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现场总线Fieldbus专业报告文献_图文

现场总线的 技术发展与应用动态
阳宪惠
清华大学自动化系
北京 100084

测控领域热点技术之一的现场总线
什么是现场总线: 什么是 应用在生产现场 生产现场、 测量控制设备之间实现双向串行多节点 之间实现双向串行多节点数 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 字通信的开放型控制网络技术 的开放型控制网络 字通信的开放型控制网络技术 现场总线是工业数据通信与控制网络技术的代名词 是工业数据通信与控制网络技术的代名词, 现场总线是工业数据通信与控制网络技术的代名词,是测控领 域的通信与网络技术 工业数据通信系统: 工业数据通信系统: 在生产设备之间传递数字信息 工业数据通信是形成控制网络的基础和支撑条件,是控制网络 工业数据通信是形成控制网络的基础和支撑条件, 技术的重要组成部分 自控领域的局域网 企业的底层网络;网络集成式测量控制系统; 企业的底层网络;网络集成式测量控制系统;

早期把现场总线又称为工业电话线, 早期把现场总线又称为工业电话线,通过连线在测控设备 之间传递数据信息,把传感器、按钮、 之间传递数据信息,把传感器、按钮、执行机构等连接到 控制器、 PLC或工业计算机上 或工业计算机上。 控制器、或PLC或工业计算机上。通过相互通信共同执行 测量控制任务。 测量控制任务。 总线上的数据输入设备包括按钮、传感器、接触器、 总线上的数据输入设备包括按钮、传感器、接触器、 变送器、阀门等,传输其位置状态、 变送器、阀门等,传输其位置状态、参数值等数据 总线上的输出数据用于驱动信号灯、接触器、开关、 总线上的输出数据用于驱动信号灯、接触器、开关、 阀门等 工业数据通信用以满足信息社会对基础设备与过程数据信 息的需求 数字地球、数字北京、数字… 数字地球、数字北京、数字 传递工农业生产过程、大气环境监测、各类交通、 传递工农业生产过程、大气环境监测、各类交通、楼 宇等系统中设备的数字化信息

总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点, 总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点, 连接成能相互沟通信息,共同完成自控任务的控制网络 连接成能相互沟通信息,

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现场总线是自动化领域的通信、 网络技术, 现场总线是自动化领域的通信 、 网络技术 , 也 被称之为工厂的底层网络(Infranet) 被称之为工厂的底层网络(Infranet) 总线是构成自动化系统的纽带, 总线是构成自动化系统的纽带 , 网络所传输的 是控制信息。 是控制信息。 它是有别于计算机网络, 电视、 它是有别于计算机网络 , 电视 、 电话网络的另 一类网络 特点: 特点:
适应工业应用环境 适应工业应用环境, 工业应用环境, 求实时性强 可靠性高 安全性好 要求实时性强,可靠性高,安全性好。 多为短帧传送, 短帧传送 多为短帧传送, 通信的传输速率相对较低 传输速率相对较低。 通信的传输速率相对较低。

二. 现场总线技术的百花齐放与兴盛发展
现场总线技术始发于二十世纪八十年代, 现场总线技术始发于二十世纪八十年代,但对该项 技术的开发之热是近年之举
早期的现场总线技术 早期的现场总线技术 PLC同时出现的 Culter-Hammer推出的 同时出现的、 推出的Directrol 与PLC同时出现的、Culter-Hammer推出的Directrol Electric的 General Electric的Genius I/O Phoenix的InterbusPhoenix的Interbus-S, TURCK的 TURCK的Sensoplex 丹麦Process Data公司83年推出的 Net; 公司83年推出的P 丹麦Process Data公司83年推出的P-Net; 德国Siemens公司84年推出的Profibus(Process Siemens公司84年推出的 bus的简 德国Siemens公司84年推出的Profibus(Process Field bus的简 称) 法国Alstom公司87 Alstom公司87年推出的 法国Alstom公司87年推出的 FIP(Factory Instrumentation Protocol)等都属于早期推出且至今仍有较大影响的总线技术 Protocol)等都属于早期推出且至今仍有较大影响的总线技术

欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额 欧洲、北美、 资金与人力进行研究开发 已经形成了各式各样的企业、国家、地区、 已经形成了各式各样的企业、国家、地区、 及国际现场总线标准 根据相关资料统计, 根据相关资料统计,已出现的现场总线一 百多种,其中宣称为开放型总线的就有40 百多种,其中宣称为开放型总线的就有40 多种

现场总线组织
现场总线基金会(Fieldbus Foundation) Foundation) 现场总线基金会( LonMark协会 协会, LonMark协会, Profibus协会 协会, Profibus协会, 工业以太网协会IEA IEA( 工业以太网协会IEA( Industrial Ethernet Association), Association), 工业自动化开放网络联盟IAONA IAONA( 工业自动化开放网络联盟IAONA( Industrial Alliance) Automation Open Network Alliance) Engineers(SAE) Society of Automotive Engineers(SAE)

制定现场总线标准的国际标准化组织
IEC ISO

三. 现场总线标准化工作的现状
IEC/TC65负责测量和控制系统数据通信国际标准化工 IEC/TC65负责测量和控制系统数据通信国际标准化工 作的SC65C/WG6 SC65C/WG6, 作的SC65C/WG6,是最先开始现场总线标准化工作的 组织。 组织。
它于1984年就开始着手总线标准的制定, 它于1984年就开始着手总线标准的制定,致力于推出世界 1984年就开始着手总线标准的制定 上单一的现场总线标准,也因此而历经坎坷,历经了16 16年 上单一的现场总线标准,也因此而历经坎坷,历经了16年 的艰难历程, 的艰难历程,出现了波及全球的现场总线标准大战 IEC61158- 诞生于1993 1993年 IEC61158-2诞生于1993年,之后的标准制定就陷于混乱

2000年初宣布,IEC现场总线国际标准子集有八种: 2000年初宣布,IEC现场总线国际标准子集有八种: 年初宣布 现场总线国际标准子集有八种
IEC 61158; 61158; ControlNet; ControlNet; Profibus; Net; Profibus; P-Net; Ethernet; SwiftNet; High Speed Ethernet;Newcomer SwiftNet; WorldFIP; InterbusWorldFIP; Interbus-S

最早成为国际标准的是CAN,它属于ISO标准:ISO11898 最早成为国际标准的是CAN,它属于ISO标准: CAN ISO标准 IEC/17B为负责制定低压开关装置与控制装置用控制设 IEC/17B为负责制定低压开关装置与控制装置用控制设 备之间的接口标准的组织,已通过的IEC 62026国际标准 备之间的接口标准的组织,已通过的IEC 62026国际标准 包括。 包括。 部分ASI 第2部分ASI DeviceNet; 第3部分 DeviceNet; 部分智能分布式系统SDS SDS( 第4部分智能分布式系统SDS(Smart Distributed System) System); 部分Seriplex 第5部分Seriplex 其它有实力、 其它有实力、有发展前景的控制网络技术 工业以太网;LonWorks;Modbus;蓝牙、无线局域网; 工业以太网;LonWorks;Modbus;蓝牙、无线局域网; 消费电子总线CEBus 光总线等; CEBus; 过渡型总线HART HART) 消费电子总线CEBus;光总线等; (过渡型总线HART)

四.现场总线控制网络是 信息技术发展在测控领域的延伸
信息时代的技术发展对测控系统提出了数字化、网 信息时代的技术发展对测控系统提出了数字化、 络化、信息化的要求,如数字地球、数字北京、 络化、信息化的要求,如数字地球、数字北京、企 业的管理控制一体化等要求测量控制设备向网络提 供多方面的数字信息。 供多方面的数字信息。 现场总线作为现场控制网络技术, 现场总线作为现场控制网络技术,被视为公用数据 网络在测控领域的延伸 它的兴起为自控技术本身 测控领域的延伸, 网络在测控领域的延伸,它的兴起为自控技术本身 的发展提供了新的机遇 现场总线使测控设备具备了数字计算和数字通信能 现场总线使测控设备具备了数字计算和数字通信能 提高了信号的测量、传输和控制精度, 力,提高了信号的测量、传输和控制精度,提高了 系统与设备的功能、性能。 系统与设备的功能、性能。

现场总线可采用多种介质(多种有线和无线方式) 现场总线可采用多种介质(多种有线和无线方式)传送数 可采用多种介质 字信号。在两根导线上可挂接多至几十个自控设备, 字信号。在两根导线上可挂接多至几十个自控设备,能节 省大量线缆、槽架、连接件。减少系统设计、安装、 省大量线缆、槽架、连接件。减少系统设计、安装、维护 的工作量 现场总线形成真正分散在现场的完整控制系统 形成真正分散在现场的完整控制系统, 现场总线形成真正分散在现场的完整控制系统,提高了控 制系统运行的可靠性。丰富了控制设备的信息内容, 制系统运行的可靠性。丰富了控制设备的信息内容,提供 了如阀门动作次数、故障诊断等信息。 了如阀门动作次数、故障诊断等信息。 为控制信息进入公用数据网络创造了条件, 为控制信息进入公用数据网络创造了条件,沟通了现场控 制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系, 制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系,便于实 现管控一体化 控制网络与数据网络的结合,便于实现信号的远程传送与 控制网络与数据网络的结合,便于实现信号的远程传送与 异地远程自动控制。 异地远程自动控制

全分布、 全分布、网络集成式控制系统
FF PT 101 PIC 101 FF FF PV 101

LAS
AI AO PID

现场总线系统是企业的底层网络
NT 服务器
企业管理层 (数据网络) 局域网 Internet

过程监控层 (数据网络) 监控工作站 现场总线接口 现场控制层 (控制网络)
调节阀 差压变送器 差压变送器 差压变送器 温度变送器

其它工作站

现场总线网段

企业网络的功能层次

资源规划层ERP
Ethernet

Internet

制造执行层MES
Ethernet

温度变送 器

Ethernet

现场控制层FCS
调 节 阀

温度变送 器

控制网络
温度变送 器 调节 阀

五. 现场总线技术的发展趋势
1.注重系统的开放性 封闭、自成一体的系统定会消亡 注重系统的开放性 封闭、 2.注重应用系统设备间的互操作性 注重应用系统设备间的互操作性
早期的总线技术多注重在通信协议上, 早期的总线技术多注重在通信协议上,而近年来其技术 发展逐渐转向应用与用户层的相关规范,如设备描述、 发展逐渐转向应用与用户层的相关规范,如设备描述、 标准功能块等。 标准功能块等。 应用系统设备间的互连不只要完成数据通信, 应用系统设备间的互连不只要完成数据通信,还要构成 控制网络,形成测量控制应用系统, 控制网络,形成测量控制应用系统,而应用与用户层规 范与设备间的互可操作性直接相关。 范与设备间的互可操作性直接相关。设备间的互操作依 靠应用层协议
CAN是封装在芯片中的通信协议; CAN是封装在芯片中的通信协议; 是封装在芯片中的通信协议 485只是物理层的电气接口规范 只是物理层的电气接口规范, 485只是物理层的电气接口规范, 由它们构成控制网络还需借助另外的协议规范

数据信号的传输、 数据信号的传输、数据理解

发展趋势( 发展趋势(续) 3.注重控制网络与公用数据网络的结合 注重控制网络与公用数据网络的结合
HSE;Profinet;连接 modbus的透明工厂;第 ; 的透明工厂; ; 的透明工厂 3代的 代的Lonworks、FIP等, 代的 、 等 各种控制网络都在向数据网络挂靠

4.注重使测控设备具备网络浏览功能 注重使测控设备具备网络浏览功能
具有网络浏览功能的PLC;具有网络浏览功能的 ; 具有网络浏览功能的 远程数据终端 借助通用浏览器工具得到专用设备的数据信息 控制设备走向开放的窗口。 控制设备走向开放的窗口。

5.以太网已直接进入控制网络 以太网已直接进入控制网络 以太网技术进入控制网络的优势 以太网技术进入控制网络要解决的问题 E网到底可行,E网打尽不现实 网到底可行, 网打尽不现实 网到底可行 我国的EPA标准 我国的 标准 6.多种通信方式下的数据传输与数据集成,管控一 多种通信方式下的数据传输与数据集成, 多种通信方式下的数据传输与数据集成 体化目标下的数据综合利用 有线、无线通信方式的结合; 有线、无线通信方式的结合; 控制网络、数据网络、电话网络、 控制网络、数据网络、电话网络、无线局域网的 互连; 互连;充分利用现有的网络资源 数据集成,综合利用:共同构成测量控制系统; 数据集成,综合利用:共同构成测量控制系统; 发布运行、 发布运行、调度信息

异构控制网络互连

六 现场总线应用系统
现场总线技术的应用领域十分广泛, 现场总线技术的应用领域十分广泛,凡属设 备间需要数据通信的场合都需要它
连续、离散制造业,如电力、石化、冶金、纺织、 连续、离散制造业,如电力、石化、冶金、纺织、 造纸,过程自动化仪表;火车、汽车、轮船、机 造纸,过程自动化仪表;火车、汽车、轮船、 器人、数控机床; 器人、数控机床;智能传感器 楼宇自控、仓储; 楼宇自控、仓储; 智能交通、环境监测(大气、水污染监测网络) 智能交通、环境监测(大气、水污染监测网络) 水利、 农、林、水利、养殖等

其技术与产品在工业控制计算机、测控板卡、 其技术与产品在工业控制计算机、测控板卡、 仪器仪表、系统集成、 仪器仪表、系统集成、应用系统等领域都有 良好的发展前景

过程控制中的HSE/H1应用系统 过程控制中的HSE/H1应用系统 HSE/H1

减少了接线与安装 网络集成式控制系统

4-20 mA

IS

IS

IS

IS

IS

Fieldbus

传统的4-20 mA仪表接线方式 仪表接线方式, 传统的 仪表接线方式 对每一设备,均需配置一个本安栅, 对每一设备,均需配置一个本安栅,一对接线

多台设备可以共用一个本安栅, 多台设备可以共用一个本安栅,一对接线

1999 User Training 2
? 1999 Fieldbus Foundation

Profibus与PLC网络 Profibus与PLC网络 电力、冶金、机械加工行业等) (电力、冶金、机械加工行业等)

Profinet

汽车内部网络 (SAE-J1939)

多网段的车辆内部网络系统
监视屏 (驾驶室) 250Kbps 终端器 终端器 网桥 至下一拖车 250Kbps 拖车子网 250Kbps 车轴/ 悬梁 终端器 照明 终端器 牵引车

拖车

变速器 250Kbps 终端器 发动机 路由器 终端器 刹车系统 牵引车子网

网桥 终端器 减速器 终端器

刹车

专用子网

第三代LonWorks技术应用系统 第三代LonWorks技术应用系统 LonWorks 智能楼宇、连锁店) (智能楼宇、连锁店)

LonWorks/Ethernet

交通系统中凌华科技的 数据语音混合通信应用系统

现场总线被视为基于PC、特别是基于工业PC的控制技 现场总线被视为基于PC、特别是基于工业PC的控制技 PC PC 术 各种工业控制计算机、 各种工业控制计算机、测量控制板卡的供应商是现场 总线技术发展的重要力量 以现场总线技术提升产品的串行通信能力, 以现场总线技术提升产品的串行通信能力,发展 具有数据通信能力的控制网络新的产品系列, 具有数据通信能力的控制网络新的产品系列,对 推广现场总线技术的应用、 推广现场总线技术的应用、对推动测量控制领域 的信息化,将起到积极作用。 的信息化,将起到积极作用 现场总线的技术发展有待业内人士(设备开发供应商、 现场总线的技术发展有待业内人士(设备开发供应商、 用户) 用户)的共同努力