8.4 分布式测控网络技术(四).ppt

国家级精品课程计算机控制技术,主讲教师：丁军航 副教授,青岛大学,第33讲第8章 分布式测控网络技术（四）,8.4.1 现场总线概述,8.4.2 CAN总线技术,8.4.3 其他几种现场总线,8.4 现场总线(Fieldbus)控制系统,8.4 现场总线(Fieldbus)控制系统,现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）是随着控制、计算机、网络、通信和信息集成技术的发展而产生的。现场总线是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通讯网络，与控制系统和现场仪表联用，组成现场总线控制系统。,8.4.1 现场总线概述,1.现场总线及其体系结构 现场总线的体系结构主要表现在以下六个方面，如下图所示。(1)现场通信网络(2)现场设备互连 现场设备或现场仪表 是指变送器、执行器、服务器和网桥、辅助设 备、监控设备等，这些 设备通过一对传输线互 连。(3)互操作性,(4)分散功能块FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。由于功能分散在多台现场仪表中，并可统一组态，供用户灵活选用各种功能块，构成所需控制系统实现彻底的分散控制,8.4.1 现场总线概述,(5)通信线供电通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表。(6)开放式互连网络现场总线为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连。开放式互连网络还体现在网络数据库共享，通过网络对现场设备和功能块统一组态，使不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的FCS。,8.4.1 现场总线概述,2.现场总线和FCS的变革,(1)现场总线对自动化领域的变革现场总线对当今的自动化领域带来以下7个方面的变革：用一对通信线连接多台数字仪表代替一对信号线只能连接一台仪表；用多变量、双向、数字通信方式代替单变量、单向、模拟传输方式；用多功能的现场数字仪表代替单功能的现场模拟仪表；用分散式的虚拟控制站代替集中式的控制站；用现场总线控制系统FCS代替传统的分散控制系统DCS；变革传统的信号标准、通信标准和系统标准；变革传统的自动化系统体系结构、设计方法和安装调试方法。,8.4.1 现场总线概述,(2)FCS对DCS的变革 FCS的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互连。前面图示的FCS的系统结构是全分散式，它废弃了传统的DCS的输入输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制。FCS的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设备既可互连也可互换，并可以统一组态，彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性。FCS的通信网络为开放式互连网络，既可同层网络互连，也可与不同层网络互连，用户可极方便地共享网络数据库。FCS的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用。,8.4.1 现场总线概述,3.现场总线产生的原因,(1)模拟仪表的缺点 一对一结构 可靠性差 失控状态 互换性差(2)现场总线的优点 一对N结构 可靠性高 可控状态 互换性 互操作性 综合功能 分散控制 统一组态 开放式系统,8.4.1 现场总线概述,(1)现场总线标准的制定,标准化的重要性：标准化是经济建设、科技进步、国际贸易和社会发展的重要技术基础。它不仅与人民生活和工农业生产密切相关，也与国际贸易和科技合作的开展密切相关，标准化是实现现代化大规模生产的重要保证，是规范市场秩序，连接国内外市场的重要手段。因此，现场总线的标准，特别是国际标准受到了大家的重视。,8.4.1 现场总线概述,4.现场总线的发展过程,（2）制订标准的机构,(一)世界上国际标准化组织ISO(International Standard Organization)国际电工委员会IEC(International Electrotechnical Commission)及国际电信联盟ITU（International Telegraphy Union）欧洲电工标准化委员会CENELEC（欧洲标准EN）(二)国内制订国家标准GB的组织是全国标准化委员会,8.4.1 现场总线概述,（3）制订国际标准的历程,1)1983年现场总线的概念首先在欧洲兴起。2)1984年IEC就开始制订现场总线的国际标准，稍后即成立了推广及试用的组织IFC。3)1989年Profibus成为德国国家标准。4)1990年FIP成为法国国家标准。5)1992年ISP成立。ISP是可互操作系统协议(Interoperable System Protocol)的简称。,8.4.1 现场总线概述,6)1993年WorldFIP成立。WorldFIP是世界工厂仪表协议(World Factory Instrumentation protocol)简称。它基于法国的FIP,它也有100多家公司参加,由Honeywell公司牵头。7)1994年6月，ISP与WorldFIP握手言和，合并成为现场总线基金会(FieldbusFoundation)简称FF，它推出的基金会现场总线(FoundationFieldbus)也简称FF，但前者代表一个组织;而后者代表现场总线。二者不可混淆起来。当时，WorldFIP的北美部分参加了现场总线基金会FF，但WorldFIP的欧洲部分仍保持独立。,8.4.1 现场总线概述,（4）现有的现场总线国际标准,2004年4月，IEC公布了现场总线标准第三版（即IEC61158 Ed3），规定了10种类型的现场总线，分别是：Type1 TS61158 现场总线Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 现场总线Type3 Profibus现场总线Type4 P-NET现场总线,8.4.1 现场总线概述,Type5 FF HSE现场总线Type6 Swift-Net 现场总线Type7 WorldFIP现场总线Type8 INTERBUS现场总线Type9 FF H1现场总线Type10 PROFInet现场总线,8.4.1 现场总线概述,（5）产生多标准的原因,1)各种现场总线都是受国际上一些处于垄断地位的跨国大公司所支持。2)跨国大公司为了他们的长远利益和保持他们的垄断地位又不得不去开发现场总线，以领导新潮流。3)有的公司早期投人大量资金使得产品间世较早。4)一些小国家在技术上和经济上很大程度地依赖于一些跨国的大公司。5)IEC是多极化的组织，其代表都来自各个国家的一些大公司，不可避免地出现斗争的复杂性和反复性。,8.4.1 现场总线概述,（6）现场总线的现状,1）多种总线共存2）每种总线各有其应用领域3）每种总线各有其国际组织4）每种总线均有其支持背景5）设备制造商参加多个总线组织6）多种总线均作为国家和地区标准7）协调共存8）工业以太网引入工业领域,8.4.1 现场总线概述,8.4.2 CAN总线技术,控制器局域网络CAN(Controller Area Network)是由德国Bosch公司的为汽车的监测和控制而设计的，逐步发展到用于其它工业领域的控制。CAN已成为国际标准化组织ISO11898标准。CAN总线的应用范围目前已不再局限于汽车工业，而是向过程工业、机械工业、机器人、数控机床及传感器等领域发展。CAN总线协议也是建立在OSI参考模型基础上，取其物理层和数据链路层。通信速率最高可达10Mbps（40m），直接传输距离最远可达10km（5Kbps）。,8.4.2 CAN总线技术,1.CAN总线的技术特性CAN总线属于串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。（1）CAN总线规范2.0 PART A和PART B，符合国际标准ISO 11898规范；（2）CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。（3）采用非破坏性总线仲裁技术。,8.4.2 CAN总线技术,1.CAN总线的技术特性（4）CAN总线协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而对通信数据块进行编码。数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成。（5）CAN总线是一种高速的、具有复杂的错误检测和恢复能力的高可靠性网络。CAN总线采用短帧报文，每一帧有效字节数为08个，传输时间短，受干扰的概率低，具有极好的检测效果，实时性好，而且每帧信息都有CRC校验和其它检错措施，保证数据出错率极低。（6）CAN总线具有丰富的支持器件。例如，Motorola公司的带通信模块的MC68HC05X4CAN单片机，Intel公司的82526、82527CAN通信控制器，Philips公司的82C200CAN通信控制器与82C250总线收发接口电路等。,（1）DeviceNet总线,在现代的控制系统中，不仅要求现场设备完成本地的控制、监视、诊断等任务，还要能通过网络与其他控制设备及PLC进行对等通信，因此现场设备多设计成内置智能式。美国Rockwell Automation公司于1994年推出了DeviceNet网络，实现低成本高性能的工业设备的网络互连。,8.4.3 其他几种现场总线,DeviceNet的特点：1）DeviceNet基于CAN总线技术可连接开关、光电传感器、阀组、电动机起动器、过程传感器、变频调速设备、固态过载保护装置、条形码阅读器、I/O和人机界面等。传输速率为125-500Kbit/s每个网络的最大节点数是64个干线长度100-500m,8.4.3 其他几种现场总线,2）DeviceNet使用的通信模式是:生产者/客户(Producer/Consumer)。该模式允许网络上的所有节点同时存取同一源数据，网络通信效率更高;采用多信道广播信息发送方式，各个客户可在同一时间接收到生产者所发送的数据，网络利用率更高。“生产者/客户”模式与传统的“源/目的”通信模式比较,8.4.3 其他几种现场总线,3)设备可互换性。4)DeviceNet网络上的设备可以随时连接或断开5)DeviceNel网络上的设备安装比传统的I/O布线更加节省费用6)利用RS Network for DeviceNet软件对网络上的设备进行配置、测试和管理。,8.4.3 其他几种现场总线,（2）HART总线,Highway Addressable Remote Transducer（“可寻址远程传感高速通道”的开放通信协议）最早由Rosemount公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。特点：在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品。,8.4.3 其他几种现场总线,HART的通信模型物理层、数据链路层和应用层1）物理层物理层采用FSK(Frequency Shift Keying)技术，在4-20mA模拟信号上叠加一个频率信号。2）数据链路层用于按HART通信协议规则建立HART信息格式。信息构成数据字节结构,8.4.3 其他几种现场总线,3）应用层使HART指令付诸实现，即把通信状态转换成相应的信息。按照它规定的命令方式工作：通用命令：所有设备理解、执行的命令;一般行为命令：其功能可以在许多现场设备(尽管不是全部)中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库;特殊设备命令：在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。,8.4.3 其他几种现场总线,HART的通信方式HART支持点对点主从应答方式和多点广播方式。HART支持两个通信主设备HART采用统一的设备描述语言DDLHART能利用总线供电，可满足本安防爆要求。,8.4.3 其他几种现场总线,（3）INTERBUS总线,INTERBUS是德国跨国集团Phoenix公司推出的较早的现场总线，广泛地应用于汽车工业、烟草工业、仓储及传送技术、造纸工业、包装工业和食品工业等。1996年成为欧洲标准EN502542000年2月成为国际标准IEC61158,8.4.3 其他几种现场总线,（4）ControlNet总线,ControlNet简介ControlNet是一个高速的工业控制网络，在同一电缆上同时支持I/O息和报文信息(包括程序、组态、诊断等信息)，集中体现了控制网络对控制(Control)、组态(Configuration)、采集(Collect)等信息的完全支持，ControlNet基于生产者/消费者这一先进的网络模型，该模型为网络提供更高有效性、一致性和柔韧性。1997年7月由罗克韦尔等22家公司联合发起成立了控制网国际组织(ControlNet lnternational-CI)。,8.4.3 其他几种现场总线,（5）WorldFIP,WorldFIP的北美部分与ISP合并成为FF以后，WorldFIP的欧洲部分仍保持独立，总部设在法国，该协议符合法国国家标准和欧洲标准EN50170的第三部分(PROFIBUS为第二部分，P-Net为第一部分)。WorldFIP广泛用于发电与输配电、制造自动化、铁路运输、地铁等自动化领域。,8.4.3 其他几种现场总线,（6）P-Net,P-Net现场总线由丹麦Process-Data A/S公司提出，主要应用于农业、水产、饲养、林业、食品等行业。现已成为欧洲标准EN50170的第一部分、IEC61158类型4。P-Net采用了ISO/OSI模型的物理层、数据链路层、网络层、服务器和应用层。,8.4.3 其他几种现场总线,（7）SwiftNet,SwiftNet是SHIPSTAR协会应波音公司的要求开发的一种现场总线。它主要用于航空和航天等领域。结构简单、实时性高的总线，它的ISO/OSI参考模型只有物理层和数据链路层，没有定义应用层。,8.4.3 其他几种现场总线,（8）AS-i总线,AS-i(Actuator Sensor-interface)是执行器-传感器接口在控制器(主站、Master)和传感器/执行器(从站、Slave)之间双向交换信息、主从结构的总线网络现场总线下面设备级的底层通信网络AS-i总线由11家公司联合资助和规划、德国科技部的支持。AS-i国际协会(AS-International Association)规划AS-i部件的开发和系统的定义，进行有关标准化的工作，组织产品的标准测试和软件认证，以保证AS-i产品的开放性和互操作性。,8.4.3 其他几种现场总线,本讲课程结束！,