第1章现场总线技术概述(2)

工业控制系统的发展•基地式气动仪表•气动、电动系列的单元组合式仪表•集中式数字控制系统•集散控制系统DCS、PLC•网络化现场控制系统FCS信息网络与控制网络根据网络上交换信息的类型，现代分布式系统网络可分为两种：控制网络和信息网络。信息网络的特点：数据包大，发送频率相对比较低，经常是瞬间传送大量数据，要求以高传送速度来传输数据比较大的文件，信息网络对实时性没有苛刻的限制。控制网络特点：在许多节点之间高频率的发送大量比较小的数据包来满足实时性的要求。区分信息网络和控制网络的关键因素是看网络是否具有支持实时应用的能力。控制网络要求数据的确定性和可重复性。确定性：指数据有限制的延迟和有保证的传送。可重复性：指网络的传输能力不受网络上节点的动态改变（增加节点或者删除节点）和网络负载改变的影响。在信息网络中，我们的主要任务是将大量的信息在网络上传输，从而达到资源共享的目的，强调的是网络的连通性和网络的稳定性。在控制网络中，我们的主要任务却是将控制信息在网络上传输，从而达到系统同步或控制的目的，强调的是信息传输的实时性、网络的可靠性和控制信息的确定性。总线的分类传感器总线、设备总线和现场总线传感器总线属于位(Bit)级总线，其通信帧的长度只有几个数据位或十几位•如ASI（ActuatorSensorInterface）总线设备总线属于字节(Byte)级总线，其通信帧的长度一般为几个到几十个字节•如CAN（ControlAreaNetwork）总线现场总线则属于块(Block)级的总线,其通信帧的长度可达到几百个字节，当要传输的数据块再长时，可支持分包传送。•如FoundationFieldbus、Controlnet、Profibus传感器总线、设备总线可统称为现场总线控制网络在企业网络系统中的地位与作用企业网络系统的层次结构•Internet-Intranet-Infranet的网络结构功能层次。•企业资源规划层ERP（EnterpriseResourcePlanning）•制造执行层MES（ManufacturingExecutionSystem）•现场控制层FCS（FieldControlSystem）信息类型：运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点量程调校信息等。1990年，美国AMR（AdvanceManufacturingResearch）提出的制造行业的三层BPS/MES/PCS结构，采用BPS/MES/PCS三层结构的CIMS将流程工业综合自动化系统分为以设备综合控制为核心的过程控制系统（PCS）、以财务分析/决策为核心的经营计划系统（BPS）和以优化管理、优化运行为核心的制造执行系统（MES）。对于计算机控制系统的网络层次模型有着多种不同提法，但基本结构都相似。如罗克韦尔公司采用RNA体系层次结构。企业网络系统的层次结构互连网Internet企业内部网Intranet底层控制网Infranet企业资源规划层ERP制造执行层MES现场控制层FCSEthernet现场控制层FCS制造执行层MESEthernet资源规划层ERPEthernet调节阀温度变送器温度变送器温度变送器调节阀Internet控制网络ProfibusDevicenet(CAN)广域网PCPC卫星地面站中继器路由器PLCPCH1以太网段网关打印机绘图仪Modem键盘、便携机工作站TCP/Devicenet电话MotorPLCI/OI/OI/O服务器现场控制层FCS制造执行层MES防火墙服务器资源规划层ERP操作站现场控制层面临的问题控制网络种类繁多，形形色色的现场总线再加上DCS、PLC、SCADA等•网络内部的通信一致性差，个异性强控制网络与信息网络存在较大差异•通信协议，网络节点类型等有较大差异•控制网络与信息网络实现信息交换有难度•实时性、环境适应性方面还面临许多问题需要解决控制网络与上层网络的连接方式采用专用网关完成不同通信协议的转换，把控制网段或DCS连接到以太网上将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC机的PCI插槽内，在PC机内完成数据交换。实现控制网段与上层网络的连接将WEB服务器直接置入PLC或现场控制设备内，借助WEB服务器和通用浏览工具，实现数据信息的动态交互通过网关连接控制网段与上层网络监视操作计算机以太网段Server网关/控制器网桥控制网段控制网段采用PCI卡连接控制网段与上层网络监视操作计算机PCI控制网段控制网段以太网段工业生产过程对现场总线的要求1.现场总线的基本功能：（1）经济、安全、可靠地传递信息；（2）正确使用所传信息；（3）及时处理所传信息。2.现场总线的实时性能（1）传输速度快指单位时间内传输的信息要多，通常用波特率来衡量。这条要求与普通计算机通信是一致的。（2）响应时间短指突然发生意外事件时，终端节点将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。（3）巡回时间短指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间。控制网络的技术发展与标准化现场总线的百花齐放与兴盛发展•各种总线一百多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种•欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究开发•形成了各式各样的企业、国家、地区、及国际现场总线标准现场总线组织•现场总线基金会（FieldbusFoundation）•LonMark协会,•Profibus协会，•工业以太网协会IEA（IndustrialEthernetAssociation），•工业自动化开放网络联盟IAONA（IndustrialAutomationOpenNetworkAlliance）•SocietyofAutomotiveEngineersInc.（SAE）现场总线国际标准化组织及标准化进程•IEC/TC65负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作于1984年就开始着手总线标准的制定，致力于推出世界上单一的现场总线标准，于1993年制定了IEC61158-2历经波及全球的现场总线标准大战，16年的艰难历程后，于2000年初宣布8种现场总线共同构成IEC现场总线国际标准子集•IEC61158；ControlNet；Profibus；P-Net；HighSpeedEthernet；NewcomerSwiftNet；WorldFIP；Interbus-S以后该标准又增加为10种，13种实时以太网在没有形成正式标准之前以有14个子集•IEC/17B负责制定低压开关装置与控制装置用控制设备之间的接口标准已通过的标准IEC62026，包括•第2部分ASI•第3部分DeviceNet；•第4部分智能分布式系统SDS（SmartDistributedSystem）;•第5部分Senseplex•ISO最早成为现场总线国际标准的CAN（ISO11898）其它有实力、有发展前景的控制网络技术•LonWorks;HART；Modbus；CC-Link;蓝牙无线；Zigbee；消费电子总线;光总线等每种总线技术都具有自己的特点与优势•多种总线并存为用户带来了诸多不便，但却促成了控制网络技术的多姿多彩