1、现场总线技术 重庆大学罗克韦尔自动化实验室,现场总线的由来,随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线(fieldbus)就是顺应这一形势发展起来的新技术。,现场总线的由来,计算机控制系统,检测输入设备,中央计算机,控制输出设备,生产过程,检测变量,操作变量,现场总线的由来,集中式控制系统,检测输入设备,中央计算机,控制输出设备,生产过程,检测变量,操作变量,CRT操作台
2、,现场总线的由来,分布式控制系统（DCS）,现场总线的由来,分布式控制系统（DCS）,现场总线的由来,基于现场总线的分布式控制系统（FCS）,现场总线的定义,根据IEC的标准定义：“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、双向串行传输、多线通信的数据总线称为现场总线。,现场总线的定义,现场总线的含义 (1)现场通信网络 用于过程自动化和制造自动化现场仪表或现场设备互连的通信网络； (2)现场仪表互连 网络互连设备是传感器、变送器、执行器、控制器等现场仪表； (3)功能块分散 构成控制系统的多个功能块分散在多台现场仪表或现场设备中； (4)互操作性 不同厂家的现场仪表
3、或现场设备可以互相通信，并可以统一组态； (5)互连网络系统 现场仪表和控制室设备之间构成互连网络系统。,现场总线的类型,目前国际上是多种现场总线并存，IEC现场总线标准(IEC61158) 是迄今为止制定时间最长、投票次数最多、意见分歧最大的国际 标准之一。IEC于2000年1月4日公布投票结果。 IEC61158采用以下8种现场总线： 类型1：IEC61158技术报告 (即FF H1) 类型2：ControlNet (美国Rockwell) 类型3：PROFIBUS (德国Siemens) 类型4：P-NET (丹麦Process Data) 类型5：FF (美国Fisher-Rosemo
4、unt) 类型6：Swift Net (美国Boyin) 类型7：World FIP (法国Alston) 类型8：Interbus (德国Phoenix Contact) 注：IEC现场总线标准的8种类型都是平等的，并要求类型28对类型1提供接口，但不要求类型28之间提供接口。,现场总线的类型,除了上述八种类型外，还有其他一些现场总线： Lonworks：美国Echelon公司推出并与摩托罗拉、东芝公司共同倡 导，采用全部7层协议。 DeviceNet：由原AB即现在的罗可韦尔公司推出的。 CAN：德国BOSCH公司推出的 HART：美国Fisher-Rosemount AS-I：执行器-传
5、感器接口的， RS-485：不能称为现场总线，却是现场总线的鼻祖。,现场总线回顾,制定一个统一的现场总线一直没能实现的原因： 每种总线的产生都有其一定的应用背景，如Profibus在制造业，WorldFIP、FF在过程控制行业，P_Net在农业自动化领域。每种总线都有一个或多个大公司，且多是大型跨国公司为背景。如WordFIP主要由Alstom公司支持，Profibus以Siemens公司为主要支持，ControlNet则以Rockwell公司为主要背景。每种总线都力图开发其应用领域，以扩张其势力范围。每种总线大多将自己作为国家或者地区标准，以加强自己的竞争地位，如P-Net以成为丹麦标准，P
6、rofibus已成为德国标准，WorldFIP已成为法国标准。,NetLinx 工业控制网络新纪元,Rockwell Automation Ethernet,ControlNet,DeviceNet,NetLinx下的三层网络,Information Level (EtherNet/IP),Device Level (DeviceNet),Station MMI,Modular I/O,Block I/O,Micro Drive,Control Level (ControlNet),Gateway or Linking Device,Programmable Device Support PC
7、,Motor Starter,Micro PLC,Operator Interface,Drive,Servo,Gateway or Linking Device,Maintenance PC,Desktop PC,Controller,以太网络信息层,控制层网络,设备层网络,三层网络的着眼点,信息层：高速报文传送高容量数据共享控制层高速I/O信息和报文的传送有效的数据共享确定性和可重复性设备层有类似于控制层的要求，但更强调降低费用、系统调试时间,设备网DeviceNet,设备网 连接工业现场设备,DeviceNet总线含义,DeviceNet是90年代中期发展起来的一种基于CAN技术的开放型
8、、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络DeviceNet把可编程序控制器、传感器、光电开关、操作员终端、电动机保护器、变频器和软起动器等现场智能设备连接起来，是分布式控制系统减少现场I/O接口和布线数量，将控制功能下载到现场设备的理想解决方案,DeviceNet总线现状,DeviceNet由开放式设备网供货商协会ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）组织和管理，ODVA是一个负责DeviceNet协议的制定和增补工作的国际组织。现有供货商会员316个，已开发了350多种DeviceNet产品。DeviceNet产品增长势头迅猛，在美国和日本，它所
9、占的市场份额已达50%以上，它每年正以高于150%的惊人速度不断增长几乎所有世界著名的电器和自动化元件生产上都在大力开发DeviceNet产品，如ABB、Rockwell、Phoenix、Contacts、Omron、Hitachi、Cutler-Hammer等,用户对设备网的要求,布线方便小尺寸物理设备低节点成本增加到相关设备快速呼应时间设备组态和诊断的带宽支持控制器/系统支持多销售商设备,网络化设备的市场要求,减少硬接线 减少劳动力开支 在许多情况下，减少硬件成本 减少起动时间 接线错误最少 诊断功能有助于解决焦急的问题 资源快速分配给下一个任务 减少停机时间 诊断功能提供预兆故障报警 诊
10、断功能有助于排除故障 减少故障点,传统网络和DeviceNet网络的比较,Control Network e.g. DH+,ControlNet,Remote I/O Rack,A,1-5 vDC 4-20 ma 120 vAC 24 vDC,A,D,D,I/O 网络 e.g. RIO,A,1-5 vDC 4-20 ma 120 vAC 24 vDC,A,D,D,Device Network,DeviceNet,传统,DeviceNet电缆结构,+24VDC ( V+ ),+0VDC ( V- ),CAN-H,CAN-L,屏蔽电缆,它总共有五根线: 电力线有+24VDC, 0VDC 通讯线有C
11、AN-H, CAN-L 屏蔽电缆,DeviceNet拓扑结构,最长支线是 6m (20ft) 终端电阻是 121 欧姆,Tap,Zero Drop,Short Drops,Daisy Chain,max 20 feet,Node,Node,Node,Node,Node,Node,Node,终端电阻,主线 Trunk,Branching Drop,Node,Node,Node,Node,终端电阻,支线,节点,DeviceNet连接方式,典型的密封型连接方式,还有 开放式连接 菊花链路连接方式,粗主线 Thick Trunk,通讯速度 125 Kbaud 250 Kbaud 500 Kbaud最长
12、主线距离 500m (1640 ft) 250m (820ft) 100m (328 ft)最长支线距离 20 ft 20 ft 20 ft最多节点 64 64 64,细主线 Thin Trunk,通讯速度 125 Kbaud 250 Kbaud 500 Kbaud最长主线距离 100m (328 ft) 100m (328ft) 100m (328 ft)最长支线距离 20 ft 20 ft 20 ft最多节点 64 64 64,扁平主线 Flat Trunk,通讯速度 125 Kbaud 250 Kbaud 500 Kbaud最长主线距离 420m (1378 ft) 200m (656
13、ft) 75m (246 ft)最长支线距离 20 ft 20 ft 20 ft最多节点 64 64 64,DeviceNet的性能特点,采用基于CAN的广播方式工作，网络上任一个节点均可在任一时刻主动向网络上其它节点发送信息，而不分主从。(2) 网上可容纳64个节点地址，每个节点支持的I/O数量没有限制。(3) 采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低，具有极好的检错效果，具有CRC校验和其它检错措施，保证了数据出错率低。(4) 通信介质为独立双绞总线，信号和电源承载于同一电缆。 (5) 支持设备的热插拔，无需网络断电。 (6) 采用非破坏性逐位仲裁机制，保证了通信的实时性。,DeviceN
14、et的网络介质,Thick,Thin,Flat,DeviceNet的网络介质,Flat Media,Round Media,DevicePort,DeviceLink,DeviceBox,T-Port,KwikLink,Trunk Cable,Drop Cable,Accessories,Flat Cable,DeviceNet上的设备-扫描器,设备网的管理者DeviceNet Scaner 网络扫描器,DeviceNet上的设备-传感器,各种传感器,DeviceNet上的设备-操作界面,DeviceNet上的设备-电力设备,小型电机 控制器,中型变频调速器,电机保护器,变频器通讯适配器,电机
15、启动器,DeviceNet上的设备-I/O设备,深入到现场的输入/输出设备,DeviceNet具体实例,控制网ControlNet,控制网概貌,ControlNet 的历史与发展,ControlNet最早于1995年10月面世。1997，7月由Rockwell等22家企业联合发起成立了ControlNet International 组织，Rockwell 公司把技术转让给了该组织。该组织是非盈利性的，主要负责推广、发展ControlNet技术，提供测试和组织培训等。ControlNet Internatinal 组织也取得了很大的发展、，到目前成员公司已扩大到50多个。ABB Robotie
16、s、Honeywell Inc.、Omron Electronics Inc.等。ControlNet International 组织的网址是http:/www.controlnet.org,工业界对控制层网络的要求,实时功能 确定性和可重复性 控制器之间的互锁 对等报文发送 诊断功能使停机时间最小 人机界面 (MMI) 支持编程,ControlNet的使命,在单根实际电缆上支持两种类型的信息传输： 对时间有苛求的控制和I/O数据：I/O刷新和对等互锁 指定最高的优先权 确定性和可重复性 无时间苛求信息：报文发送和程序上载/下载 指定较低的优先权 不允许牺牲控制和I/O数据功能,为了建立罗克
17、韦尔自动化和其它自动化系统供应商控制体系结构，必须提供可靠的高速应用信息传输。,ControlNet的主要技术特点,网络功能：同一链路支持控制信息、I/O数据、编程数据 网络的拓扑：线形、星形、树型、以及以上的任何拓扑的混合 网络速度：5Mbit/s（最大） 单网络长度：（同轴电缆）1000m带2个节点，250m带48个节点。（光纤） 3000m 网络节点数：99个最大可编址节点，不带中继器的网段最多48个节点 I/O数据触发方式：论询（Poll），周期性发送（Cyclic）/状态改变发送（Change of State) 网络刷新时间：可组态2100ms 数据分组大小：可变长0 510字节
18、网络和系统特性：可带电插拔，确定性和可重复性。,ControlNet的拓扑结构,ControlNet用户获得的利益,灵活的控制系统体系结构 I/O控制和编程在同一网络上完成 从每个节点，甚至适配器上进行网络存取 使用户编程过程简单化和增加功能 用户可选择控制和I/O刷新速率 刷新速率恒定，可增加或减少节点 对远程逻辑机架消除块传输编程 在线反馈带宽利用率 开放网络 对其它自动化供应商可用技术参数和网络技术规范 罗克韦尔自动化产品 PLC-5Cs, 1771 and Flex I/O适配器, PanelView MMI, PC卡,交流变频器, 电动机保护器, 编程和组态,ControlNet用户
19、获得的利益,高速 (5 Mb/s) 控制和I/O网络 改进I/O性能 改进对等通信 灵活的安装方式 可以在干线的任何地方安装设备 可选冗余介质 在同一物理链路上支持多达99个节点 先进网络能力 确定性 - 知道数据传输的时刻 可重复性 - 传输时间恒定，甚至当设备接入网络或折除时 生产者/客户模式：多主结构，多信道广播输入和对等通信,ControlNet上的设备-变频器,变频调速器控制网适配器模块（同轴电缆方式）,ControlNet上的设备-变频器,非冗余,光缆,转换器,TX RX,变频器控制网适配器模块（光缆方式）,ControlNet上的设备,I/O输入输出设备 操作员面板 计算机接口卡
20、,“Old Way” = 源/目标方式 通常被主/从方式所采用,“The time is 8:00”,“New Way” = 生产者/消费者方式 also referred to as “Publisher/Subscriber” contains all Source/Destination capabilities, plus additional capabilities for improved efficiency,NetLinx的基本技术,设置,控制,数据采集,NetLinx网络的三大功能,Controller 控制器,Drive1,Sensor,Drive3,Drive2,Dat
21、a Acquisition,HMI,Analog I/O,传输效率非常低 - RIO, Profibus, Interbus S,传统控制方式-源/目标方式,Controller,Drive1,Sensor,Drive3,Drive2,Data Acquisition,HMI,Analog I/O,Change-of-State 状态改变 - Sensor produces data only when object is present. Cyclic 周期性循环- Analog I/O can send one value (pressure) every 50 ms, and anoth
22、er value (temperature) every 500 ms Multicast 多点传送- simultaneous data consumption.,传输效率非常高,使用NetLinx技术的控制方式,如果支持通过网络进行设置，常常需要在主站中编程 否则就需要点对点的进行设置,Controller,Drive1,Sensor,Drive3,Drive2,Programmable Device Support,HMI,Analog I/O,传统的设备配置方式,Very Efficient, devices communicate directly - not through bot
23、tlenecks,编程器直接通过网络进行编程 通过网络直接对设备进行组态,Controller,Drive1,Sensor,Drive3,Drive2,Programmable Device Support,HMI,Analog I/O,使用NetLinx技术的设备配置方式,Controller,Drive1,Sensor,Drive3,Drive2,Data Acquisition,HMI,Analog I/O,主站通过轮询的方式采集数据 主站通过逻辑梯形图程序获取数据 数据需要被存储后进行转发,传输效率低下 DH+ & RIO, Profibus FMS & DP 等网络,传统的数据采集方
24、式,设备数据通过广播方式进行传输 任何设备都可以消费/享用数据 减少信息量，无需编程,高效率地利用了网络带宽和处理器能力,Controller,Drive1,Sensor,Drive3,Drive2,Data Acquisition,HMI,Analog I/O,使用NetLinx技术的数据采集方式,信息层网络以太网络,Host Computer,RSLinx & INTERCHANGE Software,RSView Software,PLC-5Es,RSLinx DDE Server,ProgrammingSoftware,PLC-5 w/ Ethernet Sidecar Interfa
25、ce,DH+,ETHERNET TCP/IP,PLC-5,ControlNet,PLC-5,PLC-5,ControlLogix Gateway,Flex I/O,10 Mbit/sec,SLC-5/05,Power Monitor II,以太网络特点,用户熟悉 价格低廉 便于和已有的信息系统结合 实时控制性差 稳定性欠缺,Information,Discrete Device,Automation and Control,Process Device,NetLinx给用户带来的利益,数据和信息的传送（From internet-DeviceNet） 减少编程 对非控制的功能无需PLC管理数据
26、交换 减少带宽压力 网络中没有充满无变化的数据 提高了系统响应的时效 仅当需要时传送数据(例:故障条件) 无需额外的电缆 控制,编程和诊断在一个网络上完成 提高了生产率 工程,安装和维护.,SOFTWARE PRODUCTS are Network Transparent:RSLinx, I/O Linx RSLogix 5000, RSNetWorx, RSView, SoftLogix.,HARDWARE PRODUCTS are Network Transparent: Same servicesSeamless interconnectivity between networks,Control,Configure,Collect,EtherNet,RSLinx,IOLinx,Bridge,Bridge,开放的NetLinx构架,无缝网络连接从DeviceNet到Internet,Ethernet,ControlNet,ControlNet,DeviceNet,DeviceNet,RIO,DH+,Foundation Fieldbus H1,
