現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)及其應用技術 第2版 課件全套 第1-10章 緒論、控制網(wǎng)絡基礎 - 時間敏感網(wǎng)絡TSN

第1章

緒論現(xiàn)場總線技術經(jīng)過二十多年的發(fā)展，現(xiàn)在已進入穩(wěn)定發(fā)展期。近幾年，工業(yè)以太網(wǎng)技術的研究與應用得到了迅速的發(fā)展，以其應用廣泛、通信速率高、成本低廉等優(yōu)勢引入到工業(yè)控制領域，成為新的熱點。本章首先對現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)進行了概述，講述了現(xiàn)場總線的產(chǎn)生、現(xiàn)場總線的本質(zhì)、現(xiàn)場總線的特點、現(xiàn)場總線標準的制定、現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的實現(xiàn)。同時講述了工業(yè)以太網(wǎng)技術及其通信模型、實時以太網(wǎng)和實時工業(yè)以太網(wǎng)模型分析、企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)。然后介紹了比較流行的現(xiàn)場總線FF、CAN和CANFD、DeviceNet、LonWorks、PROFIBUS、CC-Link、ControlNet，同時對常用的工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT、SERCOS、EthernetPOWERLINK、PROFINET和EPA進行了介紹。最后講述了現(xiàn)場總線設備。1.1現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線（fieldbus）自產(chǎn)生以來，一直是自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)，各自動化廠商紛紛推出自己的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，并在不同的領域和行業(yè)得到了越來越廣泛的應用。按照IEC對現(xiàn)場總線一詞的定義，現(xiàn)場總線是一種應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設備之間、現(xiàn)場設備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術。這是由IEC/TC65負責測量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信部分國際標準化工作的SC65/WG6定義的。1.1.1現(xiàn)場總線的產(chǎn)生隨著微處理器的發(fā)展和廣泛應用，產(chǎn)生了以IC代替常規(guī)電子線路，以微處理器為核心，實施信息采集、顯示、處理、傳輸及優(yōu)化控制等功能的智能設備。一些具有專家輔助推斷分析與決策能力的數(shù)字式智能化儀表產(chǎn)品，其本身具備了諸如自動量程轉(zhuǎn)換、自動調(diào)零、自校正、自診斷等功能，還能提供故障診斷、歷史信息報告、狀態(tài)報告、趨勢圖等功能。通信技術的發(fā)展，促使傳送數(shù)字化信息的網(wǎng)絡技術開始廣泛應用。與此同時，基于質(zhì)量分析的維護管理、與安全相關系統(tǒng)的測試的記錄、環(huán)境監(jiān)視需求的增加，都要求儀表能在當?shù)靥幚硇畔?，并在必要時允許被管理和訪問，這些也使現(xiàn)場儀表與上級控制系統(tǒng)的通信量大增。另外，從實際應用的角度，控制界也不斷在控制精度、可操作性、可維護性、可移植性等方面提出新需求。由此，導致了現(xiàn)場總線的產(chǎn)生。1.1.2現(xiàn)場總線的本質(zhì)現(xiàn)場總線的本質(zhì)含義主要表現(xiàn)在以下6個方面：1.現(xiàn)場通信網(wǎng)絡用于過程以及制造自動化的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表互連的通信網(wǎng)絡。2.現(xiàn)場設備互連現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器和執(zhí)行器等，這些設備通過一對傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等，并可根據(jù)需要因地制宜地選擇不同類型的傳輸介質(zhì)。3.互操作性現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表種類繁多，沒有任何一家制造商可以提供一個工廠所需的全部現(xiàn)場設備，所以，互相連接不同制造商的產(chǎn)品是不可避免的。用戶不希望為選用不同的產(chǎn)品而在硬件或軟件上花很大氣力，而希望選用各制造商性能價格比最優(yōu)的產(chǎn)品，并將其集成在一起，實現(xiàn)“即接即用”；用戶希望對不同品牌的現(xiàn)場設備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成他所需要的控制回路。這些就是現(xiàn)場總線設備互操作性的含義。1.1.2現(xiàn)場總線的本質(zhì)4.分散供能塊FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。5.通信線供電通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量，對于要求本征安全的低功耗現(xiàn)場儀表，可采用這種供電方式。眾所周知，化工、煉油等企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場有可燃性物質(zhì)，所有現(xiàn)場設備都必須嚴格遵循安全防爆標準?，F(xiàn)場總線設備也不例外。6．開放式互連網(wǎng)絡現(xiàn)場總線為開放式互連網(wǎng)絡，它既可與同層網(wǎng)絡互連，也可與不同層網(wǎng)絡互連，還可以實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的共享。不同制造商的網(wǎng)絡互連十分簡便，用戶不必在硬件或軟件上花太多氣力。通過網(wǎng)絡對現(xiàn)場設備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，把不同廠商的網(wǎng)絡及設備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的FCS。。1.1.3現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點1.現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)特點現(xiàn)場總線打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對一的設備連線，按控制回路分別進行連接。位于現(xiàn)場的測量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與位于現(xiàn)場的執(zhí)行器、開關、馬達之間均為一對一的物理連接。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場設備，能夠把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現(xiàn)場設備，加上現(xiàn)場設備具有通信能力，現(xiàn)場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機構(gòu)直接傳送信號，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散控制?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)（如DCS）結(jié)構(gòu)對比如圖1-1所示。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對一的設備連線，按控制回路分別進行連接。位于現(xiàn)場的測量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與位于現(xiàn)場的執(zhí)行器、開關、馬達之間均為一對一的物理連接。1.1.3現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點由于采用數(shù)字信號替代模擬信號，因而可實現(xiàn)一對電線上傳輸多個信號，如運行參數(shù)值、多個設備狀態(tài)、故障信息等，同時又為多個設備提供電源，現(xiàn)場設備以外不再需要模擬/數(shù)字、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器件。圖1-1FCS與DCS結(jié)構(gòu)比較1.1.3現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點2．現(xiàn)場總線的技術特點（1）系統(tǒng)的開放性（2）互可操作性與互用性（3）現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性（5）對現(xiàn)場環(huán)境的適應性3．現(xiàn)場總線的優(yōu)點（1）節(jié)省硬件數(shù)量與投資（2）節(jié)省安裝費用（3）節(jié)約維護開銷（4）用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)（5）提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性1.1.4現(xiàn)場總線標準的制定數(shù)字技術的發(fā)展完全不同于模擬技術，數(shù)字技術標準的制定往往早于產(chǎn)品的開發(fā)，標準決定著新興產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。國際電工技術委員會/國際標準協(xié)會（IEC/ISA）自1984年起著手現(xiàn)場總線標準工作，但統(tǒng)一的標準至今仍未完成。IECTC65（負責工業(yè)測量和控制的第65標準化技術委員會）于1999年底通過的8種類型的現(xiàn)場總線作為IEC61158最早的國際標準。最新的IEC61158Ed.4標準于2007年7月出版。IEC61158第四版由多個部分組成，主要包括以下內(nèi)容：IEC61158–1總論與導則IEC61158–2物理層服務定義與協(xié)議規(guī)范IEC61158–300數(shù)據(jù)鏈路層服務定義IEC61158–400數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范IEC61158–500應用層服務定義IEC61158–600應用層協(xié)議規(guī)范1.1.4現(xiàn)場總線標準的制定IEC61158Ed.4標準包括的現(xiàn)場總線類型如下：Type11TCnet實時以太網(wǎng)Type12EtherCAT實時以太網(wǎng)Type13EthernetPowerlink實時以太網(wǎng)Type14EPA實時以太網(wǎng)Type15Modbus-RTPS實時以太網(wǎng)Type16SERCOSI、II現(xiàn)場總線Type17VNET/IP實時以太網(wǎng)Type18CC-Link現(xiàn)場總線Type19SERCOSIII現(xiàn)場總線Type20HART現(xiàn)場總線Type1IEC61158（FF的H1）Type2CIP現(xiàn)場總線Type3PROFIBUS現(xiàn)場總線Type4P-Net現(xiàn)場總線Type5FFHSE現(xiàn)場總線Type6SwiftNet被撤銷Type7WorldFIP現(xiàn)場總線Type8INTERBUS現(xiàn)場總線Type9FFH1以太網(wǎng)Type10PROFINET實時以太網(wǎng)1.1.6現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的實現(xiàn)目前，各個公司生產(chǎn)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品沒有一個統(tǒng)一的協(xié)議標準，但是各公司在制定自己的通信協(xié)議時，都參考OSI七層協(xié)議標準，且大都采用了其中的第1層、第2層和第7層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，并增設了第8層即用戶層。1.物理層物理層定義了信號的編碼與傳送方式、傳送介質(zhì)、接口的電氣及機械特性、信號傳輸速率等。現(xiàn)場總線有兩種編碼方式：Manchester和NRZ，前者同步性好，但頻帶利用率低，后者剛好相反。Manchester編碼采用基帶傳輸，而NRZ編碼采用頻帶傳輸。調(diào)制方式主要有CPFSK和COFSK。現(xiàn)場總線傳輸介質(zhì)主要有有線電纜、光纖和無線介質(zhì)。2．數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層又分為兩個子層，即介質(zhì)訪問控制層（MAC）和邏輯鏈路控制層（LLC）。MAC功能是對傳輸介質(zhì)傳送的信號進行發(fā)送和接收控制，而LLC層則是對數(shù)據(jù)鏈進行控制，保證數(shù)據(jù)傳送到指定的設備上?，F(xiàn)場總線網(wǎng)絡中的設備可以是主站，也可以是從站，主站有控制收發(fā)數(shù)據(jù)的權(quán)利，而從站則只有響應主站訪問的權(quán)利。1.1.6現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的實現(xiàn)3．應用層應用層可以分為兩個子層，上面子層是應用服務層（FMS層），它為用戶提供服務；下面子層是現(xiàn)場總線存取層（FAS層），它實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的連接。應用層可以分為兩個子層，上面子層是應用服務層（FMS層），它為用戶提供服務；下面子層是現(xiàn)場總線存取層（FAS層），它實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的連接。應用層的功能是進行現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)的傳送及現(xiàn)場總線變量的訪問。它為用戶應用提供接口，定義了如何應用讀、寫、中斷和操作信息及命令，同時定義了信息、句法（包括請求、執(zhí)行及響應信息）的格式和內(nèi)容。應用層的管理功能在初始化期間初始化網(wǎng)絡，指定標記和地址。同時按計劃配置應用層，也對網(wǎng)絡進行控制，統(tǒng)計失敗和檢測新加入或退出網(wǎng)絡的裝置。4.用戶層用戶層是現(xiàn)場總線標準在OSI模型之外新增加的一層，是使現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)開放與可互操作性的關鍵。1.2 工業(yè)以太網(wǎng)概述1.2.1以太網(wǎng)技術20世紀70年代早期，國際上公認的第一個以太網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)于Xerox公司的PaloAltoResearchCenter（PARC），它以無源電纜作為總線來傳送數(shù)據(jù)，在1000m的電纜上連接了100多臺計算機，并以曾經(jīng)在歷史上表示傳播電磁波的以太（Ether）來命名，這就是如今以太網(wǎng)的鼻祖。1.2.2工業(yè)以太網(wǎng)技術人們習慣將用于工業(yè)控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)統(tǒng)稱為工業(yè)以太網(wǎng)。按照國際電工委員會SC65C的定義，工業(yè)以太網(wǎng)是用于工業(yè)自動化環(huán)境、符合IEEE802.3標準、按照IEEE802.1D“媒體訪問控制（MAC）網(wǎng)橋”規(guī)范和IEEE802.1Q“局域網(wǎng)虛擬網(wǎng)橋”規(guī)范、對其沒有進行任何實時擴展（extension）而實現(xiàn)的以太網(wǎng)。以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)比較如表1-4所示。項目工業(yè)以太網(wǎng)設備商用以太網(wǎng)設備元器件工業(yè)級商用級接插件耐腐蝕、防塵、防水，如加固型RJ45、DB-9、航空插頭等一般RJ45工作電壓24VDC220VAC電源冗余雙電源一般沒有安裝方式DIN導軌和其他固定安裝桌面、機架等工作溫度-40

C~85

C、或-20

C~70

C5

C~40

C電磁兼容性標準EN50081-2（工業(yè)級EMC）EN50082-2（工業(yè)級EMC）辦公室用EMCMTBF值至少10年3~5年表1-4以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的比較1.2.2工業(yè)以太網(wǎng)技術工業(yè)控制網(wǎng)絡應滿足以下要求：⑴具有較好的響應實時性：工業(yè)控制網(wǎng)絡不僅要求傳輸速度快，而且在工業(yè)自動化控制中還要求響應快，即響應實時性好。⑵可靠性和容錯性要求：既能安裝在工業(yè)控制現(xiàn)場，又能夠長時間連續(xù)穩(wěn)定運行，在網(wǎng)絡局部鏈路出現(xiàn)故障的情況下，能在很短的時間內(nèi)重新建立新的網(wǎng)絡鏈路。⑶力求簡潔：減小軟硬件開銷，從而降低設備成本，同時也可以提高系統(tǒng)的健壯性。⑷環(huán)境適應性要求：包括機械環(huán)境適應性（如耐振動、耐沖擊）、氣候環(huán)境適應性（工作溫度要求為-40℃~85℃，至少為-20℃~70℃，并要耐腐蝕、防塵、防水）、電磁環(huán)境適應性或電磁兼容性EMC應符合EN50081-2/EN50082-2標準。⑸開放性好：由于以太網(wǎng)技術被大多數(shù)的設備制造商所支持，并且具有標準的接口，系統(tǒng)集成和擴展更加容易。⑹安全性要求：在易爆可燃的場合，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品還需要具有防爆要求，包括隔爆、本質(zhì)安全。⑺總線供電要求：即要求現(xiàn)場設備網(wǎng)絡不僅能傳輸通信信息，而且要能夠為現(xiàn)場設備提供工作電源。這主要是從線纜鋪設和維護方便考慮，同時總線供電還能減少線纜，降低成本。IEEE802.3af標準對總線供電進行了規(guī)范。⑻安裝方便：適應工業(yè)環(huán)境的安裝要求，如采用DIN導軌安裝。1.2.3工業(yè)以太網(wǎng)通信模型工業(yè)以太網(wǎng)的通信模型如圖1-2所示。圖1-2工業(yè)以太網(wǎng)的通信模型工業(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)相比，具有以下特征：⑴通信實時性⑵環(huán)境適應性和安全性⑶產(chǎn)品可靠性設計⑷網(wǎng)絡可用性1.2.4工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢以太網(wǎng)發(fā)展到工業(yè)以太網(wǎng)，從技術方面來看，與現(xiàn)場總線相比，工業(yè)以太網(wǎng)具有以下優(yōu)勢：⑴應用廣泛。⑵成本低廉。⑶通信速率高。⑷開放性和兼容性好，易于信息集成。⑸控制算法簡單。⑹軟硬件資源豐富。⑺不需要中央控制站。⑻可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?。⑼易于與Internet連接。1.2.5實時以太網(wǎng)根據(jù)IEC61784-2-2010標準定義，所謂實時以太網(wǎng)，就是根據(jù)工業(yè)數(shù)據(jù)通信的要求和特點，在ISO/IEC8802-3協(xié)議基礎上，通過增加一些必要的措施，使之具有實時通信能力：⑴網(wǎng)絡通信在時間上的確定性，即在時間上，任務的行為可以預測；⑵實時響應適應外部環(huán)境的變化，包括任務的變化、網(wǎng)絡節(jié)點的增/減、網(wǎng)絡失效診斷等；⑶減少通信處理延遲，使現(xiàn)場設備間的信息交互在極小的通信延遲時間內(nèi)完成。2007年出版的IEC61158現(xiàn)場總線國際標準和IEC61784-2實時以太網(wǎng)應用國際標準收錄了以下十種實時以太網(wǎng)技術和協(xié)議如表1-5所示。表1-5IEC國際標準收錄的工業(yè)以太網(wǎng)技術名稱技術來源應用領域Ethernet/IP美國Rockwell公司過程控制PROFINET德國Siemens公司過程控制、運動控制P-NET丹麥Process-DataA/S公司過程控制Vnet/IP日本Yokogawa橫河過程控制TC-net東芝公司過程控制EtherCAT德國Beckhoff公司運動控制EthernetPowerlink奧地利B&R公司運動控制EPA浙江大學、浙江中控公司等過程控制、運動控制Modbus/TCP法國Schneider-electric公司過程控制SERCOS-III德國Hilscher公司運動控制1.2.6實時工業(yè)以太網(wǎng)模型分析實時工業(yè)以太網(wǎng)采用不同的實時策略來提高實時性能，根據(jù)其提高實時性策略的不同，實現(xiàn)模型可分為3種。實時工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)模型如圖1-3所示。圖1-3實時工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)模型1.2.7幾種實時工業(yè)以太網(wǎng)的比較幾種實時工業(yè)以太網(wǎng)的對比如表1-6所示。實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCATSERCOSⅢPROFINETIRTPOWERLINKEPAEthernet/IP管理組織ETGIGSPNOEPGEPA俱樂部ODVA通信機構(gòu)主/從主/從主/從主/從C/SC/S傳輸模式全雙工全雙工半雙工半雙工全雙工全雙工實時特性100軸，響應時間100μs8個軸，響應時間32.5μs100軸，響應時間1ms100軸，響應時間1ms同步精度為μs級，通信周期為ms級1~5ms拓撲結(jié)構(gòu)星形、線形、環(huán)形、樹形、總線形線形、環(huán)形星形、線形星形、樹形、總線形樹形、星形星形、樹形同步方法時間片+IEEE1588主節(jié)點+循環(huán)周期時間槽調(diào)度+IEEE1588時間片+IEEE1588IEEE1588IEEE1588同步精度100ns<1μs1μs1μs500ns1μs表1-6幾種實時工業(yè)以太網(wǎng)的對比1.2.7幾種實時工業(yè)以太網(wǎng)的比較幾個實時工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率對比如圖1-4所示。實驗中有40個軸（每個軸20Byte輸入和輸出數(shù)據(jù)），50個I/O站（總計560個EtherCAT總線端子模塊），2000個數(shù)字量，200個模擬量，總線長度500m。結(jié)果測試得到EtherCAT網(wǎng)絡循環(huán)時間是276μs，總線負載44%，報文長度122μs，性能遠遠高于SERCOSIII、PROFINETIRT和POWERLINK。圖1-4幾個實時工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率對比1.3 企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)1.3.1企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)應具有3層結(jié)構(gòu)，企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖1-5所示，從底向上依次為：過程控制層（PCS）、制造執(zhí)行層（MES）、企業(yè)資源規(guī)劃層（ERP）。圖1-5企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3.1企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1．過程控制層依照現(xiàn)場總線的協(xié)議標準，智能設備采用功能塊的結(jié)構(gòu)，通過組態(tài)設計，完成數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、溫度壓力補償、PID控制等各種功能。智能轉(zhuǎn)換器對傳統(tǒng)檢測儀表電流電壓進行數(shù)字轉(zhuǎn)換和補償。此外，總線上應有PLC接口，便于連接原有的系統(tǒng)。現(xiàn)場設備以網(wǎng)絡節(jié)點的形式掛接在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡上，為保證節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡必須采用合理的拓撲結(jié)構(gòu)。常見的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)有以下幾種。（1）環(huán)形網(wǎng)（2）總線網(wǎng)（3）樹形網(wǎng)（4）令牌總線網(wǎng)過程控制層通信介質(zhì)不受限制，可用雙絞線、同軸電纜、光纖、電力線、無線、紅外線等各種形式。2．制造執(zhí)行層這一層從現(xiàn)場設備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運行參數(shù)的監(jiān)測、報警和趨勢分析等功能，另外還包括控制組態(tài)的設計和下裝。1.3.1企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)3．企業(yè)資源規(guī)劃層其主要目的是在分布式網(wǎng)絡環(huán)境下構(gòu)建一個安全的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。4．現(xiàn)場總線與局域網(wǎng)的區(qū)別現(xiàn)場總線與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡相比，主要有以下特點：（1）現(xiàn)場總線主要用于對生產(chǎn)、生活設備的控制，對生產(chǎn)過程的狀態(tài)檢測、監(jiān)視與控制，或?qū)崿F(xiàn)“家庭自動化”等；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡則主要用于通信、辦公，提供如文字、聲音和圖像等數(shù)據(jù)信息。（2）現(xiàn)場總線和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡具有各自的技術特點：控制網(wǎng)絡信息/控制網(wǎng)絡最低層，要求具備高度的實時性、安全性和可靠性，網(wǎng)絡接口盡可能簡單，成本盡量降低，數(shù)據(jù)傳輸量一般較?。粩?shù)據(jù)網(wǎng)絡則需要適應大批量數(shù)據(jù)的傳輸與處理。（3）現(xiàn)場總線采用全數(shù)字式通信，具有開放式、全分布、互操作性等特點。（4）在現(xiàn)代生產(chǎn)和社會生活中，這兩種網(wǎng)絡將具有越來越緊密的聯(lián)系。兩者的不同特點決定了它們的需求互補以及它們之間需要信息交換。控制網(wǎng)絡信息與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡信息的結(jié)合，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場控制設備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡之間的聯(lián)系，可以更好地調(diào)度和優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，為實現(xiàn)控制、管理、經(jīng)營一體化創(chuàng)造了條件。1.3.2現(xiàn)場總線的作用現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡處于企業(yè)網(wǎng)絡的底層，或者說，它是構(gòu)成企業(yè)網(wǎng)絡的基礎。而生產(chǎn)過程的控制參數(shù)與設備狀態(tài)等信息是企業(yè)信息的重要組成部分。企業(yè)網(wǎng)絡各功能層次的網(wǎng)絡類型如圖1-6所示。從圖中可以看出，除現(xiàn)場的控制網(wǎng)絡外，上面的ERP和MES都采用以太網(wǎng)。圖1-6各功能層次的網(wǎng)絡類型1.3.3現(xiàn)場總線與上層網(wǎng)絡的互聯(lián)目前，現(xiàn)場總線與上層網(wǎng)絡的連接方式一般有以下三種：一是采用專用網(wǎng)關完成不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，把現(xiàn)場總線網(wǎng)段或DCS連接到以太網(wǎng)上。圖1-7示出了通過網(wǎng)關連接現(xiàn)場總線網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡的示意圖。二是將現(xiàn)場總線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)卡都置入工業(yè)PC機的PCI插槽內(nèi)，在PC機內(nèi)完成數(shù)據(jù)交換。在圖1-8中采用現(xiàn)場總線的PCI卡，實現(xiàn)現(xiàn)場總線網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡的連接。三是將Web服務器直接置入PLC或現(xiàn)場控制設備內(nèi)，借助Web服務器和通用瀏覽工具實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的動態(tài)交互。圖1-7通過網(wǎng)關連接現(xiàn)場總線網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡圖1-8采用PCI卡連接現(xiàn)場總線網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡1.3.4現(xiàn)場總線網(wǎng)絡集成應考慮的因素應用現(xiàn)場總線要適合企業(yè)的需要，選擇現(xiàn)場總線應考慮以下因素：1．控制網(wǎng)絡的特點（1）適應工業(yè)控制應用環(huán)境，要求實時性強，可靠性高，安全性好。（2）網(wǎng)絡傳輸?shù)氖菧y控數(shù)據(jù)及其相關信息，因而多為短幀信息，傳輸速率低。（3）用戶從滿足應用需要的角度去選擇、評判。2．標準支持國際、國家、地區(qū)、企業(yè)標準。3．網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)支持的介質(zhì)；網(wǎng)絡拓撲；最大長度/段；本質(zhì)安全；總線供電；最大電流；可尋址的最大節(jié)點數(shù)；可掛接的最大節(jié)點數(shù)；介質(zhì)冗余等。1.3.4現(xiàn)場總線網(wǎng)絡集成應考慮的因素4．網(wǎng)絡性能傳輸速率；時間同步準確度；執(zhí)行同步準確度；媒體訪問控制方式；發(fā)布/預訂接收能力；報文分段能力（報文大小限制，最大數(shù)據(jù)/報文段）；設備識別；位號名分配；節(jié)點對節(jié)點的直接傳輸；支持多段網(wǎng)絡；可尋址的最大網(wǎng)段數(shù)。5．測控系統(tǒng)應用考慮功能塊；應用對象；設備描述。6．市場因素支持的介質(zhì)；網(wǎng)絡拓撲；最大長度/段；本質(zhì)安全；總線供電；最大電流；可尋址的最大節(jié)點數(shù)；可掛接的最大節(jié)點數(shù)；介質(zhì)冗余等。7．其他因素一致性測試；互操作測試機制。1.4 現(xiàn)場總線簡介1.4.1FF基金會現(xiàn)場總線，即FoundationFieldbus，簡稱FF，這是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術。以美國Fisher-Rousemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂了ISP協(xié)議；以Honeywell公司為首、聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂了WorldFIP協(xié)議。1994年9月，制訂上述兩種協(xié)議的多家公司成立了現(xiàn)場總線基金會，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層?；饡F(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25kbit/s，通信距離可達1900m（可加中繼器延長），可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為1Mbit/s和2.5Mbit/s兩種，其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標準。1.4.2CAN和CANFDCAN是控制器局域網(wǎng)ControllerAreaNetwork的簡稱，最早由德國BOSCH公司提出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標準組織制訂為國際標準，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應用在離散控制領域。CAN協(xié)議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎上的，不過，其模型結(jié)構(gòu)只有3層，只取OSI的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線，在40m的距離時，通信速率最高可達1Mbit/s；在通信速率為5kbit/s時，直接傳輸距離最遠可達10km，可掛接設備最多可達110個。CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當節(jié)點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使總線上的其他節(jié)點及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。CAN支持多主方式工作，網(wǎng)絡上任何節(jié)點均可在任意時刻主動向其他節(jié)點發(fā)送信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術，當出現(xiàn)幾個節(jié)點同時在網(wǎng)絡上傳輸信息時，優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級低的節(jié)點則主動停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。1.4.2CAN和CANFD已有多家公司開發(fā)生產(chǎn)了符合CAN協(xié)議的通信控制器，如NXP公司的SJA1000、Mirochip公司的MCP2515、內(nèi)嵌CAN通信控制器的ARM和DSP等。還有插在PC機上的CAN總線適配器，具有接口簡單、編程方便、開發(fā)系統(tǒng)價格便宜等優(yōu)點。在汽車領域，隨著人們對數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求的增加，傳統(tǒng)的CAN總線由于帶寬的限制難以滿足這種增加的需求。當今社會，汽車已經(jīng)成為生活中不可缺少的一部分，人們希望汽車不僅僅是一種代步工具，更希望汽車是生活及工作范圍的一種延伸。在汽車上就像呆在自己的辦公室和家里一樣，可以打電話、上網(wǎng)、娛樂和工作。因此，汽車制造商為了提高產(chǎn)品競爭力，將越來越多的功能集成到了汽車上。ECU（電子控制單元）大量地增加使總線負載率急劇增大，傳統(tǒng)的CAN總線越來越顯得力不從心。此外為了縮小CAN網(wǎng)絡（最大1Mbit/s）與FlexRay（最大10Mbit/s）網(wǎng)絡的帶寬差距，BOSCH公司2011年推出了CANFD（CANwithFlexibleData-Rate）方案。1.4.3DeviceNet在現(xiàn)代的控制系統(tǒng)中，不僅要求現(xiàn)場設備完成本地的控制、監(jiān)視、診斷等任務，還要能通過網(wǎng)絡與其他控制設備及PLC進行對等通信，因此現(xiàn)場設備多設計成內(nèi)置智能式?；谶@樣的現(xiàn)狀，美國RockwellAutomation公司于1994年推出了DeviceNet網(wǎng)絡，實現(xiàn)低成本高性能的工業(yè)設備的網(wǎng)絡互連。DeviceNet是一種低成本的通信連接，它將工業(yè)設備連接到網(wǎng)絡，從而免去了昂貴的硬接線。DeviceNet又是一種簡單的網(wǎng)絡解決方案，在提供多供貨商同類部件間的可互換性的同時，減少了配線和安裝工業(yè)自動化設備的成本和時間。DeviceNet的直接互連性不僅改善了設備間的通信，而且同時提供了相當重要的設備級診斷功能，這是通過硬接線I/O接口很難實現(xiàn)的。1.4.3DeviceNetDeviceNet具有如下特點：（1）DeviceNet基于CAN總線技術，它可連接開關、光電傳感器、閥組、電動機起動器、過程傳感器、變頻調(diào)速設備、固態(tài)過載保護裝置、條形碼閱讀器、I/O和人機界面等，傳輸速率為125~500kbit/s，每個網(wǎng)絡的最大節(jié)點數(shù)是64個，干線長度100~500m。（2）DeviceNet使用的通信模式是：生產(chǎn)者/客戶（Producer/Consumer）。該模式允許網(wǎng)絡上的所有節(jié)點同時存取同一源數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡通信效率更高；采用多信道廣播信息發(fā)送方式，各個客戶可在同一時間接收到生產(chǎn)者所發(fā)送的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡利用率更高。生產(chǎn)者/客戶模式與傳統(tǒng)的“源/目的”通信模式相比，前者采用多信道廣播式，網(wǎng)絡節(jié)點同步化，網(wǎng)絡效率高；后者采用應答式，如果要向多個設備傳送信息，則需要對這些設備分別進行“呼”、“應”通信，即使是同一信息，也需要制造多個信息包，這樣，增加了網(wǎng)絡的通信量，網(wǎng)絡響應速度受限制，難以滿足高速的、對時間苛求的實時控制。1.4.3DeviceNetDeviceNet具有如下特點：（3）設備可互換性。各個銷售商所生產(chǎn)的符合DeviceNet網(wǎng)絡和行規(guī)標準的簡單裝置（如按鈕、電動機起動器、光電傳感器、限位開關等）都可以互換，為用戶提供靈活性和可選擇性。（4）DeviceNet網(wǎng)絡上的設備可以隨時連接或斷開，而不會影響網(wǎng)上其他設備的運行，方便維護和減少維修費用，也便于系統(tǒng)的擴充和改造。（5）DeviceNet網(wǎng)絡上的設備安裝比傳統(tǒng)的I/O布線更加節(jié)省費用，尤其是當設備分布在幾百米范圍內(nèi)時，更有利于降低布線安裝成本。（6）利用RSNetworkforDeviceNet軟件可方便地對網(wǎng)絡上的設備進行配置、測試和管理。網(wǎng)絡上的設備以圖形方式顯示工作狀態(tài)，一目了然。1.4.4LonWorks美國Echelon公司于1992年成功推出了LonWorks智能控制網(wǎng)絡。LON（LocalOperatingNetworks）總線是該公司推出的局部操作網(wǎng)絡，Echelon公司開發(fā)了LonWorks技術，為LON總線設計和成品化提供了一套完整的開發(fā)平臺。其通信協(xié)議LonTalk支持OSI/RM的所有七層模型，這是LON總線最突出的特點。LonTalk協(xié)議通過神經(jīng)元芯片（NeuronChip）上的硬件和固件（firmware）實現(xiàn)，提供介質(zhì)存取、事務確認和點對點通信服務；還有一些如認證、優(yōu)先級傳輸、單一/廣播/組播消息發(fā)送等高級服務。網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)可以是總線形、星形、環(huán)形和混合形，可實現(xiàn)自由組合。另外，通信介質(zhì)支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線和電力線等。應用程序采用面向?qū)ο蟮脑O計方法，通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信的設計簡化為參數(shù)設置，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。LonWorks控制網(wǎng)絡技術可用于各主要工業(yè)領域，如工廠廠房自動化、生產(chǎn)過程控制、樓宇及家庭自動化、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和運輸業(yè)等，為實現(xiàn)智能控制網(wǎng)絡提供完整的解決方案。1.4.4LonWorks2005年之前，LonWorks技術的核心是神經(jīng)元芯片（NeuronChip）。神經(jīng)元芯片主要有3120和3150兩大系列，生產(chǎn)廠家最早的有Motorola公司和TOSHIBA公司，后來生產(chǎn)神經(jīng)元芯片的廠家是TOSHIBA公司和美國的Cypress公司。TOSHIBA公司生產(chǎn)的神經(jīng)元芯片型號為TMPN3120和TMPN3150兩個系列。TMPN3120不支持外部存儲器，它本身帶有EEPROM；TMPN3150支持外部存儲器，適合功能較為復雜的應用場合。Cypress公司生產(chǎn)的神經(jīng)元芯片型號為CY7C53120和CY7C53150兩個系列。2005年之后，上述神經(jīng)元芯片不再給用戶供貨，Echelon公司主推FT智能收發(fā)器和Neuron處理器。2018年9月，總部位于美國加州的AdestoTechnologies（阿德斯托技術）公司收購了Echelon公司。Adesto公司成功推出的FT6050智能收發(fā)器和Neuron6050處理器是用于現(xiàn)代化和整合智能控制網(wǎng)絡的片上系統(tǒng)。1.4.5PROFIBUSPROFIBUS是作為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場總線，ISO/OSI模型也是它的參考模型。由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA組成了PROFIBUS系列。DP型用于分散外設間的高速傳輸，適合于加工自動化領域的應用。FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等一般自動化。PA型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從IEC1158-2標準。1.4.5PROFIBUS該項技術是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，由這兩部分形成了其標準第一部分的子集，DP型隱去了3~7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用戶接口，F(xiàn)MS型只隱去第3~6層，采用了應用層，作為標準的第二部分。PA型的標準目前還處于制定過程之中，其傳輸技術遵從IEC1158-2（H1）標準，可實現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。PROFIBUS支持主-從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6kbit/s~12Mbit/s，最大傳輸距離在9.6kbit/s時為1200m，1.5Mbit/s時為200m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個站點。1.4.6CC-Link在1996年11月，以三菱電機為主導的多家公司以“多廠家設備環(huán)境、高性能、省配線”理念開發(fā)、公布和開放了現(xiàn)場總線CC-Link，第一次正式向市場推出了CC-Link這一全新的多廠商、高性能、省配線的現(xiàn)場網(wǎng)絡。并于1997年獲得日本電機工業(yè)會（JEMA）頒發(fā)的杰出技術成就獎。CC-Link是Control&CommunicationLink（控制與通信鏈路系統(tǒng)）的簡稱。即：在工控系統(tǒng)中，可以將控制和信息數(shù)據(jù)同時以10Mbit/s高速傳輸?shù)默F(xiàn)場網(wǎng)絡。CC-Link具有性能卓越、應用廣泛、使用簡單、節(jié)省成本等突出優(yōu)點。作為開放式現(xiàn)場總線，CC-Link是惟一起源于亞洲地區(qū)的總線系統(tǒng)，CC-Link的技術特點尤其適合亞洲人的思維習慣。1998年，汽車行業(yè)的馬自達、五十鈴、雅馬哈、通用、鈴木等也成為了CC-Link的用戶，而且CC-Link迅速進入中國市場。CC-Link是一個技術先進、性能卓越、應用廣泛、使用簡單、成本較低的開放式現(xiàn)場總線，其在中國的技術發(fā)展和應用有著廣闊的前景。1.4.6CC-Link1.CC-Link現(xiàn)場網(wǎng)絡的組成CC-Link現(xiàn)場總線由CC-Link、CC-Link/LT、CC-LinkSafety、CC-LinkIEControl、CC-LinkIEField、SLMP組成。CC-Link協(xié)議已經(jīng)獲得許多國際和國家標準認可，如：國際化標準組織ISO15745（應用集成框架）；IEC國際組織61784/61158（工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議的規(guī)定）；SEMIE54.12；中國國家標準GB/T19780；韓國工業(yè)標準KSBISO15745-5。1.4.6CC-Link1.CC-Link現(xiàn)場網(wǎng)絡的特點⑴CC-Link是基于RS485的現(xiàn)場網(wǎng)絡。⑵CC-Link/LT是基于RS485高性能、高可靠性、省配線的開放式網(wǎng)絡。⑶CC-LinkSafety專門基于滿足嚴苛的安全網(wǎng)絡要求打造而成。⑷CC-LinkIEControl是基于以太網(wǎng)的千兆控制層網(wǎng)絡，采用雙工傳輸路徑，穩(wěn)定可靠。⑸CC-LinkIEField是基于以太網(wǎng)的千兆現(xiàn)場層網(wǎng)絡。⑹SLMP可使用標準幀格式跨網(wǎng)絡進行無縫通信，使用SLMP實現(xiàn)輕松連接，若與CSP+相結(jié)合，可以延伸至生產(chǎn)管理和預測維護領域。CC-Link工業(yè)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1-10所示。圖1-10CC-Link工業(yè)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)1.4.6CC-Link1.CC-LinkSafety系統(tǒng)構(gòu)成與特點CC-LinkSafety構(gòu)筑最優(yōu)化的工廠安全系統(tǒng)取得GB/Z294-2013控制與通信網(wǎng)絡CC-LinkSafety規(guī)范。國際標準的制定，呼吁安全網(wǎng)絡的重要性，幫助制造業(yè)構(gòu)筑工廠生產(chǎn)線的安全系統(tǒng)、實現(xiàn)安全系統(tǒng)的節(jié)省配線、提高生產(chǎn)效率、并且與控制系統(tǒng)緊密結(jié)合的安全網(wǎng)絡。CC-LinkSafety系統(tǒng)構(gòu)成如圖1-11所示。圖1-11CC-LinkSafety系統(tǒng)構(gòu)成CC-LinkSafety的特點如下：①高速通信的實現(xiàn)②通信異常的檢測③原有資源的有效利用④RAS功能⑤兼容產(chǎn)品開發(fā)的效率化1.4.7ControlNet1.ControlNet的歷史與發(fā)展工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡的許多應用不僅要求在控制器和工業(yè)器件之間的緊耦合，還應有確定性和可重復性。在ControlNet出現(xiàn)以前，沒有一個網(wǎng)絡在設備或信息層能有效的實現(xiàn)這樣的功能要求。ControlNet是由在北美（包括美國、加拿大等）地區(qū)的工業(yè)自動化領域中技術和市場占有率穩(wěn)居第一位的美國羅克韋爾自動化公司（RockwellAutomation）于1997年推出的一種新的面向控制層的實時性現(xiàn)場總線網(wǎng)絡。ControlNet是一種最現(xiàn)代化的開放網(wǎng)絡，它提供如下功能：（1）在同一鏈路上同時支持I/O信息，控制器實時互鎖以及對等通信報文傳送和編程操作。（2）對于離散和連續(xù)過程控制應用場合，均具有確定性和可重復性。1.4.7ControlNet2．ControlNetInternational簡介為了促進ControlNet技術的發(fā)展、推廣和應用，1997年7月由羅克韋爾等22家公司聯(lián)合發(fā)起成立了控制網(wǎng)國際組織（ControlNetInternational-CI）。同時，羅克韋爾自動化將ControlNet技術轉(zhuǎn)讓給了CI。CI是一個為用戶和供貨廠商服務的非盈利性的獨立組織，它負責ControlNet技術規(guī)范的管理和發(fā)展，并通過開發(fā)測試軟件提供產(chǎn)品的一致性測試，出版ControlNet產(chǎn)品目錄，進行ControlNet技術培訓等，促進世界范圍內(nèi)ControlNet技術的推廣和應用。1.4.7ControlNet2．ControlNet簡介ControlNet是一個高速的工業(yè)控制網(wǎng)絡，在同一電纜上同時支持I/O信息和報文信息（包括程序、組態(tài)、診斷等信息），集中體現(xiàn)了控制網(wǎng)絡對控制（Control）、組態(tài)（Configuration）、采集（Collect）等信息的完全支持，ControlNet基于生產(chǎn)者/消費者這一先進的網(wǎng)絡模型，該模型為網(wǎng)絡提供更高有效性、一致性和柔韌性。ControlNet上可連接以下典型的設備：邏輯控制器（例如可編程邏輯控制器、軟控制器等）；I/O機架和其他I/O設備；人機界面設備；操作員界面設備；電動機控制設備；變頻器；機器人；氣動閥門；過程控制設備；網(wǎng)橋/網(wǎng)關等。1.4.8AS-iAS-i（Actuator-Sensorinterface）是執(zhí)行器-傳感器接口的英文縮寫。它是一種用來在控制器（主站、Master）和傳感器/執(zhí)行器（從站、Slave）之間雙向交換信息、主從結(jié)構(gòu)的總線網(wǎng)絡，它屬于現(xiàn)場總線下面設備級的底層通信網(wǎng)絡。AS-i總線用于具有開關量特征的傳感器/執(zhí)行器中，也可用于各種開關電器中。AS-i是總線供電，即兩條傳輸線既傳輸信號，又向主站和從站提供電源。AS-i主站由帶有AS-i主機電路板的可編程序控制器（PLC）或工業(yè)計算機（IPC）組成，它是AS-i總線的核心。AS-i總線的發(fā)展是由11家公司聯(lián)合資助和規(guī)劃的，并得到德國科技部的支持，現(xiàn)已成立了AS-i國際協(xié)會（AS-InternationalAssociation），它的任務是規(guī)劃AS-i部件的開發(fā)和系統(tǒng)的定義，進行有關標準化的工作，組織產(chǎn)品的標準測試和軟件認證，以保證AS-i產(chǎn)品的開放性和互操作性。1.4.9P-NetP-Net現(xiàn)場總線由丹麥Process-DataA/S公司提出，1984年開發(fā)出第一個多主控器現(xiàn)場總線的產(chǎn)品，主要應用于農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)、飼養(yǎng)、林業(yè)、食品等行業(yè)，現(xiàn)已成為歐洲標準EN50170的第一部分、IEC61158類型4。P-Net采用了ISO/OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、服務器和應用層。P-Net是一種多主控器主從式總線（每段最多可容納32個主控器），使用屏蔽雙絞線電纜，傳輸距離1.2km，采用NRZ編碼異步傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率為76.8kbit/s。P-Net總線只提供了一種傳輸速率，它可以同時應用在工廠自動化系統(tǒng)的幾個層次上，而各層次的運輸速率保持一致。這樣構(gòu)成的多網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)使各層次之間的通信不需要特殊的耦合器，幾個總線分段之間可實現(xiàn)直接尋址，它又稱為多網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。P-Net總線訪問采用一種“虛擬令牌傳遞”的方式，總線訪問權(quán)通過虛擬令牌在主站之間循環(huán)傳遞，即通過主站中的訪問計數(shù)器和空閑總線位周期計數(shù)器，確定令牌的持有者和持有令牌的時間。這種基于時間的循環(huán)機制，不同于采用實報文傳遞令牌的方式，節(jié)省了主控制器的處理時間，提高了總線的傳輸效率，而且它不需要任何總線仲裁的功能。P-Net不采用專用芯片，它對從站的通信程序僅需幾千字節(jié)的編碼，因此它結(jié)構(gòu)簡單，易于開發(fā)和轉(zhuǎn)化。1.5 工業(yè)以太網(wǎng)簡介1.5.1EtherCATEtherCAT是由德國BECKHOFF公司開發(fā)的，并且在2003年底成立了ETG工作組（EthernetTechnologyGroup）。EtherCAT是一個可用于現(xiàn)場級的超高速I/O網(wǎng)絡，它使用標準的以太網(wǎng)物理層和常規(guī)的以太網(wǎng)卡，介質(zhì)可為雙絞線或光纖。1.5.1EtherCAT1．以太網(wǎng)的實時能力一般常規(guī)的工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸方法都采用先接收通信幀，進行分析后作為數(shù)據(jù)送入網(wǎng)絡中各個模塊的通信方式，而EtherCAT的以太網(wǎng)協(xié)議幀中已經(jīng)包含了網(wǎng)絡中各個模塊的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的傳輸采用移位同步的方法進行，即在網(wǎng)絡的模塊中得到其相應地址數(shù)據(jù)的同時，數(shù)據(jù)幀可以傳送到下一個設備，相當于數(shù)據(jù)幀通過一個模塊時輸出相應的數(shù)據(jù)后，立即轉(zhuǎn)入下一個模塊。由于這種數(shù)據(jù)幀的傳送從一個設備到另一個設備延遲時間僅為微秒級，所以與其他以太網(wǎng)解決方法相比，性能比得到了提高。在網(wǎng)絡段的最后一個模塊結(jié)束了整個數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ?，形成了一個邏輯和物理環(huán)形結(jié)構(gòu)。所有傳輸數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)的協(xié)議相兼容，同時采用雙工傳輸，提高了傳輸?shù)男省?.5.1EtherCAT2.EtherCAT的運行原理EtherCAT技術突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制：通過該項技術，無需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，將其解碼，之后再將過程數(shù)據(jù)復制到各個設備。EtherCAT從站設備在報文經(jīng)過其節(jié)點時讀取相應的編址數(shù)據(jù)，同樣，輸入數(shù)據(jù)也是在報文經(jīng)過時插入至報文中。整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲。由于發(fā)送和接收的以太網(wǎng)幀壓縮了大量的設備數(shù)據(jù)，所以有效數(shù)據(jù)率可達90%以上。100Mbit/sTX的全雙工特性完全得以利用，因此，有效數(shù)據(jù)率可大于100Mbit/s。EtherCAT的通信協(xié)議模型如圖1-12所示。圖1-12EtherCAT通信協(xié)議模型1.5.1EtherCAT3.EtherCAT的技術特征EtherCAT是用于過程數(shù)據(jù)的優(yōu)化協(xié)議，憑借特殊的以太網(wǎng)類型，它可以在以太網(wǎng)幀內(nèi)直接傳送。EtherCAT幀可包括幾個EtherCAT報文，每個報文都服務于一塊邏輯過程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，該區(qū)域最大可達4GB字節(jié)。數(shù)據(jù)順序不依賴于網(wǎng)絡中以太網(wǎng)端子的物理順序，可任意編址。從站之間的廣播、多播和通信均得以實現(xiàn)。當需要實現(xiàn)最佳性能，且要求EtherCAT組件和控制器在同一子網(wǎng)操作時，則直接采用以太網(wǎng)幀傳輸。4.EtherCAT的實施由于EtherCAT無需集線器和交換機，因此，在環(huán)境條件允許的情況下，可以節(jié)省電源、安裝費用等設備方面的投資，只需使用標準的以太網(wǎng)電纜和價格低廉的標準連接器即可。如果環(huán)境條件有特殊要求，則可以依照IEC標準，使用增強密封保護等級的連接器。EtherCAT擁有多種機制，支持主站到從站、從站到從站以及主站到主站之間的通信。它實現(xiàn)了安全功能，采用技術可行且經(jīng)濟實用的方法，使以太網(wǎng)技術可以向下延伸至I/O級。EtherCAT功能優(yōu)越，可以完全兼容以太網(wǎng)，可將因特網(wǎng)技術嵌入到簡單設備中，并最大化地利用了以太網(wǎng)所提供的巨大帶寬，是一種實時性能優(yōu)越且成本低廉的網(wǎng)絡技術。1.5.1EtherCAT5.EtherCAT的應用機器人；機床；包裝機械；印刷機；塑料制造機器；沖壓機；半導體制造機器；試驗臺；測試系統(tǒng)；抓取機器；電廠；變電站；材料處理應用；行李運送系統(tǒng)；舞臺控制系統(tǒng)；自動化裝配系統(tǒng)；紙漿和造紙機；隧道控制系統(tǒng)；焊接機；起重機和升降機；農(nóng)場機械；海岸應用；鋸木廠；窗戶生產(chǎn)設備；樓宇控制系統(tǒng)；鋼鐵廠；風機；家具生產(chǎn)設備；銑床；自動引導車；娛樂自動化；制藥設備；木材加工機器；平板玻璃生產(chǎn)設備；稱重系統(tǒng)。1.5.2SERCOSSERCOS（SerialReal-timeCommunicationSpecification，串行實時通信協(xié)議）是一種用于工業(yè)機械電氣設備的控制單元和數(shù)字伺服裝置之間高速串行實時通信的數(shù)字交換協(xié)議。1986年，德國電力電子協(xié)會與德國機床協(xié)會聯(lián)合召集了歐洲一些機床、驅(qū)動系統(tǒng)和CNC設備的主要制造商（Bosch，ABB，AMK，Banmuller，Indramat，Siemens，PacificScientific等）組成了一個聯(lián)合小組。該小組旨在開發(fā)出一種用于數(shù)字控制器與智能驅(qū)動器之間的開放性通信接口，以實現(xiàn)CNC技術與伺服驅(qū)動技術的分離，從而使整個數(shù)控系統(tǒng)能夠模塊化、可重構(gòu)與可擴展，達到低成本、高效率、強適應性地生產(chǎn)數(shù)控機床的目的。經(jīng)過多年的努力，此技術終于在1989年德國漢諾國際機床博覽會上展出，這標志著SERCOS總線正式誕生。1995年，國際電工委員會把SERCOS接口采納為標準IEC61491，1998年，SERCOS接口被確定為歐洲標準EN61491。2005年基于以太網(wǎng)的SERCOSⅢ面世，并于2007年成為國際標準IEC61158/61784。迄今為止，SERCOS已發(fā)展了三代，SERCOS接口協(xié)議成為當今唯一專門用于開放式運動控制的國際標準，得到了國際大多數(shù)數(shù)控設備供應商的認可。1.5.2SERCOSSERCOS接口技術是構(gòu)建SERCOS通信的關鍵技術，經(jīng)SERCOS協(xié)會組織和協(xié)調(diào)，推出了一系列SERCOS接口控制器，通過它們便能方便地在數(shù)控設備之間建立起SERCOS通信。SERCOS總線的眾多優(yōu)點，使得它在數(shù)控加工中心、數(shù)控機床、精密齒輪加工機械、印刷機械、裝配線和裝配機器人等運動控制系統(tǒng)中獲得了廣泛應用。目前，很多廠商如西門子、倫茨等公司的伺服系統(tǒng)都具有SERCOS總線接口。國內(nèi)SERCOS接口用戶有多家，其中包括清華大學、沈陽第一機床廠、華中數(shù)控集團、北京航空航天大學、上海大眾汽車廠、上海通用汽車廠等單位。1.SERCOS總線的技術特性SERCOS總線協(xié)議具有如下技術特性：⑴標準性⑵開放性⑶兼容性⑷實時性⑸擴展性1.5.2SERCOS2.SERCOSIII總線⑴SERCOSIII總線概述由于SERCOSIII是SERCOSII技術的一個變革，與以太網(wǎng)結(jié)合以后，SERCOS技術已經(jīng)從專用的伺服接口向廣泛的實時以太網(wǎng)轉(zhuǎn)變。原來的優(yōu)良的實時特性仍然保持，新的協(xié)議內(nèi)容和功能擴展了SERCOS在工業(yè)領域的應用范圍。SERCOSIII系統(tǒng)是基于環(huán)狀拓撲結(jié)構(gòu)的。支持全雙工以太網(wǎng)的環(huán)狀拓撲結(jié)構(gòu)可以處理冗余；線狀拓撲結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)則不能處理冗余，但在較大的系統(tǒng)中能節(jié)省很多電纜。由于是全雙工數(shù)據(jù)傳輸，當在環(huán)上的一處電纜發(fā)生故障時，通信不被中斷，此時利用診斷功能可以確定故障地點；并且能夠在不影響其它設備正常工作的情況下得到維護。SERCOSIII不使用星狀的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)不經(jīng)過路由器或轉(zhuǎn)換器，從而可以使傳輸延時將減少到最小。SERCOSⅢ的主要特點：高的傳輸速率，達到全雙工100Mbit/s；采用時間槽技術避免了以太網(wǎng)的報文沖突，提高了報文的利用率；向下兼容，兼容以前SERCOS總線的所有協(xié)議；降低了硬件的成本；集成了IP協(xié)議；使從站之間可以交叉通信CC（CrossCommunication）；支持多個運動控制器的同步C2C（ControltoControl）；擴展了對I/O等控制的支持；支持與安全相關的數(shù)據(jù)的傳輸；增加了通信冗余、容錯能力和熱插拔功能。1.5.2SERCOS2.SERCOSIII總線（2）SERCOSIII系統(tǒng)特性SERCOSIII系統(tǒng)具有如下特性：1）實時通道的實時數(shù)據(jù)的循環(huán)傳輸2）為集中式和分布式驅(qū)動控制提供了很好的方案3）從站與從站（CC）或主站與主站（C2C）之間皆可以通信4）SERCOS安全5）IP通道6）SERCOSIII硬件模式和I/O1.5.3POWERLINKPOWERLINK是由奧地利B&R公司開發(fā)的，2002年4月公布了EthernetPOWERLINK標準，其主攻方面是同步驅(qū)動和特殊設備的驅(qū)動要求。POWERLINK通信協(xié)議模型如圖1-13所示。圖1-13POWERLINK通信協(xié)議模型1.5.3POWERLINK1.POWERLINK通信模型POWERLINK是IEC國際標準，同時也是中國的國家標準（GB/T-27960）。如圖1-14所示，POWERLINK是一個3層的通信網(wǎng)絡，它規(guī)定了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，這3層包含了OSI模型中規(guī)定的7層協(xié)議。圖1-14POWERLINK的OSI模型1.5.3POWERLINK1.POWERLINK通信模型如圖1-15所示，具有3層協(xié)議的POWERLINK在應用層上可以連接各種設備，例如I/O、閥門、驅(qū)動器等。在物理層之下連接了Ethernet控制器，用來收發(fā)數(shù)據(jù)。由于以太網(wǎng)控制器的種類很多，不同的以太網(wǎng)控制器需要不同的驅(qū)動程序，因此在“Ethernet控制器”和“POWERLINK傳輸”之間有一層“Ethernet驅(qū)動器”。圖1-15POWERLINK通信模型的層次1.5.3POWERLINK2.POWERLINK網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)由于POWERLINK的物理層采用標準的以太網(wǎng)，因此以太網(wǎng)支持的所有拓撲結(jié)構(gòu)它都支持。而且可以使用HUB和Switch等標準的網(wǎng)絡設備，這使得用戶可以非常靈活的組網(wǎng)，如：菊花鏈、樹型、星型、環(huán)型和其他任意組合。3.POWERLINK的功能和特點⑴一“網(wǎng)”到底POWERLINK物理層采用普通以太網(wǎng)的物理層，因此可以使用工廠中現(xiàn)有的以太網(wǎng)布線，從機器設備的基本單元到整臺設備、生產(chǎn)線，再到辦公室，都可以使用以太網(wǎng)，從而實現(xiàn)一“網(wǎng)”到底。1）多路復用POWERLINK網(wǎng)絡可以適用于各種設備，如圖1-16所示。2）大數(shù)據(jù)量通信3）故障診斷4）網(wǎng)絡配置圖1-16POWERLINK網(wǎng)絡系統(tǒng)1.5.3POWERLINK⑵節(jié)點的尋址POWERLINKMAC的尋址遵循IEEE802.3，每個設備的地址都是唯一的，稱為節(jié)點ID。因此新增一個設備就意味著引入一個新地址。節(jié)點ID可以通過設備上的撥碼開關手動設置，也可以通過軟件設置，撥碼FF默認為軟件配置地址。此外還有三個可選方法，POWERLINK也可以支持標準IP地址。因此，POWERLINK設備可以通過萬維網(wǎng)隨時隨地被尋址。⑶熱插拔POWERLINK支持熱插拔，而且不會影響整個網(wǎng)絡的實時性。根據(jù)這個屬性，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡的動態(tài)配置，即可以動態(tài)地增加或減少網(wǎng)絡中的節(jié)點。⑷冗余POWERLINK的冗余包括3種：雙網(wǎng)冗余、環(huán)網(wǎng)冗余和多主冗余。1.5.4PROFINETPROFINET是由PROFIBUS國際組織（PROFIBUSInternational，PI）提出的基于實時以太網(wǎng)技術的自動化總線標準，將工廠自動化和企業(yè)信息管理層IT技術有機地融為一體，同時又完全保留了PROFIBUS現(xiàn)有的開放性。PROFINET支持除星形、總線形和環(huán)形之外的拓撲結(jié)構(gòu)。為了減少布線費用，并保證高度的可用性和靈活性，PROFINET提供了大量的工具幫助用戶方便地實現(xiàn)PROFINET的安裝。特別設計的工業(yè)電纜和耐用連接器滿足EMC和溫度要求，并且在PROFINET框架內(nèi)形成標準化，保證了不同制造商設備之間的兼容性。PROFINET滿足了實時通信的要求，可應用于運動控制。PROFINET的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-17所示。PROFINET是一個整體的解決方案，PROFINET的通信模型如圖1-18所示。圖1-17PROFINET的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1-18PROFINET通信協(xié)議模型1.5.5EPA2004年5月，由浙江大學牽頭，重慶郵電大學作為第4核心成員制定的新一代現(xiàn)場總線標準——《用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA通信標準》（簡稱EPA標準）成為我國第一個擁有自主知識產(chǎn)權(quán)并被IEC認可的工業(yè)自動化領域國際標準（IEC/PAS62409）。EPA（EthernetforPlantAutomation）系統(tǒng)是一種分布式系統(tǒng)，它是利用ISO/IEC8802-3、IEEE802.11、IEEE802.15等協(xié)議定義的網(wǎng)絡，將分布在現(xiàn)場的若干個設備、小系統(tǒng)以及控制、監(jiān)視設備連接起來，使所有設備一起運作，共同完成工業(yè)生產(chǎn)過程和操作過程中的測量和控制。EPA系統(tǒng)可以用于工業(yè)自動化控制環(huán)境。EPA標準定義了基于ISO/IEC8802-3、IEEE802.11、IEEE802.15以及RFC791、RFC768和RFC793等協(xié)議的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、應用層服務定義與協(xié)議規(guī)范以及基于XML的設備描述規(guī)范。1.5.5EPA1.EPA技術與標準EPA根據(jù)IEC61784-2的定義，在ISO/IEC8802-3協(xié)議基礎上，進行了針對通信確定性和實時性的技術改造，其通信協(xié)議模型如圖1-19所示。除了ISO/IEC8802-3/IEEE802.11/IEEE802.15、TCP(UDP)/IP以及IT應用協(xié)議等組件外，EPA通信協(xié)議還包括EPA實時性通信進程、EPA快速實時性通信進程、EPA應用實體和EPA通信調(diào)度管理實體。針對不同的應用需求，EPA確定性通信協(xié)議簇中包含了以下幾個部分：⑴非實時性通信協(xié)議（N-real-time，NRT）⑵實時性通信協(xié)議（real-time，RT）⑶快速實時性通信協(xié)議（fastreal-time，F(xiàn)RT）⑷塊狀數(shù)據(jù)實時性通信協(xié)議（blockreal-time，BRT）圖1-19EPA通信協(xié)議模型1.5.5EPA基于EPA的IEC國際標準體系有如下協(xié)議：⑴EPA現(xiàn)場總線協(xié)議（IEC61158/Type14）在不改變以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)的前提下，定義了專利的確定性通信協(xié)議，避免工業(yè)以太網(wǎng)通信的報文碰撞，確保了通信的確定性，同時也保證了通信過程中不丟包，它是EPA標準體系的核心協(xié)議，該標準于2007年12月14日正式發(fā)布。⑵EPA分布式冗余協(xié)議（distributedredundancyprotocol，DRP）（IEC62439-6-14）針對工業(yè)控制以及網(wǎng)絡的高可用性要求，DRP采用專利的設備并行數(shù)據(jù)傳輸管理和環(huán)網(wǎng)鏈路并行主動故障探測與恢復技術，實現(xiàn)了故障的快速定位與快速恢復，保證了網(wǎng)絡的高可靠性。⑶EPA功能安全通信協(xié)議EPASafety（IEC61784-3-14）針對工業(yè)數(shù)據(jù)通信中存在的數(shù)據(jù)破壞、重傳、丟失、插入、亂序、偽裝、超時、尋址錯誤等風險，EPASafety功能安全通信協(xié)議采用專利的工業(yè)數(shù)據(jù)加解密方法、工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸多重風險綜合評估與復合控制技術，將通信系統(tǒng)的安全完整性水平提高到SIL3等級，并通過德國萊茵TuV的認證。⑷EPA實時以太網(wǎng)應用技術協(xié)議（IEC61784-2/CPF14）定義了三個應用技術行規(guī)，即EPA-RT、EPA-FRT和EPA-nonRT。其中EPA-RT用于過程自動化，EPA-FRT用于工業(yè)自動化，EPA-nonRT用于一般工業(yè)場合。⑸EPA線纜與安裝標準（IEC61784-5-14）定義了基于EPA的工業(yè)控制系統(tǒng)在設計、安裝和工程施工中的要求。從安裝計劃，網(wǎng)絡規(guī)模設計，線纜和連接器的選擇、存儲、運輸、保護、路由以及具體安裝的實施等各個方面提出了明確的要求和指導。EPA國家標準則包括《用于測量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范》、《EPA一致性測試規(guī)范》、《EPA互可操作測試規(guī)范》、《EPA功能塊應用規(guī)范》、《EPA實時性能測試規(guī)范》、《EPA網(wǎng)絡安全通用技術條件》等。1.5.5EPA2.EPA確定性通信機制為提高工業(yè)以太網(wǎng)通信的實時性，一般采用以下措施：提高通信速率；減少系統(tǒng)規(guī)模，控制網(wǎng)絡負荷；采用以太網(wǎng)的全雙工交換技術；采用基于IEEE802.3p的優(yōu)先級技術。采用上述措施可以使其不確定性問題得到相當程度的緩解，但不能從根本上解決以太網(wǎng)通信不確定性的問題。3.EPA-FRT強實時通信技術EPA-RT標準是根據(jù)流程控制需求制定的，其性能完全滿足流程控制對實時、確定通信的需求，但沒有考慮到其他控制領域的需求，如運動控制、飛行器姿態(tài)控制等強實時性領域，在這些領域方面，提出了比流程控制領域更為精確的時鐘同步要求和實時性要求，且其報文特征更為明顯。相比于流程控制領域，運動控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)通信的強實時性和高同步精度提出了更高的要求1.5.5EPA3.EPA-FRT強實時通信技術⑴高同步精度的要求。由于一個控制系統(tǒng)中存在多個伺服和多個時鐘基準，為了保證所有伺服協(xié)調(diào)一致的運動，必須保證運動指令在各個伺服中同時執(zhí)行。因此高性能運動控制系統(tǒng)必須有精確的同步機制，一般要求同步偏差小于1μs。⑵強實時性的要求。在帶有多個離散控制器的運動控制系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動器的控制頻率取決于通信周期。高性能運動控制系統(tǒng)中，一般要求通信周期小于1ms，周期抖動小于1μs。EPA-RT系統(tǒng)的同步精度為微秒級，通信周期為毫秒，雖然可以滿足大多數(shù)工業(yè)環(huán)境的應用需求，但對高性能運動控制領域的應用卻有所不足，而EPA-FRT系統(tǒng)的技術指標必須滿足高性能運動控制領域的需求。4.EPA的技術特點EPA具有以下技術特點：⑴確定性通信⑵“E”網(wǎng)到底⑶互操作性⑷開放性⑸分層的安全策略⑹冗余1.6 現(xiàn)場總線設備現(xiàn)場總線設備（FieldbusDevice）是指連接在現(xiàn)場總線上的各種儀表設備。這些設備按其功能可分為變送器設備、執(zhí)行器類設備、信號轉(zhuǎn)換類設備、接口類設備、電源類設備和附件類設備。1.6.1現(xiàn)場總線設備的分類與特點1.現(xiàn)場總線設備的分類現(xiàn)場總線設備是指內(nèi)置微處理器，并具有數(shù)字計算、數(shù)字通信功能的現(xiàn)場設備。這類現(xiàn)場總線設備通常被稱為現(xiàn)場總線儀表，它們安裝在現(xiàn)場，與現(xiàn)場總線連接，輸入或輸出現(xiàn)場總線信號。現(xiàn)場總線設備分類如下：（1）現(xiàn)場總線變送器類設備（2）現(xiàn)場總線執(zhí)行器類設備（3）現(xiàn)場總線信號轉(zhuǎn)換類設備（4）現(xiàn)場總線接口類設備（5）現(xiàn)場總線電源類設備（6）現(xiàn)場總線附件類設備1.6.1現(xiàn)場總線設備的分類與特點2.現(xiàn)場總線設備的特點現(xiàn)場總線設備與一般的智能儀表之間的主要區(qū)別如下：一般智能儀表通常不具有通信功能，或不能用現(xiàn)場總線通信；而現(xiàn)場總線設備則采用現(xiàn)場總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。一般智能儀表沒有節(jié)點地址，在使用時也不存在尋址問題；而現(xiàn)場總線設備具有唯一的節(jié)點地址，這是在儀表出廠時就設置好的。一般智能儀表的組態(tài)既可以從上位機下裝，也可通過手握式編程器實現(xiàn)；現(xiàn)場總線設備通常由資源塊、轉(zhuǎn)換器塊和相關功能塊組成，對它的組態(tài)通常由上位機下裝實現(xiàn)。現(xiàn)場總線設備的特點如下：全數(shù)字：現(xiàn)場總線設備是全數(shù)字式儀表，采用全數(shù)字通信，它的輸入/輸出信號是現(xiàn)場總線信號。精度高：現(xiàn)場總線設備減少了數(shù)字量與模擬量之間的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，消除了儀表本身的轉(zhuǎn)換誤差，提高了儀表的測量精度。多變量測量：一般儀表只能測量一個過程變量，而現(xiàn)場總線設備可同時測量多個過程變量。多變量傳送：現(xiàn)場總線設備可輸出多個信號并同時傳輸抗干擾能力強：因為現(xiàn)場總線設備采用全數(shù)字通信，所以一般的電磁干擾對其影響不大，加上現(xiàn)場總線通信采用循環(huán)冗余碼檢驗、重發(fā)等抗干擾機制，信號傳輸?shù)恼`碼率大大降低，提高了儀表的抗干擾能力。1.6.1現(xiàn)場總線設備的分類與特點2.現(xiàn)場總線設備的特點現(xiàn)場總線設備與一般的智能儀表之間的主要區(qū)別如下：數(shù)據(jù)信息量大：現(xiàn)場總線設備可同時傳輸多個信號和多種類型的信號。計算和控制功能強：現(xiàn)場總線設備可內(nèi)置各種計算和控制功能塊，進而可實現(xiàn)所需的計算或控制功能，縮短了傳輸延遲，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。分散控制：現(xiàn)場總線設備將控制分散到現(xiàn)場，從而使危險被分散。·改善控制系統(tǒng)控制品質(zhì)：現(xiàn)場總線執(zhí)行器采用前向補償環(huán)節(jié)實現(xiàn)對被控對象的非線性補償，從根本上解決了閥門定位器采用反饋凸輪引入的串級副環(huán)非線性和不穩(wěn)定問題。因此，它不僅可以補償被控對象的非線性特性，還可以解決壓降比造成的非線性問題。機電儀一體化：現(xiàn)場總線設備是機電儀一體化產(chǎn)品，它將控制和管理集成，將機電儀表集成，因此，最終的產(chǎn)品更簡單，性能更可靠，管理更方便，運行更穩(wěn)定。標準化：現(xiàn)場總線設備采用標準通信協(xié)議，標準功能塊和對象字典等，因此，降低了設計、安裝和維護人員的培訓費用，便于過程操作、組態(tài)操作和維修操作。互操作性：互操作性是不同制造商的產(chǎn)品可互相操作而不影響其功能的性能。綜合成本降低：現(xiàn)場總線設備可檢測多個過程變量，并可帶多個計算或控制功能塊，可傳送多個變量，它不需要信號轉(zhuǎn)換和隔離等措施，而且減少了電纜數(shù)量和安裝費用，減少了機柜、接插件和電纜橋架等安裝空間和部件，降低了設計成本和調(diào)試成本。1.6.2現(xiàn)場總線差壓變送器現(xiàn)場總線差壓變送器是測量差壓、表壓、絕壓、液位和流量的一種智能化變送器，也是將差壓、表壓、絕壓、液位和流量等過程變量轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場總線數(shù)字通信信號的轉(zhuǎn)換器。它的檢測部分采用高性能、高可靠性的壓阻式傳感器、電容式傳感器等，與一般智能變送器的檢測部分類似。現(xiàn)場總線差壓變送器中所采用的數(shù)字技術使用戶可以選擇各種變量的變送器功能，如檢測差壓、絕壓或流量等?，F(xiàn)場總線差壓變送器內(nèi)部除了有壓力或差壓檢測變送模塊外，通常還有對本體溫度的檢測變送模塊。一些變送器通常還帶有內(nèi)置的PID控制功能塊和計算功能塊，這樣就無須再添加控制裝置，使得應用更方便，通信量減少，傳輸延遲縮短，而且成本也有所降低，控制系統(tǒng)的實時性也將提高?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中還有其他一些功能塊，可以實現(xiàn)多種控制策略?；裟?/p>