第六章-现场总线系统1.ppt

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课程：

计算机控制系统,6、现场总线系统,第一节现场总线概述,课程：

计算机控制系统,现场总线系统,一、背景,二、现场总线概念,三、产生现场总线的基本条件,四、自动化发展的阶段,五、现场总线的发展与趋势,第一节现场总线概述,课程：

计算机控制系统,现场总线系统,一、背景,二、现场总线概念,三、产生现场总线的基本条件,四、自动化发展的阶段,五、现场总线的发展与趋势,一、背景,生产过程现场层的测控自动化系统中，由于采用传统的模拟仪表，采用独家协议的DCS而处于自封闭状态，其通信能力与水平严重制约了测控系统的发展，使其难以与管理、决策、商务等各层以及与外部世界沟通信息。

一、背景,实施管控一体，实现整个生产过程的信息集成，需要推出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的数字通信系统，形成工厂现场层的控制网络，以实现现场自动化智能控制设备之间的多点数字通信，实现生产现场与外界的信息交换与集成。

现场总线应运而生,一、背景,现场总线的实质是解决数字信号的兼容性问题。

第一节现场总线概述,课程：

计算机控制系统,现场总线系统,一、背景,二、现场总线概念,三、产生现场总线的基本条件,四、自动化发展的阶段,五、现场总线的发展与趋势,1、什么是现场总线？

二、现场总线的概念,国际电工委员会IEC1158定义：

安装在制造或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、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。

1、什么是现场总线？

二、现场总线的概念,以现场总线为基础的全数字控制系统现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）,1、什么是现场总线？

二、现场总线的概念,它使自控设备具有了数字通信能力，因而把该项技术称为自控领域的通信技术。

现场总线是80年代中在国际上发展起来的。

2、现场总线的特点与优点2.1现场总线的特点

（1）现场总线系统的结构特点,二、现场总线的概念,现场总线系统把原先DCS系统时处于控制室位置的控制模块、输入输出及其模数、数模转换模块等移至位于生产现场的测控仪表中，利用现场设备具备的通信能力，使控制系统功能不依赖于控制室的计算机或仪表而得以实现，即在现场直接实现控制。

（2）现场总线系统的技术特点,二、现场总线的概念,a.开放性它可以与世界上任何遵守相同标准的其它设备或系统连接。

b.互可操作性与互用性,系统的开放性是现场总线的生命力所在。

（2）现场总线系统的技术特点,二、现场总线的概念,c.现场设备的智能化与功能自治性现场总线技术使现场设备具备传感测量，补偿计算、工程量处理、控制计算、数字通信等多种功能，实现了现场设备的智能化。

实现了仪表的功能自治性。

（2）现场总线系统的技术特点,二、现场总线的概念,d.系统结构的高度分散性一种新的全分散性控制系统的体系结构。

它从根本上改变了现有集散控制系统DCS的系统构成方式。

2、现场总线的特点与优点2.2现场总线的优点

（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,二、现场总线的概念,第一节现场总线概述,课程：

计算机控制系统,现场总线系统,一、背景,二、现场总线概念,三、产生现场总线的基本条件,四、自动化发展的阶段,五、现场总线的发展与趋势,三、产生现场总线的基本条件,是3C技术：

电子计算机技术（Computer）控制技术（Control）通信技术（Communication）3C技术奠定了产生现场总线的物质基础。

第一节现场总线概述,课程：

计算机控制系统,现场总线系统,一、背景,二、现场总线概念,三、产生现场总线的基本条件,四、自动化发展的阶段,五、现场总线的发展与趋势,四、自动化发展的阶段,1、工业化时代的自动监控系统

（1）电气化a.20世纪40年代，标准气动信号体制。

B、50年代，通信、控制、计算机

（2）电子化60年代，4-20mA信号体制。

出现总线概念。

b.60年代末，总线发展，出现DDC。

四、自动化发展的阶段,2、自动化时代的自动监控系统

（1）70年代中后期DCS和TDCS（过程自动化领域）

（2）70年代与DCS同时出现的PLC（制造业自动化领域）,四、自动化发展的阶段,3、信息时代的自动监控系统

（1）80年代后期HART（HighwayAddressableRemoteTransducer）可寻址远程传感器数据公路

（2）80年代出现FCS（3）90年代小型灵活的工业PC+ISA/PCI总线+Windows/NT（4）90年代出现高级FCS,如P-Net,Profibus,WorldFIP,FF（FoundationFieldbus）,四、自动化发展的阶段,自动化的发展，从模拟量到数字量，从单机走向集中，再从集中走向分散。

每一次变化，都反映着进步和效能。

五、现场总线的发展与趋势,将DCS集中与分散相结合的集散系统结构变成新型全分布式系统结构。

第二节现场总线的基础、通信协议模型,课程：

计算机控制系统,现场总线系统,一、现场总线的核心,二、现场总线的基础,三、现场总线与计算机网络的区别,四、现场总线通信协议模型,五、现场总线控制系统的构成,第二节现场总线的基础、通信协议模型,课程：

计算机控制系统,现场总线系统,一、现场总线的核心,二、现场总线的基础,三、现场总线与计算机网络的区别,四、现场总线通信协议模型,五、现场总线控制系统的构成,一、现场总线的核心,总线协议,第二节现场总线的基础、通信协议模型,课程：

计算机控制系统,现场总线系统,一、现场总线的核心,二、现场总线的基础,三、现场总线与计算机网络的区别,四、现场总线通信协议模型,五、现场总线控制系统的构成,二、现场总线的基础,智能现场装置,与DCS配套使用的现场装置有本质的不同：

1、与所处的FCS系统具有统一的总线协议或通信规约；2、必须是多功能智能化的；

（1）与自动控制装置之间的双向数字通信功能

（2）多变量输出，如T,P,Q测量（3）信号线性化、监视、诊断,二、现场总线的基础,智能现场装置,2、必须是多功能智能化的；（4）信息差错检测功能（5）提供诊断信息（6）控制器功能,第二节现场总线的基础、通信协议模型,课程：

计算机控制系统,现场总线系统,一、现场总线的核心,二、现场总线的基础,三、现场总线与计算机网络的区别,四、现场总线通信协议模型,五、现场总线控制系统的构成,三、现场总线与计算机网络的区别,1、现场总线数据传输的及时性和系统响应的实时性要求比计算机网络严格。

2、现场总线强调在恶劣环境下数据传送的完整性。

3、现场总线网络通信有实时性要求，所以采用的网络技术不仅要先进的，更重要的是必须是成熟的、实用的。

第二节现场总线的基础、通信协议模型,课程：

计算机控制系统,现场总线系统,一、现场总线的核心,二、现场总线的基础,三、现场总线与计算机网络的区别,四、现场总线通信协议模型,五、现场总线控制系统的构成,四、现场总线通信协议模型,1、基本模型是TCP-IP与ISO-OSI具有七层结构的OSI参考模型可支持的通信功能是相当强大的。

作为一个通用参考模型，需要解决各方面可能遇到的问题，需要具备丰富的功能。

作为工业控制现场底层网络的现场总线，要构成开放互连系统，应该如何选择通信模型?

是采用完全型还是简化型?

是否需要实现OSI的全部功能?

是否要采用那样复杂的协议?

具有七层OSI参考模型是否适应工业现场的通信环境?

这是现场总线技术形成的过程中必须考虑的重要问题。

四、现场总线通信协议模型,1、基本模型是TCP-IP与ISO-OSI工业生产现场存在大量传感器、控制器、执行器等，零散地分布在较大范围内。

对由它们组成的工业控制底层网络来说，单个节点面向控制的信息量不大，信息传输的任务相对比较简单，但实时性、快速性的要求较高。

如果按照七层模式的参考模型，由于层间操作与转换的复杂性，因此网络接口的造价与时间开销显得过高。

为满足实时性要求，也为了实现工业网络的低成本，现场总线采用的通信模型大都在OSI模型的基础上进行了不同程度的简化。

四、现场总线通信协议模型,四、现场总线通信协议模型,结合现场总线的特点和OSI模型，将现场总线标准化的内容划分为三个基本要素：

底层协议、上层协议和行规。

行规（profile）是在OSI之上另加的，用于完成对信息的解释和使用，是实现互操作的关键。

四、现场总线通信协议模型,根据这些基本要素，可将现场总线标准分为四种类型：

第一种：

只有底层协议的总线模型。

CAN总线；约束少，适用面广，但需补充附加规定才能保证通信。

第二种：

有底层协议和上层协议的总线标准。

SDS,LonTalk总线。

最多，保证通信。

第三种：

有底层协议、上层协议和行规的总线标准。

FF总线。

具有好的互操作性。

第四种：

只有行规。

IEC61915标准。

2、现场总线通信协议模型,DDS装置描述服务,FBS功能块,系统管理,网络管理,四、现场总线通信协议模型,2、现场总线通信协议模型物理层规定信号如何发送；数据链路层规定如何在设备间建立数据交换服务；应用层则规定了设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式；用户层包含了用户为实现自动化所需要的功能，如规定标准的功能块、设备描述实现网络管理、系统管理等。

四、现场总线通信协议模型,在通信参考模型所对应的四个分层，即物理层、数据链路层、应用层、用户层的基础上，按各部分在物理设备中要完成的功能，被分为：

通信实体、系统管理内核、功能块应用进程。

各部分之间通过虚拟通信关系VCR（VirtualCommunicationRelationship）来沟通信息，VCR表明了两个或多个应用进程之间的关联，或者说，虚拟通信关系是各应用之间的逻辑通信通道，它是总线访问子层所提供的服务。

四、现场总线通信协议模型,2、现场总线通信协议模型

（一）物理层的功能物理层用于实现现场物理设备与总线之间的连接。

其主要功能是为现场设备与通信传输媒体的连接提供机械和电气接口。

（二）数据链路层为了满足实时性要求，采用了不同于IT的全新的服务定义和规范。

2、现场总线通信协议模型（三）应用层主要提供通信功能、特殊功能以及管理控制功能。

现场总线访问子层（FAS）提供发布者/接收者，客户/服务器，报告分发三种服务。

现场总线报文子层（FMS）提供对象字典服务，变量访问服务和事件服务。

（四）用户层有FB标准功能块完成控制策略。

有DD装置描述功能实现互操作。

DD-装置的驱动器。

第二节现场总线的基础、通信协议模型,课程：

计算机控制系统,现场总线系统,一、现场总线的核心,二、现场总线的基础,三、现场总线与计算机网络的区别,四、现场总线通信协议模型,五、现场总线控制系统的构成,五、现场总线控制系统的构成,由现场设备和人机接口组成的两层结构的FCS,五、现场总线控制系统的构成,由现场设备、控制站和人机接口组成的三层结构的FCS,五、现场总线控制系统的构成,由DCS扩充了现场总线接口模件所构成的FCS,第三节现场总线国际发展动态及国际标准,课程：

计算机控制系统,现场总线系统,一、IEC现场总线国际标准,四、现场总线系统FCS应用领域,三、几种典型现场总线,二、8种现场总线体系结构简析,第三节现场总线国际发展动态及国际标准,课程：

计算机控制系统,现场总线系统,一、IEC现场总线国际标准,四、现场总线系统FCS应用领域举例,三、几种典型现场总线,二、8种现场总线体系结构简析,一、IEC现场总线国际标准,由国际电工委员会（IEC）与美国仪表学会ISA共同制订。

现场总线自动化技术的一个热点。

1、目前IEC国际标准有8种类型TYPE1IEC技术报告（即FFH1）TYPE2ControlNet（美Rockwell公司支持）TYPE3Profibus（德Simens）,对时间有苛刻要求,2001年1月通过IEC61158标准1-8,一、IEC现场总线国际标准,1、目前IEC国际标准有8种类型TYPE4P-Net（丹麦ProcessData公司）TYPE5FFHSE（美FisherRosemount公司支持）TYPE6SwiffNet（美Boing波音）TYPE7WorldFIP（法Alstorn）TYPE8Interbus（德phoenixContact公司）,（欧）啤酒、食品、农业和饲料业,（航空、航天）,发电与输配电、加工自动化、铁路运输、地铁、过程控制（欧）,串行总线适用于分散输入/输出及不同类型系统之间数据传输,一、IEC现场总线国际标准,2、国外现场总线概况总线种类170200种，市场上有40种左右。

（1）可分为两大类：

主流现场总线符合IEC标准非主流现场总线大多有专用标准。

（2）世界上三大现场总线组织a.Profibus（ProcessFieldbus）德13家公司、5个研究所制定1991、4在DIN19245发表，成为德国现场总线的国家标准。

一、IEC现场总线国际标准,

（2）世界上三大现场总线组织b.WorldFIP法ClubFIP独立组织发展为欧洲WorldFIP协会，目前100多个成员FIP（工厂仪表协议）1996、6被采纳为欧洲标准EN50170，霍尼威尔、A-B公司,一、IEC现场总线国际标准,

（2）世界上三大现场总线组织c.FF（FoundationFieldbus）基金会现场总线、9ISP（InteroperablesystemProtocol可互操作系统协议）成立100多个公司仪表厂为多基于ProfibusFisherRosemount公司牵头，Foxboro,Siemens,ABB,日本横河等1993、2WorldFIP协会成立，100多个成员PLC制造厂有许多基于WorldFIP由Honeywell和A-B公司牵头。

一、IEC现场总线国际标准,c.FF（FoundationFieldbus）基金会现场总线1994、6北美和亚洲ISP与WorldFIP合并，产生FF.FieldbusFoundation现场总线基金会FF系列产品。

第三节现场总线国际发展动态及国际标准,课程：

计算机控制系统,现场总线系统,一、IEC现场总线国际标准,四、现场总线系统FCS应用领域举例,三、几种典型现场总线,二、8种现场总线体系结构简析,二、8种现场总线体系结构简析,1、TYPE4P-Net用于有限领域的专用TYPE6SwiffNet现场总线,TYPE2ControlNetTYPE3ProfibusTYPE7WorldFIPTYPE8Interbus,是由PLC为基础的控制系统发展而来。

以远程I/O总线技术为基础，通常不具备通过总线向现场装置供电和本质安全性能。

监控级总线,监控级和现场设备级总线,现场设备级总线,二、8种现场总线体系结构简析,TYPE1IEC总线（H1）TYPE5FFHSE,是由传统DCS控制系统发展而来。

功能复杂，通过总线向现场装置两线制供电和本质安全。

监控级总线,现场设备级总线,二、8种现场总线体系结构简析,2、8种总线采用不同的通信协议TYPE1IEC总线（H1）LAS方式和Publisher/Subscriber模式TYPE2ControlNetCTDM方式和Producer/Consumer模式TYPE3Profibus令牌环和主站/从站方式TYPE4P-Net虚拟令牌传递方式,二、8种现场总线体系结构简析,2、8种总线采用不同的通信协议TYPE5FFHSECSMA/CD方式TYPE6SwiffNetTDMA多路存取方式TYPE7WorldFIP总线裁决方式TYPE8Interbus整体帧协议,可见，要实现这些总线的相互兼容和互操作，几乎是不可能的。

第三节现场总线国际发展动态及国际标准,课程：

计算机控制系统,现场总线系统,一、IEC现场总线国际标准,四、现场总线系统FCS应用领域举例,三、几种典型现场总线,二、8种现场总线体系结构简析,1、CAN控制器局域网络（ControlAreaNetwork）支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。

是由德国Bosch公司推出、最早用于汽车内部监测部件与控制部件的数据通信网络。

现在已经逐步应用到其他控制领域，CAN规范已被国际标准化组织采纳，成为IS011898标准。

三、几种典型现场总线,1、CANCAN协议也是建立在ISO/OSI模型基础上的，它采用了OSI底层的物理层、数据链路层和高层的应用层。

最高通信速率为1Mbps（通信距离40m），最远通信距离可达10km（通信速率为5kbps），节点总数可达110个。

三、几种典型现场总线,1、CAN应用范围：

BENZ、BMW、PROSCHE、ROLLS-ROYCE、JAGUAR汽车公司都采用CAN汽车行业、面向过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域。

三、几种典型现场总线,1、CAN特点：

（1）CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息；

（2）CAN网络节点信息分不同的优先级；（3）CAN采用非破坏性总线仲裁技术；（4）CAN通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤。

三、几种典型现场总线,1、CAN特点：

（5）CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输的时间短，受干扰的概率低，每帧信息均有CRC校验和其他检错措施，通信误码率极低。

CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，这时故障节点与总线脱离，使其他节点的通信不受影响。

三、几种典型现场总线,2、LonWorks是局部操作网络（LocalOperatingNetwork）的缩写。

由美国Echelon公司研制，并由Motorala、Toshiba公司倡导，于1990年正式公布的现场总线网络。

采用了ISOOSI模型中完整的七层通信协议；采用面向对象的设计方法。

网络的传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等。

三、几种典型现场总线,2、LonWorksLonWorks信号传输采用可变长帧结构。

每帧的有效字节可由0288个。

LonWorks采用的通LonTalk信协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中。

芯片中有3个8位CPU，芯片中还具有信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。

三、几种典型现场总线,2.LonWorks在国内的主要应用场合：

数字化智能社区、智能建筑等。

涉及内容：

暖通、空调、照明、给排水、供配电、电梯，以及保安门禁、火灾报警等的监测控制。

三、几种典型现场总线,楼宇控制的相关内容HVAC（HeatingVentilatingandAirConditioning）采暖、通风和空调,LonWorks的核心LonTalk协议LonTalk协议的特点：

遵循由国际标准化组织ISO定义的开放系统互连OSI模型，提供OSI参考模型所定义的全部七层服务。

LonTalk协议固化在每一个LonWorks设备的神经元芯片中或片外存储器中，1999年发布了该协议的参考代码。

LonTalk协议的特点：

（1）LonTalk协议的物理层：

支持多种传输介质不同的介质通过路由器实现互联；支持总线型、环型、树型等拓扑结构；,

（2）LonTalk协议的数据链路层：

采用改进的带预测的P-PersistentCSMA/CD算法，减少冲突的出现，提高传输效率。

支持优先级。

（3）LonTalk协议的网络层网络地址采用域（255个子网）、子网（127个节点）、节点三层结构支持大网络。

每个神经元芯片有唯一的48位ID地址。

2、LonWorks,三、几种典型现场总线,（4）LonTalk协议的传送层、会话层：

四类报文服务，并支持网络认证：

应答方式或端对端的应答服务；请求/响应方式；非应答重发方式；非应答方式（5）LonTalk协议的表示层采用网络变量作表示层数据，简化分布式应用的编程。

（6）LonTalk协议的应用层：

用NeuronC语言在神经元芯片中编程。

2、LonWorks,三、几种典型现场总线,LonWorks的神经元芯片（NeuronChip）芯片内有3个8位CPU，使用CMOSCLSI技术高度集成，集采集、控制于一体：

第1个CPU为介质访问控制MAC处理器，处理LonTalk协议的第一层和第二层；第2个CPU为网络处理器，处理LonTalk协议的第三层到第六层；第3个CPU为应用处理器，它执行用户编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务。

LonWorks网络上的装置都必须有1个神经元芯片。

2、LonWorks,三、几种典型现场总线,2、LonWorksLonWorks的发展趋势LonWorks已经发展到第三代，采用了电力载波通信技术，具有了远程抄表、信息化家电的应用前景。

采用了LNS网络管理操作系统，实现了与IP网络的无缝连接。

应用场合向工业自动化扩展。

三、几种典型现场总线,2、LonWorks

（1）媒体访问控制处理器实现ISOOSI模型1层2层的功能，实现介质访问的控制与处理；

（2）网络处理器用于完成3-6层的功能进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等。

（3）应用处理器完成7层的功能执行操作系统服务与用户代码。

三、几种典型现场总线,2、LonWorks目前发展状况已有2600多家不同程度卷入了LonWorks技术，1000多家公司推出了LonWorks产品。

广泛应用于楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。

在开发智能通信接口，智能传感器方面，LonWorks神经芯片也有独特的优势。

三、几种典型现场总线,3、PROFIBUSPROFIBUS是过程现场总线（ProcessFieldBus）的缩写。

它是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170所规定的现场总线标准。

三、几种典型现场总线,3、PROFIBUS,三、几种典型现场总线,PROFIBUS采用定长或可变长帧结构，定长帧一般为8字节，可变长帧每帧的有效字节数为1244个。

近年来，多家公司联合开发PROFIBUS通信系统的专用集成电路芯片，目前已经能将PROFIBUS-DP协议全部集成在一块芯片之中。

例如，被称为PROFIBUS控制器的SPC3芯片、主站控制器PBM芯片、从站控制器PBS01芯片等。

PROFIBUS由三个兼容部分组成：

（1）PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）：

是现场一级的总线，适用于装置一级自动控制系统与分散I/O之间高速通信。

是一种高速低成本通信，可取代办24VDC或4-20mA信号传输。

（2）PROFIBUS-PA（ProcessAutomation）：

专为过程自动化设计，可使变送器与执行器连接在一根总线上，并提供本质安全和总线供电特性。

PROFIBUS-PA采用扩展的PROFIBUS-DP协议，另外还有描述现场设备行为的PA行规。

（3）PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification）：

用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。

三、几种典型现场总线,3、PROFIBUS,应用领域：

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。

中国市场占有率第一的现场总线技术。

三、几种典型现场总线,3、PROFIBUS,PROFIBUS的三部分：

PROFIBUS协议结构：

符合OSI模型,PROFIBUS-FMS：

定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范（FieldbusMessageSpecification-FMS）和低层接口（LowerLayerInterface-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