现场总线技术教学课件 第一章 绪论

– 采用OSI/ISO物理层,数据链路层和应用层,增加了用 户层
– 有低速(H1,31.25kb/s,200m，400m，1200m， 1900m)与高速(H2,1Mbps, 2.5Mpbs,750m,500m))之 分,H2逐渐被HSE(100Mb/s,甚至更高)取代
– 支持双绞线、同轴电缆、光缆和无线发射等传输介 质
现场总线技术
第1章
信电学院 胡青松
参考书
教材 李正军，现场总线及其应用技术，机械工业出
版社，2005 顾洪军，工业企业网与现场总线技术及其应用，
人民邮电出版社，2002 夏德海，现场总线技术，中国电力出版社，
2003
2第Leabharlann 章 绪论1.1 现场总线的概念 1.2 现场总线的产生及发展 1.3 现场总线的特点 1.4 工业控制网络体系 1.5 本书的基本结构
– 采用ISO/OSI模型的物理层、数据链路层、应用层 – 具有单一的总线结构,可适应不同应用领域的需求 – 不同应用领域采用不同的总线速率,过程控制采用
31.25kpbs,制造业为1Mbps,驱动控制为1-5Mbps – 主要应用在过程自动化,制造自动化,电力,铁路运输
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1.2.2几种流行的现场总线
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1.2.2几种流行的现场总线
控制网(ControlNet)
– 由美国Rockwell Automation推出,交由CI管理后
在全世界范围内拥有包括Rockwell Automation、 ABB、Honeywell等70家著名厂商组成的成员单位. – 通讯速率5Mb/s,通讯距离30km – 采用物理层,数据链路层和应用层 – 支持总线型,树型和星型 – 应用于交通运输,汽车制造,冶金,矿山,电力,食品等领 域
等传输介质 – LonTalk协议固化在Neuron芯片中.每片芯片带3个8位微处理
器 – 最大的应用领域在楼宇自动化,在工业控制领域如石油,铁路也
有应用
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1.2.2几种流行的现场总线
控制器局域网络(Controller Area Network,CAN) – 由德国 Bosch 开发,起初专为汽车工业设计. – 遵循ISO/OSI模型,采用了物理层和数据链路层,应用 层协议允许用户自行开发. – 采用短帧结构,最可靠 – 可采用双绞线、同轴电缆、光缆等传输介质 – 通讯速率最高1Mb/s,最远通讯距离可达10km – 成为ISO国际标准. – 芯片由摩托罗拉,Intel等公司生产,价格低廉,用量最 大
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（3）集中式数字控制系统 时间：80年代初；特点：使用数字信号代替模拟信号，并
研制出直接数字控制系统，用数字计算机代替控制室内的仪表 来完成控制系统功能。用一台计算机取代控制室的所有仪表。 解决了信号传输及抗干扰问题。 （4）集散控制系统（DCS）
组成：由数字调节器、可编程控制（PLC）以及多台计算 机构成；特点：当一台计算机出故障时，其他计算机立即接替 该计算机的工作，使系统继续正常运行。在DCS系统中，测量 仪表、变送器一般为模拟仪表，控制器多为数字式，因而它又 是一种模拟数字混合系统。但是各厂家的产品互换与互操作有 一定的局限性。
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（5）现场总线控制系统（FCS）
特点：把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、 标准化的解决方案，即可以将来自不同厂商而遵守同一协议 规范的自动化设备通过现场总线控制系统把DCS集中与分散 结合的集散系统结构变成了新型全分布式系统结构，把控制 功能彻底下放到现场。
(a) 传统控制系统结构
(b) 现场总线控制系统结构 13
SDS (Smart Device System )
– SDS专为I/O级控制应用设计，以扩展到更高一级总 线，由Honeywell Micro Switch Division开发
– SDS标准定义了应用层、物理层和设备规约。连接 简单I/O设备至PLC或PC，以垂询方式工作时特别 有效。同时可以运行在对等模式下，以提供分散控 制。
（2）模拟仪表控制系统
时间：60年代至70年代后期；特点：以电子管、晶体管、 集成电路为核心的气动和电动单元组合式仪表两大系列，它 们分别以压缩空气和直流电源作为动力，用于对防爆要求较 高的化工生产和其他行业，防爆等级为本质安全型，在仪表 内部实行电压并联传输，外部实行电流串联传输，以减小传 输过程的干扰。
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1.1现场总线的概念
总线 传送信息的公共通路
– 串行总线 – 并行总线
现场总线 根据国际电工委员会IEC61158标准定义，现场总线是 指安装在生产过程区域的现场设备和仪表与控制室内 的自动控制装置和系统之间数字式、串行、多点、双 向通信的数据总线。
现场总线控制系统 基于现场总线的控制系统
数据链路层 物理层
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对现场总线的通讯协议的要求
通讯介质的多样性 实时性 信息的完整性、精确性 可靠性 可互操作性 数字特征
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1.1.3现场总线是开放式、数字化、 多点通信的底层控制网络
互联网 Internet
企业内部网 现场总线控制网络
Intranet(Ethernet) Infranet(Fieldbus)
Interbus (International Bus)
– 1984年由德国Phoenix Contact公司开发,后成立 Interbus组织(Interbus Club)
– 采用OSI/ISO物理层,数据链路层和应用层 – 集中式主从方案，环型拓扑，传输速率为500Kbps – InterBus适用于分散输入输出、串行总线的PLC和
– 多主控制器,主从式总线,每段最多可容纳32个主控 制器
– 应用主要集中农业,水产,饲养,林业,食品等行业
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1.2.2几种流行的现场总线
WorldFIP(World Factory Instrumentation Protocol)
– WorldFIP基于FIP协议，其最初由法国于80年代开发， 并成为法国国家标准和欧洲标准,有WorldFIP协会组织
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现场总线适用的场合
现场设备与主控制器之间的通讯距离长 现场被控设备高度分散 系统对底层设备有信息集成要求 系统对底层设备有较高的远程诊断、故
障报警及参数化要求 对现场环境适应性要求高
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1.2.2几种流行的现场总线
基金会现场总线(Foundation Fieldbus,FF)
– 1994年,由ISP和WorldFIP两大集团合并成立现场总 线基金会.拥有120多个成员:AB,ABB,Honeywell等
1.2.1现场总线的产生
工控机
控制器
远程传感器 和执行机构
集中控制
控制器 . . . 控制器
远程传感器 和执行机构
集散控制
现场总线
智能自治节点
现场总线控制
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与现场总线相关的术语
集散控制系统 Distributed Control System— DCS
现场总线控制系统 Fieldbus Control System— FCS
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1.2.2几种流行的现场总线
P-Net (Process automation Net)
– 1984年由丹麦Process data A/s公司提出, 由ProcessData Silkeborg Aps 开发。
– 采用OSI/的物理层、数据链路层、网络层、传输层 和应用层
– 采用屏蔽双绞线,数据传输速率为76.8kbps,传输距离 1.2km
– 应用领域以过程自动化为主,比如化工,石油,污水处 理
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1.2.2几种流行的现场总线
过程现场总线(Process field bus,Profibus)
– 西门子为首的13家公司 – 共有3种版本
Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification） Profibus-PA（Process Automation） Profibus-DP（Decentralised Peripherals） – 采用ISO/OSI的物理层、数据链路层和应用层 – 传输速率为9.6kbps-12Mbps,传输距离为100m-1.2km – 采用总线型、树型、 星型 – 支持双绞线和光纤 – 制造自动化和过程控制自动化,电力,铁路交通
ISO的现场总线标准
– 用于道路车辆数字信息交换的现场总线标 准ISO11898
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1.2.2几种流行的现场总线
局部操作网络(Local Operating Network,LON)
– 由美国Echelon公司推出,摩托罗拉、东芝支持倡导.组成 LonMARK互操作协会
– 采用OSI模型全部7层通讯协议 – 通讯速率从300b/s到1.5Mb/s,通讯距离可达2700m – 采用总线型、树型 – 支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线、电力线、无线发射
PC系统 – Interbus是一种传感器级的现场总线，令牌网，经
济性是它的一大特点。 – Interbus的应用主要在汽车制造,机械制造,水处理,隧
道交通,食品,轻工,烟草,印刷等行业.
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1.2.2几种流行的现场总线
AS-i (Actuator Sensor Interface )
– AS-i由德国11家传感器/执行器制造商针对机床控制 中的二进制开/关设备联合开发,成立ASI国际协会.
现场总线是低带宽的计算机局域网
– 通讯距离有限 – 信息传输的实时性强，可靠性高，且多为短帧传送 – 传输速率一般在几kbit/s至10Mbit/s之间
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1.1.2现场总线是一种数字通信协议
ISO/OSI模型
7 应用层 6 表示层 5 会话层 4 传输层 3 网络层 2 数据链路层 1 物理层
现场总线协议 应用层
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