现场总线技术第2版素材作者刘泽祥第3部分分布式系统与现场总线技术综合06现场总线技术概述课件

1、第6章 现场总线技术概述,现场总线（Fieldbus）是20世纪90年代发展形成的。 用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、家庭自动化等领域的现场设备互连的通信网络。 是现场通信网络与控制系统的集成，并由此产生新一代的现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。 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现场局域网。,一、总线的分类 二、现场总线的定义和分类 三、现场总线控制系统FCS的体系结构 四、现场总线控制系统的技术特点 五、FCS与DCS的比较 六、现场总线通信协议模型 七、现场总线的国际标准 八、几种典型的现场总线 九、现场总线的现状,总线（bus）的概念由来已久，仪器仪表与计算机控制系统数字通信用的总线有很多种。 总线按其长度分类： 1毫米级:芯片内总线； 2分米级:机箱内总线，如Multi-bus，STD，PCL，ISA，NIM，CAMAC等； 3十米级:机柜间总线，如RS232-RS530，GPIB，Fast-bus，VME，VXI等； 4千米级:现场总线，如FF，Profibus，WorldFIP等。,一、总线的分类

2、,返回,现场总线(Fieldbus)：是用于过程自动化或制造自动化中的，实现智能化现场设备（例如，变送器、执行器、控制器)与高层设备(例如主机、网关、人机接口设备)之间互联的，全数字、串行、双向的通信系统。 通过它可以实现跨网络的分布式控制。 按照国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义:现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。,1. 定义,二、现场总线的定义和分类,（1）按其传送数据的通信宽度来分: 传感器总线 (sensor bus)：数据宽度为位 (bit)，如AS-i和Seriplex等； 设备总线 (device bus)：数据宽度为字节 (byte)，如Interbus和Device Net等； 全服务的现场总线（fieldbus）：数据宽度为数据流或模块 (block)。以报文通信为主，除了对装置进行读取数据外，还包括一些对装置的操作和控制功能。如FF总线、Lonworks总线、Hart总线等。,2.分类,（2）按应用的行业来分: 过程控制 (连续生产过程)用现场总线，如FF的H1、Profibus PA等； 离散控制用现

3、场总线，如Profibus DP、Device Net等； 楼宇自动化用现场总线，如Lon Works等； 车辆制造业用现场总线，如CAN等； 飞机制造业用现场总线，如Swift Net等； 农业及养殖业用现场总线，如P-Net等。 返回,三、现场总线控制系统的体系结构,可以把FCS分为三类: 一类是由现场设备和人机接口组成的两层结构的FCS； 一类是由现场设备、控制站和人机接口组成的三层结构的FCS； 一类是由DCS扩充了现场总线接口模件所构成的FCS。 （一）具有两层结构的FCS,（二）具有三层结构的FCS,（三）由DCS扩充而成的现场总线控制系统 在DCS系统的I/O总线上挂接现场总线接口模件，通过现场总线接口模件扩展出若干条现场总线，然后经现场总线与现场智能设备相连。,返回,现场总线是现场仪表所采用的双向数字通信方式，将取代当今现场仪表广泛采用的420mA标准模拟通信方式。 1开放性 FCS的现场总线的技术与标准是公开的，而DCS的制造厂商的技术与标准则是各有各的专利，彼此封锁。 2全数字化 DCS的主机虽然是数字的，但现场仪表则还是利用了模拟技术，属于模拟仪表，因此DCS是一

4、个数模混合的系统；而FCS则是一个全数字化的系统。,四、现场总线控制系统的技术特点,3双向通信,4.互可操作性与互用性 互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同制造商性能类似的设备可进行更换，实现相互替换。,5.现场设备的智能化与功能自治性 6.系统结构的高度分散性 7.对现场环境的适应性,返回,FCS相对于DCS具有如下优越性： 1FCS实现全数字化通信,五、FCS与DCS的比较,2FCS实现彻底的全分散式控制,3FCS实现不同厂商产品互联、互操作 4FCS增强系统的可靠性、可维护性 5FCS降低系统工程成本,返回,返回,六、现场总线通信协议模型,(一)制订标准的机构 世界上制订国际标准的机构 3个： 国际标准化组织ISO(International Standard Organization) 国际电工委员会IEC(International Electrotechnical Commission) 国际电信联盟ITU。 另外还有欧洲电工标准化委员会CENELEC，制订欧洲标准EN。 国家标准化委员会 各国都有制订国家标准的组织，我国制订国家标准G

5、B的组织是全国标准化委员会。 制订现场总线标准的机构 IEC/TC65/SC65C/WC6,七、现场总线的国际标准,（二）现有的现场总线国际标准 IEC61158 (IEC/TC65/SC65C/WC6制定) 测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线，由以下6部分组成： 第1部分:导则； 第2部分:物理层规范和服务定义； 第3部分:数据链路层服务定义； 第4部分:数据链路层协议规范； 第5部分:应用服务定义； 第6部分:应用层协议规范。,IEC61158目前包括10种技术类型，其中类型9与类型10是后来加的。 类型1：IEC技术报告 (即相当于FF的H1，美国Fisher-Rosemount公司支持)； 类型2：Control Net(美国Rockwell公司支持)； 类型3：Profibus(德国Siemens公司支持)； 类型4: P-Net(丹麦Process Data公司支持)； 类型5: FF HSE(High Speed Ethernet 美国 Fisher-Rosemount公司支持)； 类型6: Swift Net(美波音公司支持)； 类型7: World FIP(

6、法国Alstom公司支持)； 类型8: Interbus(德国Phoenix Contact公司支持)； 类型9: FF应用层 (Application Layer)； 类型10: Profinet。,IEC62026 (IEC/TCl7/SCl7B) IIEC62026 共有4种现场总线。即 AS-i、DeviceNet、SDS及 Seriplex这4种国际标准，包括5个部分。 (1)第1部分:总则 。 (2)第2部分: AS-i(Actuator Sensor Interface执行器传感器接口，德国Siemens等公司支持) 。 (3)第3部分：Device Net(美国Rockwel1公司支持)。 (4)第4部分: SDS(Smart Distributed System灵巧式分散型系统，美国Honeywe11公司支持)。 (5)第5部分：Seriplex(串联多路控制总线 )。,ISO11898与ISO11519 CAN ISO11898 (lMbit/s) CAN ISO11519 (125Kbit/s) CAN由德国Robert Bosch公司支持，还由IEC/TC22分

7、管电力电子的分技术委员会列为国际标准。 现场总线的国际标准共有12种 IEC61158有7种，IEC62026有4种再加上ISO的CAN 1种，有12种，至于Lonworks则仅是美国ANSI国家标准。,返回,（一） CAN CAN：控制局域网络 (Control Area Network) 德国Bosch公司推出、最早用于汽车内部监测部件与控制部件的数据通信网络。现在己经逐步应用到其他控制领域。 成为ISO11898标准。 CAN协议是建立在ISO/OSI模型基础上的，采用了OSI底层的物理层、数据链路层和高层的应用层。 信号传输介质为双绞线。 最高通信速率为lMbps(通信距离40m)，最远通信距离可达l0km(通信速率为5kbps)，节点总数可达110个. CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输的时间短，受干扰的概率低，每帧信息均有CRC校验和其他检错措施，通信误码率极低。,八、几种典型的现场总线,（二）LonWorks LonWorks：局部操作网络 (Local Operating Network)。 由美国Echelon公司研制、于1990年正式公

8、布。 采用ISO/OSI模型中完整的七层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置 最高通信速率 1.25Mbps(通信距离不超过13Om)，最远通信距离为27000m(通信速率为78kbps)，节点总数达32000个 网络传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等。 信号传输采用可变长帧结构。每帧的有效字节可由0288个。 采用的Lon Talk通信协议被封装在Neuron神经元芯片中。,（三）PROFIBUS PROFIBUS:过程现场总线(Process Field Bus) 。 德国国家标准DIN 19245和欧洲标准EN 50170规定的现场总线标准。 由三个兼容部分组成:PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS。 PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信系统。按照 ISO/OSI参考模型定义了物理层、数据链路层和用户接口； PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使变送器与执行器连接在一根总线上，提供本质安全和总线供电特性。PA采用扩展的PROFIBUS-DP协议，还有现场设备描述的P

9、A行规； PROFIBUS-FMS根据ISO/OSI参考模型定义了物理层、链路层和应用层，其中应用层包含了现场总线报文规范FMS(Field bus Message Specification)和低层接口LLI(Lower Layer Interface).,最高通信速率12Mbps(通信距离不超过1OOm)，最大通信距离为1200m(通信速率为9.6kbps)。如采用中继器可延长至1Okm. 传输介质可以是双绞线或光缆。 每个网络可挂32个节点，如带中继器，最多可挂127个节点。 PROFIBUS采用定长或可变长帧结构，定长帧一般为8字节，可变长帧每帧的有效字节数为1244个。,（四）WorldFIP WorldFIP:世界工厂仪表协议(World Factory Instrument Protocol)。 WorldFIP协议按照ISO/OSI参考模型定义了物理层、数据链路层和应用层。 采用有调度的总线访问控制。 通信速率分别为31.35kbps、lMbps、2.5Mbps，对应的最大通信距离分别为5000m、10OOm、500m； 通信介质为双绞线。如果采用光纤，其最大通信距离可达40km。 每段现场总线的最大节点数为32个，使用分线盒可连接256个节点。整个网络最多可使用3个中继器，连接4个网段。 采用可变长帧结构，每帧的最大字节数为256个。适合于包括TCP/IP在内的各种类型的协议数据单元。,(五) HART HART：可寻址远程传感器数据通路(Highway Addressable Remote Transducer) 。 最早由Rosemount公司开发，得到80多家仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。 协议参考了ISO/OSI参考模型的物理层、数据链路层和应用层。 主要特点：采用基于Bell 202通信标准的频移键控FSK技术。 通信速率为12OObps，单台设备的最大通信距离为30OOm，多台设备互连的最大通信距离为1500m. 通信介质为双绞线，最大节点数为15个。 HART采用可变长帧结构，每帧最长为25个字节，寻址范围为015。,（六）FF FF:现场总线基金会(Field bus Foun

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