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1、第四章第四章 现场总线技术现场总线技术谈英姿东南大学自控系工业自动化教研室东南大学自控系工业自动化教研室内容题要内容题要概述概述现场总线标准化的发展现状现场总线标准化的发展现状现场总线的标准化现场总线的标准化几种流行的现场总线技术几种流行的现场总线技术现场总线发展展望现场总线发展展望概述概述什么是现场总线什么是现场总线现场总线的结构特点现场总线的结构特点现场总线的技术特征现场总线的技术特征现场总线的分类现场总线的分类什么是现场总线什么是现场总线根据国际电工委员会根据国际电工委员会6115861158标准定义标准定义,现现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置场总线是指安装在制造或过程区域的现
2、场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线多点通信的数据总线.现场总线现场总线是用于现场仪表与控制室系统之间的是用于现场仪表与控制室系统之间的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统。一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统。现现场场总总线线控控制制系系统统是是建建立立在在现现场场总总线线技技术术基基础础上上的的网网络络结结构构扁扁平平化化，具具有有开开放放性性、可可互互操操作作性性、常常规规控控制制功功能能彻彻底底分分散散、有有统统一一的的控控制制策策略组态方法的新一代的分散型控制系统。略组态方法的新一代的分散型控制系统。现场
3、总线的结构特点现场总线的结构特点现场总线模型结构现场总线模型结构一般的现场总线网络只采用三层：物理层、一般的现场总线网络只采用三层：物理层、数据链路层、网络层；最简单的只有前两层，数据链路层、网络层；最简单的只有前两层，复杂一点的外加一个应用层。复杂一点的外加一个应用层。现场总线系统结构类型现场总线系统结构类型主从型；C/S型环型通信型现场总线的技术特征现场总线的技术特征功能上功能上管理集中，控制分散；管理集中，控制分散；结构上结构上横向分散、纵向分级；横向分散、纵向分级；快速实时响应能力快速实时响应能力；互操作性；互操作性；高可靠性高可靠性；快速实时响应能力快速实时响应能力快速实时响应能力的
4、要求快速实时响应能力的要求传输速率不高于传输速率不高于1Mbps响应时间为响应时间为0.010.5s具有处理随机事件的能力具有处理随机事件的能力提高实时性的措施提高实时性的措施高可靠性高可靠性硬件严格筛选；硬件严格筛选；软件简单易用；软件简单易用；在线快速排除故障；在线快速排除故障；独立的局部数据库；独立的局部数据库；容错技术和冗余技术容错技术和冗余技术现场总线的分类现场总线的分类按按 照照 与与 其其 传传 送送 的的 平平 均均 数数 据据 分分 组组（data data packetpacket）长长度度相相关关的的复复杂杂程程度度分分，现现场场总总线线又可分为四类：又可分为四类：传感器
5、层传感器层：信息量小、响应快、位传输：信息量小、响应快、位传输设备层：设备层：可靠性高、响应快、字节传输可靠性高、响应快、字节传输控制层：控制层：信息量大、可靠性高、信息传输信息量大、可靠性高、信息传输信息层：信息层：信息量大、集成度高、文件传输信息量大、集成度高、文件传输现场总线标准化的发展现状现场总线标准化的发展现状现场总线国际标准化体系结构现场总线国际标准化体系结构现场总线系统安全规范现场总线系统安全规范“本安本安”的概念的概念功能块与设备描述规范功能块与设备描述规范现场总线国际标准化体系结构现场总线国际标准化体系结构现场总线国际标准协议现场总线国际标准协议IEC62026低压开关设备和
6、控制设备技术委员会低压开关设备和控制设备技术委员会第第1部分：一般要求部分：一般要求第第2部分：执行部分：执行/传感器接口传感器接口ASI第第3部分：电器设备网络部分：电器设备网络DeviceNet第第4部分：部分：LonTalk（已取消）（已取消）第第5部分：智能化分布系统部分：智能化分布系统SDS第第6部分：串行多路控制总线部分：串行多路控制总线SMCB现场总线系统安全规范现场总线系统安全规范功能块与设备描述规范功能块与设备描述规范现场设备信息格式及功能描述规范现场设备信息格式及功能描述规范称为称为”行规行规”(Profile),行规可有行规可有效实现各种现场设备应用层互联。效实现各种现场
7、设备应用层互联。功能块的应用功能块的应用功能块的结构功能块的结构现场总线的标准化现场总线的标准化现场总线标准化情况现场总线标准化情况多标准多标准并并存存现场总线国际标准现场总线国际标准IEC61158IEC61158中采用的中采用的8 8种类型，以及其他一些现场总线，如种类型，以及其他一些现场总线，如LonworksLonworks等，将在今后一段时间内共等，将在今后一段时间内共同发展，并相互竞争相互取长补短。同发展，并相互竞争相互取长补短。此外；国际跨国公司除了从事他们所此外；国际跨国公司除了从事他们所支持的现场总线技术的研究与开发，支持的现场总线技术的研究与开发，还兼顾其他总线的应用。还兼
8、顾其他总线的应用。现场总线标准现场总线标准1.FF2.ControlNet3.Profibus4.P-NET5.FFHSE6.SwiftNet7.WorldFIP8.INTERBUSFFHSE支支 持持 单单 位位:现现 场场 总总 线线 基基 金金 会会(Fisher-Rosemount等等100多家公司多家公司)。准准:IEC61158;IEC61784;IEC61131-3;IEEE80和和RFC894的的工工业业标标准准以以太太网网;IETF(互联网管理任务要点互联网管理任务要点)。应用领域应用领域:流程工业及其它工业控制。流程工业及其它工业控制。使用情况使用情况:艾默生等公司艾默生等
9、公司(4家家)已有产品已有产品通过注册。通过注册。主要性能特点主要性能特点IEC支持，开放性好，可互操作性好支持，开放性好，可互操作性好;使使用用工工业业级级的的以以太太网网、集集线线器器、交交换换机机等设备等设备;网网络络层层使使用用IP行行规规，传传输输层层使使用用TCP、VDP(用用户户数数据据报报协协议议，即即为为IEIF标标准准下下768项协议项协议)行规行规;作为作为FCS的主干网络，可局域网冗余，的主干网络，可局域网冗余，设备冗余。设备冗余。FF支支持持单单位位:现现场场总总线线基基金金会会(Fisher-Rosemount等等100多家公司多家公司)。标准标准:IEC61158
10、;IEC61784。应用领域应用领域:流程工业及其它工业控制。流程工业及其它工业控制。使用情况使用情况:已有试点工程投入运行。已有试点工程投入运行。多家生产各种有多家生产各种有FFH1接口的产品，接口的产品，可以满足系统集成要求。可以满足系统集成要求。FF主要性能特点主要性能特点IEC支支持持，开开放放性性好好，可可互互操操作作性性好好;多种传输介质多种传输介质;传输速率传输速率31.25kbit/s;支持本质安全防爆支持本质安全防爆;有数据链路网桥连接与有数据链路网桥连接与HSE相连。相连。ProfibusProfibus-DPProfibus-PAProfibus-FMSProfibus-
11、DPProfibus-DP支支 持持 单单 位位:西西 门门 子子 公公 司司Profibus国国际际组组织织(PI)，我我国国有有用用户户组组织或专业委员会织或专业委员会(CPO)。标准标准:IEC61158;IEC61784;DIN19245;EN50170 。应用领域应用领域:工厂自动化和楼宇自动化。工厂自动化和楼宇自动化。使使用用情情况况:应应用用很很广广，已已有有250家家生生产产厂厂商商2000多种产品，已安装多种产品，已安装25万节点。万节点。Profibus-DP主要性能特点主要性能特点传传输输速速率率范范围围很很广广，可可高高速速数数据据通通信信9.6Kbit/s1
12、2Mbit/s传传输输介介质质:RS-485技技术术双双绞绞屏屏蔽蔽铜铜电缆和光纤传输电缆和光纤传输;Profibus-PAProfibus-PA 支支持持单单位位:西西门门子子公公司司Profibus国国际际组组织织(PI)，我我国国有有用用户户组组织织或或专专业业委委员员会会(CPO)。标标准准:IEC61158;IEC61784;DIN19245;EN50170。应用领域应用领域:流程工业。流程工业。使使用用情情况况:应应用用很很广广，已已有有250家家生生产产厂厂商商2000多种产品，已安装多种产品，已安装25万节点。万节点。Profibus-PA主要性能特点主要性能特点用用于于连连接
13、接现现场场仪仪表表，可可本本质质安安全全防防爆爆;可通过耦合器与可通过耦合器与Profibus-DP相连相连;Profibus-FMSProfibus-FMS支支持持单单位位:西西门门子子公公司司Profibus国国际际组组织织(PI)，我我国国有有用用户户组组织或专业委员会织或专业委员会(CPO)。标准标准:IEC61158;IEC61784;DIN19245;EN50170。使使用用情情况况:应应用用很很广广，已已有有250家家生生产产厂厂商商2000多种产品，已安装多种产品，已安装25万节点。万节点。Profibus-FMS主要性能特点主要性能特点为为单单元元层层和和现现场场层层的的数数
14、据据通通信信，为为多功能通信多功能通信;可可与与Profibus-DP在在同同一一总总线线上上传传输输信信息息。应应用用领领域域:工工厂厂级级或或车车间间级级的通信。的通信。WorldFIPWorldFIP世世界界工工厂厂仪仪表表协协议议支支持持单单位位:法法国国Alstom公公司司(原原Honeywell公公司司为为北北美美参参加加单单位位，后后与与FF合合并并)。标标准准:IEC61158;IEC61784;EN50170(FIP为为 法法国国家标准国国家标准)。应应用用领领域域:电电力力工工业业、铁铁路路交交通通、工工业业控控制、楼宇自动化。制、楼宇自动化。使用情况使用情况:应用较广，已
15、有应用较广，已有400多种产品。多种产品。主要性能特点主要性能特点实时工业控制网络实时工业控制网络;通信速率通信速率:31.25Kbit/s,1Mbit/s,2.5Mbit/s,25Mbit/s;传输介质传输介质:屏蔽双绞线、光纤屏蔽双绞线、光纤;层层次次清清晰晰、简简洁洁高高效效，控控制制信信息息和和非非控控制制信信息息互互不不干干扰扰，时时空空一一致致，确保同步确保同步P-NET支持单位支持单位:丹麦丹麦Proces-Data公司。公司。标准标准:IEC61158;IEC61784;EN50179。应应用用领领域域:奶奶制制品品厂厂、啤啤酒酒厂厂、农农业业环环境境控控制制、动动物物饲饲养养
16、系系统统、沥沥青青和和水水泥泥生生产产、纺织工业、太阳能电站、燃料管理系统。纺织工业、太阳能电站、燃料管理系统。使使用用情情况况:应应用用历历史史较较长长，在在食食品品工工业业和和农农业业、养养猪猪自自动动化化方方面面，欧欧洲洲市市场场占占有有率高。率高。P-NET主要性能特点主要性能特点使使用用屏屏蔽蔽双双绞绞线线电电缆缆(RS485)，总总线线分段结构，每段长分段结构，每段长1200m;通通信信速速率率:76.8kbit/s;结结构构简简单单灵活，易于扩展，不采用专用芯片。灵活，易于扩展，不采用专用芯片。SwiftNetSwiftNet得到美国波音公司支持。得到美国波音公司支持。Swift
17、Net现场总线是一种结构简单、现场总线是一种结构简单、实时性强的总线，协议仅包括物理实时性强的总线，协议仅包括物理层和数据链路层，在标准中没有定层和数据链路层，在标准中没有定义应用层。义应用层。INTERBUS支支持持单单位位:PhoenixContact公公司司、INTERBUS用用户户协会和行业标准化协会协会和行业标准化协会(INTERBUS-CLUB)标准标准:IEC61158;IEC61784;EN50254;DIN19258。应应用用领领域域:工工业业控控制制，用用于于PLC、IPC等等现现场场设设备备的的连连接接。汽汽车车制制造造、生生产产线线、食食品品工工业业、煤煤矿矿输输送送线
18、、合成纤维、自来水厂。线、合成纤维、自来水厂。使使用用情情况况:应应用用很很广广，1000多多家家生生产产厂厂家家，2500多种产品，已有多种产品，已有450万节点万节点50万系统应用实绩。万系统应用实绩。INTERBUS主要性能特点主要性能特点环环型型拓拓扑扑网网络络，通通过过总总线线控控制制板板引引出出主主干线外，并具有干线外，并具有165分支层分支层;传传输输媒媒介介:铜铜导导线线、光光导导传传输输、其其他他传传输输(红外、高频电环式红外、高频电环式);传传输输速速率率:500kbit/s(标标准准)、125kbit/s(特特殊殊用用途途)、2Mbit/s(2001年后应用年后应用);端子连接部分结构有特色。端子连接部分结构有特色。 几种流行的现场总线技术几种流行的现场总线技术基金会现场总线基金会现场总线FFProfibus现场总线现场总线HART通信协议通信协议CAN总线总线DeviceNetControlNet系统系统现场总线发展展望现场总线发展展望现场总线国际标准现场总线国际标准真正的统一？真正的统一？现场总线技术和工业以太网的结合现场总线技术和工业以太网的结合未来的网络？未来的网络？