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1、现场总线的发展动态第1页，本讲稿共42页第一节：现场总线 什么是什么是现场总线：现场总线是应用在生产现场、在测量控制设备之间实现双向多节点数字通信的开放型控制网络系统，主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。现场总线是工业数据通信与控制网络技术的代名词，是测控领域的工业数据通信系统。主要用于：制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面的自动化系统中。第2页，本讲稿共42页n 早期把现场总线又称为工业电话线，通过连线在测控设备之间传递数据信息，把传感器、按钮、执行机构等连接到控制器、或PLC或工业计算机上。通过相
2、互通信共同执行测量控制任务。n 总线上的数据输入设备包括按钮、传感器、接触器、变送器、阀门等，传输其位置状态、参数值等数据n 总线上的输出数据用于驱动信号灯、接触器、开关、阀门等n 工业数据通信用以满足信息社会对基础设备与过程数据信息的需求n 数字地球、数字矿山、数字n 传递工农业生产过程、大气环境监测、各类交通、楼宇等系统中设备的数字化信息n 车辆控制等第3页，本讲稿共42页总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的控制网络第4页，本讲稿共42页现场总线系统是企业的底层网络第5页，本讲稿共42页企业网络的功能层次第6页，本讲稿共42页n n现现
3、场场总总线线是是自自动动化化领领域域的的通通信信、网网络络技技术术,也也被被称之为工厂的底层网络（称之为工厂的底层网络（InfranetInfranet）n n总总线线是是构构成成自自动动化化系系统统的的纽纽带带，网网络络所所传传输输的的是是控制信息。控制信息。n n它它是是有有别别于于计计算算机机网网络络，电电视视、电电话话网网络络的的另另一一类网络类网络n n特点：特点：n n 适应工业应用环境，适应工业应用环境，n n 要求实时性强，可靠性高，安全性好。要求实时性强，可靠性高，安全性好。n n 多为短帧传送，多为短帧传送，n n 通信的传输速率相对较低。通信的传输速率相对较低。第7页，本
4、讲稿共42页二.现场总线技术标准 现场总线技术始发于二十世纪八十年代，但对该项 现场总线技术始发于二十世纪八十年代，但对该项 技术的开发之热是近年之举 技术的开发之热是近年之举n n 主流现场总线技术 主流现场总线技术n n FF H1 FF H1n n ControlNET ControlNETn n Profibus Profibusn n Interbus-S Interbus-Sn n World FIP World FIPn n HSE HSEn n P-Net P-Net；n n Swift NET Swift NET第8页，本讲稿共42页n 现场总线的发展中存在的问题：n n 根
5、据相关资料统计，已出现的现场总线一百多种，其中宣称为开放型 根据相关资料统计，已出现的现场总线一百多种，其中宣称为开放型总线的就有 总线的就有40 40多种 多种n n 多种总线共存，每种总线都在力图扩充其应用领域 多种总线共存，每种总线都在力图扩充其应用领域n n 每种总线都以一个或多个利益集团支持，标准的斗争就是利益的 每种总线都以一个或多个利益集团支持，标准的斗争就是利益的斗争 斗争n n 很多设备制造商参加不止一个总线组织，以便与各种系统协调 很多设备制造商参加不止一个总线组织，以便与各种系统协调n n 努力开发与其他总线、系统的接口，把自己的总线与其它总 努力开发与其他总线、系统的接
6、口，把自己的总线与其它总线连接起来，扩大应用范围，保存领地 线连接起来，扩大应用范围，保存领地n n 以太网进入工业控制领域，成为新的热点 以太网进入工业控制领域，成为新的热点第9页，本讲稿共42页n n 现场总线组织 现场总线组织n n 现场总线基金会（现场总线基金会（Fieldbus Foundation Fieldbus Foundation）n n LonMark LonMark协会 协会,n n Profibus Profibus协会，协会，n n 工业以太网协会 工业以太网协会IEA IEA（Industrial Ethernet Industrial Ethernet Assoc
7、iation Association），），n n 工业自动化开放网络联盟 工业自动化开放网络联盟IAONA IAONA（Industrial Industrial Automation Open Network Alliance Automation Open Network Alliance）n n Society of Automotive Engineers Society of Automotive Engineers（SAE SAE）n n制定现场总线标准的国际标准化组织制定现场总线标准的国际标准化组织n n IEC IECn n ISO ISO第10页，本讲稿共42页、LonWo
8、rks总线n 集成芯片中有3个8位的CPU，第一个CPU实现7层协议的第一层和第二层，即媒体访问控制器，第二个CPU完成3-6层的功能，称为网络控制器，第三个CPU是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还有存储信息的缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，作为网络缓冲区和应用缓冲区。LonWorksS总线是完全应用7层协议的现场总线，这是唯一的。通信速率可达1.25Mbps,此时有效距离为130米。每帧有效字节数0-288个字节 第1 1页，本讲稿共42页第三代LonWorks技术应用系统（智能楼宇、连锁店）第12页，本讲稿共42页LonWorks/Ethernet第13页，本讲稿共42
9、页、CAN总线n CAN（Controller Area Net,简称CAN）总线是德国Bocsh公司首先宣布开发成功的。起初是为汽车工业设计的，目前已被国际标准化组织批准为国际标准。CAN协议也遵守7层协议中的物理层、链路层与应用层。n 系统结点由单片机、CAN控制器和CAN收发器组成。n CAN总线采用短帧结构传输，每帧为8个有效字节，都配有CRC校验和其它校验措施，保证出错率比较低 n 传输介质可以是双绞线，同轴电缆和光纤。传输距离与通信速率有关。最远距离可达10公里，速率为1Mbps时，传输距离为40米。第14页，本讲稿共42页汽车内部CAN总线（SAE-J1939）第15页，本讲稿共
10、42页多网段的车辆内部网络系统 监视屏（驾驶室）终端器发动机变速器网桥终端器终端器终端器终端器终端器刹车系统减速器路由器网桥刹车照明车轴/悬梁终端器终端器至下一拖车250Kbps拖车子网250Kbps专用子网牵引车子网250Kbps250Kbps牵引车拖车第16页，本讲稿共42页、PROFIBUS总线n PROFIBUS是一种国际化开放式不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化流程工业自动化和楼宇交通电力等其他领域自动化。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现
11、工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。第17页，本讲稿共42页Profibus与PLC网络（电力、冶金、机械加工行业等）第18页，本讲稿共42页、PROFIBUS总线n PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUSDP（Decentralized Periphery）PROFIBUSPA（Process Automation）PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。（）PROFIBUSDP:是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式IO的通信。使用PROFIBUSDP可取代办24VDC或420mA信号传输。（）PO
12、RFIBUSPA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。（）PROFIBUSFMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构实时多主网络。第19页，本讲稿共42页、PROFIBUS总线n PROFIBUS提供了三种数据传输类型：1、用于DP和FMS的RS485传输。2、用于PA的IEC11582传输。3、光纤 第20页，本讲稿共42页、PROFIBUS总线n 1 用于DPFMS的RS485传输技术n 由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。RS-485传输是PROFIBUS最常用的的一种传输技术。这种
13、技术通常称之为H2。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。RS-485传输技术基本特征：（1）网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。（2）传输速率：9.6K bit/s12M bit/s（3）介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（EMC）。（4）站点数：每分段32个站（不带中继），可多到127个站（带中继）。（5）插头连接：最好使用9针D型插头。第21页，本讲稿共42页、PROFIBUS总线n 2 RS485传输设备安装要点（1）全部设备均与决线连接。（2）每个分段上最多可接32个站（主站或站）。（3）每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。两个总线终端电阻必须永远有
14、电源。（4）当分段站超过32个时，必须使用中继器用以连接各总线段。串联的中继器一般不超过3个。（注：中继器没有站地址，但被计算机在每段的最多站数中）（5）电缆最大长度取决于传输速率。如使用A型电缆，则传输速率与长度如下：n波特率：（K bit/s）9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 1200 距离段（M）1200 1200 1200 1000 400 200 100第22页，本讲稿共42页、PROFIBUS总线（6）A型电缆参数：阻抗：135165 电容：30 pf/m 回路电阻：110（7）RS485的传输技术的PROFIBUS网络最好使用9针D型插头。（8）当连接各
15、站时，应确保数据线不要拧绞，系统在高电磁发射环境（如汽车制造业）下运行应使用带屏蔽的电缆,屏蔽可提高电磁兼容性（EMC）。（9）如用屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端与保护接地连接，并通过尽可能的大面积屏蔽接线来复盖，以保持良好的传导性。另外建议数据线必须与高压线隔离。（10）超过500K bit/s的数据传输速率时应避免使用短截线段，应使用市场上现有的插头可使数据输入和输出电缆直接与插头连接，而且总线插头连接可在任何时候接通或断开而并不中断其它站的数据通信。第23页，本讲稿共42页、PROFIBUS总线n 3用于PA的IEC11582传输技术（1）数据IEC11582的传输技术用于PROFIBUS
16、PA，能满足煤炭、化工和石油化工业的要求。它可保持其本征安全性，并通过总线对现场设备供电。（2）IEC11582是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称为H1。（3）IEC11582技术用于PROFIBUSPA，其传输以下列原理为依据：每段只有一个电源作为供电装置。当站收发信息时，不向总线供电。每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。现场设备其作用如同无源的电流吸收装置。主总线两端起无源终端线作用。允许使用线性树型和星型网络。第24页，本讲稿共42页、PROFIBUS总线n IEC11582传输技术特性：数据传输：数字式位同步曼彻斯特编码。传输速率：31.25K bit/s，电压式。数
17、据可靠性：前同步信号,采用起始和终止限定符避免误差。电缆：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。远程电源供电：可选附件，通过数据线。防爆型：能进行本征及非本征安全操作。拓扑：线型或树型，或两者相结合。站数：每段最多32个，总数最多为126个。中继器：最多可扩展至4台。第25页，本讲稿共42页、PROFIBUS总线n IEC1158传输设备安装要点（1）分段藕合器将IEC11582传输技术总线段与RS485传输技术总线段连接。藕合器使RS485信号与IEC11582信号相适配。它们为现场设备的远程电源供电，供电装置可限制IEC11582总线的电流和电压。（2）PROFIBUSPA的网络拓扑有树型和线型结构，
18、或是两种拓扑的混合。（3）现场配电箱仍继续用来连接现场设备并放置总线终端电阻器。采用树型结构时连在现场线分段的全部现场设备都并联地接在现场配电箱上。（）主总线电缆的两端各有一个无源终端器，内有串联的RC元件，R100，C1F。当总线站极性反向连接时，它对总线的功能不会有任何影响。（）连接到一个段上的站数目最多是32个。如果使用本征安全型及总线供电，站的数量将进一步受到限制。即使不需要本征安全性，远程供电装置电源也要受到限制。第26页，本讲稿共42页现场总线的前景n 出路一，各种现场总线统一到12种。IEC61158的产生本身就说明这种可能性很小。n 出路二，开发所有现场总线通用的接口，成本较高
19、且难度较大。n 出路三，各国不理睬IEC61158，采用自主知识产权的协议。这不符合经济全球化发展趋势。n 出路四，采用已经是通用的国际标准Ethernet、TCP/IP等协议，并使其在工业现场成熟应用，易于被广大国家用户、集成商、OEM及制造商接受和欢迎。第27页，本讲稿共42页 现场总线技术的发展趋势n 1.注重系统的开放性 封闭、自成一体的系统定会消亡n 2.注重应用系统设备间的互操作性n 早期的总线技术多注重在通信协议上，而近年来其技术发展逐渐转向应用与用户层的相关规范，如设备描述、标准功能块等。n 应用系统设备间的互连不只要完成数据通信，还要构成控制网络，形成测量控制应用系统，而应用
20、与用户层规范与设备间的互可操作性直接相关。设备间的互操作依靠应用层协议n CAN是封装在芯片中的通信协议；n 485只是物理层的电气接口规范，n 由它们构成控制网络还需借助另外的协议规范n 数据信号的传输、数据理解第28页，本讲稿共42页发展趋势（续）n 3.注重控制网络与公用数据网络的结合n HSE；Profinet；连接 modbus的透明工厂；第3代的Lonworks、FIP等，n 各种控制网络都在向数据网络挂靠n 4.注重使测控设备具备网络浏览功能n 具有网络浏览功能的PLC；具有网络浏览功能的远程数据终端n 借助通用浏览器工具得到专用设备的数据信息n 控制设备走向开放的窗口。第29页
21、，本讲稿共42页n 5.以太网已直接进入控制网络n 以太网技术进入控制网络的优势n 以太网技术进入控制网络要解决的问题n E网到底可行，E网打尽不现实n 我国的EPA标准n 6.多种通信方式下的数据传输与数据集成，管控一体化目标下的数据综合利用n 有线、无线通信方式的结合；n 控制网络、数据网络、电话网络、无线局域网的互连；充分利用现有的网络资源n 数据集成，综合利用：共同构成测量控制系统；发布运行、调度信息发展趋势（续）第30页，本讲稿共42页n 现场总线被视为基于PC、特别是基于工业PC的控制技术n 各种工业控制计算机、测量控制板卡的供应商是现场总线技术发展的重要力量n 以现场总线技术提升
22、产品的串行通信能力，发展具有数据通信能力的控制网络新的产品系列，对推广现场总线技术的应用、对推动测量控制领域的信息化，将起到积极作用。n 现场总线的技术发展有待业内人士（设备开发供应商、用户）的共同努力第31页，本讲稿共42页工业以太网通讯技术n 随着信息技术的不断发展，信息交换技术覆盖了各行各业。在自动化领域，越来越多的企业需要建立包含从工厂现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络管控平台，建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。n 工业以太网提供了针对制造业控制网络的数据传输的以太网标准。该技术基于工业标准，利用了交换以太网结构，有很高的网络安全性、可操作性和实效性，最大
23、限度地满足了用户和生产厂商的需求。工业以太网以其特有的第成本、高实效、高扩展性及高智能的魅力，吸引着越来越多的制造业厂商。第32页，本讲稿共42页工业以太网简介n 以太网技术的思想渊源最早可以追溯到1968年。以太网的核心思想是使用共享的公共传输信道，这个思想源于夏威夷大学。n 在局域网家族中，以太网是指遵循IEEE 802.3标准，可以在光缆和双绞线上传输的网络。以太网也是当前主要应用的一种局域网（LANLocal Area Network，局域网）类型。目前的以太网按照传输速率大致分为以下四种：n 10Base-T 以太网传输介质是铜轴电缆，传输速率为10Mbit/s；n 快速以太网传输速
24、率为100Mbit/s，采用光缆或双绞线作为传输介质，兼容10Base-T 以太网；n Gigabit 以太网扩展的以太网协议，传输速率为1Gbit/s,采用光缆或双绞线作为传输介质，基于当前的以太网标准，兼容10Mbit/s以太网和100Mbit/s以太网的交换机和路由器设备；n 10 Gigabit 以太网2002年6月发布，是一种速度更快的以太网技术。支持智能以太网服务，是未来广域网（WANWide Area Network）和城域网（MANMetropolitan Area Network）的宽带解决方案。第33页，本讲稿共42页n 工业以太网技术是普通以太网技术在控制网络延伸的产物，
25、前者源于后者但不同与前者。以太网技术经过多年的发展，特别是它在Internet中广泛应用，使得它的技术更为成熟，并得到了广大开发商与用户的认同。因此无论从技术上还是产品价格上，以太网较之其他类型网络技术都具有明显的优势。另为，随着技术的发展，控制网络与普通计算机网络、Internet的联系更为密切。控制网络技术需要考虑与计算机网络连接的一致性，需要提高对现场设备通信能力的要求，这些都是控制网络设备的开发者与制造商把目光转向以太网技术的重要原因。第34页，本讲稿共42页工业以太网与传统以太网络的比较办公室网络 工业网络应用场合 普通办公场合工业场合、工况恶劣，抗干扰性要求较高拓扑结构支持线形、环
26、形、星形等结构支持线形、环形、星形等结构，并便于各种结构的组合和转换，简单的安装，最大的灵活性和模块性，高扩展能力可用性一般的实用性需求，允许网络故障时间以秒或分钟计极高的实用性需求，允许网络故障时间300ms以避免生产停顿网络监控和维护网络监控必须有专人员使用专用工具完成网络监控成为工厂监控的一部分，网络模块可以被HMI软件如Win CC监控，故障模块容易更换第35页，本讲稿共42页n 工业以太网产品的设计制造必须充分考虑并满足工业网络应用的需要。工业现场对工业以太网产品的要求包括：n 工业生产现场环境的高温、潮湿、空气污浊以及腐蚀性气体的存在，要求工业级的产品具有气候环境适应性，并要求耐腐
27、蚀、防尘和防水。n 工业生产现场的粉尘、易燃易爆和有毒性气体的存在，需要采取防爆措施保证安全生产。n 工业生产现场的振动、电磁干扰大，工业控制网络必须具有机械环境适应性（如耐振动、耐冲击）、电磁环境适应性或电磁兼容性（EMCElectro Magnetic Compatibility）等。n 工业网络器件的供电，通常是采用柜内低压直流电源标准，大多的工业环境中控制柜内所需电源为低压24V直流。n 采用标准导轨安装，安装方便，适用于工业环境安装的要求。工业网络器件要能方便地安装在工业现场控制柜内，并容易更换。第36页，本讲稿共42页工业以太网应用于工业自动化中的关键问题n 1、通信实时性问题n
28、以太网采用的CSMA/CD的介质访问控制方式，其本质上是非实时的。平等竞争的介质访问控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实时性要求。因此以太网一直被认为不适合在底层工业网络中使用。需要有针对这一问题的切实的解决方案。n 2、对环境的适应性与可靠性的问题n 以太网是按办公环境设计的，将它用于工业控制环境，其环境适应能力、抗干扰能力等是许多从事自动化的专业人士所特别关心的。在产品的设计时要特别注重材质、元器件的选择。使产品在强度、温度、湿度、振动、干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场的要求。还要考虑到在工业环境下的安装要求，例如采用DIN导轨式安装等。像RJ45一类的连接器，在工业上应用太易损坏
29、，应该采用带锁紧机构的连接件，使设备具有更好抗振动、抗疲劳能力第37页，本讲稿共42页n 3、总线供电n 在控制网络中，现场控制设备的位置分散性使得它们对总线有提供工作电源的要求。现有的许多控制网络技术都可以利用网线对现场设备供电。工业以太网目前没有对网络节点供电做出规定。一种可能的方案是利用现有的5类双绞线中另一对空闲线对供电。一般在工业应用环境下，要求采用直流1036V低压供电。n 4、本质安全n 工业以太网如果要用在一些易燃易爆的危险工业场所，就必须考虑本安防爆问题。这是在总线供电解决之后要进一步解决的问题。n 在工业数据通信与控制网络中，直接采用以太网作为控制网络的通信技术只是工业以太
30、网发展的一个方面，现有的许多现场总线控制网络都提出了与以太网结合，用以太网作为现场总线网络的高速网段，使控制网络与Internet融为一体的解决方案。n 在控制网络中采用以太网技术无疑有助于控制网络与互联网的融合，使控制网络无需经过网关转换即可直接连至互联网，使测控节点有条件成为互联网上的一员。在控制器、PLC、测量变送器、执行器、I/O卡等设备中嵌入以太网通讯接口，嵌入TCP/IP协议嵌入Web Server便可形成支持以太网、TCP/IP协议和Web服务器的Internet现场节点。在应用层协议尚未统一的环境下，借助IE等通用的网络浏览器实现对生产现场的监视与控制，进而实现远程监控，也是人们提出且正在实现的一个有效的解决方案。第38页，本讲稿共42页工业以太网标准n Erhernet/IPn IDAn ProfiNETn FF HSE第39页，本讲稿共42页过程控制中的HSE/H1应用系统第40页，本讲稿共42页异构控制网络互连第41页，本讲稿共42页 利用因特网对现场进行远程的实时与组抬是当前控制领域的热点之一。利用Web服务器（Internet Explorer,Netscape Navigator等），就能登录，监控现场的实时数据及报警信息。第42页，本讲稿共42页