现场总线技术课件

现场总线技术综述 现场总线（Fieldbus）:是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。企业资源规划层制造执行层过程控制层一、企业网络信息集成系统一、企业网络信息集成系统系统设备室系统设备室监控室监控室厂房厂房在家或在家或在路上在路上办公室办公室r（图1-2）现场总线与上层网络的互联采用专用网关将现场总线网卡和以太网卡置入同一台PCWEB服务器置入PLC或现场控制设备内现场总线与局域网的区别现场总线主要用于对生产、生活设备的控制；一般局域网用于办公、多媒体通信不同技术特点：控制网，高度实时性、安全性、可靠性，数据传输量小；局域网相反现场总线为全数字通信，具有开放式、全分布、互操作等特点具有越来越紧密联系 80年代末、年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点：具有一定的时间确定性和较高的实容错能力强、安全性好、成本低的特点：具有一定的时间确定性和较高的实时性要求时性要求,还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色数据通信网的特色 二、现场总线的技术特点 一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把420mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。其中有较强实力和影响的有:Foundation Fieldbus（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势。本课程将在简要描述现场总线技术特点的基础，紧扣系统的可靠性、实用性等，介绍现场总线网络结构、体系结构等关键技术及目前较为流行的几种有实力的现场总线技术的现状。1、系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。2、互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。3、现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。4、系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。5、对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。1、节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。2、节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60%以上。3、节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。4、用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。5、提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强：减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。回顾现场总线？Fieldbus 是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。企业网络信息集成系统企业资源规划层、制造执行层、过程控制层现场总线与局域网的区别1、应用环境不同2、不同技术特点现场总线与上层网络的互联1、2、3、系统设备室系统设备室监控室监控室厂房厂房在家或在家或在路上在路上办公室办公室回顾80年代末、年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。控制管理层次之间的联系。第五代控制系统（第五代控制系统（1、2、3、4、5）现场总线技术特点现场总线技术特点1、系统的开放性、系统的开放性2、互可操作性与互用性、互可操作性与互用性3、现场设备的智能化与功、现场设备的智能化与功能自治性能自治性4、系统结构的高度分散性、系统结构的高度分散性5、对现场环境的适应性、对现场环境的适应性优点：优点：1、节省硬件数量与投资、节省硬件数量与投资2、节省安装费用、节省安装费用3、节省维护开销、节省维护开销4、用户具、用户具有高度的系统集成主动权有高度的系统集成主动权5、提高了系统的准确性与可靠性、提高了系统的准确性与可靠性三、现场总线网络的实现现场总线的基础是数字通信，通信则必须有协议，从这个意义上说，现场总线就是一个定义了硬件借口和通信协议的标准。ISO OSI：7层现场总线多数采用了1、2、7层，并增设用户层。现场总线网络的实现1、物理层：定义信号的编码与传送方式、传送介质、接口的电气及机械特性、信号传输速率等。2、数据链路层：加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络上层显现出一条无错线路。3、应用层：为用户应用提供接口，功能是进行现场设备数据的传送及现场总线变量的访问。4、用户层：定义了从现场装置中读、写信息和向网络中其他装置分派信息的方法，即规定了供用户组态的标准“功能模块”（特性描述、参数设定、相互连接的方法一致）。四、现场总线的现状四、现场总线的现状四、现场总线的现状四、现场总线的现状1、多种总线共存现场总线国际标准IEC61158中采用了8种类型：FF的H1；ControlNet;ProfiBus;P-Net;FF的HSE;SwiftNet;WorldFIP;INTERBUS四、现场总线的现状四、现场总线的现状四、现场总线的现状四、现场总线的现状市场还有其他一些现场总线。据统计世界市场对各种现场总线的需求的实际额为：过程自动化15%（FF、PROFIBUS-PA、WorldFIP），医药领域18%（FF、PROFIBUS-PA、WorldFIP），加工制造15%，交通运输15%（PROFIBUS-DP、DeviceNet），航空、国防34%（PROFIBUS-FMS、LonWorks、DeviceNet、ControlNet），农业（未统计，P-NET、CAN、PROFIBUS-PA/DP、DeviceNet、ControlNet），楼宇（未统计，LonWorks、PROFIBUS-PA/DP、DeviceNet）2、各种总线各有其应用领域3、各种总线各有其国际组织4、每种总线均有其支持背景5、设备制造商参加多个总线组织6、多种总线均作为国家和地区标准7、协调共存8、工业以太网引入工业领域五、现场总线技术展望与发展趋势 1、发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程。2、具有发展前景的现场总线技术有：智能仪表与网络设备开发的软硬件技术;组态技术，包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等;网络管理技术（网络管理软件、网络数据操作与传输）;人机接口、软件技术;现场总线系统集成技术。3、自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前，这一发展趋势是肯定的。4、在从现在起的未来 10年内，可能出现几大总线标准共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。5、在连续过程自动化领域内，今后10年内，FF、PROFIBUS-PA总线将成为主流发展趋势，LonWorks将成为有力的竞争对手，HART作为过渡性产品也能有一定的市场。这3种技术是从这一领域的工业需求出发，其用户层的各种功能是专业连续过程设计的，而且充分考虑到连续工业的使用环境，如支持总线供电，可满足本质安全防爆要求等。四、典型现场总线简介 1、基金会现场总线 基金会现场总线，即FoudationFieldbus,简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fisher-Rousemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议。屈于用户的压力，这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为 31.25Kbps,通信距离可达 1900m(可加中继器延长),可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率为 1Mbps和 2.5Mbps两种，其通信距离为750m和500m。物理传输介质可支持比绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变，或是负跳变。正跳变代表0，负跳变代表1，从而使串行数据位流中具有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。接收方既可根据跳变的极性来判断数据的“1”、“0”状态，也可根据数据的中心位置精确定位。为满足用户需要，Honeywell、Ronan等公司已开发出可完成物理层和部分数据链路层协议的专用芯片，许多仪表公司已开发出符合FF协议的产品，1总线已通过测试和测试，完成了由 13个不同厂商提供设备而组成的FF现场总线工厂试验系统。2总线标准也已经形成。1996年10月，在芝加哥举行的ISA96展览会上，由现场总线基金会组织实施，向世界展示了来自40多家厂商的70多种符合FF协议的产品，并将这些分布在不同楼层展览大厅不同展台上的FF展品，用醒目的橙红色电缆，互连为七段现场总线演示系统，各展台现场设备之间可实地进行现场互操作，展现了基金会现场总线的成就与技术实力。2、CAN CAN是控制网络ControlAreaNetwork的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有3层，只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达 1Mbps/40m，直接传输距离最远可达 1 0km/5kbps，可挂接设备最多可达 110个。CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主方式工作，网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。已有多家公司开发生产了符合CAN协议的通信芯片，如Intel公司的 82 52 7，Motorola公司MC68HC908AZ60Z，Philips公司的 SJA1000等。还有插在PC机上的CAN总线接口卡，具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。3、DeviceNetDevicenet是90年代中期发展起来的一种基于CAN（Controller Area Network）技术的通信网络，最初由美国Rockwell公司开发应用。Devicenet是一种低成本的通讯总线。它将工业设备（如：限位开关，光电传感器，阀组，马达启动器，过程传感器，条形码读取器，变频驱动器，面板显示器和操作员接口）连接到网络，从而消除了昂贵的 硬接线成本。直接互连性改善了设备间的通讯，并同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。DeviceNetDevicenet是一个开放的网络标准。规范和协议都是开放的，供货商将设备连接到系统时，无需为硬件，软件或授权付费。任何对DeviceNet技术感兴趣的组织或个人都可以从开放式DeciceNet供货商协会（ODVA）获得DeviceNet规范，并可以加入ODVA，参加对DeviceNet规范进行增补的技术工作组。Devicenet的许多特性沿袭于CAN 4、Lon Works LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国Ecelon公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，通讯速率从300bps至1.5Mbps不等，直接通信距离可达到2700m（78kbps，双绞线），支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为通用控制网络。LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的芯片中并得以实现。集成芯片中有3个8位CPU；一个用于完成开放互连模型中第 1 2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理;第二个用于完成第36层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等;第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。如Motorola公司生产的神经元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM。LonWorks技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本（每片价格约 59美元)，而芯片的低成本又返过来促进了LonWorks技术的推广应，形成了良好循环，据Ecelon公司的有关资料，到1996年7月，已生产出 500万片神经元芯片。LonWorks公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonWorks技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技术：1000多家公司已经推出了LonWorks产品，并进一步组织起LonWork互操作协会，开发推广LonWorks技术与产品。它被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。为支持LonWorks与其它协议和网络之间的互连与互操作，该公司正在开发各种网关，以便将LonWorks与以太网、FF、Modbus、DeviceNet、Profibus、Serplex等互连为系统。另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，LonWorks神经元芯片也具有独特的优势。LonWorks技术已经被美国暖通工程师协会ASRE定为建筑自动化协议BACnet的一个标准。根据刚刚收到的消息，美国消费电子制造商协会已经通过决议，以LonWorks技术为基础制定了EIA-709标准。这样，LonWorks已经建立了一套从协议开发、芯片设计、芯片制造、控制模块开发制造、OEM控制产品、最终控制产品、分销、系统集成等一系列完整的开发、制造、推广、应用体系结构，吸引了数万家企业参与到这项工作中来，这对于一种技术的推广、应用有很大的促进作用。回顾ISO OSI：7层1、2、7层，并增设用户层。现场总线现状:12345678现场总线国际标准IEC61158：FF的H1；ControlNet;ProfiBus;P-Net;FF的HSE;SwiftNet;WorldFIP;INTERBUS回顾：典型现场总线简介回顾：典型现场总线简介回顾：典型现场总线简介回顾：典型现场总线简介FF:基金会现场总线，即基金会现场总线，即FoudationFieldbusISP+WordFIP物理层、数据链路层、应用层、用户层。物理层、数据链路层、应用层、用户层。H1：31.25Kbps,1900m，可支持总线供电，可支持本质安全，可支持总线供电，可支持本质安全H2：1Mbps/2.5Mbps，750m/500m，传输信号采用曼彻斯特，传输信号采用曼彻斯特编码，编码，CAN：控制网络：控制网络ControlAreaNetwork最早应用于汽车行业，现广泛应用在离散控制领域最早应用于汽车行业，现广泛应用在离散控制领域物理层、数据链路层、应用层物理层、数据链路层、应用层1Mbps/40m，最远可达，最远可达 1 0km/5kbps，可挂接设备最多可达，可挂接设备最多可达 110个个短帧结构，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力，支持短帧结构，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力，支持多主方式多主方式通信芯片通信芯片回顾：典型现场总线简介回顾：典型现场总线简介回顾：典型现场总线简介回顾：典型现场总线简介DeviceNet：基于CAN它将工业设备限位开关，光电传感器，阀组，马达启动器，过程传感器，条形码读取器，变频驱动器，面板显示器等设备级诊断功能LonWorks：Ecelon公司层结构从300bps至1.5Mbps，直接通信距离可达到2700m（78kbps，双绞线）支持本安防爆LonTalk协议，Neuron芯片，3个8位CPU，媒体访问控制处理器网络处理器应用处理器美国暖通工程师协会ASRE定为建筑自动化协议BACnet的一个标准。美国消费电子制造商协会：EIA-709标准。5、Profibus Profibus是作为德国国家标准是作为德国国家标准DIN 19245和欧洲标准和欧洲标准prEN 50170的现场总线。的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模型。由模型也是它的参考模型。由Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA组成了组成了Profibus系列。系列。DP型用于型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化，而一般自动化，而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158-2标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层，由这模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子集，两部分形成了其标准第一部分的子集，DP型隐去了型隐去了37层，而增加层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口，了直接数据连接拟合作为用户接口，FMS型只隐去第型只隐去第36层，采用了层，采用了应用层，作为标准的第二部分。应用层，作为标准的第二部分。PA型的标准目前还处于制定过程之中，型的标准目前还处于制定过程之中，其传输技术遵从其传输技术遵从IEC1158-2(1)标准，可实现总线供电与本质安全防标准，可实现总线供电与本质安全防爆。爆。Porfibus支持主支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。对多主站种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，并事先规定好令牌在各主站中个事先规定的时间内拥有总线控制权，并事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。循环一周的最长时间。按按Profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主从方式，向从站发从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播(不要不要求应答求应答),或有选择地向一组站点广播。或有选择地向一组站点广播。Profibus的传输速率为的传输速率为9.6K12Mbps，最大传输距离为，最大传输距离为1200m，1.5Mbps时为时为400m，可用中继器延长至，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接绞线，也可以是光缆，最多可挂接 127个站点。个站点。6、HART HART是Highway Addressable Remote Transduer的缩写。最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。HART通信模型由3层组成:物理层、数据链路层和应用层。物理层采用FSK（Frequency Shift Keying）技术在 420mA模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用Bell202国际标准;数据传输速率为1200bps,逻辑“0”的信号频率为2200Hz，逻辑“1”的信号传输频率为 1200Hz。数据链路层用于按HART通信协议规则建立HART信息格式。其信息构成包括开头码、显示终端与现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等。其数据字节结构为1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位，1个终止位。应用层的作用在于使HART指令付诸实现，即把通信状态转换成相应的信息。它规定了一系列命令;按命令方式工作。它有 3类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备理解、执行的命令;第二类称为一般行为命令，它所提供的功能可以在许多现场设备(尽管不是全部)中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库;第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这3类命令。HART支持点对点主从应答方式和多点广播方式。按应答应方式工作时的数据更新速率为23次/,按广播方式工作时的数据更新速率为 34次/,它还可支持两个通信主设备。总线上可挂设备数多达 15个，每个现场设备可有256个变量，每个信息最大可含4个变量。最大传输距离3000m，HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术，来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本安防爆要求。7、其他INTERBUS：德国Phoenix；汽车、烟草、仓储等行业；1、2、7；INTERBUS CLUBCC-LINK：日本三菱；汽车等行业；符合亚洲人思维；CLPAControlNet:美国Rockwell；交通运输、汽车、冶金、石油化工等行业；控制网国际组织CIWorld FIP、P-Net、SwiftNet、AS-iFF时间分布时间分布确定的通信确定的通信用户层用户层(功能块功能块)控制功能分布到现场设备控制功能分布到现场设备用于互操作的用于互操作的 DD 与与 行规文件行规文件高速数据通信总线为高速数据通信总线为 HSESlow Speed H1High Speed HSELink DeviceSlow Speed H1Foundation Fieldbus PROFIBUS简单、快速通信机制简单、快速通信机制通信冗余支持通信冗余支持(高速高速 DP)用于互操作的用于互操作的 GSD 与行规文件与行规文件FISCO 认证标准用于认证标准用于 IS 标准设计标准设计高速数据总线支持高速数据总线支持RS485 或或 F/O技术技术Slow Speed H1High Speed DPCouplerMCCMelodyEthernetGeneric DiagramPROFIBUS FIELDBUSCAN,DeviceNet,SDS,ASI-bus,Interbus-SFF,PROFIBUS PA,WorldFIP,P-Net,LON,ControlNetFast FF,High speed PROFIBUS,ControlNetTCP IP/EthernetFast FFSensors,simple switches etc.Intelligent field devicesSystems,PLCs,multiplexersPlant/office systems各总线应用层分析各总线应用层分析Foundation Fieldbus 标准标准H1 用于过程自动化仪表用于过程自动化仪表HSE 用于高速通信设备用于高速通信设备Profibus PA&DP 标准标准PA 用于过程自动化仪表用于过程自动化仪表DP 用于高速通信设备用于高速通信设备LonWorks-工厂电气设备工厂电气设备LV MCC(INSUM 2 gateway to DP-MODBUS)MV,HV MCC ABB 过程自动化过程自动化 总线市场定位总线市场定位支持支持.您选择的现场总线协议您选择的现场总线协议统一的编程体系统一的编程体系广泛自由的产品选择广泛自由的产品选择系统全局数据一致性系统全局数据一致性资产优化管理资产优化管理完善的网络结构完善的网络结构Your Your fieldbusfieldbus Vantage Vantage PointPoint 现场总线策略FieldIT 全方位的标准总线智能设备PressureFlowLevelTemperaturePositionersActuatorsValvesControllersRecordersFieldIT-设备总览设备总览HARTPROFIBUS PAPROFIBUS DPFIELDBUSFOUNDATIONTemperature:TF02,202 Temperature:TF12,212Flow:Mag XE/XM,Vortex,Swirl,V/A,Ultra Sonic,MassMeter 1210,TRIOMASSPressure:P-DP:600-T,AF800 Multivariable MV2000TPositioner:TZID-Fcomp.PH:TB82PHActuator:Remote I/O:S900-ExHand Terminal HTT04Modulating ContracFlow:COPA-XE,VORTEX VT1000,Mass Meter 1210PressureP-DP:600-TFlow:Flow:COPA XE/XM,Vortex,Swirl,TRIO MASSPressure:P-DP:600-T,AF800 Multi variable MV2000TLevelMulti Barrier:MB204Positioner:TZID-FCOPAXE/XM,MAG XE,Vortex,Swirl,TRIO MASSControllers/Recorders:Protronic,Digitric,Point Master,Line MasterActuators on/off:Contrac modulating:OntracRemote I/O:S900-ExMulti Barrier:MB204Configuration tools:PC based:SMART VISIONConfiguration tool:Configuration toolPC based:SMART VISIONPC based:SMART VISIONPositioner:TZID-FConfiguration tool:AC800F control builderSMART VISIONMulti-variable MV2000T Temperature:TF12,202标准 ProfiBus 设备组态GSD 文件模板技术ABB 现场总线技术Profibus-PAProfibus-DPDigiToolControllerDigiVisDevice specific Data in GSD-Files 使用GSD-files组态导入 设备GSD 文件选择设备使用的功能块及模块进行I/O 编辑对照手册选择输入、输出、诊测变量设备非周期参数的设定标准 ProfiBus 设备的组态 PROFIBUS 在线设备诊测查询扫描新设备远程设定设备地址显示总线扫描周期现场总线与设备的诊测ProfiBus 设备在线参数设定传感器参数定义传感器功能块参数定义传感器仿真功能定义ProfiBus 组态摸板技术提供标准用户参数对话框提供标准用户操作面板摸板技术支持大量第3方设备形成标准摸板库模板技术支持所有标准模板技术支持所有标准 ProfiBus 设备设备(2)多种设备配套组态工具软件?tool 1Stand alonetool nn 用户必须熟悉使用各自用户必须熟悉使用各自工具软件工具软件n 不能实现流程化工作n 无一致的质量保证(3)大量信息传输 OptimizeITEngineerITOperateITITControlIT现场设备现场设备FieldIT诊测诊测维护维护校验校验组态组态参数设定参数设定在线调试在线调试操作操作监控监控信号报警处理信号报警处理过程变量值过程变量值时间同步功能时间同步功能变量状态信息变量状态信息07 大量数据交换 复杂的编程要求 解决方案:FDT/DTMEngineerITDTM Device Type ManagerThe user interface is the samenfor all devicesnfor all suppliersnfor all protocolsFDT Field Device Tool对照MS-Office 环境:Printer 驱动Microsoft WindowsNovell Netware.工厂自动化领域:ProfibusFoundation Fieldbus.安装一台打印机Device 驱动现场设备的组态安装 目前CBF 已支持FDT/DTM 组态HARTField Device ToolDevice Type ManagersHARTCBF 减少项目整体费用减少项目整体费用 基于总线技术带来的优势设计安装调试工厂运行传统4-20mA14%26%53%7%总成本11%17%3%44%现场总线25%Saving=100%n调试阶段:使用远程操作进行设备测试与维护n安装阶段:简单的布线与机柜设计n设计阶段P&ID 流程图设计简化 简化设计文档n工厂运行节省大量电源及EEx i隔离器 节省大量控制柜车间及电缆费用=75%Source:McDermott Engineering数据通信技术基础与网络互联数据通信技术基础与网络互联数据通信技术数据通信技术基本概念基本概念1.总线的基本术语总线的基本术语（1）总线：传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接）总线：传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式；总线段：一组设备通过总线连接在一起。与操作方式；总线段：一组设备通过总线连接在一起。（2）总线主设备：）总线主设备：Bus Master，命令者，命令者（3）总线从设备：）总线从设备：Bus Slaver，基本设备，基本设备（4）控制信号：三种类型。控制连在总线上的设备；改变总线操作的）控制信号：三种类型。控制连在总线上的设备；改变总线操作的 方式；表明地址和数据的含义方式；表明地址和数据的含义（5）总线协议：管理主从设备使用总线的一套规则（）总线协议：管理主从设备使用总线的一套规则（PROTOCOL）2、总线操作的基本内容、总线操作的基本内容（1）总线操作：命令者与响应者之间的）总线操作：命令者与响应者之间的“连接连接-数据传送数据传送-脱开脱开”（2）总线传送：命令者与响应者之间的数据传递；）总线传送：命令者与响应者之间的数据传递；“读读”、“写写”操作。操作。（3）通信请求：某一设备向另一设备发出的请求信号。）通信请求：某一设备向另一设备发出的请求信号。（4）寻）寻 址：命令者与一个或多个从设备建立起连接的操作方式；物址：命令者与一个或多个从设备建立起连接的操作方式；物理寻址、逻辑寻址、广播寻址理寻址、逻辑寻址、广播寻址（5）总线仲裁：解决冲突，裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备）总线仲裁：解决冲突，裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备（6）总线定时：总线操作用）总线定时：总线操作用“定时定时”信号进行同步，用于指明总线上的信号进行同步，用于指明总线上的数数 据和地址在什么时刻是有效的据和地址在什么时刻是有效的（7）出错检测）出错检测（8）容错）容错通信系统的组成通信系统是传输信息所需的一切设备的综合信息源、信息接收者、发送设备、接收设备、传输介质单向数字通信系统：信息源编码调制传输介质解调译码接收者数据编码码元是传输数据的基本单位；码元是传输数据的基本单位；二元码；二元码；数据编码是指通信系统中以何种物理信号的方式来表达数据；数据编码是指通信系统中以何种物理信号的方式来表达数据；模拟数据编码：用模拟信号的幅度、频率、相位表达数据；模拟数据编码：用模拟信号的幅度、频率、相位表达数据；数字数据编码：用高低电平的矩形脉冲信号表达数据数字数据编码：用高低电平的矩形脉冲信号表达数据基带传输：采用数字数据，在基本不改变数据信号频率的情况下，直基带传输：采用数字数据，在基本不改变数据信号频率的情况下，直接传输数据信号的传输方式接传输数据信号的传输方式单极性码，双极性码单极性码，双极性码归零码，非归零码归零码，非归零码差分码：用电平的变化与否在代表差分码：用电平的变化与否在代表“1”和和“0”回顾PROFIBUS:SIMENS Dp、FMS、PA（可支持总线供电，可支持本质安全）（可支持总线供电，可支持本质安全）1、2、79.6K12Mbps，1200m，1.5Mbps时为时为400m，127个站点；个站点；主主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统从系统、纯主站系统、多主多从混合系统令牌令牌HART：Highway Addressable Remote Transduer，Rosemout1、2、7过渡形，FSK（Frequency Shift Keying），420mA模拟信号上迭加一个频率信号15个站点；最大传输距离3000m；可支持总线供电，可满足本安防爆。其他：INTERBUS、CC-LINK、ControlNet、World FIP、P-Net、SwiftNet、AS-i减少项目整体费用减少项目整体费用 回顾：基于总线技术带来的优势设计安装调试工厂运行传统4-20mA14%26%53%7%总成本11%17%3%44%现场总线25%Saving=100%n调试阶段:使用远程操作进行设备测试与维护n安装阶段:简单的布线与机柜设计n设计阶段P&ID 流程图设计简化 简化设计文档n工厂运行节省大量电源及EEx i隔离器 节省大量控制柜车间及电缆费用=75%Source:McDermott Engineering回顾基本概念基本概念1.总线的基本术语总线的基本术语总线、总线主设备、总线从设备、控制信号、总线协议总线、总线主设备、总线从设备、控制信号、总线协议2、总线操作的基本内容、总线操作的基本内容总线操作、总线传送、通信请求、寻址、总线仲裁、总线定时、出错总线操作、总线传送、通信请求、寻址、总线仲裁、总线定时、出错检测、容错检测、容错通信系统的组成信息源编码调制传输介质解调译码接收者数据编码：指通信系统中以何种物理信号的方式来表达数据；数据编码：指通信系统中以何种物理信号的方式来表达数据；码元是传输数据的基本单位；码元是传输数据的基本单位；二元码；二元码；模拟数据编码；数字数据编码模拟数据编码；数字数据编码基带传输；单极性码，双极性码；归零码，非归零码；差分码基带传输；单极性码，双极性码；归零码，非归零码；差分码数据编码曼彻斯特编码曼彻斯特编码基带信号编码基带信号编码内置时钟信号，可自同步内置时钟信号，可自同步每位（比特）传输时间为等间隔时间段，传输时，时间段前半部分传每位（比特）传输时间为等间隔时间段，传输时，时间段前半部分传输反码，后半部分传输原码输反码，后半部分传输原码通信系统的性能指标1、有效性指标：传输速率、频带利用率、协议效率、通、有效性指标：传输速率、频带利用率、协议效率、通信效率信效率2、可靠性指标：误码率、可靠性指标：误码率3、信道频率特性、信道频率特性4、介质带宽、介质带宽5、信道容量：某种传输介质单位时间内所能传输的最大、信道容量：某种传输介质单位时间内所能传输的最大比特数比特数6、信噪比、信噪比局域网及其拓扑结构局域网及其拓扑结构局域网及其拓扑结构局域网及其拓扑结构将地理位置不同且具有独立功能的多个计算机系统，将地理位置不同且具有独立功能的多个计算机系统，通过通信设备和线路将它们连接起来，有功能完善的网通过通信设备和线路将它们连接起来，有功能完善的网络软件（网络协议、信息交换络软件（网络协议、信息交换 方式、控制程序和网络操方式、控制程序和网络操作系统）实现网络资源（硬件、软件、信息）的共享，作系统）实现网络资源（硬件、软件、信息）的共享，这样的系统称为计算机网络。这样的系统称为计算机网络。一个互连的自主的计算机设备集合体。一个互连的自主的计算机设备集合体。拓扑结构是指网络中节点的连接形式拓扑结构是指网络中节点的连接形式 局域网及其拓扑结构局域网及其拓扑结构局域网及其拓扑结构局域网及其拓扑结构网络结构：可分为星形、总线形、环形、树形等结网络结构：可分为星形、总线形、环形、树形等结构构 中心节点中心节点星形网络结构星形网络结构总线形网络结构总线形网络结构环形网络结构环形网络结构树形网络结构树形网络结构网络传输介质网络传输介质传输介质是通信网络传输信息的物理媒介，也称为传输介质是通信网络传输信息的物理媒介，也称为“通信媒体通信媒体”。点对点连接时：一条传输链路两端连接两个通信节点对点连接时：一条传输链路两端连接两个通信节点，发送设备通过适当硬件接口（编码和信号变换等）点，发送设备通过适当硬件接口（编码和信号变换等）把信号（模拟或数字的）注入到传输介质中去；接收设把信号（模拟或数字的）注入到传输介质中去；接收设备则以相反的过程从另一端取出信号。备则以相反的过程从另一端取出信号。广播方式连接时：同一条传输链路上连接了多台通广播方式连接时：同一条传输链路上连接了多台通信设备，任何一台设备发送的信号都可能被别的设备所信设备，任何一台设备发送的信号都可能被别的设备所接收。接收。用于用于DCS计算机局域网的主要传输介质有：双绞线、同轴电缆计算机局域网的主要传输介质有：双绞线、同轴电缆和光纤和光纤双绞线：由两根绝缘铜导线组成，一对线作为一条通信链路，双绞线：由两根绝缘铜导线组成，一对线作为一条通信链路，通常，一定数量的这样的双绞线捆成一电缆，外面包着硬的保护性通常，一定数量的这样的双绞线捆成一电缆，外面包着硬的保护性护套。单个双绞线的两个导线绞扭，可护套。单个双绞线的两个导线绞扭，可 减少双绞线之间的电磁干扰。减少双绞线之间的电磁干扰。RJ45接口。单段最大传输距离接口。单段最大传输距离100米米网络传输介质网络传输介质双绞线常见的有双绞线常见的有3类线，类线，5类线和超类线和超5类线，以及最新的类线，以及最新的6类线，前者线径细而后者线径粗，型号如下：类线，前者线径细而后者线径粗，型号如下：1）三类线：用于语音传输及最高传输速率为）三类线：用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的的数据传输。数据传输。2）五类线：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量）五类线：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，用于语音传输和最高传输速率为的绝缘材料，用于语音传输和最高传输速率为10Mbps的数据传输，是最常用的以太网电缆。的数据传输，是最常用的以太网电缆。3）超五类线：超）超五类线：超5类具有衰减小，串扰少，并且性能得类具有衰减小，串扰少，并且性能得到很大提高。超到很大提高。超5类线主要用于千兆位以太网类线主要用于千兆位以太网1000Mbps）。）。4）六类线：它提供）六类线：它提供2倍于超五类的带宽。六类布线的传倍于超五类的带宽。六类布线的传输性能远远高于超五类标准，最适用于传输速率高于输性能远远高于超五类标准，最适用于传输速率高于1Gbps的应用。的应用。同轴电缆：分内、外两个导体组成，外导体，是一个空心圆柱同轴电缆：分内、外两个导体组成，外导体，是一个空心圆柱形导体，它包裹着一个内心线导体。两者之间是绝缘材料。同轴电形导体，它包裹着一个内心线导体。两者之间是绝缘材料。同轴电缆的这种结构，使它具有高带宽和极好的噪声抑制特性。缆的这种结构，使它具有高带宽和极好的噪声抑制特性。网络传输介质网络传输介质基带同轴电缆基带同轴电缆 (如如 5050同轴电缆同轴电缆 )用于基带传输。用于基带传输。宽宽带带同同轴轴电电缆缆 (如如7575电电视视天天线线电电缆缆)用用于于宽宽带带传传输。输。从外形和性能上说，又分为粗缆和细缆。从外形和性能上说，又分为粗缆和细缆。同同轴轴电电缆缆的的数数据据传传输输速速率率、传传输输距距离离、可可支支持持的的节节点点数数、抗抗干干扰扰等等性性能能优优于于双双绞绞线线，成成本本也也高高于于双双绞绞线，但低于光纤。线，但低于光纤。单段最大距离：细缆单段最大距离：细缆185185米，粗缆米，粗缆500500米米接口：细缆，接口：细缆，T T型头；粗缆，型头；粗缆，AUIAUI网络传输介质网络传输介质光纤：即光导纤维的简称。由内外两种折射率不同的光纤：即光导纤维的简称。由内外两种折射率不同的材料构成，内层折射率高，外层折射率低，通过光的全材料构成，内层折射率高，外层折射率低，通过光的全反射进行传输。有多模光纤与单模光纤之分。反射进行传输。有多模光纤与单模光纤之分。光收发器：将光信号转成电信号，光端机。光收发器：将光信号转成电信号，光端机。光端盒：一个连接光缆线路和尾纤的盒子光端盒：一个连接光缆线路和尾纤的盒子单模，多模光纤单模，多模光纤单模光纤仅能传输一个模式，而多模光纤能传输多个单模光纤仅能传输一个模式，而多模光纤能传输多个模式。模式。单段最大距离：单段最大距离：单模，传输单模，传输4000多米；多米；1000-2000米。米。介质访问控制技术介质访问控制技术各个站通过网络传送信息的基本关系，就是源（发各个站通过网络传送信息的基本关系，就是源（发送）站将信息送上网络，然后目的（接收）站从网络读送）站将信息送上网络，然后目的（接收）站从网络读取信息。为了迅速正确地实现这些对网络的存取访问过取信息。为了迅速正确地实现这些对网络的存取访问过程，要有合理的存取控制方法。程，要有合理的存取控制方法。为解决同一时间多个设备争用传输介质则需要介质为解决同一时间多个设备争用传输介质则需要介质访问技术访问技术常用的方法有：轮询（常用的方法有：轮询（Poll)、令牌传送（、令牌传