1、现场总线及其应用技术,一、教材：现场总线及其应用技术 李正军 主编，机械工业出版社，2005年,二、参考教材：现场总线技术及其应 用（第 2 版）阳宪惠 主编，徐用懋 审 清华大学出版社，2008年,一、课程性质：专业选修课 二、课程学时：理论教学32学时，实验10学时三、考核性质：考查课四、成绩评定方式：平时20%+期中20%+考试80%,课程要求及考核方式,一、专业方向选修课，掌握典型现场总线技术的原理、规范； 二、了解专业发展最新技术，对工业过程控制发展现状有所了解； 三、深化专业背景知识，提高专业技能，为今后从事相关专业工作打下一定基础； 四、强化有关过程自动化专业概念，进一步深入理解
2、专业知识，为今后从事相关领域研究工作做一定程度的知识铺垫。,学习现场总线的目的,一、现场总线的现状与发展 二、企业网络信息集成系统 三、现场总线简介,第1章 现场总线概述,现场总线概述,什么是现场总线现场总线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。IEC对现场总线的定义：它是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。现场总线技术是测控领域的通信和网络技术。,现场总线概述,现场总线 技术来源,DCS 系统技术,智能化仪表 设备技术,计算机 网络技术,现场总线的产生,现场总线概
3、述,检测控制系统发展历程一、基地式气动仪表（生产现场） 二、气动、电动系列的单元组合式仪表（集中控制室） 三、集中式数字控制系统 危险集中，可靠性差 四、DCS (Distributed Control System，集散控制系统）显示、操作、管理集中；控制、负载、危险分散；自封闭，“信息孤岛” 五、FCS(Fieldbus Control System,现场总线控制系统）开放，全分布式的控制系统,现场总线概述,现场总线的本质1. 现场通信网络2. 现场设备互联3. 互操作性4. 分散功能块5. 通信线供电6. 开放式互联网络,1.1 现场总线的现状与发展,现场总线概述,基于调节器的单回路自动
4、控制,现场总线的结构特点,现场总线概述,基于DCS的自动控制系统,现场总线的结构特点,现场总线概述,现场总线的结构特点,现场总线概述,变送器,DCS,调节阀,DCS传统控制方式,现场总线的结构特点,现场总线概述,现场总线的结构特点,现场总线概述,现场总线控制方式,现场智能仪表,现场智能控制设备,现场总线的结构特点,现场总线概述,现 场 总 线 控 制 系 统 (FCS) 布 线 方 式,现场总线的结构特点,现场总线概述,混合控制模式（DCS+FCS）,现场总线的结构特点,现场总线概述,FCS与DCS,FCS,DCS,I/O CPU.,FCS取消了控制站,DCS控制依赖控制站,现场总线的结构特点
5、,现场总线概述,FCS与DCS,本安情况下：现场总线多块仪表共用一块安全栅 本安情况下：DCS每块仪表均配一块安全栅,FCS,DCS,I/O,现场总线的结构特点,现场总线概述,FCS与DCS,FCS,DCS,I/O CPU.,FCS控制在现场中完成,DCS控制在控制站中完成,FCS,DCS,现场总线的结构特点,现场总线概述,FCS与DCS,FCS,DCS,I/O CPU.,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS信息是双向的,DCS信息是单向的,现场总线的结构特点,FCS,DCS,FCS,DCS,DCS,FCS,下装,FCS,DCS,DCS,FCS,DCS,可远程调校,系统完全分散,与半分散的D
6、CS不同，FCS无论是结构上还是控制上均做到了全分散。,FCS控制完全分布在现场,DCS控制依靠控制站为半分布,现场,控制室,FCS,DCS,现场总线概述,一、系统的开放性系统的开放性体现在通信协议公开，不同制造商提供的设备之间可实现网络互联与信息交换。一个开放系统，是指它可以与世界上任一制造商提供的、遵守相同标准的其他设备或系统相互连通。现场总线系统应该成为自动化领域的开放互联系统；企业底层的测控系统，依然封闭、孤立的“信息孤岛”，严重制约了其自身信息交换的范围与功能发展。用户和设备制造商都强烈要求形成统一标准，打破各自封闭的体系结构，组成开放互联网络。正是这种需求促进了现场总线技术的诞生与
7、发展。,现场总线的技术特点,现场总线概述,二、互可操作性与互用性互可操作性，是指网络中互联的设备之间可实现数据信息传送与交换；互用则意味着对不同生产厂家的性能类似的设备可以相互替换。 三、现场设备的智能与功能自治性智能主要体现在现场设备的数字计算与数字通信能力上；功能自治性则是指将传感测量、补偿计算、工程量处理、控制计算等功能块 分散嵌入到现场设备中，借助位于现场的设备即可完成自动控制的基本 功能，构成全分布式控制系统；具有随时诊断设备工作状态的能力；,现场总线的技术特点,现场总线概述,现场总线的技术特点,四、系统结构的高度分散性高度分散性：构成一种全分散性的控制系统结构体系。简化了系统结构，
8、提高了可靠性。 五、对现场环境的适应性高温、严寒、粉尘环境下保持正常工作状态，具备抗震动、抗电磁干扰能力；在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力支持总线供电等。这是总线控制网络区别与普通计算机网络的重要方面。防雨、防潮、防电磁干扰的壳体封装；温度范围更宽的电子器件；采用屏蔽电缆或光纤为传输介质；实现总线供电；满足本质安全防爆要求。,现场总线概述,现场总线的优点,一、节省硬件数量与投资智能现场设备直接执行多参数测量、控制、报警、累计计算等功能，减少了变送器的数量；不需要DCS系统的信号调理、转换等功能单元、节省硬件投资，减少控制室的占地面积。 二、节省安装费用智现场总线系统在一对双绞线或一条电缆
9、上通常可挂接多个设备，因此连线简单，与传统连接方式相比，所需电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少；当需要增加新的现场设备时，无需增设新的电缆，就近连接在原有电缆，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量；据有关典型实验工程的测算资料，可节约安装费用60%以上。,现场总线概述,现场总线的优点,三、节省维护开销现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，可通过数字通信将 相关诊断维护信息发送往控制室，便于用户查询以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间；系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 四、用户具有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。不会为系统集成中
10、不兼容的协议、接口而一筹莫展；系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。,现场总线概述,现场总线的优点,五、提高了系统的准确性与可靠性现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从根本上提高了 测量与控制的精确度，减少了传送误差；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；设备标准化，功能模块化，使系统具有设计简单，易于重构等优点。,FCS,DCS,I/O CPU.,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,下装,DCS,更少的设计，简化了图纸,由于FCS结构减化，接线简单，使图纸减少简化,FCS,DCS,FCS,I/O CPU.,DCS
11、,FCS,下装,FCS,DCS,DCS,简化了控制系统的工程实施,由于FCS采取并接方式，使铺线，接线，对线，以及安装桥架，分线盒等工作,FCS,DCS,量得到大量简少，FCS支持远程调校，使安装更加快捷。,可远程调校,无法远程调校,FCS,I/O CPU.,DCS,FCS,下装,FCS,DCS,FCS,减少了导线，端子排，机柜，分线盒，桥架,由于FCS采取并接方式，简少了大量导线，短子排以及安装桥架，分线盒, 接线柜等。,DCS,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,FCS,下装,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,DCS,DCS,Classic I/O,Digital Busses,
12、Foxboro,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,下装,DCS,FCS,DCS,FCS,DCS,DCS现场控制机柜,Foxboro,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,下装,DCS,FCS,DCS,FCS,DCS,256 I/O,Foxboro（福克斯波罗）控制机柜接线端子,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,下装,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,DCS,DCS,256 I/O,AFTER,BEFORE,256 I/O,简化了接线,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,下装,DCS,FCS,DCS,FCS,DCS,256 I/O,256 I/O,Before,Court
13、esy: Cargill Corporation,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,下装,DCS,FCS,DCS,FCS,DCS,After,Courtesy: Cargill Corporation,FCS,DCS,I/O CPU.,组态简单,FCS,FCS采用功能块组态方式，迅速快捷,下装,FCS,DCS,DCS,FCS,I/O CPU.,DCS,FCS,下装,FCS,DCS,可查看的信息大大增加,FCS,DCS,只有PV,由于FCS是纯数字系统, 所能观察到的有用信息相对于DCS大量增加,FCS,I/O CPU.,DCS,FCS,下装,只有PV,完善的诊断信息,FCS不仅能观察到简
14、单的变量值,而且可观察到大量状态, 这就为准确判断故障,提供了方便。,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,DCS,I/O CPU.,FCS,下装,FCS,DCS,只有PV,FCS,DCS,可在线校验，量程调整，调零,FCS可以在线对仪表进行校验，量程修改，仪表调零等工作而不必将表拆下,DCS在校验时 必须将表拆下,FCS在校验时 无须将表拆下,仪表校验,仪表校验,FCS,DCS,I/O CPU.,FCS,下装,DCS,FCS,只有PV,DCS,减少了停机时间，降低费用,由于FCS所具备的上述特点，减少了系统由于仪表问题造成的无计划性停车。,停车检修,在线诊断连续运行,怀疑损坏,拆下,FCS
15、,FCS,DCS,I/O CPU.,FCS,下装,DCS,FCS,只有PV,系统具有开放性,FCS所具备的开放性，不仅可充分利用来源丰富的硬软件资源，而且使整,个系统的成本大大降低,FCS,DCS,现场总线概述,现场总线的劣势,在现场总线系统中，由于网络成为各组成部件之间的信息传递通过，网络成为控制系统不可缺少的组成部分之一。网络通信中数据包的传输延迟、通信系统的瞬时错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等，都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，使得控制系统的分析和综合变得更复杂，使控制系统的性能受到负面影响。如何使控制网络满足控制系统对通信实时性、确定性的要求，是现场总线系统在设计和运行中
16、应该关注的重要问题。,现场总线概述,欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究开发； 已经形成了各式各样的企业、国家、地区、及国际现场总线标准； 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40多种。,现场总线标准的制定,现场总线概述,现场总线组织 现场总线基金会（Fieldbus Foundation） LonMark协会, Profibus协会， 工业以太网协会IEA（ Industrial Ethernet Association）， 工业自动化开放网络联盟IAONA（ Industrial Automation Open Network Allia
17、nce） Society of Automotive Engineers（SAE） 制定现场总线标准的国际标准化组织 IEC国际电工委员会 ISO国际标准化组织,1.1 现场总线的现状与发展,现场总线标准的制定,现场总线概述,国际电工委员会IEC极为重视现场总线标准的制定，早于1984年就筹备成立了IEC/TC65/SC65C/WG6工作组，开始起草现场总线标准。经过十五年的努力和曲折斗争, 2000年1月4日，IEC终于推出了以下现场总线标准: Type1：IEC 61158技术规范 Type2：Control Net现场总线 Type3：Profibus现场总线 Type4：P-Net现场
18、总线 Type5：FF HSE（High Speed Ethernet） Type6: Swift Net现场总线 Type7：WorldFIP现场总线 Type8：Interbus现场总线,1.1 现场总线的现状与发展,现场总线标准的制定,现场总线概述,1. 多种总线共存 2. 每种总线各有其应用领域 3. 每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,1.1 现场总线的现状与发展,现场总线的现状,现场总线概述,网络互连规范(OSI参考模型)物理层、数据链路层、网络层、
19、传输层、会话层、表示层、应用层 物理层提供为建立、维护、断开物理连接的机械、电气、功能等特性。 数据链路层用于建立、维护拆除链路连接，实现无差错传输的功能。 应用层提供用户服务，如文件传输等。 用户层是现场总线标准在OSI模型之外新增加的一层，是使现场总线控制系统开放与可互操作性的关键。,1.1 现场总线的现状与发展,现场总线网络的实现,现场总线概述,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 ； 组态抗术，包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等； 网络管理技术，包括网络管理软件、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。,1.1 现场总线的现
20、状与发展,现场总线技术的发展趋势,现场总线概述,典型的企业网络系统,现场总线技术概述,现场总线技术概述,基于OPC的生产信息管理网络示例,现场总线概述,现场总线控制网络,内部网Intranet(Ethernet),互联网 Internet,企业资源规划层ERP,制造执行层MES,过程控制层PCS,企业网络信息集成系统的层次结构图,企业网络信息集成系统的层次结构,现场总线概述,1.企业管理层 企业资源规划层 ERP(Enterprise Resource Planning)2.过程监控层 制造执行层 MES(Manufacturing Execution System)3.现场控制层 FCS(F
21、ield Control System),现场总线概述,位于生产控制和网络结构底层的低带宽网络。 可与局域网、Internet、Intranet相连，构成开放的网络。,现场总线的作用,现场总线概述,目前，控制网络与上层网络的连接方式一般有以下三种：一、采用专用网关完成不同通信协议的转换，把控制网段或DCS连接到以太网。,现场总线控制网段与信息网络之间的网管连接,现场总线与上层网络的互联,现场总线概述,二、将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC。 三、将WEB服务器直接置入PLC或现场控制设备内，借助WEB服务器或和通用浏览工具，实现数据信息的动态交互。,采用PCI卡连接控制网段与上层网络,现场
22、总线与上层网络的互联,现场总线技术概述,未来的自动化系统结构模式,现场总线概述,1. 控制网络的特点 2. 标准支持 3. 网络结构 4. 网络性能 5. 测控系统应用考虑 6. 市场因素 7. 其它因素,现场总线网络集成应考虑的因素,现场总线概述,FF总线（Fieldbus Foundation）FF（现场总线基金会）是国际公认的唯一不附属于某企业的公正非商业化的国际标准化组织，其宗旨是制定统一的现场总线国际标准，无专利许可要求，可供任何人使用FF总线由低速FF_H1和高速FF_H2组成，其协议规范建立在OSI参考模型之上FF_H1：以OSI参考模型为基础的四层结构模型，采用令牌总线介质访问
23、技术，用于工业生产现场设备连接FF_H2：采用基于Ethernet(IEEE 802.3)+TCP/IP的六层结构，主要用于制造业（离散控制）自动化以及逻辑控制、批处理和高级控制等场合,现场总线概述,FF总线的优点： 设备互操作性 改善的过程数据 对进程更多的了解 提高工厂设备安全性能，满足日益严格的控制设备安全要求 提供预测性维护能力 大大减少了网络安装费用,现场总线概述,CAN总线（Controller Area Network）CAN是德国Bosch公司从20世纪初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，1993年11月国际标准化组织ISO正式颁布
24、了关于CAN总线的ISO11898标准，目前CAN得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域,现场总线概述,CAN总线的主要特点：通信介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤，通信距离最远可达10km（5kb/s），最高速率可达1Mb/s（40m)用数据块编码方式代替传统的站地址编码方式，用一个11位或29位二进制数组成的标识码来定义211或1129个不同的数据块，让各节点通过滤波的方法分别接收指定标识码的数据 网络上任意一个节点均可以主动向其它节点发送数据，是一种多主总线，可以方便地构成多机备份系统网络上的节点可以定义成不同的优先
25、级，利用接口电路中线与功能，巧妙地实现无破坏性的基于优先权的仲裁数据帧中的数据字段长度最多为8B，在每帧中都有CRC校验及其它检错措施网络上的节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能,现场总线概述,CAN总线的网络结构CAN总线也是建立在ISO参考模型基础上的，不过只采用了其中最关键的两层，即物理层和数据链路层物理层的主要内容是规定通信介质的机械、电气、功能和规程特性 数据链路层的主要功能是将要发送的数据进行包装，即加上差错校验位、数据链路协议的控制信息、头尾标记等附加信息组成数据帧，从物理信道上发送出去，在接收道数据帧后，再把附加信息去掉，得到通信数据 媒体访问控制子层MAC：传输规则
26、 逻辑控制子层LLC：报文的滤波和报文的处理CAN总线的物理层和数据链路层的功能在CAN控制器中完成,现场总线概述,CAN总线协议CAN通信协议规定有4种不同的帧格式，即数据帧、远程帧、错误帧和超载帧CAN总线基于下列5条基本规则进行通信协调： 总线访问 仲裁 编码/解码 出错标注 超载标注,现场总线概述,Profibus现场总线（Process Fieldbus）Profibus是德国20世纪90年代制定的国家工业现场总线协议标准，其应用领域包括加工制造、过程和建筑自动化，如今已成为国际化的开放式现场总线标准，即EN50170欧洲标准Profibus是一种不依赖于厂家的开放式现场总线标准，采
27、用Profibus标准后，不同厂商所生产的设备不需对其接口进行特别调整就可通信。Profibus为多主从结构，可方便地构成集中式、集散式和分布式控制系统,现场总线概述,针对不同的应用场合，Profibus分为3个系列：Profibus-DP（Decentralized Periphery）：用于传感器和执行器级的高速数据传输，传输速率可达12Mb/s，一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环数据传送方式工作Profibus-PA（Process Automation）：用于安全性要求较高的场合，它具有本质安全特性，是Profibus的过程自动化解决方案，将自动化系统和过程控制系统与现场设备连接
28、起来，代替了420mA模拟信号传输技术Profibus-FMS（ Fieldbus Message Specification ）：用于车间级智能主站间通用的通信，它提供了大量的通信服务，用以完成以中等传输速度进行的循环和非循环的通信任务,现场总线概述,Profibus-FMS：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范（Fieldbus Message Specification，FMS）和低层接口（Lower Layer Interface，LLI） FMS：向用户提供了可选用的通信服务 LLI：协调通信关系，提供第二层访问接口Profibus-DP：定义了第一、二层和用户接口，用户
29、接口规定了设备可调用的应用功能，并详细说明设备行为Profibus-PA：PA的数据传输采用扩展的Profibus-DP协议，根据IEC1158-2标准，支持本征安全性和总线供电,现场总线概述,Profibus的物理层：提供三种类型的传输技术 DP和FMS的RS485传输：采用屏蔽双绞铜线，传输速率为9.6K bit/s12M bit/s，每分段32个站（不带中继），可多到127个站（带中继） PA的IEC1158-2传输：支持本征安全和总线供电，传送数据以31.25K bit/s调制供电电压，采用藕合器将IEC1158-2与RS-485连接 光纤FO：在电磁干扰很大的环境下应用，采用专用总线
30、插头转换RS-485信号和光纤导体信号Profibus的数据链路层DP、FMS、PA的数据链路层相同采用主从结构，主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从传送方式,现场总线的典型应用（FF）,现场总线的典型应用(FF),汽车内部网络 CAN总线（SAE-J1939）,第三代LonWorks技术应用系统（智能楼宇、连锁店）,Analog,Digital,CDs,MP3,+,NEWSFLASH The world is going DIGITAL!,Classic I/O,H1,AS-i,DeviceNet/Profibus,We have built a Digital Plant!,现场总线概述,一、传统DCS与FCS有什么区别？ 二、什么是现场总线？ 三、现场总线有哪些特点？ 四、现场总线有哪些优点？ 五、现场总线与局域网有什么区别？ 六、IEC制定的国际现场总线标准主要包括哪些现场总线？,
