：現(xiàn)場總線有多種不同的標(biāo)準(zhǔn)，如PROFIBUS、Modbus、FF、DeviceNet等。這些標(biāo)準(zhǔn)大多都有其特定的優(yōu)勢和適用范圍，可以根據(jù)應(yīng)用需求選擇適合的標(biāo)準(zhǔn)。2.標(biāo)準(zhǔn)化：隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的普及，標(biāo)準(zhǔn)化的需求逐漸增加。國際電工委員會(IEC)等標(biāo)準(zhǔn)化組織開始制定現(xiàn)場總線安全標(biāo)準(zhǔn)，如IEC61158和IEC61784系列。3.可靠性和功能增強(qiáng)：現(xiàn)場總線系統(tǒng)通常具有高可靠性，以確保在故障清況下仍能保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行?？偩€設(shè)計可以提供備用通信路徑，以防止單點(diǎn)故障導(dǎo)致整個系統(tǒng)故障。同時，現(xiàn)場總線系統(tǒng)增加了更多安全協(xié)議功能，如支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更復(fù)雜的控制算法、更強(qiáng)大的診斷和監(jiān)測功能等。四、現(xiàn)場總線的特點(diǎn)及未來趨勢4.開放性和互操作性：現(xiàn)場總線的開放性和互操作性是關(guān)鍵因素。許多現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)都是開放的，通過標(biāo)準(zhǔn)化接口和協(xié)議，不同廠商的設(shè)備可以更容易地進(jìn)行集成和交互。這種開放性使得用戶可以選擇最適合其需求的設(shè)備和解決方案。5.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌含F(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)—直在不斷變化。最初的現(xiàn)場急線網(wǎng)格拓?fù)涫腔е鲝慕Y(jié)構(gòu)的，后來發(fā)展催生了更靈活的分布式控制系統(tǒng)(DCS)和控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)等。6.接地化：隨著接地技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，現(xiàn)場總線也開始向以太網(wǎng)方向發(fā)展。Ethernet/IP和PROFINET等協(xié)議成為現(xiàn)場總線領(lǐng)域的重要趨勢，提供更高的帶寬和更廣泛的應(yīng)用支持?？傮w來說，現(xiàn)場總線在工業(yè)自動化中扮演著重要的角色?，F(xiàn)場總線技術(shù)在過去幾十年中取得了顯著的發(fā)展，為設(shè)備之間的通信和控制提供了可靠的解決方案。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)場總線系統(tǒng)將不斷演進(jìn)和改進(jìn)，以滿足不斷變化的工業(yè)需求。五、現(xiàn)場總線的各種標(biāo)準(zhǔn)常見的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)有以下幾個：1.PROFIBUS：這是一種廣泛應(yīng)用千工業(yè)自動化領(lǐng)域的現(xiàn)場急線標(biāo)準(zhǔn)。2.Modbus:這是一種通用的串行通信協(xié)議，用于連接現(xiàn)場設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和自動化領(lǐng)域。3.DeviceNet:這是一種基于CAN總線的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，用千連接和控制工業(yè)設(shè)備，主要應(yīng)用千機(jī)械和