《工业控制网络》ppt课件.ppt

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现场总线技术（工业控制网络）主讲教师：

问题：

1.为什么学习这门课程现场总线（工业控制网络）？

为什么学？

目的2.通过这门课程能学到什么？

学什么？

内容3.怎样学习这门课程？

怎样学？

方法,为什么学？

工业控制网络现场总线是自动化及电气工程领域当前和今后的发展热点。

对于电气工程领域：

在现代电机驱动与控制装置（如变频器）中在数字化变电站配电系统/继电保护装置中在智能电器中在楼宇自动化装置中对于国防领域：

在航空航天设备、舰船、装甲车辆中均使用了现场总线系统。

背景,现都均要求配置现场总线通信接口,背景与目的,为什么学？

掌握现场总线的概念。

掌握通信与网络基本知识。

学会阅读并理解现场总线协议/规范，能够设计一般设备的现场总线通信接口。

掌握典型现场总线系统的基本应用技术，并为进行现场总线系统设计和现场总线分析奠定一定的基础。

目的,背景与目的,学什么？

现场总线的概念、组成、特点、优点现场总线通信与网络基础知识国际标准现场总线及其它主流现场总线协议/规范现场总线节点设计以及现场总线系统应用技术基础,内容,怎么学？

理论与实践相结合理论34学时实验4学时听课与自学相结合课程特点：

知识点多、交叉性强课堂：

基础、重点、难点自学：

拓展知识面、接触其他具体现场总线,方法,第1章绪论,1.1现场总线的概念1.2现场总线系统的组成与体系结构1.3现场总线的技术特点及优点1.4现场总线应用领域1.5典型现场总线简介,1.1现场总线的概念,什么是现场总线,1.1现场总线的概念,国际电工委员会制定的国际标准IEC61158对现场总线（fieldbus）的定义是：

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。

1.1现场总线的概念,第2版（Ed2.0）IEC61158-2用于工业控制系统中的现场总线标准第2部分：

物理层规范（PhysicalLayerSpecification）与服务定义（Serverdefinition）又进一步指出：

现场总线是一种用于底层工业控制和测量设备，如变送器（transducers）、执行器（actuators）和本地控制器（localcontrollers）之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。

1.1现场总线的概念,对现场总线概念的理解和解释还存在一些不同的表述。

现场总线一般是指一种用于连接现场设备，如传感器（sensors）、执行器以及像PLC、调节器（regulators）、驱动控制器等现场控制器的网络；,1.1现场总线的概念,对现场总线概念的不同的表述：

现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络；,1.1现场总线的概念,对现场总线概念的不同的表述：

现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（现场设备）之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备（车间级设备）之间的联系；,1.1现场总线的概念,对现场总线概念的不同的表述：

现场总线是连接控制系统中现场装置的双向数字通信网络；现场总线是从控制室连结到现场设备的双向全数字通信总线；,1.1现场总线的概念,对现场总线概念的不同的表述：

现场总线是用于过程自动化和制造自动化（最底层）的现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成；,1.1现场总线的概念,对现场总线概念的不同的表述：

在自动化领域，“现场总线”一词是指安装在现场的计算机、控制器以及生产设备等连接构成的网络；现场总线是应用在生产现场、在测量控制设备之间实现工业数据通信、形成开放型测控网络的新技术，是自动化领域的计算机局域网，是网络集成的测控系统。

1.1现场总线的概念,现场总线一般应被看作是一个系统、一个网络或一个网络系统，它应用于现场测量和/或控制目的，通常被称为现场总线现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）现场总线系统现场总线网络现场总线网络系统现场总线网络控制系统网络控制系统NCS（NetworkControlSystem）,控制系统的发展过程

（1）初级控制系统时间：

20世纪50年代以前；特点：

所用的设备主要是安装在生产现场、具有简单测控功能的基地式仪表，信号基本上都是在本仪表内起作用。

此阶段的控制系统均简单、初级控制系统。

（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。

（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。

（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。

现场总线控制,集散控制,集中控制,传统泵/阀控制系统结构示意图,P&V1,P&V2,P&V3,P&V4,P&V5,CPU,I/O,AD/DAetc.Modules,现场总线泵/阀控制系统结构示意图,P&V1,P&V2,P&V3,P&V4,P&V5,CPU,DeviceNet接口,NetworkScanner,1.2现场总线系统的组成与体系结构,1.2.1现场总线系统的组成1.2.2现场总线控制系统的体系结构,1.2.1现场总线系统的组成,图1现场总线系统的组成,硬件：

总线电缆，又称为通信线、通信介质（媒体/媒介/介体）。

连接在通信线上的设备称为总线设备，亦称为总线装置、节点（主节点、从节点）、站点（主站、从站）。

1.2.1现场总线系统的组成,软件包括：

系统平台软件：

为系统构建、运行以及为系统应用软件编程而提供环境、条件或工具的基础软件。

包括组态工具软件、组态通信软件、监控组态软件和设备编程软件。

系统应用软件：

为实现系统以及设备的各种功能而编写的软件，包括系统用户程序软件、设备接口通信软件和设备功能软件。

1.2.1现场总线系统的组成,软件包括：

组态工具软件为用计算机进行设备配置、网络组态提供平台并按现场总线协议/规范（ProtocolSpecification）与组态通信软件交换信息的工具软件，如RSNetWorxforDeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP。

组态通信软件为计算机与总线设备进行通信，读取总线设备参数或将总线设备配置、网络组态信息传送至总线设备而使用的软件，如RSLinx。

1.2.1现场总线系统的组成,软件包括：

监控组态软件运行于监控计算机（通常也称为上位机）上的软件，具有实时显示现场设备运行状态参数、故障报警信息，并进行数据记录、趋势图分析及报表打印等功能。

监控组态软件可使用户通过简单形象的组态工作即可实现系统的监控功能。

监控组态软件亦称上位机监控组态软件，如RSView32。

1.2.1现场总线系统的组成,软件包括：

设备编程软件为系统应用软件提供编程环境的平台软件。

当设备为控制器/PLC时，设备编程软件即为控制器编程软件，如RSLogix500（用于SLC500系列和ML系列控制器的32位基于Windows的梯形图逻辑编程软件）。

1.2.1现场总线系统的组成,软件包括：

系统用户程序软件根据系统的工艺流程或功能及其他要求而编写的系统级的用户应用程序。

该程序一般运行于作为主站的控制器中或计算机中。

设备接口通信软件根据现场总线协议/规范而编写的用于总线设备之间通过总线电缆进行通信的软件。

设备功能软件使总线设备实现自身功能（不包括现场总线通信部分）的软件。

1.2.1现场总线系统的组成,1.2.2现场总线控制系统的体系结构,离散量/模拟量输入/输出设备,指示灯：

状态指示,光电传感器：

检测开关,操作员接口：

输入操作命令,阀和交流驱动器：

执行器，输出设备,变送器（传感器）：

输入设备,控制器：

主站、从站,人机界面：

输入/输出设备参数、命令、显示,1.2.2现场总线控制系统的体系结构,智能速度控制器：

执行器,条形码识别器：

输入设备,控制、网关,上位机：

监控,与三层网络相连,远程访问路由设备,显示工作站,信息量减少,图3罗克韦尔推出的现场总线控制系统,1.2.2现场总线控制系统的体系结构,图4FFHSE网络架构（体系结构）,链接设备：

核心网桥、网关时间发布链路调度器,31.25kbps,100Mbps,主机系统,以太网交换机,高速以太网,组态、监控,现场信息控制信息,1.2.2现场总线控制系统的体系结构,变送器传感器（输入设备）；执行器（输出设备）；控制器；,监控监视计算机；网桥网关/中继器/集线器/交换机/路由器（网络互联设备）；其他现场总线设备（HMI）。

在现场总线控制系统中，总线设备主要分为6类：

1.3现场总线的技术特点及优点,现场总线是当今3C技术，即通信（Communication）、计算机（Computer）、控制（Control）技术发展的结合点。

现场总线是过程控制技术、自动化仪表技术、计算机网络技术三大技术发展的交汇点。

现场总线是信息技术、网络技术的发展在控制领域的体现。

现场总线是信息技术、网络技术发展到现场的结果。

现场总线在技术上的产生,1.3现场总线的技术特点及优点,现场总线是自动化领域技术发展的热点之一，将对传统的工业自动化带来革命，从而开创工业自动化的新纪元。

现场总线控制系统必将逐步取代传统的独立控制系统、集中采集控制系统和集散控制系统DCS（DistributedControlSystem），成为本世纪自动控制系统的主流。

1.3.1现场总线的技术特点,与DCS等传统的系统相比，现场总线（系统）有以下特点：

现场通信网络特点1现场总线将通信线（总线电缆）延伸到工业现场（制造或过程区域），或总线电缆就是直接安装在工业现场的；现场总线完全适应于工业现场环境，因为它就是为此而设计的。

1.3.1现场总线的技术特点,数字通信网络特点2现场底层的变送器传感器、执行器、控制器之间的信号传输均用数字信号；中上层的控制器、监控监视计算机等设备之间的数据传送均用数字信号；各层设备之间的信息交换均用数字信号。

传统的DCS的通信网络介于操作站与控制站之间，而现场仪表与控制站中的输入输出单元之间采用的是一对一的模拟信号传输。

1.3.1现场总线的技术特点,开放互连网络特点3现场总线标准、协议规范是公开的，所有制造商都必须遵守；现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连，也可实现不同层网络互连，而不管其制造商是哪一家；用户可共享网络资源。

1.3.1现场总线的技术特点,现场设备互连网络特点4用一根通信线直接互连N个现场设备，从而构成了现场设备的互连网络。

1.3.1现场总线的技术特点,结构与功能高度分散的系统特点5现场总线的系统结构具有高度分散性；现场总线的系统功能实现了高度分散，现场设备由分散的功能模块构成。

现场总线废弃了DCS的控制站及其输入输出单元，从根本上改变了DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，通过将控制功能高度分散到现场设备这一途径，实现了彻底分散控制。

1.3.1现场总线的技术特点,互操作性与互换性网络特点6互操作性：

不同厂商的现场设备可以互连，互相之间可以进行信息交换并可统一组态；互换性：

不同厂商的性能类似的现场设备可以互相替换。

现场总线中现场设备所具有的互操作性与互换性是DCS无法具备的。

1.3.2现场总线的优点,现场总线所具有的现场适应性、数字化、开放性、分散性、设备互联性、互操作性与互换性等特点决定和派生了其一系列优点：

导线和连接附件大量减少优点1一根总线电缆直接互接N台现场设备，电缆用量大大减少（原来DCS的几百根甚至几千根信号与控制电缆减少到现场总线的一根总线电缆）；端子、槽盒、桥架、配线板等连接附件用量大大减少。

1.3.2现场总线的优点,仪表和输入输出转换器（卡件）大量减少优点2采用人机界面、本身具有显示功能的现场设备或监视计算机代替显示仪表，使仪表的数量大大减少；输入输出转换器（卡件）的数量大大减少。

在DCS中所用的（420）mA线路只能获得一个测量参数，且与控制站中的输入输出单元一对一地直接相连，因此输入输出单元数量多。

在现场总线系统中，一台现场设备可以测量多个参数，并将它们以所需的数字信号形式通过总线电缆进行传送，因此对单独的输入输出转换器（卡件）的需要少。

1.3.2现场总线的优点,设计、安装和调试费用大大降低优点3原来DCS繁琐的原理图设计在现场总线中变得简单易行；安装和校对的工作量大大减少；可根据需要将系统分为几个部分分别调试，使调试工作变得灵活方便；强大的故障诊断功能使得调试工作变得轻松愉快。

1.3.2现场总线的优点,维护开销大幅度下降优点4系统的高可靠性使系统出现故障的机率大大减小；强大的故障诊断功能使故障的早期发现、定位和排除变得快速而有效，系统正常运行时间更长，维护停工时间大大减少。

1.3.2现场总线的优点,系统可靠性提高优点5系统结构与功能的高度分散性决定了系统的高可靠性；现场总线协议规范对通信可靠性方面（通信介质、报文检验、报文纠错、重复地址检测等）的严格规定保证了通信的高可靠性。

1.3.2现场总线的优点,系统测量与控制精度提高优点6在现场总线中，各种开关量、模拟量就近转变为数字信号，所有总线设备间均采用数字信号进行通信，避免了信号的衰减和变形，减少了传送误差。

换言之，现场总线采用数字信号通信这一数字化特点，从根本上提高了系统的测量与控制精度。

1.3.2现场总线的优点,系统具有优异的远程监控功能优点7可以在控制室远程监视现场设备和系统的各种运行状态；可以在控制室对现场设备及系统进行远程控制。

1.3.2现场总线的优点,系统具有强大的（远程）故障诊断功能优点8可以诊断和显示各种故障，如总线设备和连接器的断路、短路故障以及通信故障和电源故障等；可以将各种状态及故障信息传送到控制室中的监视监控计算机，大大减少了使用和维护人员不必要的现场巡视。

当现场总线是安装在恶劣环境中时，这尤其具有重要意义。

1.3.2现场总线的优点,设备配置、网络组态和系统集成方便自由优点9用户可以通过同层网络或上层网络对现场设备进行参数设置，而不必到现场对每一个设备逐个进行配置；利用网络组态工具软件可以迅速而方便地组建现场总线网络，配置网络参数；由于现场总线的开放性、互操作性与互换性，用户可以自由地集成不同厂商、不同品牌的产品和网络，从而构成所需的系统。

1.3.2现场总线的优点,现场设备更换和系统扩展更为方便优点10现场设备具有互操作性和互换性，损坏的设备可用功能类似的任何厂家的设备替换，实现“即插即用”；当需要增加现场设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上；系统扩展所需的组态时间大大减少。

1.3.2现场总线的优点,为企业信息系统的构建创造了重要条件优点11企业信息系统由现场控制层、过程监控层和企业经营管理层构成；现场总线或者构成了企业信息系统的现场控制层，或者构成了企业信息系统的基本框架；现场总线为总线设备及系统的各种运行状态和故障信息、各种控制信息进入（企业）公用数据网络创造了条件，使管理者能得到更多的决策依据，为管理者做出各种正确决策提供了有力的支持，从而可使企业获得较高的整体综合效益。

1.3.2现场总线的优点,与传统的DCS方案相比，美国阿拉斯加WestSakARCO油田（自然环境十分恶劣）采用某现场总线所带来的节省情况如下：

减少接线端子84；减少I/O卡件数量93；减少控制仪表面板空间70；减少室内接线98；由于远程诊断而减少维护工作量（5080）；扩展油田所需组态时间减少90；节省电缆费用69%。

1.4现场总线应用领域,现场总线可广泛应用于过程工业/工厂自动化、电力系统自动化、交通、家庭自动化等各领域，如汽车工业继电保护与电力监控半导体芯片和半导体产品制造水处理食品饮料制造机器人物流业/搬运业智能楼宇制药业暖通空调包装业轨道交通/城市交通石油与化工能源与环境监控及管理钢铁/冶金（煤矿）安全造纸业家庭用品,1.4现场总线应用领域,汽车总装生产线现场总线控制系统,1.4现场总线应用领域,1.4现场总线应用领域,大豆分离蛋白现场总线控制系统,1.4现场总线应用领域,上海世博园区配电网现场总线监控系统配置图,打印机,后台系统,站控单元,GPS,调度中心,间隔1保护测控单元,间隔2保护测控单元,间隔3保护测控单元,间隔n保护测控单元,其它智能装置,CTPT,数字量,控制输出,CTPT,CTPT,CTPT,数字量,数字量,数字量,控制输出,控制输出,控制输出,1.5典型现场总线简介,基金会现场总线（FoundationFieldbus,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应用领域以过程自动化为主,比如化工,石油,污水处理,1.5典型现场总线简介,过程现场总线（Processfieldbus,Profibus）西门子为首的13家公司共有3种版本Profibus-FMS（FieldbusMessageSpecification）Profibus-PA（ProcessAutomation）Profibus-DP（DecentralisedPeripherals）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,1.5典型现场总线简介,控制器局域网络（ControllerAreaNetwork,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,1.5典型现场总线简介,局部操作网络（LocalOperatingNetwork,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,1.5典型现场总线简介,设备网（DeviceNet）由Rockwell推出,交由ODVA管理后得到全球众多制造商的支持,如Omron,Hitachi,ABB采用物理层,数据链路层和应用层可选数据传输速率125Kbps,250Kbps,500Kbps对等（peertopeer），多主和主从通信方式可带电更换网络节点，在线修改网络配置基于CAN的技术,低成本,高可靠性,1.5典型现场总线简介,控制网（ControlNet）由美国RockwellAutomation推出,交由CI管理后在全世界范围内拥有包括RockwellAutomation、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,1.5典型现场总线简介,P-Net（ProcessautomationNet）1984年由丹麦ProcessdataA/s公司提出,由Process-DataSilkeborgAps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,1.5典型现场总线简介,WorldFIP（WorldFactoryInstrumentationProtocol）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,1.5典型现场总线简介,Interbus（InternationalBus）1984年由德国PhoenixContact公司开发,后成立Interbus组织（InterbusClub）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500KbpsInterBus适用于分散输入输出、串行总线的PLC和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.,1.5典型现场总线简介,HART：

HighwayAddressableRemoteTransducerHART协议为可寻址远程传感器数据通路通信协议它最早由Rosemount公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持和加盟，于1993年成立了HART通信基金会。

其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，是模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快的发展。

思考题,现场总线的定义。

现场总线系统的组成。

请列举4类现场总线设备。

请给出现场总线的技术特点。

请给出5个现场总线的优点。

请列举现场总线的一些应用领域。

哈工大网络与电气智能化研究所,Thankyou!