现场总线技术概述

现场总线技术概述•总线的定义–总线就是各部件间进行信息传输的公共通道，它是各种信号线的集合（包括数据总线、地址总线、控制总线、电源线等）。–MS百科辞典定义“总线”为：计算机系统中各部件之间用于数据传输的一组硬件连线。–IBM公司定义“总线”为：用于传输信号或功率的一根或多根导线。•总线的特点——公用性–即同时连接多个部件。如果是某两个部件间专用的信号连线就不能称作总线。总线的定义•按应用场合不同，总线可分为–芯片总线–系统总线–设备总线–局部总线•按数据传输形式不同，总线可分为–串行总线–并行总线总线的分类•按照传送数据的通信宽度分类：–位总线（bit):传感器总线(sensorbus),如AS-i–字节总线(byte):设备总线(devicebus),如DeviceNet–数据流或模块总线(block):现场总线(fieldbus),如Ff•按照应用的行业分类：–过程控制（连续生产过程）用现场总线，如FFH1，ProfibusPA–离散控制用现场总线，如ProfibusDP，DeviceNet–楼宇自动化用现场总线，如LonWorks–车辆制造业用现场总线，如CAN–农业及养殖业用现场总线：如P-Net现场总线的分类•国际电工委员会IEC61158的标准定义–现场总线是安装在制造或过程区域的现场设备（FieldDevice)与控制室内的自动化控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。•IEC/TC65负责测量和控制系统数据通信部分国际标准化工作的SC/WG6定义–现场总线是一种应用于现场，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（fieldbus）定义–50年代前，气动仪表，气压信号0.02-0.1MPa–50年代后期，电动单元组合仪表,电流信号4-20mA–60年代，计算机监控和数据采集SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition），直接数字控制DDC（DirectDigitalControl）–70年代中期，集散控制系统DCS（DistibutedControlSystem）–90年代，现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）现场仪表发展历程现场仪表发展历程仪表测控能力指数19501960197019801990按回路运行按过程运行过程优化MES数字模拟混合模拟气动现场总线数字DCS电动单元传统现场总线将控制和I/O移到现场仪表ControllerControlSystemNetworkFieldbus4-20mAInput/OutputSubsystemPIDPIDAIAIAOAOControllerControlSystemNetwork现场总线控制系统的特点•实现分布式控制功能传统4-20mA一个变量一个方向数字信号多变量双向ControllerControlSystemNetworkFieldbusInput/OutputSubsystemControllerControlSystemNetwork现场总线控制系统特点•实现数字化、双向通信取消数字/模拟转换传统4-20mA视野止于I/O子系统现场总线视野扩展到现场仪表ControllerControlSystemNetworkFieldbusRemoteInput/OutputSubsystemControllerControlSystemNetwork现场总线控制系统特点•控制设备信息扩展传统的4-20mA信号配线每个设备需要一个安全栅和一个根电缆现场总线配线多个设备需要一个安全栅和一个根电缆ControllerControlSystemNetworkFieldbus4-20mAInput/OutputSubsystemI.S.I.S.I.S.I.S.ControllerControlSystemNetwork现场总线控制系统特点•降低安装成本多站：一条现场总线挂接多台现场设备FieldbusControllerControlSystemNetwork现场总线控制系统特点•互操作性（Interoperability）A厂商设备B厂商设备C厂商设备任何制造商的设备，只要其遵循总线标准，即可进行互操作互换性（Interoperability）实现即插即用ISO/OSI参考模型1984年，国际标准化组织(InternationalStandardOrganization，简称ISO)为了解决不同种类计算机的通信问题，建立了一个网络结构的参考模型，即开放系统互连(OpenSystemInterconnection，简称OSI)参考模型，它本身并不是一项具体标准，而是规定了在设计开放系统互连的硬件和软件时应考虑的问题，所以也叫标准模型。这个模型的结构分7层。即：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层现场总线通信协议模型ISO/OSI参考模型APPLICATION应用层7PERSENTION表示层6SESSION会话层5TRANSPORT传输层4NETWORK网络层3DATALINK数据链路层2PHYSICAL物理层1APPLICATION应用层7PERSENTION表示层6SESSION会话层5TRANSPORT传输层4NETWORK网络层3DATALINK数据链路层2PHYSICAL物理层1物理介质用户用户IEC/ISA现场总线参考模型在综合多种现场总线标准的基础上，制订现场总线协议模型，规定了现场应用过程之间的互可操作性、通信方式、层次化的通信服务功能划分、信息的流向及传递规划，以类似于OSI/ISO参考模型的方式进行定义，针对工业过程的特点，提高网络通信及数据处理的实时性，省略其中的四层，仅包含物理层、数据链路层、应用层，有的总线增加了用户层，有的总线则采用全部的7层结构。现场总线通信协议模型IEC/ISA现场总线参考模型APPLICATION应用层7DATALINK数据链路层2PHYSICAL物理层1物理介质用户用户APPLICATION应用层7DATALINK数据链路层2PHYSICAL物理层1•制定标准的机构–世界上制定标准的机构•国际标准化组织ISO（internationalStandardOrganization）•国际电工委员会IEC（internationalElectrotechnicalCommission)•国际电信同盟ITU（InternationalTelecommunicationsUnion）–制定现场总线标准的机构•IEC/TC65/SC65C/WG6现场总线国际标准•IEC/TC65/SC65C/WG6–IEC/TC65：国际电工委员会第65分技术委员会，制定有关连续和批量过程的工业测量和系统的元件的标准。–SC65C：是IEC/TC65下的分委员会（SubCommittee），负责测量和控制系统的数字数据通信的标准化工作。–WG6：是SC65C下的工作组（WorkingGroup），负责工业过程计算机子系统间的通信的标准化工作，现场总线技术标准化工作由其具体负责。–ISA/SP50，美国仪表协会ISA（InstrumentSocietyofAmerican)下的标准与实施（StandardandPractice）第50工作组，与WG6共同合作制定现场总线国际标准。•IEC/TC17/SC17B–IEC/TC17是分管电器的标准化委员会，SC17B分管低压电器分委员会，制定与之相关的现场总线标准。现场总线国际标准1、IEC61158（IEC/TC65/SC65C/WG6制定）标准内容包括6部分–导则–物理层规范和服务定义–数据链路层服务定义–数据链路层协议规范–应用服务定义–应用层协议规范现场总线国际标准•TYPE1IEC技术报告（FFH1,美国)•TYPE2Control-NET(Rockwell,美国)•TYPE3PROFIBUS(Siemens,德国)•TYPE4P-NET(ProcessData,丹麦)•TYPE5FFHSE(Foundation,美国)•TYPE6Swift-Net(Boeing,美国)•TYPE7WorldFip(Alstom,法国)•TYPE8Interbus(PhoenixControl,德国)•TYPE9FF应用层ApplicationLayer•TYPE10ProfinetIEC61158现场总线国际标准的10种技术类型总线•FF（H1/HSE）•Control-NET•PROFIBUS（DP/PA/Profinet）•P-NET•Swift-Net•WorldFIP•InterbusIEC61158现场总线国际标准的7种现场总线•国际标准内容包括5部分，4种现场总线标准–总则–AS-i(ActuatorSensorInterface执行传感器接口，Siemens,德国）–DeviceNet（Rockwell,美国）–SDS（SmartDistributedsystem，智能分散控制系统，Honeywell，美国)–Seriplex(串联多路控制总线)2、IEC62026（IEC/TC/SC17B制定）•CANISO11898标准（1Mbit/s）•CANISO11519标准（125kb/s）•CAN由德国RobertBosch公司支持以上通称为12种总线标准，另外Lonworks总线是美国ANSI（AmericanNationalStandardsInstitute）国家标准3、IEC/TC22国际标准•IEC61131-3是IEC61131标准的第三个部分，是控制领域的第一种控制软件编程国际标准。•标准的基本内容组成：公共元素和编程语言。•编程的五种语言：–语句表IL（InstructionList）–结构化文本语言ST（StructuredText）–梯形图LD（LadderDiagram）–功能块图FBD（FunctionBlockDiagram）–顺序功能图SFC（SequenceFunctionChart）IEC61131-3控制软件编程国际标准