现场总线第一章综述课件

第一章第一章 现场总线概述现场总线概述第一节第一节 概述概述一、什么是现场总线一、什么是现场总线1 1、控制系统的组成及发展过程、控制系统的组成及发展过程、控制系统的组成、控制系统的组成、控制系统的发展过程、控制系统的发展过程控制系统发展的四个阶段：控制系统发展的四个阶段：电动单元组合式模拟仪表控制系统电动单元组合式模拟仪表控制系统集中式数字控制系统集中式数字控制系统集散式数字控制系统集散式数字控制系统(DCS)(DCS)现场总线（现场总线（FCSFCS）控制系统控制系统 集中式数字控制集中式数字控制(DDC)(DDC)系统示意图系统示意图中心主控机生产现场现场连线现场连线控制变量被控变量集中式数字集中式数字(DDC)(DDC)控制系统的缺点控制系统的缺点 系统可靠性差：一旦中央控制机出现故障，会造成整个系统 的瘫痪。抗干扰能力差：太多、太长的现场连线，使干扰很难克服。系统规模小：采用这种结构很难开发大规模的系统。集散式数字控制系统集散式数字控制系统(DCS)(DCS)示意图示意图监控计算机CRT操作站基本调节器基本调节器基本调节器 工 业 现 场DHW 集散式数字控制系统集散式数字控制系统(DCS)(DCS)存在的问题存在的问题DCS不是一个真正的分散系统，而是一个“半分散”系统，在一定程度上存在着集中控制系统的缺点。由于是一个模拟数字混合系统，而不是全数字化系统，因此，在控制精度、抗干扰能力、计算速度上存在一定问题。专用的DHW高速通道的组网方式是借用LAN通用局域网技术，组网复杂、成本高、升级改造困难。2 2、现场总线的定义、现场总线的定义国际电工委员会国际电工委员会IEC(InternationalIEC(International ElectrotechnicalElectrotechnical Commission)Commission)6115861158的标准的标准定义：定义：现场总线是安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自现场总线是安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。更确切地说，更确切地说，现场总线是用于现场仪表与控制室之间的一种现场总线是用于现场仪表与控制室之间的一种“全数字、双向、多变量、多点、多站的通信系统全数字、双向、多变量、多点、多站的通信系统”。因为它。因为它与现场传感器和执行器连接，所以在整个系统中处于最底层。与现场传感器和执行器连接，所以在整个系统中处于最底层。3 3、现场总线控制系统现场总线控制系统FCSFCS （FieldbusFieldbus control system control system）示意图示意图监控中心监控室 现场自动化设备（传感器、执行器）现场总线的本质含义表现在以下几个方面：现场总线的本质含义表现在以下几个方面：现场通信系统现场通信系统 现场设备互连现场设备互连 互操作性互操作性 分散功能模块分散功能模块开放式互连网络开放式互连网络 4 4、现场总线控制系统的特点、现场总线控制系统的特点 与传统的控制系统相比现场总线控制系统有与传统的控制系统相比现场总线控制系统有如下特点：如下特点：实现了全数字化通信实现了全数字化通信 实现不同厂家产品的互操作实现不同厂家产品的互操作 实现了真正的分布式控制实现了真正的分布式控制 传输的信息量丰富传输的信息量丰富 减少了减少了I/OI/O变送器变送器提高了测试精度提高了测试精度 增加了系统的自治性增加了系统的自治性 现场总线控制系统与集散式控制系统的结构对比示意图如下：现场总线控制系统与集散式控制系统的结构对比示意图如下：（a）DCS控制系统结构示意图监控中心控制单元控制单元控制单元现场自动化设备现场自动化设备现场自动化设备（传感器、执行）（传感器、执行）（传感器、执行）控制室监控中心监控室现场自动化设备（传感器、执行器）（b）FCS控制系统结构示意图现场总线控制系统的核心技术现场总线控制系统的核心技术现场设备现场设备现场设备间的互连现场设备间的互连现场总线控制系统的管理（监测、诊断、维护等）现场总线控制系统的管理（监测、诊断、维护等）现场设备及现场总线控制系统的开发工具现场设备及现场总线控制系统的开发工具 现场总线技术的标准是基础现场总线技术的标准是基础二、二、现场总线与局域网现场总线与局域网1 1、现场总线网络与局域网的联系、现场总线网络与局域网的联系(1)(1)、技术上的联系、技术上的联系现场总线技术使用了计算机网络通信技术。现场总线技术使用了计算机网络通信技术。（2 2）、系统连接上的联系）、系统连接上的联系实际应用中较多采用实际应用中较多采用LAN-FIELDBUSLAN-FIELDBUS结构结构 （3）、现场总线与局域网有进一步融合的趋势现场总线与局域网有进一步融合的趋势 工业以太网工业以太网的出现的出现 控制网控制网与信息网的关系的讨论与信息网的关系的讨论目前的一般性结论：目前的一般性结论：采用采用TCP/IP EthernetTCP/IP Ethernet的理由：的理由：硬件成本低硬件成本低与与internetinternet连接容易连接容易带宽提高容易带宽提高容易TCP/IP TCP/IP 和和EthernetEthernet的协议具有广泛性的协议具有广泛性现有现场总线容量较小现有现场总线容量较小EthernetEthernet有一定的市场有一定的市场 不采用不采用TCP/IP EthernetTCP/IP Ethernet的理由：的理由：TCP/IP EthernetTCP/IP Ethernet发展多年但仍不能满足控制过程的要求发展多年但仍不能满足控制过程的要求过程的连续性过程的连续性传输错误后再传输的快速性传输错误后再传输的快速性对网络负载的控制对网络负载的控制对设备的远程控制能力对设备的远程控制能力提供有保证的通过能力提供有保证的通过能力2 2、现场总线与局域网的不同、现场总线与局域网的不同（1 1）、）、不同的技术领域不同的技术领域现场总线属于控制领域，用于实现控制系统。现场总线属于控制领域，用于实现控制系统。（2 2）、）、基本功能和特点不同基本功能和特点不同 局域网属于信息网，强调的是文本、声音、图像等信息的传递。局域网属于信息网，强调的是文本、声音、图像等信息的传递。现场总线属于控制网范畴，主要是作为过程自动化、制造自动化等现场总线属于控制网范畴，主要是作为过程自动化、制造自动化等领域现场自动化控制设备之间的通信和控制的一种网络体系。领域现场自动化控制设备之间的通信和控制的一种网络体系。第二节第二节 现场总线的产生与发展现场总线的产生与发展一、一、现场总线技术的产生现场总线技术的产生1 1、现场总线技术是、现场总线技术是3C3C技术的结晶。技术的结晶。2 2、克服了传统控制系统的信息孤岛现象。、克服了传统控制系统的信息孤岛现象。3 3、标志着控制领域一个新时代的开始。、标志着控制领域一个新时代的开始。二、现场总线的发展趋势二、现场总线的发展趋势现场总线从八十年代初的提出至今，已经历了近现场总线从八十年代初的提出至今，已经历了近2020年的发展历年的发展历史。目前主要现场总线技术标准已有史。目前主要现场总线技术标准已有200200多种。多种。1 1、现场总线技术标准的统一。、现场总线技术标准的统一。通过协商、妥协于通过协商、妥协于20002000年年1 1月发布了现场总线国际标准月发布了现场总线国际标准IEC61158IEC61158，它包括了八种互不兼容的现场总线标准，与此同时它包括了八种互不兼容的现场总线标准，与此同时一些国外大公司还推出了自己的现场总线标准。一些国外大公司还推出了自己的现场总线标准。IEC61158IEC61158不是真正意义的统一的现场总线标准。不是真正意义的统一的现场总线标准。应用中应注意两方面的问题：应用中应注意两方面的问题：现场总线标准处于多种标准共存的局面，各个应用领域应选现场总线标准处于多种标准共存的局面，各个应用领域应选用适用的现场总线标准。用适用的现场总线标准。继续努力找到一个统一的现场总线标准，目前已提出了工业继续努力找到一个统一的现场总线标准，目前已提出了工业 以太网标准。以太网标准。中中国国已已进进入入了了现现场场总总线线时时代代，一一些些现现场场总总线线在在国国内内取取得得了了良良好的业绩如好的业绩如CANBUSCANBUS、LONWORKSLONWORKS、PROFIBUSPROFIBUS、FFFF等。等。2 2、现场总线技术的发展趋势、现场总线技术的发展趋势（1 1）、标准进一步统一。）、标准进一步统一。（2 2）、开放性、互操作性更好。）、开放性、互操作性更好。（3 3）、可与现有系统相连，得到平滑过渡。）、可与现有系统相连，得到平滑过渡。第三节第三节 几种有影响的现场总线技术简介几种有影响的现场总线技术简介 现场总线发展至今，不少公司和集团都推出了自己的现场总线标准。现场总线发展至今，不少公司和集团都推出了自己的现场总线标准。其中应用比较广泛的有：其中应用比较广泛的有：FF FF、PROFIBUS PROFIBUS、LonWorksLonWorks、CANCAN、INTERBUSINTERBUS、HARTHART等。等。一、一、基金会现场总线基金会现场总线（Foundation Foundation FieldbusFieldbus）1 1、发展历史发展历史19941994年，年，ISPISP与与WorldFIPWorldFIP（19851985年由年由HoneywellHoneywell和和BaileyBailey等公司等公司发起，以法国标准发起，以法国标准FIPFIP为基础制定的现场总线标准）两大组织合为基础制定的现场总线标准）两大组织合并，成立了现场总线基金会并，成立了现场总线基金会FFFF（FieldbusFieldbus Foundation Foundation）。）。并把并把IEC/ISP50IEC/ISP50（美国仪器学会标准）作为统一标准的一部分。美国仪器学会标准）作为统一标准的一部分。2 2、基金会现场总线的基金会现场总线的组成组成FFFF现场总线由两类网络构成分别为现场总线由两类网络构成分别为H1H1和和HSEHSE示意示意图如下：图如下：I/O现场设备现场设备PLC数据服务器连接设备工作站H1HSEFF-H1和FF-HSE现场总线示意图 H1 H1 是带宽为是带宽为31.25 31.25 kbit/skbit/s的底层总线用于连接现场设备如传感器、的底层总线用于连接现场设备如传感器、执行器及其它执行器及其它I/OI/O设备等。设备等。HSEHSE(High Speed Ethernet)(High Speed Ethernet)带宽为带宽为100 100 Mbit/sMbit/s或或1Gbit/s1Gbit/s用于连用于连接接H1H1子网、数据服务器、工作站和高速控制器如子网、数据服务器、工作站和高速控制器如PLCPLC等。等。HSEHSE上上的工作站通过数据服务器访问现场设备。的工作站通过数据服务器访问现场设备。H1H1允许总线型、树型、星型拓扑结构。允许总线型、树型、星型拓扑结构。HSEHSE是标准的是标准的LANLAN结构。结构。链接设备用来互连链接设备用来互连31.25kbit/s 31.25kbit/s 总线并将其接入高速以太总线并将其接入高速以太网网(HSE)(HSE)。3 3、特点、特点（1 1）互可操作性：）互可操作性：基金会现场总线使用标准功能模块。以模块为基金会现场总线使用标准功能模块。以模块为 基础，使来自不同厂家的设备可以无缝的集成基础，使来自不同厂家的设备可以无缝的集成 在一起。在一起。基金会现场总线是开放的，来自不同生产厂家的经过基金会现场总线是开放的，来自不同生产厂家的经过FFFF会认证的设会认证的设备互可操作。备互可操作。（2 2）节省硬件开支：节省硬件开支：FFFF现场总线将控制分散到现场设备可以减少现场总线将控制分散到现场设备可以减少 I/O I/O 设备和控制器及其它设备如本质安全栅设备和控制器及其它设备如本质安全栅 （I.S.I.S.）等。等。如下图中本质安全栅（如下图中本质安全栅（I.S.I.S.）的个数得以减少。）的个数得以减少。（3 3）方便安装：方便安装：现场总线允许多台设备挂接在一对电缆上。这样现场总线允许多台设备挂接在一对电缆上。这样 可以减少电缆、安全栅和安装盒可简化安装过可以减少电缆、安全栅和安装盒可简化安装过 程。程。（4 4）改善测量及控制精度：改善测量及控制精度：由于采用了数字通讯，增加了信息由于采用了数字通讯，增加了信息 量。由于控制模块置于现场设备内减量。由于控制模块置于现场设备内减 少了失真，提高了测量及控制精度。少了失真，提高了测量及控制精度。（5 5）提高控制的可靠性：提高控制的可靠性：带有微处理器的现场总线设备具有自诊带有微处理器的现场总线设备具有自诊 断和通讯能力，由于控制分布在现场设断和通讯能力，由于控制分布在现场设 备中，使控制更为可靠。备中，使控制更为可靠。4 4、主要应用领域、主要应用领域 主要应用于制造和过程自动化领域。主要应用于制造和过程自动化领域。二、二、LonWorksLonWorks现场总线现场总线1 1、发展历史、发展历史19911991年由美国年由美国EchelonEchelon公司推出了公司推出了LON(Local Operating LON(Local Operating Networks)Networks)技术，又称技术，又称LonWorksLonWorks技术，它是技术，它是9090年代先进的现场总年代先进的现场总线技术之一。线技术之一。LonWorksLonWorks技术被认为是现场总线的开拓者和领导者，目前世界上技术被认为是现场总线的开拓者和领导者，目前世界上已安装有已安装有500500多万个多万个LonWorksLonWorks节点，节点，LonTalkLonTalk协议也被接纳为欧洲协议也被接纳为欧洲CEN TC247CEN TC247、CEN TC205CEN TC205的一部分。的一部分。2 2、LonWorksLonWorks技术的主要内容技术的主要内容 LonWorksLonWorks技术涵盖如下技术内容技术涵盖如下技术内容 3 3、LonWorksLonWorks技术的特点技术的特点（1 1）系统完整性好）系统完整性好（2 2）LonWorksLonWorks产品丰富，易于系统集成产品丰富，易于系统集成（3 3）系统开放性好）系统开放性好（4 4）易于与上层网络连接，系统的可扩展性强）易于与上层网络连接，系统的可扩展性强4 4、主要应用领域、主要应用领域 智能建筑领域、电力控管系统、铁路信号系统。智能建筑领域、电力控管系统、铁路信号系统。三、三、PROFIBUSPROFIBUS现场总线现场总线 1 1、发展历史、发展历史19871987年，以年，以SiemensSiemens，RosemountRosemount，横河等几家著名公司为首成立了横河等几家著名公司为首成立了一个专门委员会一个专门委员会ISPISP（Interoperable System Interoperable System ProtocalProtocal），），并制并制定了过程现场总线定了过程现场总线PROFIBUSPROFIBUS（Process Process FieldBusFieldBus）。）。德国政府认可并确定其为国家标准。德国政府认可并确定其为国家标准。PROFIBusPROFIBus（Process Field BusProcess Field Bus）是欧洲开放式现场总线标准是欧洲开放式现场总线标准（EN50170EN50170）。）。2 2、PROFIBUSPROFIBUS现场总线现场总线 的组成的组成ProfibusProfibusFMSFMS（FieldbusFieldbus Message Specification Message Specification）ProfibusProfibus-PA-PA（Process AutomationProcess Automation）ProfibusProfibus-DP-DP（Distributive PeripheralDistributive Peripheral）三部分组成。三部分组成。如下图所示如下图所示应用范围：3 3、主要特点：、主要特点：（1 1）、）、PROFIBusPROFIBus的最大优点在于具有稳定的国际标准的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170EN50170作保作保 证。证。（2 2）、）、具有三种总线系统结构可适用于不同的应用环境，根据不具有三种总线系统结构可适用于不同的应用环境，根据不 同的应用对象同的应用对象,可灵活选取不同规格的总线系统。可灵活选取不同规格的总线系统。4 4、主要应用领域、主要应用领域 过程自动化领域过程自动化领域四、四、INTERBUS INTERBUS 现场总线现场总线1 1、发展历史、发展历史 INTERBUSINTERBUS总线技术是德国总线技术是德国Phoenix ContactPhoenix Contact公司研究和开发的一种公司研究和开发的一种现场总线，它主要应用于制造业中。现场总线，它主要应用于制造业中。19961996年成为年成为DIN19825DIN19825德国标德国标准，准，19981998年成为年成为EN50254EN50254欧洲标准，欧洲标准，20002000年成为年成为IEC61158IEC61158国际标准国际标准中八种现场总线标准之一。中八种现场总线标准之一。2 2、INTERBUSINTERBUS总线的组成总线的组成CANCAN总线的结构示意图总线的结构示意图远远程程总总线线主控制模板主控制模板（主设备）（主设备）总线终端总线终端I/OI/OI/OI/OI/OI/O总线终端总线终端I/OI/OI/OI/O总线终端总线终端本地总线本地总线INTERBUS环环3 3、INTERBUSINTERBUS总线的特点总线的特点（1 1）、）、简单、经济、开放的总线形式简单、经济、开放的总线形式。（2 2）、简化硬件连接。）、简化硬件连接。（3 3）、操作方便、可靠性高。）、操作方便、可靠性高。4 4、应用领域、应用领域 工业自动化生产线，机器人控制等。工业自动化生产线，机器人控制等。五、五、CANCAN现场总线现场总线1 1、发展历史、发展历史 控制局域网络控制局域网络CANCAN（Control Area NetworkControl Area Network）是由德国）是由德国BoschBosch公司公司为汽车监测和控制而设计的，然后逐步发展到用于其它工业部门的为汽车监测和控制而设计的，然后逐步发展到用于其它工业部门的控制。控制。CANCAN已成为国际标准化组织已成为国际标准化组织ISO11898ISO11898标准标准。2 2、CANCAN总线的组成总线的组成CANCAN总线的结构示意图总线的结构示意图CAN节点1CAN节点2CAN节点3CAN节点n端接器端接器网关上层网络设备1设备2设备3设备n3 3、CANCAN总线的特点总线的特点（1 1）、网络结构简单、灵活、可靠性高）、网络结构简单、灵活、可靠性高（2 2）、）、数据传输的实时性好数据传输的实时性好 （3 3）、应用领域广泛）、应用领域广泛 4、主要应用领域汽车工业，在数控机床、医疗器械等。