現(xiàn)場總線技術演示文稿

現(xiàn)場總線技術演示文稿第1頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月一、現(xiàn)場總線發(fā)展概況

隨著計算機、控制、通信、網(wǎng)絡等技術的發(fā)展，作為工業(yè)控制數(shù)字化、智能化與網(wǎng)絡化典型代表的現(xiàn)場總線（FieldBus）技術也得到了迅速發(fā)展、影響巨大，引起了工程技術界的普遍愛好與重視，使計算機控制系統(tǒng)逐步從集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystemDCS）走向以現(xiàn)場總線位基礎的分布式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystemFCS），被譽為工業(yè)自動化領域具有革命性的新技術。

第2頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月1發(fā)展歷程及定義：

（1）發(fā)展歷程40年代——主要開關量信號60年代——模擬信號80年代后——現(xiàn)場總線誕生90年代末——IEC通過了8類現(xiàn)場總線成為現(xiàn)場總線國際標準，目前已達到40余種。第3頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）定義：現(xiàn)場總線就是一種在工業(yè)過程控制領域中用于替代4~20mA電流環(huán)信號的新型數(shù)字式通訊網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線具有開放型、數(shù)字化、雙向、多節(jié)點、采用串行通訊方式等特點,主要用于連接各自獨立的現(xiàn)場設備?，F(xiàn)場總線所連接的設備需具備自診斷、自維護和控制功能,同時具有雙向通訊的能力。通過現(xiàn)場總線,維護人員不必到設備就地,就可對運行設備進行設備狀態(tài)查詢、控制軟件下載、整定、運行狀態(tài)調(diào)整等維護工作。第4頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、種類：（1）Profibus

Profibus主要由德國西門子公司支持，是按照ISO/OSI參考模型制訂的現(xiàn)場總線德國國家標準。Profibus由三部分組成，即Profibus-FMS、Profibus-DP及Profibus-PA。其中，F(xiàn)MS主要用于非控制信息的傳輸，PA主要用于過程自動化的信號采集及控制，Profibus-DP是制造業(yè)自動化主要應用的協(xié)議內(nèi)容，是滿意用戶快速通信的最佳方案，傳輸速度為12Mb/s，掃描1000個I/O點的時間少于1ms。

第5頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）FF基金會現(xiàn)場總線FF（H1，IEC技術報告）是針對過程自動化而設計，它是通過數(shù)字、串行、雙向的通信方法來連接現(xiàn)場裝置的。FF通信不是簡樸的數(shù)字4-20mA信號，而是使用復雜的通信協(xié)議，它可連接能執(zhí)行簡樸的閉環(huán)算法（如PID）的現(xiàn)場智能裝置。一個通信段可配置32個現(xiàn)場裝置，通信速度為31.25kb/s，每段最大通信距離為1900m。第6頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）Interbus

Interbus主要由德國PhoenixContact公司支持，其網(wǎng)絡簡單，且易于安裝與配置。網(wǎng)上的節(jié)點類似簡單的移位寄存器，位流經(jīng)過節(jié)點則發(fā)生翻轉(zhuǎn)。Interbus-S啟動網(wǎng)絡并自動配置，不需要節(jié)點地址。使用一根電纜，符合IEEE802.5的規(guī)定。一個網(wǎng)絡上最多可有64個裝置，速度可達500K/s，最長距離為25600m，移動節(jié)點間距離為400m。

第7頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

（4）ControlNet（DeviceNet）

ControlNet主要由美國Rockwell公司支持，具有非常高的實時性能，介于設備級總線（像DeviceNet）與工廠級總線（通?；贓thernet）之間。在相同的通信鏈路上提供了適合于I/O控制設備的帶寬、實時聯(lián)鎖響應、對等信息和程序傳輸，為斷續(xù)和連續(xù)過程控制系統(tǒng)應用提供了確定性和重復性功能；并且答應多控制器處理I/O控制設備，提供了輸入數(shù)據(jù)和對等數(shù)據(jù)兩者之間的多點傳送、通信傳輸媒體的冗余和本征安全的選擇、靈活的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)選擇（總線、樹型、星型）和媒體傳輸介質(zhì)（同軸電纜、光纖等）。第8頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

（5）WorldFIP

WorldFIP主要由法國的Alstom公司支持，支持雙重冗余總線運行方式，總線上可以連接PLC、I/O現(xiàn)場設備、控制器、HMI系統(tǒng)等。通過雙重冗余總線，能夠完全確?？刂葡到y(tǒng)不會因為控制電纜損壞等原因造成其他控制系統(tǒng)被迫停機的事故。第9頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

（6）CANBUS

CANBUS（ControllerAreaNetwork）：是德國Bosch公司于1983年為汽車應用而開發(fā)的一種能有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網(wǎng)，屬于現(xiàn)場總線（FieldBus）的范疇?？刹捎秒p絞線，同軸電纜和光導纖維。通訊距離與波持率有關，最大通訊距離可達10km，最大通訊波持率可達1Mdps。CAN總線仲裁用11位（CAN2.0A協(xié)議）和29位（CAN2.0B協(xié)議）標識和非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機制，可以確定數(shù)據(jù)塊的優(yōu)先級，保證在網(wǎng)絡節(jié)點沖突時最高優(yōu)先級點不需要沖突等待。第10頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

（7）CC-Link

CC-Link是Control&CommunicationLink(控制與通信鏈路系統(tǒng))的簡稱，是三菱電機于1996年推出的開放式現(xiàn)場總線，其數(shù)據(jù)容量大，通信速度多級可選擇，而且它是一個復合的、開放的、適應性強的網(wǎng)絡系統(tǒng)，能夠適用于較高的管理層網(wǎng)絡到較低的傳感器層網(wǎng)絡的不同范圍。CC-Link是一個以設備層為主的網(wǎng)絡，一般情況下，CC-Link整個一層網(wǎng)絡可由一個主站和六十四個從站組成。CC-Link具有高速的數(shù)據(jù)傳輸速度，最高可達10Mbps，其底層通信協(xié)議遵循RS-485。

第11頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

（8）LonWorks

LonWorks總線：是美國ECHELON公司開發(fā)，并與Motorola和東芝公司共同倡導的現(xiàn)場總線技術。它采用了OSI參考模型全部的七層協(xié)議結(jié)構(gòu)。LonWorks技術的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片實現(xiàn)完整的LonWorks的LonTalk通信協(xié)議。第12頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

現(xiàn)場總線特點應用Profibus-DP傳輸速率9.6-12Kbps傳輸距離100－1200m傳輸介質(zhì)雙絞線或光纜支持Profibus-DP總線的智能電氣設備、PLC等，適用于過程順序控制和過程參數(shù)的監(jiān)控FF傳輸速率31.25Kbps傳輸距離1900m傳輸介質(zhì)雙絞線或光纜現(xiàn)場總線儀表，執(zhí)行機構(gòu)等過程參數(shù)的監(jiān)控CAN傳輸速率5－500Kbps傳輸距離40-500m傳輸介質(zhì)兩芯電纜汽車內(nèi)部的電子裝置控制，大型儀表的數(shù)據(jù)采集和控制WorldFIP傳輸速率31.25－2500Kbps傳輸距離500－5000m傳輸介質(zhì)雙絞線或光纜可應用于連續(xù)或斷續(xù)過程的自動控制DeviceNet傳輸速率125、250、500Kbps傳輸距離100－500m傳輸介質(zhì)五芯電纜適用于電器設備和控制設備的設備級網(wǎng)絡控制，以及過程控制和順序控制設備等。2002年12月1日發(fā)行的國家標準化管理委員會通報中，公布了DeviceNet現(xiàn)場總線已被批準為國家標準。

Interbus傳輸速率500K－12Mbps傳輸距離100m傳輸介質(zhì)同軸電纜或者光纜車間設備和PLC網(wǎng)絡控制ControlNet傳輸速率5Mbps傳輸距離100－400m傳輸介質(zhì)雙絞線車間級網(wǎng)絡控制和PLC網(wǎng)絡控制LonWorks傳輸速率78－1250Kbps傳輸距離130－2700m傳輸介質(zhì)雙絞線或電力線由于智能神經(jīng)元節(jié)點技術和電力載波技術，可廣泛應用于電力系統(tǒng)和樓宇自動化第13頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、典型總線協(xié)議結(jié)構(gòu)：這里以DeviceNet網(wǎng)絡為例，介紹典型總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。DeviceNet遵循ISO/OSI標準參考模型，它的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分為3層，分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，它是建立在CAN協(xié)議基礎之上的，在CAN已規(guī)定的物理層及數(shù)據(jù)鏈路層基礎上又定義了應用層，進一步補充規(guī)定了所傳送數(shù)據(jù)的意義。第14頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

應用層邏輯鏈路控制（LLC）媒體訪問控制（MAC）物理層信號（PLS）媒體訪問單元（MAU）傳輸介質(zhì)應用層（層7）數(shù)據(jù)鏈路層（層2）物理層（層1）介質(zhì)層（層0）DeviceNet應用層協(xié)議規(guī)范CAN協(xié)議規(guī)范DeviceNet物理層和介質(zhì)層協(xié)議規(guī)范

其具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：

第15頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4、應用領域：隨著現(xiàn)場總線技術的普及，已被廣泛應用在各個領域，包括：

石油、化工、化纖、紡織、橡膠、建材、電力、冶金、醫(yī)藥、食品等工業(yè)現(xiàn)場。第16頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月5、發(fā)展趨勢：雖然現(xiàn)場總線的標準統(tǒng)一還有種種問題，但現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展卻已經(jīng)是一個不爭的事實。隨著現(xiàn)場總線思想的日益深入人心，基于現(xiàn)場總線的產(chǎn)品和應用的不斷增多，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)日益清晰，具體發(fā)展趨勢表現(xiàn)在以下幾個方面。

第17頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

(1)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)趨向簡單化

早期的MAP模型由7層組成，現(xiàn)在Rockwe11公司提出了3層結(jié)構(gòu)自動化，F(xiàn)isherRosemount公司提出了2層自動化，還有的公司甚至提出1層結(jié)構(gòu)，由以太網(wǎng)一通到底。

(2)大量采用成熟、開放和通用的技術

在管理網(wǎng)的通信協(xié)議上，越來越多的企業(yè)采用最流行的TCP/IP協(xié)議加以太網(wǎng)，操作設備一般采用工業(yè)PC甚至普通計算機，控制設備一般采用標準的PLC或者是工業(yè)控制計算機等，而控制網(wǎng)絡就是各種現(xiàn)場總線的應用領域。第18頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月二、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)：三層網(wǎng)絡架構(gòu)：即信息層、控制層以及設備層。

第19頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、ROCKWELL實驗室總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：天津理工大學羅克韋爾自動化實驗室采用了目前自動化領域最先進的“工業(yè)自動化三層網(wǎng)絡體系”即設備網(wǎng)、控制網(wǎng)以及以太網(wǎng)三網(wǎng)一體，并且配置了ControlLogix系統(tǒng)、SLC系統(tǒng)、MicroLogix系統(tǒng)、高效變頻器、人機界面PanelView、電力監(jiān)控產(chǎn)品以及羅克韋爾網(wǎng)絡通信產(chǎn)品，這代表了當今飛速發(fā)展的網(wǎng)絡技術及工業(yè)自動化的需求。實驗室先進的工業(yè)控制裝置配以網(wǎng)絡通信產(chǎn)品，充分展現(xiàn)了當今工業(yè)控制領域的網(wǎng)絡化控制思想。第20頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

ROCKWELL實驗室總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第21頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第22頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、典型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)：ControlNetDeviceNetDeviceNetDeviceNetControlLogixControlLogixControlLogix第23頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月三、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的冗余技術

隨著人們對工業(yè)生產(chǎn)的安全意識日益提高，冗余系統(tǒng)在各種工業(yè)場合得到了廣泛的應用。特別是對生產(chǎn)連續(xù)性要求比較高的過程控制場合，當主控制處理器出現(xiàn)問題時，如果另外一個備用處理器可以實時自動的接管整個控制系統(tǒng)，就能夠保證整個生產(chǎn)過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。因此，在工業(yè)現(xiàn)場引進較為適當?shù)娜哂嗫刂葡到y(tǒng)是十分必要的。第24頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：第25頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

監(jiān)控界面：第26頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月四、總線系統(tǒng)集成技術

在現(xiàn)場總線國際標準制定的過程中,共有8種現(xiàn)場總線同時成為IEC現(xiàn)場總線標準的子集?？梢?