1、现场总线与控制网络长安大学长安大学王会峰王会峰2013年年9月月Field Bus and Control Network2022年4月17日7时16分2主要内容主要内容o现场总线简介、特点与优点现场总线简介、特点与优点o数据通信基础与网络互联数据通信基础与网络互联o主要现场总线的介绍主要现场总线的介绍o现场总线的典型应用现场总线的典型应用o现场总线控制系统现场总线控制系统 o现场总线与工业以太网的互连技术现场总线与工业以太网的互连技术 2022年4月17日7时16分3参考书目参考书目1. 李正军李正军.现场总线及其应用技术现场总线及其应用技术 机械工业出版社，机械工业出版社，20052. 阳
2、宪惠阳宪惠. 现场总线技术及其应用现场总线技术及其应用 清华大学出版社，清华大学出版社，19983. 甘永梅甘永梅.现场总线技术及其应用现场总线技术及其应用 机械工业出版社，机械工业出版社，20004. 杨宁杨宁.集散控制系统及现场总线集散控制系统及现场总线 北航出版社，北航出版社，20015. 邬宽明邬宽明.现场总线技术应用选编现场总线技术应用选编 北航出版社，北航出版社，20012022年4月17日7时16分4参考书目参考书目2022年4月17日7时16分5要求及考试要求及考试o上课认真做笔记上课认真做笔记o认真完成课后作业认真完成课后作业o平时成绩平时成绩 30n 实验成绩实验成绩 60
3、%n 平时表现及作业平时表现及作业 40%o期末笔试期末笔试70第一讲 现场总线概述2022年4月17日7时16分71.1 现场总线的现状和发展现场总线的现状和发展o 现场总线现场总线现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室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、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。互联、多变量、多点、多站的通信网络。o IEC对现场总线的定义对现场总线的定义现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备现场总线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、串之间、现场设备与控制装
4、置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。行、多节点数字通信的技术。o 涉及智能仪表、控制、计算机、数据通信技术涉及智能仪表、控制、计算机、数据通信技术2022年4月17日7时16分81.1.1 现场总线的产生现场总线的产生 -控制系统的发展趋势控制系统的发展趋势o第一代：气动信号控制系统第一代：气动信号控制系统(50年代之前年代之前)o第二代：电动模拟信号控制系统第二代：电动模拟信号控制系统(50年代年代至今至今),420mA的模拟量标准信号。的模拟量标准信号。o第三代：计算机集中控制系统第三代：计算机集中控制系统(70年代年代)o第四代：集散式分布控制系统第四代：集散式分布控制系统(80
5、年代年代)2022年4月17日7时16分9o第五代：现场总线控制系统第五代：现场总线控制系统(FCS)n突破了突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；服了封闭系统所造成的缺陷；n 把把DCS的集中与分散相结合的集散系统结的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。彻底下放到现场。n 开放性、分散性与数字通讯是现场总线系开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。统最显著的特征。 1
6、.1.1 现场总线的产生现场总线的产生 -控制系统的发展趋势控制系统的发展趋势2022年4月17日7时16分10传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统 2022年4月17日7时16分11DCS与与FCS2022年4月17日7时16分12o 微处理器技术的迅猛发展和广泛应用，微处理器技术的迅猛发展和广泛应用，使仪表和现场控制设备在性能和功能上使仪表和现场控制设备在性能和功能上有显著的提高；有显著的提高；o 对系统维护管理、测试和监视需求的日对系统维护管理、测试和监视需求的日益增加；益增加；o 控制领域在控制精度、可操作性、可维控制领域在控制精度、
7、可操作性、可维护性、可移植性等方面的要求。护性、可移植性等方面的要求。1.1.1 现场总线的产生现场总线的产生-产生背景产生背景2022年4月17日7时16分131. 现场通信网络现场通信网络用于过程及制造自动化的现场设备或现场仪表互连用于过程及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络的通信网络2. 现场设备互连现场设备互连现场设备或仪表指传感器、变送器和执行器等。这现场设备或仪表指传感器、变送器和执行器等。这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等线、同轴电缆、光纤和电源线等3. 互操作性互操作性对不同厂商不同品
8、牌的现场设备统一组态，构成所对不同厂商不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路，并且具备相互操作的功能需要的控制回路，并且具备相互操作的功能1.1.2 现场总线的本质现场总线的本质2022年4月17日7时16分144. 分散功能块分散功能块FCS废弃了废弃了DCS的输入的输入/输出单元和控制站，把输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站而构成虚拟控制站例如：例如： 流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输入模块，而且有输入模块，而且有PID控制和运算功能块。控制和
9、运算功能块。 调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输出特性补偿模块，或出特性补偿模块，或PID控制和运算模块，甚至控制和运算模块，甚至阀门特性自检验和自诊断功能。阀门特性自检验和自诊断功能。1.1.2 现场总线的本质现场总线的本质2022年4月17日7时16分155. 通信线供电通信线供电允许现场仪表直接从通信线上获取能量，允许现场仪表直接从通信线上获取能量，对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式采用这种供电方式6. 开放式互连网络开放式互连网络既可与同层网络互连，也可以与不同层网既可与同层网络互连
10、，也可以与不同层网络互连，还可以实现网络数据库的共享络互连，还可以实现网络数据库的共享1.1.2 现场总线的本质现场总线的本质2022年4月17日7时16分161.1.3 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点-现场总线的结构特点现场总线的结构特点o 由于采用智能现场设备，能够把由于采用智能现场设备，能够把DCS系统中系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备中，在现场直接完成采集和控制。入现场设备中，在现场直接完成采集和控制。o 由于不需要其他的模数转换器件，且一对电由于不需要其他的模数转换器件，且一对电线能传输多个信号，因而简化了系统结构
11、，线能传输多个信号，因而简化了系统结构，节约了设备及安装维护费用。节约了设备及安装维护费用。2022年4月17日7时16分172022年4月17日7时16分181.1.3 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点-FCS与与DCS的详细对比的详细对比1.结构结构FCS: 一对多：一对传输线接多台仪表，双一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号向传输多个信号DCS: 一对一：一对传输线接一台仪表，一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号单向传输一个信号2022年4月17日7时16分191.1.3 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点-FCS与与DCS的详细对比的详细对比2.可靠性
12、可靠性FCS: 可靠性好：数字信号传输抗干扰能力可靠性好：数字信号传输抗干扰能力强，精度高；强，精度高；DCS: 可靠性差：模拟信号传输不仅精度可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰低，而且容易受干扰2022年4月17日7时16分201.1.3 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点-FCS与与DCS的详细对比的详细对比3. 失控状态失控状态FCS: 操作员在控制室既可以了解现场设备操作员在控制室既可以了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对设备进行或现场仪表的工作状况，也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处于操作员的远程备始
13、终处于操作员的远程监视与可控状态监视与可控状态之中；之中；DCS:操作员在控制室既不能了解模拟仪表操作员在控制室既不能了解模拟仪表的工作状态，也不能对其进行参数调整，的工作状态，也不能对其进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对仪表处于更不能预测故障，导致操作员对仪表处于“失控失控”状态状态2022年4月17日7时16分211.1.3 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点-FCS与与DCS的详细对比的详细对比4. 互换性互换性FCS: 用户可以自由选择不同制造商提供的用户可以自由选择不同制造商提供的性能价格比最优的现场设备和仪表，并将性能价格比最优的现场设备和仪表，并将不同品牌的仪表互连
14、；不同品牌的仪表互连；DCS:尽管模拟仪表统一了信号标准尽管模拟仪表统一了信号标准(4-20mA DC)，可大部分参数仍由制造厂自，可大部分参数仍由制造厂自定，致使不同品牌的仪表互换难度较大定，致使不同品牌的仪表互换难度较大2022年4月17日7时16分221.1.3 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点-FCS与与DCS的详细对比的详细对比5. 仪表仪表FCS: 智能仪表，除了具有模拟仪表的检测、智能仪表，除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外，还具有数字通信能变换、补偿等功能外，还具有数字通信能力，并且具有控制和运算的能力；力，并且具有控制和运算的能力；DCS: 模拟仪表只具有检测
15、、变换、补偿模拟仪表只具有检测、变换、补偿等等功能功能6. 控制控制FCS: 控制功能分散在各个智能仪表中；控制功能分散在各个智能仪表中；DCS: 所有控制功能集中在控制站中所有控制功能集中在控制站中2022年4月17日7时16分23IFix Primary ServerIFix Secondary ServerABB OPC ServeriFix OPC ClientIFix Client 1IFix Client 2Gateway 3 NICAC800MAC800MAC800MMISERPABB AC800MiFIX典型典型ABBABB的的AC800MAC800M系统组成系统组成2022年
16、4月17日7时16分24Plant Network / Intranet Firewall Client/server NetworkThird party application serverWorkplacesEnterprise OptimizationSuiteMobileOperator ConnectivityServer Control Network RedundantEngineeringWork placeApplicationServerAspectServer Third partycontrollers,servers etcSerial, OPCor fieldbu
17、s Field BusField BusAC 800M HIAC 800MAC 800M2022年4月17日7时16分25o 系统的开放性系统的开放性通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换互连并实现信息交换o 互可操作性与互用性互可操作性与互用性o 现场设备的智能化与功能自治性现场设备的智能化与功能自治性o 系统结构的高度分散性系统结构的高度分散性o 对现场环境的适应性对现场环境的适应性1.1.3 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点-现场总线的技术特点现场总线的技术特点2022年4月17日7时16分26o 节省硬件数量与投资节省
18、硬件数量与投资o 节省安装费用节省安装费用o 节约维护开销节约维护开销o 用户具有高度的系统集成主动权用户具有高度的系统集成主动权o 提高了系统的准确性与可靠性提高了系统的准确性与可靠性1.1.3 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点-现场总线的优点现场总线的优点2022年4月17日7时16分271.1.4 现场总线标准的制定现场总线标准的制定o 1984年，IEC开始起草现场总线标准；o 1993-1998年，制定IEC61158的现场总线物理层规范、链路服务定义及协议规范、应用层服务定义及协议规范o 1999年，修改IEC61158技术规范，形成8种类型新标准o 2000年，修改后的I
19、EC61158最终获得通过2022年4月17日7时16分28新标准采用新标准采用8种类型种类型o Type1 IEC61158(FF的的H1)o Type2 ControlNet(美国美国Rockwell公司公司)o Type3 PROFIBUS(德国德国Siemens公司公司)o Type4 P-Net(丹麦丹麦Process Data公司公司)o Type5 FF HSE(Fisher-Rosemount公司公司)o Type6 SwiftBet(美国波音公司美国波音公司)o Type7 WorldFIP(法国法国Alstom公司公司)o Type8 INTERBUS(德国德国Phoeni
20、x Contact公司公司)2022年4月17日7时16分291.1.5 现场总线的现状现场总线的现状1. 多种总线共存多种总线共存世界市场对各种现场总线的需求：o过程自动化：15%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP)o医药领域：18%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP)o加工制造：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet)o交通运输：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet)o航空，国防：34%(PROFIBUS-FMS,LonWorks, ControlNet,DeviceNet)o其它，如楼宇自动化，农业等2022年4月17日7时16分30
21、1.1.5 现场总线的现状现场总线的现状2. 每种总线各有其应用领域每种总线各有其应用领域3. 每种总线各有其国际组织每种总线各有其国际组织4. 每种总线均有其支持背景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的标准多种总线均作为国家和地区的标准7. 协调共存协调共存8. 工业以太网引入工业领域工业以太网引入工业领域2022年4月17日7时16分311.1.6 现场总线网络的实现现场总线网络的实现o 制定标准时参照制定标准时参照OSI七层协议标准；七层协议标准；o 大多采用第大多采用第1层层(物理层物理层)、第、第2层层(数据
22、链路数据链路层层)和第和第7层层(应用层应用层)，并增加第，并增加第8层用户层。层用户层。n物理层：定义了信号的编码与传送方式、传送介质、物理层：定义了信号的编码与传送方式、传送介质、接口的电气及机械特性、信号传输速率等。接口的电气及机械特性、信号传输速率等。 现场总线有两种编码方式：现场总线有两种编码方式：Manchester和和NRZ，前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。前者前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。前者采用基带传输，后者采用频带传输。调制方式主要有采用基带传输，后者采用频带传输。调制方式主要有CPFSK和和COFSK。传输介质主要有：有线电缆、光。传输介质主要有
23、：有线电缆、光纤和无线介质。纤和无线介质。2022年4月17日7时16分321.1.6 现场总线网络的实现现场总线网络的实现n 数据链路层数据链路层分为两个子层：介质访问控制层分为两个子层：介质访问控制层(MAC)和逻辑链路控制和逻辑链路控制层层(LLC)。MAC对传输介质传送的信号进行发送和接收对传输介质传送的信号进行发送和接收控制；控制；LLC对数据链进行控制，保证数据传送到指定的对数据链进行控制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线上的设备可以是主站，也可以是从站。设备上。现场总线上的设备可以是主站，也可以是从站。MAC层的三种协议：集中式轮询协议、令牌总线协议和层的三种协议：集中式轮询
24、协议、令牌总线协议和总线仲裁协议。总线仲裁协议。n 应用层应用层分为两子层：应用服务层分为两子层：应用服务层(FMS)，用于为用户提供服务；，用于为用户提供服务；现场总线存取层现场总线存取层(FAS)，用于实现数据链路的连接。，用于实现数据链路的连接。2022年4月17日7时16分331.1.6 现场总线网络的实现现场总线网络的实现n 用户层用户层定义了从现场装置中读写信息和向网络中其他装置定义了从现场装置中读写信息和向网络中其他装置分派信息的方法，即规定了供用户组态的标准分派信息的方法，即规定了供用户组态的标准“功功能模块能模块”。2022年4月17日7时16分341.1.7 现场总线的发展
25、趋势现场总线的发展趋势o 自动化系统和设备将朝着现场总线体系结构自动化系统和设备将朝着现场总线体系结构方向发展；方向发展；o 在未来数年内几大总线标准共存，甚至在一在未来数年内几大总线标准共存，甚至在一个系统内几种标准的设备通过路由网关互连个系统内几种标准的设备通过路由网关互连实现信息共享；实现信息共享；o 我国在这一领域刚刚起步。我国在这一领域刚刚起步。2022年4月17日7时16分351.1.7 现场总线的发展趋势现场总线的发展趋势具有发展前景的现场总线技术：具有发展前景的现场总线技术：o智能仪表与网络设备开发的软硬件技术；智能仪表与网络设备开发的软硬件技术；o组态技术、包括网络拓扑结构、
26、网络设备、组态技术、包括网络拓扑结构、网络设备、网络互连等；网络互连等；o网络管理技术，包括网络管理软件、网络数网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输；据操作与传输；o人机接口、软件技术；人机接口、软件技术；o现场总线系统集成技术现场总线系统集成技术2022年4月17日7时16分361.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构企业网络信息集成系统的层次结构1.2.2 现场总线的作用现场总线的作用1.2.3 现场总线与上层网络的互联现场总线与上层网络的互联1.2.4 现场总线网络集成应考虑的因素现场总线网络集成应考虑的因素1.2 企业网络信息集成系统企业网络信息集成系统2022年4月1
27、7日7时16分37o 现场总线网络直接面向生产过程，因此要求很高的现场总线网络直接面向生产过程，因此要求很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性；实时性、可靠性、数据完整性和可用性；o 因此一般只包括物理层、数据链路层和应用层；因此一般只包括物理层、数据链路层和应用层；o 要完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递；要完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递；o 统一的企业网络信息集成系统应具有三层结构，从统一的企业网络信息集成系统应具有三层结构，从底向上依次是：过程控制层底向上依次是：过程控制层(PCS)、制造执行层、制造执行层(MES)、企业资源规划层、企业资源规划层(ERP)1.2.1 企业
28、网络信息集成系统的层次结构企业网络信息集成系统的层次结构2022年4月17日7时16分381.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构企业网络信息集成系统的层次结构现场总线现场总线控制网络现场总线控制网络工业局域网工业局域网企业网企业网Internet过程控制层过程控制层PCS制造执行层制造执行层MES企业资源规划层企业资源规划层ERP2022年4月17日7时16分39工厂中的控制网络系统典型结构工厂中的控制网络系统典型结构o 简化的简化的CIMS网络体系结构网络体系结构 o 传统的现场级与车间级自动化监控及信传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统息集成系统 o 基于现场总线的现场级与车间
29、级自动化基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统监控及信息集成系统 2022年4月17日7时16分40简化的简化的CIMS网络体系结构网络体系结构2022年4月17日7时16分41传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统系统2022年4月17日7时16分42基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统成系统2022年4月17日7时16分43资源规划层(ERP)以太网段制造执行层(MES)以太网段现场控制层(FCS)Internet控制网络各功能层次的网络类型各功能层次的网络类型2022
30、年4月17日7时16分441.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构企业网络信息集成系统的层次结构o过程控制层过程控制层依照现场总线的协议标准，智能设备采用功能块的结依照现场总线的协议标准，智能设备采用功能块的结构，通过组态设计，完成数据采集、构，通过组态设计，完成数据采集、A/D转换、数字转换、数字滤波、温度压力补偿、滤波、温度压力补偿、PID控制等功能。智能转换模控制等功能。智能转换模块对传统检测仪表的电流电压进行数字转换和补偿。块对传统检测仪表的电流电压进行数字转换和补偿。o过程控制层的拓扑结构过程控制层的拓扑结构环形网：时延确定性好，重载时网络效率高；环形网：时延确定性好，重载时网络效
31、率高；总线网：成本低，时延不确定，重载时效率低；总线网：成本低，时延不确定，重载时效率低；树形网：可扩张性好，频带较宽，但节点间通信不便；树形网：可扩张性好，频带较宽，但节点间通信不便；令牌总线网：物理上是总线网，逻辑上是令牌网。令牌总线网：物理上是总线网，逻辑上是令牌网。2022年4月17日7时16分451.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构企业网络信息集成系统的层次结构o制造执行层制造执行层从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋势分析等功能，还包括参数的监测、报警和趋势分析等功能，还包括控制组态的设计和下装。控制组态的设计和
32、下装。通过总线接口转换器实现现场总线网段和以太通过总线接口转换器实现现场总线网段和以太网段的连接。网段的连接。2022年4月17日7时16分461.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构企业网络信息集成系统的层次结构o企业资源规划层企业资源规划层在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。系统。n 首先将中间监控层的数据库中的信息转入上层关系首先将中间监控层的数据库中的信息转入上层关系数据库中，使远程用户能通过浏览器查询网络运行数据库中，使远程用户能通过浏览器查询网络运行状态，对生产过程进行实时的远程监控；状态，对生产过程进行实时的远程监控；n 对数据
33、进行进一步的分析和整理，为相关的各种管对数据进行进一步的分析和整理，为相关的各种管理、经营决策提供支持，实现管控一体化。理、经营决策提供支持，实现管控一体化。2022年4月17日7时16分471.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构企业网络信息集成系统的层次结构o现场总线与数据局域网的区别现场总线与数据局域网的区别n用途不同用途不同现场总线主要用于对生产、生活设备的控制；现场总线主要用于对生产、生活设备的控制；数据网络主要用于通信、办公，提供文字、声音和数据网络主要用于通信、办公，提供文字、声音和图像等数据信息。图像等数据信息。n技术要求不同技术要求不同现场总线要求具备高度的实时性、安全性和
34、可靠性，现场总线要求具备高度的实时性、安全性和可靠性，网络接口尽可能简单，成本尽量降低，数据量一般网络接口尽可能简单，成本尽量降低，数据量一般较小；较小；数据网络则需要大批量数据传输和处理。数据网络则需要大批量数据传输和处理。2022年4月17日7时16分48现场总线与管理信息网络的特性比较现场总线与管理信息网络的特性比较特性特性现场总线现场总线管理信息网络管理信息网络监视与控制能力监视与控制能力强强弱弱可靠性与故障容限可靠性与故障容限高高高高实时响应实时响应快快中中信息报文长度信息报文长度短短长长OSI相容性相容性低低中、高中、高体系结构与协议复杂性体系结构与协议复杂性低低中、高中、高通信功
35、能级别通信功能级别中级中级大范围大范围通信速率通信速率低、中低、中高高抗干扰能力抗干扰能力强强中中2022年4月17日7时16分49o 第一种方式：采用专用网关完成不同通信协第一种方式：采用专用网关完成不同通信协议的转换，把现场总线网段或议的转换，把现场总线网段或DCS网段连网段连接到以太网上。接到以太网上。o 第二种方式：将现场总线网卡和以太网卡都第二种方式：将现场总线网卡和以太网卡都置入工业置入工业PC机插槽上，在机插槽上，在PC机内实现数据机内实现数据交换。交换。o 第三种方式：将第三种方式：将Web服务器直接置入服务器直接置入PLC或现场总线设备内，借助或现场总线设备内，借助Web服务
36、器和通服务器和通用浏览工具实现数据信息的动态交互。用浏览工具实现数据信息的动态交互。1.2.2 现场总线与上层网络的互联现场总线与上层网络的互联2022年4月17日7时16分50采用专用网关采用专用网关2022年4月17日7时16分51将现场总线网卡和以太网卡都置入工业将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC机插槽上机插槽上2022年4月17日7时16分52o 控制网络的特点控制网络的特点n适应工业控制应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性适应工业控制应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好；好；n网络传输的使测控数据及其相关信息，短帧，传输速率低网络传输的使测控数据及其相关信息，短帧，传输
37、速率低o 标准支持标准支持(国际、国家、地区、企业标准国际、国家、地区、企业标准)o 网络结构网络结构介质、拓扑结构、节点数等介质、拓扑结构、节点数等o 网络性能网络性能传输速率、时间同步准确度、访问控制方式等传输速率、时间同步准确度、访问控制方式等o 测控系统应用考虑测控系统应用考虑o 市场及其他因素市场及其他因素1.2.4 现场总线网络集成应考虑的因素现场总线网络集成应考虑的因素2022年4月17日7时16分531.3 现场总线简介现场总线简介o 基金会现场总线基金会现场总线(FF)o PROFIBUSo LonWorkso CANo HARTo DeviceNet2022年4月17日7时
38、16分541.3.1 基金会现场总线基金会现场总线(FF)o 前身为以前身为以Fisher-Rousemount公司为首，联合公司为首，联合Foxboro、横河、横河、ABB、西门子等公司的、西门子等公司的ISP协议，协议，以及以以及以Honeywell为首的为首的WorldFIP协议，合并后成协议，合并后成立现场总线基金会；立现场总线基金会；o 以以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层，并增加用户层；数据链路层、应用层，并增加用户层；o 分低速分低速H1(31.25Kbps,距离距离1900m)和高速和高速H2(1Mbps,
39、750m和和2.5Mbps,500m)两种通信速两种通信速率；率；o 介质支持双绞线、光缆和无线发射，传输信号采用曼介质支持双绞线、光缆和无线发射，传输信号采用曼彻斯特编码彻斯特编码2022年4月17日7时16分551.3.2 PROFIBUSo 德国国家标准和欧洲标准；德国国家标准和欧洲标准；o 参考模型也是参考模型也是ISO/OSI模型；模型；o 由由PROFIBUS-DP、-FMS和和-PA组成；组成；nPROFIBUS-DP型用于分散外设间的高速传输，适用于加型用于分散外设间的高速传输，适用于加工自动化领域的应用；工自动化领域的应用；nPROFIBUS-FMS为现场信息规范，适用于纺织
40、、楼宇自为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、动化、PLC等一般自动化；等一般自动化；nPROFIBUS-PA用于过程自动化。用于过程自动化。o 传输速率为传输速率为9.6Kbps-12Mbps，最大传输距离为，最大传输距离为9.6Kbps时时1200m，1.5Mbps时时200m，可用中级，可用中级器延长至器延长至10km，传输介质为双绞线、光缆。，传输介质为双绞线、光缆。2022年4月17日7时16分561.3.3 LonWorkso 由美国由美国Echelon公司和公司和Motorola、toshiba公公司倡导；司倡导；o 采用采用ISO/OSI模型的全部七层协议；模型的全部七层协议
41、；o 通信速率通信速率300bps-1.5Mbps，支持双绞线、，支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频等多种介质；同轴电缆、光纤、射频等多种介质；o 采用采用Neuron芯片，包含芯片，包含3片片8位位CPU，分别完，分别完成成1-2层、层、3-6层协议和应用处理；层协议和应用处理；o 鼓励鼓励OEM开发商运用开发商运用LonWorks和神经元芯和神经元芯片开发自己的应用产品。片开发自己的应用产品。2022年4月17日7时16分571.3.4 CANo 是控制器局域网的简称，由德国是控制器局域网的简称，由德国BOSCH公司公司提出，得到提出，得到Motorola、Intel、Philips、Sie
42、mens、NEC等公司支持；等公司支持；o 采用采用ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和模型的物理层、数据链路层和应用层；应用层；o 通信速率最高通信速率最高1Mbps/40m，传输介质为双绞，传输介质为双绞线；线；o 采用短帧结构传输，传输时间短，受干扰的概采用短帧结构传输，传输时间短，受干扰的概率低；率低；2022年4月17日7时16分581.3.5 HARTo是是Highway Addressable Remote Transducer的的缩写，即可寻址远程传感高速通道。由缩写，即可寻址远程传感高速通道。由Rosemount公司提出，并于公司提出，并于1993年成立年成立HART通信
43、基金会；通信基金会；o特点是在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于特点是在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的工业过程控制的过模拟系统向数字系统转变过程中的工业过程控制的过渡性产品；渡性产品；o由物理层、数据链路层和应用层组成。物理层采用由物理层、数据链路层和应用层组成。物理层采用FSK(频移键控频移键控)技术在技术在4-20mA信号上叠加一个频率信号上叠加一个频率信号，代表信号，代表0和和1；o支持点对点主从应答方式和多点广播方式，数据更新支持点对点主从应答方式和多点广播方式，数据更新速率为速率为2-3次次/秒，传输距离最大秒，传输距离最大3000m2022年4月17日7时16分59总结总结1.现场总线的定义现场总线的定义2.现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点3.现场总线与管理信息网络的特点比较现场总线与管理信息网络的特点比较4.企业网络信息集成系统的基本层次结构企业网络信息集成系统的基本层次结构5.几种主要的现场总线标准几种主要的现场总线标准2022年4月17日7时16分60作业作业1.简述现场总线的特点和优点简述现场总线的特点和优点2.简述企业网络信息集成系统的基本层次结构简述企业网络信息集成系统的基本层次结构3.试列举几种常见现场总线，并简述其特点试列举几种常见现场总线，并简述其特点
