现场总线技术概述

第一章现场总线技术概述主要内容™第一节现场总线的产生™第二节现场总线的概念及分类™第三节现场总线的特点和优点™第四节现场总线标准的制定™第五节现场总线的现状第一节现场总线的产生在过程控制领域：™从20世纪50年代至今的信号标准：4-2OmA（0-5V）的模拟信号。™20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，进行集中式控制处理。™20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，嵌入到各种仪器设备，形成分布式(DCS)控制系统。™随着微处理器的发展和广泛应用，产生了以微处理器为核心，实施信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能的智能设备。™一些数字式智能化仪表产品，其本身具备了诸如自动量程转换、自动调零、自校正、自诊断等功能，还能提供故障诊断、历史信息报告、状态报告、趋势图等功能。™通信技术的发展，促使传送数字化信息的网络技术开始得到广泛应用。与此同时，基于质量分析的维护管理、与安全相关的测试记录、环境监视需求的增加，都要求仪表能在当地处理信息，并在必要时允许被管理和访问，这些也使现场仪表与上级控制系统的通信量大增。™从实际应用性能的角度出发，控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新需求。由此，逐步产生了现场总线。一、现场总线的定义™用于现场仪表与控制主机系统之间的一种开放的、全数字化的、双向、多站的通信系统；™广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置进行双向数字通信的串行总线系统；™IEC定义：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进行双向、串行、多节点、数字式的数据交换的通信技术。第二节现场总线的概念及分类二、几种典型的现场总线介绍™现场总线基金会是一个国际性的组织，有120多个成员，包括了全球主要的过程控制产品的供应商，基金会成员生产的变送器、DCS系统、执行器、流量仪表占世界市场的90％。™FF（FundationFieldbus）基金会现场总线二、几种典型的现场总线介绍H1低速现场总线•31.25Kbps•2～32个设备/段•本质安全•双绞线1900米（昀大）•适用于过程设备的基层总线。H2高速现场总线•1Mbps/2.5Mbps速率•可集成多达32条H1总线•冗余•双绞线750m/500m。•支持PLC和加工工业设备™FF（FundationFieldbus）基金会现场总线二、几种典型的现场总线介绍™FF的协议结构™FF应用了ISO/OSI模型的第一层、第二层和第七层，再在应用层上加上了用户层。FF的物理层符合IEC1158－2标准。™FF（FundationFieldbus）基金会现场总线二、几种典型的现场总线介绍™FF特点™由于世界上一些大的仪表公司都参加了FF，因此FF开发的现场总线产品在品种与性能上都能满足过程控制的要求，而且使用方便。™FF（FundationFieldbus）基金会现场总线二、几种典型的现场总线介绍™PROFIBUS是1987年，德国联邦科技部集中了13家公司的5个研究所的力量，按ISO/OSI参考模型制订的现场总线的德国国家标准，其主要支持者是德国西门子公司，并于1991年4月在DIN19245中发表，正式成为德国标准。开始只有PROFIBUS－DP和PROFIBUS－FMS，1994年又推出了PROFIBUS－PA，它引用了IEC标准的物理层-IEC1158－2，从而可以在有爆炸危险的区域内连接本质安全型通过总线馈电的现场仪表，这使PROFIBUS更加完善。PROFIBUS已于1996年3月15日批准为欧洲标准EN50170的第2卷。™PROFIBUS现场总线二、几种典型的现场总线介绍™PROFIBUS有三个部分组成：\PROFIBUS-FMS（FieldMessageSpecification）：主要是用来解决车间级通用性通讯任务。可用于大范围和复杂的通讯。总线周期一般小于100ms。\PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）：经过优化的高速和便宜的通信总线，它的设计是专门为自动控制系统与分散的I/O设备级之间进行通信使用的。总线周期一般小于10ms。\PROFIBUS-PA（ProcessAutomation）：专门为过程自动化设计的，它可使传感器和执行器按在一根共用的总线上，甚至在本质安全领域也可接上。根据IEC1158－2标准，PROFIBUS-PA用双绞线进行总线供电和数据通信。™PROFIBUS现场总线二、几种典型的现场总线介绍™协议结构\PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准以OSI作为参考模型。但省略了3～6层，同时又增加了服务层。\PROFIBUS－DP使用了第一层（物理层），第二层（数据链路层）和用户接口，第三层到第七层未加以描述。这种结构确保了数据传输的快速和有效进行。用户接口规定了用户系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS－DP设备的设备行为，还提供了传输用的RS485传输技术或光纤传输技术。™PROFIBUS现场总线二、几种典型的现场总线介绍™协议结构\PROFIBUS－FMS：对第一层、第二层和第七层（应用层）均加以定义。\PROFIBUS－PA：采用了扩展的DP协议。另外还使用了描述现场设备行为的PA规约。根据IEC1158－2标准，这种传输技术可确保其本质的安全性并通过总线给现场设备供电。使用分段式耦合器，PROFIBUS－PA设备能很方便地集成到PROFIBUS－DP网络上。\PROFIBUS－DP和PROFIBUS－FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而这两套系统可在同一根电缆上同时操作。™PROFIBUS现场总线二、几种典型的现场总线介绍™传输技术\用于DP和FMS的RS485传输\用于PA的IEC1158－2传输\光纤™PROFIBUS现场总线二、几种典型的现场总线介绍A.RS485传输是PROFIBUS昀常用的一种传输技术，这种技术通常称为H2。采用屏蔽双绞铜线，共用一根导线对。线性总线结构允许站点增加或减少，而且系统的分步投入也不会影响到其它站点的操作。后增加的站点对已投入运行的站点没有影响。™传输速率可选：9.6Kbps和12Mbps之间。™站点数：每分段32个站，不带中继器；带中继器可多达127个站™PROFIBUS现场总线二、几种典型的现场总线介绍B.IEC1158－2传输技术是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称为H1。™传输速率：31.25Kbps，电压式。™站点数：每段昀多为32个，总数昀多为126个。™距离：采用双绞线电缆，传输距离可达1900m。™PROFIBUS现场总线二、几种典型的现场总线介绍C.PROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体以增加高速传输的昀大距离。许多厂商提供专用总线插头，可将RS485信号转换成光信号或将光信号转换成RS485信号，这样就为RS485和光纤传输技术在同一系统上使用提供了一套开关控制的十分简便的方法。™PROFIBUS现场总线二、几种典型的现场总线介绍™应用情况™PROFIBUS的应用包括了加工制造自动化、过程自动化和楼宇自动化。据调查，PROFIBUS已赢得了43％的德国市场，以及大约41％的欧洲市场。目前各主要的自动化设备生产厂均为其所生产的设备提供PROFIBUS接口。™PROFIBUS现场总线二、几种典型的现场总线介绍™CAN是由RobertBosch公司为汽车制造工业而开发的，是开放的通讯标准，包括ISO/OSI模型的第一层和第二层，由不同的制造者扩展第七层，CIA（CANinAutomation）组织发展了一个CAN应用层（CAL）并由此规定了器件轮廓，可联网互操作的CAN控制器件。™CAN（ControllerAreaNetwork）二、几种典型的现场总线介绍①CAN的协议结构™采用ISO/OSI模型的第一层、第二层和第七层。™CAN（ControllerAreaNetwork）二、几种典型的现场总线介绍②CAN的特点•废除传统的站地址编码而代之以对通信数据块进行编码。•采用双绞线，通信速率高达1Mbps/40m，直接传输距离昀远可达10km/5kbps。可挂设备昀多可达110个。•信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该接点与总线的联系，使总线上的其他接点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。•CAN支持多主站方式，网络上任何接点均可在任何时刻主动向其它接点发送信息，支持点对点，一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。™CAN（ControllerAreaNetwork）二、几种典型的现场总线介绍③应用情况™CAN目前主要用于汽车、公共交通的车辆、机器人、液压系统及分散型I/O五大行业。此外Allen-Bradley以及Honeywell在CAN基础上发展了特殊的应用层，组成了AB公司的DeviceNet和HoneyWell公司的SDS（智能分散系统）现场总线。由于CAN的帧短，速度快，可靠性强，比较适合用于开关量控制的场合。™CAN（ControllerAreaNetwork）二、几种典型的现场总线介绍™成立于1987年3月，是以法国几个公司为基础，开发了FIP（工厂仪表协议）现场总线系列产品。到目前为止，WorldFIP协会拥有100多个成员，这些成员生产300多个WorldFIP现场总线产品。™WorldFIP产品在法国市场占有率大于60％，在欧洲市场占有大约25％的份额。这些产品广泛用于发电及输配电、加工制造自动化、铁路运输过程自动化等领域，1996年6月成为欧洲标准EN50170第3卷。™WorldFIP二、几种典型的现场总线介绍™用WorldFIP构成的系统分为三级，即过程级、控制级和监控级。用单一的WorldFIP总线可以满足过程控制、工厂制造加工系统和各种驱动系统的需要。™WorldFIP的协议结构是由ISO/OSI模型的第一层、第二层和第七层构成。其中第一层物理层符合IEC1158－2标准。™WorldFIP二、几种典型的现场总线介绍™传输媒体可以是屏蔽双绞线或光纤。™传输速率为：31.25Kbps用于过程控制；1Mbps用于加工制造系统；2.5Mbps用于驱动系统。™标准速率为1Mbps，使用光纤时昀高速率可达5Mbps。™目前WorldFIP的总线产品有法国Schneider公司的Modicon-TBXplc系统；ALSTHOM公司的S－900SCADA系统等。™WorldFIP二、几种典型的现场总线介绍™DeviceNet是一种低成本的现场总线链路，将工业设备（如：限位开关、光电传感器、阀组、电动机起动器、过程传感器、条形码读取器、变频驱动器、面板显示器和操作员接口）连接到网络，从而免去了昂贵的硬接线。DeviceNet是一种简单的网络解决方案，在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。DeviceNet的直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。™DeviceNet二、几种典型的现场总线介绍™DeviceNet™DeviceNet总线技术具有网络化、系统化、开放式的特点，DeviceNet总线的组织机构是“开放式设备网络供货商协会”，简称“ODVA”（OpenDeviceNetVendorAssociation）。ODVA是一个独立组织，管理DeviceNet技术规范，促进DeviceNet在全球的推广与应用。ODVA实行会员制，会员分供货商会员（Vendormembers）和分销商会员（Distributormember）。ODVA现有供货商会员300多个，其中包括ABB、Rockwell、PhoenixContacts、Omron等几乎所有世界著名的电器和自动化元件生产商。二、几种典型的现场总线介绍™DeviceNet可以归纳出以下一些技术特点（1）\昀大64个节