會計學1ZXQ現場總線技術概述1．《網絡化控制系統——現場總線技術》

陽憲惠清華大學出版社2．《工業數據通信與控制網絡》

陽憲惠清華大學出版社3．《現場總線及其應用技術》

李正軍機械工業出版社4．《現場總線工業控制網絡技術》

夏繼強，刑春香北京航空航天出版社5．《現場總線控制系統的設計和開發》

鄒益仁，馬增良，蒲維國防工業出版社6．《現場總線與工業以太網及其應用系統設計》

李正軍人民郵電出版社參考書：第1頁/共55頁(一)理解現場總線的概念、現場總線系統的特點、基本組成，掌握現場總線系統的構建方法。(二)理解掌握數據通信基礎知識。(三)理解掌握控制網絡基礎知識。(四)掌握現場總線控制系統的設計原則、思路和方法。教學要求：第2頁/共55頁工業數據通信與控制網絡是近年來發展形成的自控領域的網絡技術。是計算機網絡、通信技術與自控技術結合的產物。

現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現，將對該領域的技術發展產生重要影響。工業數據通信系統；生產現場網絡系統；網絡集成式控制系統；是IT技術在自控領域的延伸;自控領域的IT技術。本課程講述數據通信與控制網絡的基礎知識，多種總線的技術特點、通信與網絡規范、通信控制器、通信接口，控制網絡的設計與應用等。第3頁/共55頁第1章現場總線技術概述

主要內容1.1現場總線簡介1.2現場總線系統的特點1.3以現場總線為基礎的企業網絡系統1.4現場總線技術的標準化第4頁/共55頁1.1現場總線簡介控制網絡與現場總線控制網絡與計算機網絡的區別數據通信系統(網絡)傳感器總線、設備總線和現場總線網絡化控制系統早期的現場總線技術全分布式控制系統控制系統對網絡的要求第5頁/共55頁現場總線(Fieldbus)用于連接多個現場測量控制設備、在各現場設備之間傳遞信號的共享傳輸介質現場總線系統指以測量控制設備作為網絡節點，以雙絞線、屏蔽電纜、光纖、無線等傳輸介質為紐帶，把位于生產現場、具備了數字計算和數字通信能力的測量控制設備連接組成的開放式網絡與控制系統。控制網絡與現場總線

第6頁/共55頁控制網絡與現場總線

什么是現場總線技術？IEC規范中對現場總線的描述：現場總線是一種應用于生產現場，在現場控制設備之間、現場設備與監控裝置之間實行雙向、串行、多節點數字通信的技術。控制網絡：由多個分散在生產現場、具有數字通信能力的測量控制儀表作為網絡節點而形成的網絡以現場總線作為通信連接的紐帶完成測量控制任務的網絡系統、控制系統第7頁/共55頁圖1.1簡單控制網絡示意圖第8頁/共55頁控制網絡與計算機網絡的區別網絡節點計算機網絡：計算機、工作站、打印機、顯示終端控制網絡：除了以上設備之外，還有PLC、數字調節器、開關、馬達、變送器、閥門、按鈕等。為內嵌有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

工作環境計算機網絡：辦公室控制網絡：工業生產現場，酷暑嚴寒、粉塵、電磁干擾、震動、易燃易爆環境（本質安全），總線供電的需求

第9頁/共55頁任務計算機網絡：傳輸文件、圖象、話音等。許多情況下有人參與。控制網絡：傳輸工業數據（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據幀包含的字節數少控制網絡是一類特殊的網絡廣泛應用于離散、連續制造業，交通、樓宇、家電、以至農、林、牧、漁等各行各業。第10頁/共55頁工業數據通信系統工業數據通信在測量、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據信息的過程。工業數據通信:多個工業控制設備之間二進制數據的交換過程它區別于電話、電報通信，也有別于計算機通信工業數據通信的內容生產裝置運行參數的測量值、控制量、閥門的工作位置開關狀態、報警狀態設備的資源信息與維護信息、零點量程調校信息系統組態、參數修改信息等

第11頁/共55頁工業數據通信的網絡結構傳統的測量控制系統在設備間一對一的并行連線，即點到點布線傳送模擬信號

現場總線系統：一對導線上可掛接多個傳感器、執行器、開關、按鈕、控制設備等，總線是現場設備之間數字信號的傳輸介質，成為數字信息的公共傳輸通道控制網絡（現場總線系統）按網絡連接方式構建數據通道，實現數字信號的串行傳輸，形成數據通信網絡。工業數據通信網絡的規模三、兩個數據節點的簡單系統成千上萬臺設備的復雜網絡一個汽車組裝生產線可能有多達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

第12頁/共55頁圖1.2基于現場總線的數據通信系統示例溫度變送器監控計算機溫度測量值一組程序現場總線第13頁/共55頁通信設備

發送器（transmitter）數據通信過程中將通信信號發送到傳輸介質（總線）上的發送電路接收器(receiver)數據通信過程中從傳輸介質（總線）上接收通信信號的接收電路收發器(transceiver)將接收器、發送器組合在一起，借助公用的電路元件進行發送和接收信號的電子裝置現場總線系統中的網絡節點一般均作為收發器第14頁/共55頁數據通信設備DCE（DataCommunicationEquipment)將數據轉換為對應的通信信號并發送到傳輸介質上的電路設備，以及把從傳輸介質上接收到的通信信號轉換為數據的電路設備。如調制解調器、電纜驅動器、多路復用輸出器數據終端設備DTE(DataTerminalEquipment)產生數據的數據源設備或數據用戶設備DTE一般與通信信號的調制、編碼無關，也不直接連接在傳輸介質上。通信設備

第15頁/共55頁現場設備(Fieldbusdevice)泛指連接在現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），也具有數據通信的能力（DCE）總線主設備(busmaster)有能力掌管總線通信權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行其主設備的功能總線從設備(busslaver)沒有能力對總線主動發起通信，只能接收總線信號、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

第16頁/共55頁終端器（terminator）在網段兩端連接成對線纜導體的終點，用以防止發生信號反射的電子器件。不同類型現場總線終端器的結構和參數有所區別。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，轉發到輸出端口下游節點的有源設備。中繼器可增加總線的傳輸距離和掛接現場設備節點的數量通信設備

第17頁/共55頁

報文與協議報文（message）泛指通信過程中傳送的信息，包括文本、命令、參數值、圖片、聲音等報文屬于通信系統中的軟件現場總線系統中的報文信息包括原始數據、測控參數值、操作指令等第18頁/共55頁協議(protocol)指一套事先約定好的、共同遵守的規約通信協議（CommunicationProtocol）規定通信報文內容、格式、次序安排、通信何時進行以及通信如何進行等內容的一組規則。參與通信的各方需要根據通信協議控制數據通信過程，理解通信報文中數據的含義總線協議(BusProtocol)總線上的現場設備如何使用總線的一整套規則是一套事先規定的、必須共同遵守的規約報文與協議

第19頁/共55頁圖1.3現場總線數據通信系統示例現場總線第20頁/共55頁傳感器總線、設備總線和現場總線

傳感器總線屬于位(Bit)級總線，其通信幀的長度只有幾個數據位或十幾位如ASI（ActuatorSensorInterface）總線設備總線屬于字節(Byte)級總線，其通信幀的長度一般為幾個到幾十個字節如CAN（ControlAreaNetwork）總線現場總線則屬于塊(Block)級的總線,其通信幀的長度可達到幾百個字節，當要傳輸的數據塊更長時，可支持分包傳送。如FoundationFieldbus、Controlnet、Profibus傳感器總線、設備總線可統稱為現場總線

第21頁/共55頁現場總線網絡化控制系統圖1.4單回路控制系統框圖第22頁/共55頁Network-basedcontrolsystem圖1.5控制系統組成環節之間的網絡連接第23頁/共55頁

網絡化連接

傳統控制系統的一對一連接網絡化連接

圖1.6網絡化控制系統與傳統控制系統的結構比較第24頁/共55頁1.1.5早期的現場總線技術

早期的現場總線（工業電話線），把傳感器、按鈕、執行機構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、接觸器的位置狀態與數值，控制器的輸出用于驅動信號燈、接觸器、開關、調節閥門等。第一個設備層現場總線：上世紀70年代，在PLC出現的同時，Culter-Hammer推出了第一個設備層現場總線系統。早期(80年代)出現至今還在應用的幾種現場總線GeneralElectric的GeniusI/O;Phoenix的Interbus;TURCK的Senseplex;ProcessData的P—NET第25頁/共55頁GeniusI/O

在PLC之間、PLC與人機界面之間傳遞數據信息

令牌總線,采用分支受限制的總線拓撲；網段節點數32個；每個節點的輸入、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頻移鍵控調制信號

第26頁/共55頁Interbus在物理連接方式屬于直線總線，數據傳輸屬于數據環的方式總線最多帶有64個節點,每個節點的輸入、輸出數據為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EIA－485標準采用單總幀結構,數據幀中有效位的比率高第27頁/共55頁Senseplex最初用于德國科隆福特汽車公司機器人的焊接臂上。工作環境靠近電磁場,抗噪聲、抗電磁干擾方面的能力很強，在上述惡劣環境中的工作狀態良好Senseplex系統采用主從結構；連接采用75歐姆同軸電纜；使用FSK頻移鍵控調制信號；采用總線拓撲，支持總線供電和本質安全;節點總數為32/64/120個每個節點的數據輸入、輸出位均為8位。主節點與最遠從節點之間的距離為200米，使用中繼器可使該距離增加至400米。傳輸速度為187K第28頁/共55頁P-Net用于動物飼養系統，奶制品廠，啤酒廠，農業環境控制等可以形成網絡結構較為復雜的系統EIA-485標準，屏蔽雙鉸線傳輸速率為76.8Kbps最大傳輸距離為1200m每段最多可以連接125個設備。每幀數據為56位當數據大于56位時P-Net采用分段結構的多主網絡系統,網絡中可以連接多至32個主節點。第29頁/共55頁圖1.7P-Net多主網絡系統

第30頁/共55頁小結從早期總線技術可以看出工業數據通信與控制網絡的特點。它在網絡結構、節點種類、通信幀的長度、所處的工作環境、各種通信技術參數、需要考慮解決的問題等方面，都具有區別于話音通信、計算機通信系統的顯著特征。早期總線技術的缺點大多是專有通信技術，自成系統，不具備開放性。不同生產廠商的產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有公開統一的技術規范多個芯片制造商：Motorola、Intel、Philips、Hitachi開放性促進了該技術的發展與推廣應用

第31頁/共55頁新型控制系統結構—

網絡化控制系統

控制系統的結構變遷

基地式氣動儀表控制系統電動單元組合式模擬儀表控制系統集中式數字控制系統集散控制系統DCS網絡化現場控制系統FCS第32頁/共55頁網絡化控制系統的特點

結構上形成設備的網絡式連接節省大量線纜、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場控制設備無需增設新的電纜實現了工業數據的網絡式遠程傳輸與集中管理，擴大了操作人員的視野，為遠程監視與操作提供了基礎條件無人值守機站將控制功能模塊置入現場設備，實現了全分布式控制系統支持總線供電為自動化系統與其它信息系統的溝通，為實現企業的管理控制一體化創造了條件第33頁/共55頁網絡集成式控制系統第34頁/共55頁擴大了操作視野傳統4-20mA只能看到

I/O子系統現場總線視野可以擴展到現場儀表控制器控制系統網絡現場總線遠程輸入/輸出子系統控制器控制系統網絡第35頁/共55頁網絡化、全分布式控制系統第36頁/共55頁控制系統對網絡的要求

開放性、互可操作性、通信的實時性、對環境的適應性

開放性：通信協議公開，能與任一遵守相同標準的其它廠商設備互連為系統互可操作性：互連設備間的信息傳送與溝通；互用：不同生產廠家性能類似的設備可實現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絡節點間的動作時序，甚至會造成災難性的后果。環境適應性在高溫、嚴寒、粉塵等惡劣環境下能正常工作，能抗震動、抗電磁干擾、在易燃易爆環境下能保證本質安全，有能力支持總線供電等

第37頁/共55頁1.2現場總線系統的特點總線式連接－－結構特點開放性互可操作性通信的確定性與實時性環境適應性數字與智能化（現場設備的智能與功能自治性）技術特點第38頁/共55頁控制網絡在企業網絡系統中的地位與作用控制網絡面臨的問題控制網絡與上層網絡的連接方式1.3以現場總線為基礎的企業網絡系統第39頁/共55頁控制網絡在企業網絡系統中的地位與作用

企業網絡系統的層次結構Internet-Intranet-Infranet的網絡結構互聯網－企業內部互聯網－底層控制網

功能層次企業資源規劃層ERP（EnterpriseResourcePlanning）制造執行層MES（ManufacturingExecutionSystem）現場控制層FCS（FieldControlSystem）信息類型：運行參數的測量值、控制量、閥門的工作位置、開關狀態、報警狀態、設備的資源與維護信息、系統組態、參數修改、零點量程調校信息等。

第40頁/共55頁圖1.8以現場總線為基礎的企業網絡系統示意圖第41頁/共55頁企業網絡系統的層次結構第42頁/共55頁圖1.9企業網絡系統各功能層次

信息傳遞示意圖第43頁/共55頁現場控制層面臨的問題控制網絡種類繁多，形形色色的現場總線再加上DCS、PLC、SCADA等網絡內部的通信一致性差，個異性強控制網絡與信息網絡存在較大差異通信協議，網絡節點類型等有較大差異控制網絡與信息網絡實現信息交換有難度實時性、環境適應性方面還面臨許多問題需要解決第44頁/共55頁控制網絡與上層網絡的連接方式

采用專用網關完成不同通信協議的轉換，把控制網段或DCS連接到以太網上將現場總線網卡和以太網卡都置入工業PC機的PCI插槽內，在PC機內完成數據交換。實現控制網段與上層網絡的連接將WEB服務器直接置入PLC或現場控制設備內，借助WEB服務器和通用瀏覽工具，實現數據信息的動態交互

第45頁/共55頁通過網關連接控制網段與上層網絡

第46頁/共55頁采用PCI卡連接控制網段與上層網絡

第47頁/共55頁1.4現場總線技術的標準化現場總線的百花齊放與興盛發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形成了各式各樣的企業、國家、地區、及國際現場總線標準第48頁/共55頁1.4現場總線技術的標準化現場總線組織現場總線基金會（FieldbusFoundation）LonMark協會,Profibus協會，工業以太網協會IEA（IndustrialEthernetAssociation），工業自動化開放網絡聯盟IAONA（IndustrialAutomationOpenNetworkAlliance）SocietyofAutomotiveEngineersInc.（SAE）第49頁/共55頁現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數據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場總線標準，于1993年制定了IEC61158-2歷經波及全球的現場總線標準大戰，16年的艱難歷程后，于2000年初宣布8種現場總線共同構成IEC現場總線國際標準子集IEC6115