第1章 现场总线技术概述

问题：1.为什么学习这门课程——现场总线？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？背景现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。现场总线给自动化领域带来的变化，正如计算机网络给单台计算机带来的变化。它的出现，将对该领域的技术发展产生重要影响。现场总线技术是伴随微电子技术、计算机网络技术、通信技术、控制技术的发展而发展的，这一技术的发展导致了自动化系统的深刻变革。由此使得信息技术迅速渗透到生产现场的设备层，覆盖从生产车间到企业管理经营的各个方面，沟通从原料供应、生产制造到生产调度、资源规划乃至市场销售的各个环节，逐步形成以控制网络为基础的企业信息系统。现场总线在离散制造业、流程工业、交通、楼宇、国防、环境保护以及农、林、牧等各行各业的自动化系统中具有广泛的应用前景。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。目的学什么？内容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怎么学？方法理论与实践相结合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第1章现场总线技术概述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现场总线标准1.6现场总线发展历程与发展趋势1.1现场总线的概念什么是现场总线现场总线原本是指现场设备之间的信号传输线。以后又被定义为应用在生产现场，在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的技术。随着技术内容的不断发展和更新，现场总线已经成为控制网络技术的代名词。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）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哈工大网络与电气智能化研究所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（Protocol／Specification）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）、RSLogix5000（用于Logix平台所包括的各种控制器（如ControlLogixTM）的编程软件）。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31.25kbps100Mbps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。现场总线的作用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（4~20）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