现场总线技术综述

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,监控室,厂房,在家或,在路上,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,PC,WEB,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、,90,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。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,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,4,20mA,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,监控室,厂房,在家或,在路上,办公室,回顾,80,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之间的联系。,第五代控制系统（,1,、,2,、,3,、,4,、,5,）,现场总线技术特点,1,、系统的开放性,2,、互可操作性与互用性,3,、现场设备的智能化与功能自治性,4,、系统结构的高度分散性,5,、对现场环境的适应性,优点：,1,、节省硬件数量与投资,2,、节省安装费用,3,、节省维护开销,4,、用户具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,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,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,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