控制仪表及装置7-第五章现场总线控制系统

《控制仪表及装置7-第五章现场总线控制系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《控制仪表及装置7-第五章现场总线控制系统（105页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 第五章第五章 现场总线控制系统现场总线控制系统第一节第一节 概述概述一、单元组合仪表控制系统、一、单元组合仪表控制系统、DCSDCS与现场总与现场总线控制系统线控制系统l1.单元组合仪表控制系统单元组合仪表控制系统l 1）采用模拟信号传输；）采用模拟信号传输；l 2）现场至控制室为）现场至控制室为1：1连接方式（每台仪表连接方式（每台仪表均需一对导线）；均需一对导线）；l 3）组成各种控制系统时，各仪表之间均采用）组成各种控制系统时，各仪表之间均采用直接接线。直接接线。l（分散控制系统）（分散控制系统）l 1）现场至控制室为）现场至控制室为1：1连接方式（每台仪表连接方式（每台仪表均需一对导

2、线）；均需一对导线）；l 2）室内控制装置采用站式结构，各站之间采）室内控制装置采用站式结构，各站之间采用网络连接方式；用网络连接方式；l 3）组成各种控制系统时，采用软连接方式）组成各种控制系统时，采用软连接方式（功能组态）。（功能组态）。l特点：特点：模拟数字混合系统模拟数字混合系统l 集中操作集中操作l 有限度的分散控制有限度的分散控制l 组态式的控制功能组成组态式的控制功能组成l3.现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCS）l 1）产生背景）产生背景l 综合自动化系统发展的需要综合自动化系统发展的需要l 现场智能仪表的出现为其奠定了基础现场智能仪表的出现为其奠定了基础l 现代通信技术

3、的发展提供了技术保障现代通信技术的发展提供了技术保障l 2）现场总线（）现场总线（Fieldbus）l 连接智能现场装置和自动化系统的数字式、连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。双向传输、多分支结构的通信网络。l 3）现场总线控制系统（）现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）l 采用现场总线技术实现的控制系统。采用现场总线技术实现的控制系统。二、现场总线的技术特点二、现场总线的技术特点l1、系统的开放性、系统的开放性l 总线标准及通信协议均为公共开放的。总线标准及通信协议均为公共开放的。l2、互可操作性与互换性、互可操作性与

4、互换性l 可实现总线设备间的信息交换，以及遵循同一总线可实现总线设备间的信息交换，以及遵循同一总线标准的各厂家的产品可集合在一起使用。标准的各厂家的产品可集合在一起使用。l3、现场仪表的功能自治性、现场仪表的功能自治性l 现场仪表均为智能仪表，一般处理功能可在现场仪现场仪表均为智能仪表，一般处理功能可在现场仪表内完成，如补偿、线性化、标度变换等。表内完成，如补偿、线性化、标度变换等。l4、系统结构的高度分散性、系统结构的高度分散性l 可实现回路控制的彻底分散，提高了系统可靠性。可实现回路控制的彻底分散，提高了系统可靠性。l5、对现场环境的适应性、对现场环境的适应性l 专为现场环境设计的现场总线

5、系统具有较强的抗干专为现场环境设计的现场总线系统具有较强的抗干扰能力，而且有本质安全防爆产品。扰能力，而且有本质安全防爆产品。三、现场总线国际标准简介三、现场总线国际标准简介l 现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，致使现场总线的国企业集团受自身利益的驱使，致使现场总线的国际化标准工作进展缓慢，至今尚未形成完整统一际化标准工作进展缓慢，至今尚未形成完整统一的国际

6、标准。的国际标准。l 从从1985年筹备成立年筹备成立IEC现场总线标准工作组开现场总线标准工作组开始标准起草制定工作，到始标准起草制定工作，到1997年制定了一些协议年制定了一些协议规范（规范（IEC61158），并作为），并作为FDIS标准发布。标准发布。l 1998年对年对IEC 61158 FDIS草案投票未获通过，草案投票未获通过，故于故于1999年初以技术规范的形式发布年初以技术规范的形式发布 IEC6115第第一版现场总线标准。一版现场总线标准。l 第一版标准第一版标准(技术规范）中，只有一种标准技术规范）中，只有一种标准即后来的即后来的Type1（以（以FF-H1和和FF-H2

7、为主）为主）。l 随后根据各国或组织的意见进行修改，于随后根据各国或组织的意见进行修改，于2000年初通过了经修改后的年初通过了经修改后的IEC61158，即，即IEC61158 第二版。该版保留了第二版。该版保留了Type1,并增加并增加了七种现场总线标准（了七种现场总线标准（Type2Type8）。）。l 为了反映现场总线与工业以太网技术的最新为了反映现场总线与工业以太网技术的最新发展发展,又对又对IEC61158 第二版标准进行了扩充和第二版标准进行了扩充和修订。新版标准规定了修订。新版标准规定了10 种类型现场总线种类型现场总线,除除原有的原有的8种类型种类型,还增加了还增加了Type

8、9 和和Type10 现现场总线。场总线。2003 年年4月月,IEC61158 Ed.3 现场总线现场总线第三版正式成为国际标准。第三版正式成为国际标准。l 2007年发布了年发布了IEC61158第四版中，共有第四版中，共有20种现种现场总线标准进入该标准。其中包括我国的场总线标准进入该标准。其中包括我国的EPA标标准（准（Type14）。）。lType1Type10lType1：IEC61158 技术报告。技术报告。由于该总线主要依由于该总线主要依据据FF现场总线和部分吸收现场总线和部分吸收WorldFIP现场总线技现场总线技术制定的术制定的,所以经常被理解为所以经常被理解为FF现场总线

9、。现场总线。包括包括H1、H2总线。总线。lType2：由以美国由以美国Rockwell公司为代表支持的公司为代表支持的CI（ControlNet International)组织制定，包括组织制定，包括DeviceNet、ControlNet现场总线和现场总线和Ethernet/IP实时以太网。实时以太网。lType3：即即Profibus，由以西门子公司为代表，由以西门子公司为代表的德国多家公司及研究单位制定，得到了的德国多家公司及研究单位制定，得到了PNO（Profibus National Organization）用户组织）用户组织的支持，并被定为欧洲标准。的支持，并被定为欧洲标准。

10、lType4:即即P-NET，由丹麦，由丹麦Process Data支持，支持，主要用于啤酒、食品、农业和饲料业。主要用于啤酒、食品、农业和饲料业。lType5：即即FF-HSE（高速以太网），由（高速以太网），由IEC制制定，用于替代定，用于替代FF-H2。lType6：即即SwiftNet，由美国，由美国SHIP STAR协会协会制定，得到波音公司支持，主要用于航空和航制定，得到波音公司支持，主要用于航空和航天业。天业。Type6 SwiftNet现场总线由于市场推广现场总线由于市场推广应用很不理想，在第四版标准中被撤消。应用很不理想，在第四版标准中被撤消。lType7：即即WorldFI

11、P，由法国，由法国Alstom为代表的为代表的WorldFIP协会制定，主要用于发电、输配电、协会制定，主要用于发电、输配电、加工自动化、运输等行业。加工自动化、运输等行业。lType8：即即Interbus，由德国，由德国Phoenix Contact制定，得到了制定，得到了Interbus Club组织的支持，主要组织的支持，主要用于机器加工及制造业。用于机器加工及制造业。lType9：即即FF-H1，由现场总线基金会（，由现场总线基金会（FF）负责制定，主要用于过程自动化。负责制定，主要用于过程自动化。lType10：即即Profinet，该标准源自，该标准源自Profibus现现场总线

12、国际组织（场总线国际组织（PI）的总线标准，后由）的总线标准，后由PNO组织进一步组织进一步规范及确认。规范及确认。Profinet建立在建立在Ethernet TCP/IP基础上，经优化后的通信机制基础上，经优化后的通信机制可以满足实时通信要求。可以满足实时通信要求。lIEC61158第四版中列出的第四版中列出的20种现场总线标准：种现场总线标准：lType1 TS61158现场总线现场总线lType2 CIP现场总线现场总线lType3 Profibus现场总线现场总线lType4 P2NET现场总线现场总线lType5 FF HSE高速以太网高速以太网lType6 SwiftNet被撤消

13、被撤消lType7 WorldFIP现场总线现场总线lType8 INTERBUS现场总线现场总线lType9 FF H1 现场总线现场总线lType10 PROFINET实时以太网实时以太网lType11 TCnet实时以太网实时以太网lType12 EtherCAT实时以太网实时以太网lType13 Ethernet Powerlink实时以太网实时以太网lType14 EPA实时以太网实时以太网lType15 Modbus2 RTPS实时以太网实时以太网lType16 SERCOS、现场总线现场总线lType17 VNET/IP实时以太网实时以太网lType18 CC-Link现场总线现

14、场总线lType19 SERCOS 实时以太网实时以太网lType20 HART现场总线现场总线第二节第二节 典型现场总线简介典型现场总线简介一、一、FFFF总线（总线（Foundation Fieldbus Foundation Fieldbus 基金会现场总线）基金会现场总线）l 前身为美国前身为美国Fisher-Rosemount公司为首，联合公司为首，联合Foxboro、ABB、Siemens、Smart等等80多家公司制多家公司制定的定的ISP协议和以协议和以Honrywell公司为首，联合公司为首，联合Allen-Bradley、Bailey等等150多家公司的多家公司的World

15、 FIP协议。协议。l 1994年两大集团一起成立现场总线基金会，致力年两大集团一起成立现场总线基金会，致力于开发国际上统一现场总线标准。主要应用于自动于开发国际上统一现场总线标准。主要应用于自动化系统，特别是过程自动化系统，支持总线供电及化系统，特别是过程自动化系统，支持总线供电及本质安全防爆。本质安全防爆。l FF包括低速包括低速FF-H1和高速和高速FF-HSE两部分。两部分。l1、适用于过程自动化的低速、适用于过程自动化的低速FF-H1总线总线l 用于现场级控制，传输速率为，最大通信距用于现场级控制，传输速率为，最大通信距离离1900m。l1）控制与信息处理的现场化）控制与信息处理的现

16、场化l 智能化现场仪表可完成检测、变送、控制、智能化现场仪表可完成检测、变送、控制、计算、显示、报警、诊断及自动保护等任务，计算、显示、报警、诊断及自动保护等任务，从而构成完整的现场控制系统。从而构成完整的现场控制系统。l 现场仪表具有高度的自治性，且结构上具有现场仪表具有高度的自治性，且结构上具有彻底的分散性。彻底的分散性。（一）（一）FF总线的技术特点总线的技术特点l2）支持总线供电及本质安全防爆）支持总线供电及本质安全防爆l 非总线供电：现场仪表采用外部供电。非总线供电：现场仪表采用外部供电。l 总线供电：现场仪表通过总线供电。总线既总线供电：现场仪表通过总线供电。总线既作为供电线，又作

17、为数字信号传输线。作为供电线，又作为数字信号传输线。l 提供本质安全防爆系统。提供本质安全防爆系统。l3）令牌总线访问机制）令牌总线访问机制l 在物理上是一种总线结构的局域网，各站点在物理上是一种总线结构的局域网，各站点共享通信总线。共享通信总线。l 在逻辑上是一种环形结构的局域网，连接到在逻辑上是一种环形结构的局域网，连接到总线上的站点组成一个逻辑环，站点获得令牌总线上的站点组成一个逻辑环，站点获得令牌后，取得对总线的控制权。后，取得对总线的控制权。l l2、内容广泛的用户层、内容广泛的用户层l1）功能块与功能块应用进程）功能块与功能块应用进程l 主要功能块：如主要功能块：如AI、AO、PI

18、D、DI、DO等。等。l2）设备描述）设备描述l 用于实现设备之间的互操作性。包括变量标签、用于实现设备之间的互操作性。包括变量标签、工程单位、要显示的十进制数、量程与诊断标签等。工程单位、要显示的十进制数、量程与诊断标签等。l3、基于以太网的高速、基于以太网的高速FF-HSE总线总线l1）最初的）最初的FF-H2l 1MB/s和高速总线标准，因通信速率较低和高速总线标准，因通信速率较低,后被放后被放弃。弃。l2）目前的）目前的FF-HSEl 基于以太网的高速总线技术规范，基于以太网的高速总线技术规范，HSE总线支持总线支持10MB/100MB/s网段。网段。（二）（二）FF总线通信模型总线通

19、信模型1、FF-H1总线模型总线模型应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层用户层（应用程序）用户层（应用程序）用户层用户层现场总线报文规范子层现场总线报文规范子层FMS现场总线访问子层现场总线访问子层FAS通通信信栈栈数据链路层数据链路层物理层物理层物理层物理层ISO/OSI模型模型FF-H1总线模型总线模型l1）物理层）物理层l 用于实现物理设备与总线之间的连接，为现场设用于实现物理设备与总线之间的连接，为现场设备与通信媒体提供机械、电气接口。备与通信媒体提供机械、电气接口。l 由传输媒体、媒体相关子层及媒体无关子层构成。由传输媒体、媒体

20、相关子层及媒体无关子层构成。l 传输媒体：规定了传输介质、传输速率、传传输媒体：规定了传输介质、传输速率、传输距离及总线结构等。输距离及总线结构等。l FF-H1的传输介质可是双绞线、电缆、光缆、无的传输介质可是双绞线、电缆、光缆、无线介质。线介质。l 传输速率为。传输速率为。l 传输距离传输距离2001900m(对应不同传输介质对应不同传输介质)。l 拓扑结构：点对点、总线型、树型、菊花链型。拓扑结构：点对点、总线型、树型、菊花链型。l 媒体相关子层：负责处理不同介质、不同速媒体相关子层：负责处理不同介质、不同速率的信号转换问题，也称媒体访问单元。率的信号转换问题，也称媒体访问单元。l FF

21、支持桥接网，利用网桥实现他们之间的连接。支持桥接网，利用网桥实现他们之间的连接。l 媒体无关子层：是媒体访问单元与数据链路媒体无关子层：是媒体访问单元与数据链路单元的接口。完成编码或解码（采用单元的接口。完成编码或解码（采用MBP-曼彻斯曼彻斯特码）、增加或去掉前导码、帧前定界码及帧结束特码）、增加或去掉前导码、帧前定界码及帧结束码等任务（由硬件完成）。码等任务（由硬件完成）。前导码前导码帧前定界码帧前定界码协议数据协议数据帧结束码帧结束码1 1字节字节1 1字节字节8 8273273字节字节1 1字节字节l2）数据链路层）数据链路层l 规定总线存取、协议控制信息及错误鉴别。规定总线存取、协议

22、控制信息及错误鉴别。l 总线数据存取总线数据存取l FF-H1的数据传输由链路活动调度器（的数据传输由链路活动调度器（Link Action SchedulerLAS）控制，每个总线段上）控制，每个总线段上均有一个活动的均有一个活动的LAS。l FF将通信设备分为三类，即：链路主设备、基将通信设备分为三类，即：链路主设备、基本设备，网桥。本设备，网桥。l 链路主设备链路主设备指有能力成为指有能力成为LAS的设备，可有多个，的设备，可有多个，但某个时刻只有一个能成为但某个时刻只有一个能成为LAS，其余备用；，其余备用；l 基本设备基本设备指不能成为指不能成为LAS的设备，只能接收令牌的设备，只能

23、接收令牌并作出响应。并作出响应。l 网桥网桥是用于网段之间的连接设备，因其管理着是用于网段之间的连接设备，因其管理着下游网段，所以也能成为下游网段，所以也能成为LAS。lH1网段中的通信设备与网段中的通信设备与LAS链路主设备链路主设备LAS基本设备基本设备基本设备基本设备基本设备基本设备链路主设备链路主设备基本设备基本设备链路主设备链路主设备网桥网桥LAS基本设备基本设备基本设备基本设备总线段总线段A总线段总线段Bl LAS拥有总线上所有设备的清单，并规定周拥有总线上所有设备的清单，并规定周期性和非周期性两类通信。其中，由期性和非周期性两类通信。其中，由LAS按预按预定时间表周期性依次发起的

24、通信为定时间表周期性依次发起的通信为周期性通信周期性通信。在周期性通信之外的时间，各设备通过获取令在周期性通信之外的时间，各设备通过获取令牌而得到总线控制权时所发起的通信为牌而得到总线控制权时所发起的通信为非周期非周期性通信性通信。l周期性通信：周期性通信：用于需要周期性传输数据的场合，用于需要周期性传输数据的场合，如测量值数据、控制输出数据等。如测量值数据、控制输出数据等。l非周期性通信非周期性通信：用于传输控制参数、诊断信息、：用于传输控制参数、诊断信息、报警信息、趋势数据等。报警信息、趋势数据等。l 协议控制信息协议控制信息l 由数据链路协议数据单元（由数据链路协议数据单元（DLPDU）

25、提供。）提供。由帧控制信息、数据链路地址及由帧控制信息、数据链路地址及DLPDU参数参数等组成。等组成。l 错误鉴别错误鉴别l 提供帧校验码。提供帧校验码。l数据传输帧结构：数据传输帧结构：帧控制符帧控制符目的地址目的地址源地址源地址1参数参数源地址源地址2用户数据用户数据帧校验码帧校验码l3）应用层）应用层l 由现场总线访问子层（由现场总线访问子层（FAS）和现场总线报）和现场总线报文规范子层（文规范子层（FMS）构成。其任务是实现应用）构成。其任务是实现应用进程之间的通信。进程之间的通信。l FASl FAS利用数据链路层调度和非调度的特点，利用数据链路层调度和非调度的特点，为报文规范子层

26、（为报文规范子层（FMS）提供服务，分为）提供服务，分为客户客户/服务器型服务器型、报文分发型报文分发型和和发布发布/预定接收型预定接收型三种三种服务类型。服务类型。l客户客户/服务器型：服务器型：两个设备之间由用户发起的、两个设备之间由用户发起的、一对一、排队式、非周期的通信。用于设置给一对一、排队式、非周期的通信。用于设置给定值、改变操作模式、手动调节、上载定值、改变操作模式、手动调节、上载/下载、下载、报警管理、远程诊断等。报警管理、远程诊断等。l报文分发型：报文分发型：用户发起的一对多、排队式、非用户发起的一对多、排队式、非周期通信。用于广播或多点传送事件与趋势数周期通信。用于广播或多

27、点传送事件与趋势数据，如用于向操纵台通告报警信息、历史趋势据，如用于向操纵台通告报警信息、历史趋势数据等。数据等。l发布发布/预定接收型：预定接收型：用于实现缓冲型的一对多用于实现缓冲型的一对多通信。主要用于刷新功能块的输入通信。主要用于刷新功能块的输入/输出数据，输出数据，如如PID控制功能块和操作台发送的测量值等。控制功能块和操作台发送的测量值等。l FMSl 该层描述了用户应用所需的通信服务、信息该层描述了用户应用所需的通信服务、信息格式、行为状态等。格式、行为状态等。l FMS提供了一组服务和标准的报文格式。提供了一组服务和标准的报文格式。用户可采用这种标准格式在总线上相互传递信用户可

28、采用这种标准格式在总线上相互传递信息，并通过息，并通过FMS服务，访问应用对象及对象的服务，访问应用对象及对象的描述。描述。l FMS由虚拟现场设备由虚拟现场设备VFD、对象字典管理、对象字典管理、联络关系（上下文）管理、域上载联络关系（上下文）管理、域上载/下载管理、下载管理、程序调用管理、变量访问、事件管理等组成。程序调用管理、变量访问、事件管理等组成。l4）用户层）用户层l 用户层规定了各种功能模块和设备描述，供用户层规定了各种功能模块和设备描述，供用户构成所需的应用程序。三种典型的用户应用户构成所需的应用程序。三种典型的用户应用块用块:l 转换块转换块l 转换块按所要求的频率读取传感器

29、中的数据。转换块按所要求的频率读取传感器中的数据。包含又有量程数据、传感器类型、线性化、包含又有量程数据、传感器类型、线性化、I/O数据表示等信息。如输入转换块、输出转数据表示等信息。如输入转换块、输出转换块、显示转换块等。换块、显示转换块等。l 资源块资源块l 资源块用于描述现场总线设备特征。如设备资源块用于描述现场总线设备特征。如设备名称、制造商规定、系列号等。名称、制造商规定、系列号等。l 资源块由一组参数组成。资源块由一组参数组成。l 功能块功能块l 功能块提供控制系统行为，它的输入、输出功能块提供控制系统行为，它的输入、输出参数可通过现场总线链接。参数可通过现场总线链接。l 功能块由

30、参数、算法和事件组成。由外部事功能块由参数、算法和事件组成。由外部事件驱动功能块的执行，通过算法将输入参数转件驱动功能块的执行，通过算法将输入参数转换为输出参数，实现应用系统的控制功能。换为输出参数，实现应用系统的控制功能。l 10种基本功能块：种基本功能块：AI、AO、DI、DO、PD、PID、SS（选择器）、（选择器）、ML（手操）、（手操）、BG（偏（偏置）、置）、RA（比率）。（比率）。lH1总线协议数据的构成与层次关系：总线协议数据的构成与层次关系：用户应用用户应用FMS总线报文规范总线报文规范FAS总线访问子层总线访问子层DLL数据链路层数据链路层物理层物理层现场总线现场总线用户数

31、据用户数据FMS协议控制协议控制用户数据编码用户数据编码FAS协议控制协议控制FMS协议数据协议数据4425502511DLL协议控制协议控制FAS协议数据协议数据5256115帧校验帧校验2帧前定界码帧前定界码 DLL协议数据协议数据82731帧结束码帧结束码1前导码前导码1l2、FF-HSE总线模型总线模型l 底层采用以态网标底层采用以态网标准，网络层与传输层使准，网络层与传输层使用用TCP/UDP/IP协议，协议，应用层为总线设备访问应用层为总线设备访问子层（子层（FDA），作用与），作用与H1的的FMS相似，用户相似，用户层与层与H1总线相同。总线相同。l HSE子网通过子网通过HSE

32、链链路设备与路设备与H1网段连接，网段连接，HSE链路设备具备网桥链路设备具备网桥和网关功能，是和网关功能，是HSE技技术的核心部分。术的核心部分。用户层用户层FDATCP/UDPIPIEEE 802.2IEEE 802.3u应用层应用层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层（三）（三）FFFF总线的网络结构总线的网络结构操作站操作站路由器路由器HSE网关网关HSE子网子网其他其他总线总线网络网络HSE子网子网H1总线总线H1总总线线以太网交换机以太网交换机HSE链接设备链接设备HSE链接设备链接设备HSE现场设备现场设备变送器变送器/执行器执行器树型树型总线型总线型点对点型

33、点对点型菊花链型菊花链型二、二、ProFibus总线（总线（Process Fieldbus 过程现场总线）过程现场总线）l 由以由以Siemens公司为主的十几家德国公司、公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出。现在，国际上有数百家生产研究所共同推出。现在，国际上有数百家生产支持支持ProFibus标准的产品。广泛地应用于加工标准的产品。广泛地应用于加工制造、过程控制、交通、电力和楼宇自动化等制造、过程控制、交通、电力和楼宇自动化等领域。领域。l ProFibus总线协议也是以总线协议也是以ISO/OSI参考模型参考模型为基础，定义了物理传输特性、总线通信协议为基础，定义了物理传输特性、总

34、线通信协议和应用行规，传输速率为和应用行规，传输速率为9.6KB/s12MB/s，相，相应的通信距离为应的通信距离为1200m100m，可实现总线供，可实现总线供电和本质安全防爆。电和本质安全防爆。l1、适用于不同应用范围的三种协议、适用于不同应用范围的三种协议l1）Profibus-DPl 用于现场层控制系统与分散用于现场层控制系统与分散I/O之间的通信。之间的通信。支持周期性和非周期性数据传输。目前主要是支持周期性和非周期性数据传输。目前主要是用于过程控制仪表、电气控制系统及用于过程控制仪表、电气控制系统及PLC等。等。l2）Profibus-PA l 为过程自动化而设计，支持总线供电和本

35、质为过程自动化而设计，支持总线供电和本质安全防爆。相当于安全防爆。相当于FF-H1总线。总线。l3）Profibus-FMSl 用于车间级大量的数据传输，属于顶层协议。用于车间级大量的数据传输，属于顶层协议。但随着工业以态网技术的发展，该层已逐步被但随着工业以态网技术的发展，该层已逐步被Profinet取代。取代。（一）（一）Profibus的技术特点的技术特点l2、统一的总线访问协议、统一的总线访问协议l 三个兼容部分使用一致的总线访问协议，并三个兼容部分使用一致的总线访问协议，并由数据链路层实现。主站之间采用令牌传递方由数据链路层实现。主站之间采用令牌传递方式，主、从站之间采用主、从通信方

36、式。式，主、从站之间采用主、从通信方式。l3、有各种适用性强的行规、有各种适用性强的行规l Profibus的行规（用户接口）可保证不同生的行规（用户接口）可保证不同生产厂家的现场设备的互换性和操作性。产厂家的现场设备的互换性和操作性。l4、系列化的总线协议芯片、系列化的总线协议芯片l 用户层用户层FMS 行规行规DP 行规行规PA 行规行规应用层应用层FMS未使用未使用未使用未使用LLI3 3层未使用层未使用数据数据 链路层链路层FDLIEC 接口接口MAC物理层物理层物理连接、电气特性、物理连接、电气特性、介质（介质（RS-485/光纤）光纤）IEC 61185-2（二）（二）Profib

37、us的通信模型的通信模型l1、物理层、物理层l DP与与FMS具有相同的物理层，传输介质可以具有相同的物理层，传输介质可以是屏蔽双绞线或光纤电缆。采用屏蔽双绞线时，是屏蔽双绞线或光纤电缆。采用屏蔽双绞线时，符合符合RS-485标准标准,传输速率为传输速率为9.6KB/s 12MB/s，相应的通信距离为相应的通信距离为1200m100m。采用玻璃光纤。采用玻璃光纤电缆时，传输距离可达电缆时，传输距离可达15km，采用塑料光纤电，采用塑料光纤电缆时，传输距离为缆时，传输距离为80m。DP和和FMS采用采用NRZ编编码。码。l PA的物理层符合的物理层符合IEC61158-2标准，可采用屏标准，可采

38、用屏蔽双绞线或非屏蔽双绞线，以及总线供电或非总蔽双绞线或非屏蔽双绞线，以及总线供电或非总线供电形式。传输速率为线供电形式。传输速率为，依使用电缆的不同，依使用电缆的不同，传输距离为传输距离为201900m。PA采用采用MBP编码。编码。PA协议与协议与FF的的H1部分基本相同。部分基本相同。l2、数据链路层、数据链路层l 提供四种传输帧格式：查询帧、固定提供四种传输帧格式：查询帧、固定8字节数字节数据域帧、数据长度可变帧和令牌帧。据域帧、数据长度可变帧和令牌帧。l 提供六种数据服务：提供六种数据服务：l SDN发送不需确认的数据发送不需确认的数据l SDA 发送需确认的数据发送需确认的数据l

39、SRD 发送数据且请求回复数据发送数据且请求回复数据l CSRD 周期性发送且请求回复数据周期性发送且请求回复数据l MSRD 发送数据且要求以群发数据帧答复发送数据且要求以群发数据帧答复l CS 时间同步时间同步l DP、PA和和FMS使用其中的某些子集。使用其中的某些子集。DP和和FMS的帧结构相同，的帧结构相同，PA的帧结构与其略有不同。的帧结构与其略有不同。l PROFIBUS的介质访问控制采用基于传递令牌的介质访问控制采用基于传递令牌的主从分时轮寻协议。的主从分时轮寻协议。l 总线上的设备（站点）分为总线上的设备（站点）分为1类主站、类主站、2类主站类主站和从站三类。和从站三类。l

40、1类主站：类主站：指有能力控制若干从站、完成总线通指有能力控制若干从站、完成总线通信控制与管理的设备，如信控制与管理的设备，如PLC、部分通信处理器。、部分通信处理器。l 2类主站：类主站：指有能力管理指有能力管理1类主站的组态数据和类主站的组态数据和诊断数据的设备，也可具有诊断数据的设备，也可具有1类主站的通信能力，类主站的通信能力，用于完成数据读写、系统组态、监视、故障诊断用于完成数据读写、系统组态、监视、故障诊断等，如编程器（等，如编程器（PG）、操作员站（）、操作员站（OS）、人机接）、人机接口（口（HMI）等。）等。l 从站：从站：提供提供I/O数据并可分配给数据并可分配给1类主站，

41、如远类主站，如远程程I/O、智能从站、传感器、执行器等。、智能从站、传感器、执行器等。l令牌传递与逻辑环的管理令牌传递与逻辑环的管理P L CPG/OSP L C从站从站从站从站从站从站从站从站从站从站主设备间的令牌逻辑环主设备间的令牌逻辑环1类主设备类主设备1类主设备类主设备2类主设备类主设备l3、应用层、应用层l DP和和PA未定义应用层。未定义应用层。l FMS的应用层由的应用层由FMS（现场总线报文规范）（现场总线报文规范）和和LLI（低层接口）组成，在功能上类似于（低层接口）组成，在功能上类似于FF的的FMS和和FAS。l4、用户层、用户层l FMS主要定义了主站与主站之间的通信功能

42、。主要定义了主站与主站之间的通信功能。l DP主要是面向工厂现场层的应用，规定了主要是面向工厂现场层的应用，规定了PLC、自动控制设备、传感器、执行器设备之、自动控制设备、传感器、执行器设备之间的快速可靠的通信服务等。间的快速可靠的通信服务等。l PA的应用层与的应用层与DP的基本相同，是的基本相同，是DP的扩展。的扩展。操作站、操作站、PC机机DP/PA Link或或 DP/PA 耦合器耦合器Profibus-PAPLC等等车间监控层车间监控层现场控制层现场控制层传感器传感器 传动传动设备设备开关开关变送器变送器 执行器执行器Profibus-FMS或或EthernetProfibus-DP

43、（三）（三）Profibus的网络结构的网络结构采用采用DP/PA Link时，时，DP总线最高速率为总线最高速率为12Mb/s，且，且PA总线仪表不占用总线仪表不占用DP地址；采用地址；采用DP/PA 耦合器时耦合器时DP总线速率总线速率为为，且，且PA总线仪表占用总线仪表占用DP地址；地址；l 最初由美国最初由美国Echelon公司于公司于1991年推出，广年推出，广泛地应用于楼宇自动化、保安系统、交通运输、泛地应用于楼宇自动化、保安系统、交通运输、能源和电力系统、过程控制和家庭自动化等领能源和电力系统、过程控制和家庭自动化等领域。域。l 采用采用ISO/OSI模型的全部七层通信协议，通模

44、型的全部七层通信协议，通信速率信速率300B/S，直接通信距离可达，直接通信距离可达2700m（78KB/s，双绞线）。，双绞线）。l 支持双绞线、同轴缆、电力线、红外、光纤、支持双绞线、同轴缆、电力线、红外、光纤、无线等通信介质。无线等通信介质。l1 1、功能齐全的现场控制节点、功能齐全的现场控制节点l 现场控制节点是现场控制节点是LonWorksLonWorks总线网络的基本组总线网络的基本组成部分成部分,其核心器件为神经元芯片。该芯片即其核心器件为神经元芯片。该芯片即作为总线的通信处理器作为总线的通信处理器,又作为数据采集和控又作为数据采集和控制的通用处理器制的通用处理器。通信接口通信接

45、口MAC处理器处理器网络网络处理器处理器应用应用处理器处理器I/O接口接口网络缓冲器网络缓冲器应用缓冲器应用缓冲器芯片内处理器与存储器结构芯片内处理器与存储器结构晶振晶振电源电源MC43150/20 Nruron1658KB E2PROM/ROMI/O电路电路LonWork收发器收发器5VDC检测控制检测控制装置装置神经元节点结构框图神经元节点结构框图（一）（一）LonWorks的技术特点的技术特点l2 2、开放式的通信协议和面向对象的编程语言、开放式的通信协议和面向对象的编程语言l LonWorks使用开放式通信协议使用开放式通信协议LonTalk，该协议支持该协议支持OSI全部协议。全部协

46、议。l 编程语言为编程语言为Neuron C，由标准，由标准C语言扩展语言扩展获得。获得。l3 3、完善的网络管理功能、完善的网络管理功能l 网络安装：网络接点的逻辑连接；网络安装：网络接点的逻辑连接；l 网络维护：增加或删除接点等，以及错误网络维护：增加或删除接点等，以及错误设备的检测与替换；设备的检测与替换；l 网络监控：提供系统级的监测和控制服务。网络监控：提供系统级的监测和控制服务。（二）（二）LonWorks的通信模型的通信模型应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据数据链路层链路层链路层链路层MAC物理层物理层网络应用网络应用标准网络变量类型标准网络变量类型

47、数据表示数据表示网络变量外部帧传输网络变量外部帧传输远程传送控制远程传送控制请求请求/响应，认证响应，认证端对端传输端对端传输应答、非应答，点对点，认证应答、非应答，点对点，认证传输分组传输分组地址，路由地址，路由帧传输帧传输帧结构，数据解码，帧结构，数据解码，CRC校错校错介质访问控制介质访问控制冲突避免，优先级冲突避免，优先级电气连接电气连接介质，电气接口介质，电气接口OSI模型模型Lon作用作用LON提供的服务提供的服务PC其它总线网络其它总线网络网关网关支持双绞线、同轴缆、电力线、红外、光纤、无线介质。支持双绞线、同轴缆、电力线、红外、光纤、无线介质。神经元节点神经元节点双绞线主干通道

48、双绞线主干通道路由器路由器78KB/s双绞线双绞线神经元节点神经元节点路由器路由器10KB/s电力线电力线神经元节点神经元节点路由器路由器（三）（三）LonWorks的网络结构的网络结构78KB/s双绞线双绞线四、四、CAN总线（总线（Control Area Network 控制局域网络控制局域网络）l 最初由德国最初由德国Bosch公司为汽车的监测和控制公司为汽车的监测和控制系统而设计。除应用于汽车工业外，也用于过系统而设计。除应用于汽车工业外，也用于过程工业、机械工业、农用机械、机器人、数控程工业、机械工业、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域。机床、医疗器械及传感器等领域

49、。l CAN总线协议也是建立在总线协议也是建立在ISO/OSI参考模型参考模型基础上的，取其物理层和数据链路层。通信速基础上的，取其物理层和数据链路层。通信速率最高可达率最高可达10MB/s（40m），直接传输最远距），直接传输最远距离可达离可达10km（5KB/s）。）。l1、符合国际标准、符合国际标准ISO 11898规范的规范的CAN总线规总线规范范2.0 PARTA和和PARTB。l2、采用多主方式工作，通信方式灵活，可方、采用多主方式工作，通信方式灵活，可方便的构成多机备份系统。便的构成多机备份系统。l3、网络上的节点可分成不同的优先级，可满、网络上的节点可分成不同的优先级，可满足不

50、同的实时要求。可采用点对点、一点对多足不同的实时要求。可采用点对点、一点对多点及全局广播等方式传送和接收数据。点及全局广播等方式传送和接收数据。l4、采用非破坏性总线仲裁技术，大大节省了、采用非破坏性总线仲裁技术，大大节省了总线仲裁时间。总线仲裁时间。l5 5、采用短帧信息传输结构，抗干扰能力强。、采用短帧信息传输结构，抗干扰能力强。l6 6、具有丰富的支持器件。、具有丰富的支持器件。（一）（一）CAN的技术特点的技术特点l CANCAN总线只采用总线只采用OSIOSI模型中的物理层和数据链模型中的物理层和数据链路层。路层。数据数据 链路层链路层LLC接收滤波，超载通知，恢复管理接收滤波，超载

51、通知，恢复管理MAC帧编码，介质访问管理，帧编码，介质访问管理，错误监测，出错标定，应答错误监测，出错标定，应答物理层物理层位编码位编码/解码，为定时，同步解码，为定时，同步基于双绞线的电气连接基于双绞线的电气连接模型分层模型分层内容内容（二）（二）CAN的通信模型的通信模型节点节点N1N1接口接口接口接口节点节点N2N2接口接口节点节点N3N3接口接口节点节点N4N4接口接口节点节点N4N4（现场控制节点）（现场控制节点）（PC机）机）（三）（三）CAN的网络结构的网络结构五、五、HART总线（总线（Highway Addressable Rement Transducer 可寻址远程传感器

52、可寻址远程传感器高速通道）高速通道）l HART总线是美国总线是美国Rosemount公司与公司与1986年提年提出和开发的，最初主要是应用于智能仪表系统，出和开发的，最初主要是应用于智能仪表系统，用于智能仪表的远程设定和诊断等。用于智能仪表的远程设定和诊断等。l 由于当时模拟仪表还在大量使用，所以，该总由于当时模拟仪表还在大量使用，所以，该总线设计为模拟与数字共存网络，属于模拟系统向线设计为模拟与数字共存网络，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性协议。数字系统转变过程中的过渡性协议。l HART以以ISO/OSI模型为参考，使用模型为参考，使用1、2、7三三层协议。最初的传输速率为层协议

53、。最初的传输速率为1200B/s，通信距离最，通信距离最远为远为3000m。l1、数字信号与模拟信号共存、数字信号与模拟信号共存l HART通信采用基于通信采用基于Bell202通信标准的通信标准的FSK（移频键控）技术，在（移频键控）技术，在420mA模拟信号上叠加模拟信号上叠加上频率信号，支持模拟式控制系统和数字式控制上频率信号，支持模拟式控制系统和数字式控制系统。系统。l2、支持纯数字多站数字通信、支持纯数字多站数字通信l 在一对双绞线上连接多台智能仪表，电流被限在一对双绞线上连接多台智能仪表，电流被限制在制在4mA，采用双向纯数字通信模式工作。，采用双向纯数字通信模式工作。l3、协议简

54、单，便于应用程序开发、协议简单，便于应用程序开发l 使用一个公用报文结构，采用简单的使用一个公用报文结构，采用简单的HART命命令，分为通用命令、普通命令和专用命令三类。令，分为通用命令、普通命令和专用命令三类。（一）（一）HART的技术特点的技术特点应用层应用层HART命令命令6(未使用）未使用）5(未使用）未使用）4(未使用）未使用）3(未使用）未使用）数据链路层数据链路层HART通信协议规则通信协议规则物理层物理层电气特性、电气特性、Bell-202（二）（二）HART的通信模型的通信模型l1、物理层、物理层l 双绞线连接，双绞线连接，Bell202标准的标准的FSK技术，频率信技术，频

55、率信号号,1200bps，11200Hz，02200Hz。要求以上。要求以上的峰的峰-峰电压，所以负载电阻要大于峰电压，所以负载电阻要大于250。l 单台设备的使用距离可达单台设备的使用距离可达3000m，多站结构时，多站结构时可达可达1500m。l2、数据链路层、数据链路层（数据帧结构）（数据帧结构）前导码前导码帧前帧前定界符定界符地地址址HART命令命令字节字节数数设备和设备和通信状态通信状态数数据据校验校验字节字节l3、应用层、应用层（HART命令）命令）l 通用命令：通用命令：所有设备都能识别和执行的命令，所有设备都能识别和执行的命令，如读取制造厂家、设备型号、过程变量及单位如读取制造

56、厂家、设备型号、过程变量及单位等信息；等信息；l 普通命令：普通命令：适用于大多数适用于大多数HART设备，如阻设备，如阻尼时间常数、标定、写过程变量单位等；尼时间常数、标定、写过程变量单位等；l 专用命令：专用命令：针对各种设备的特殊命令，不要针对各种设备的特殊命令，不要求统一。求统一。l三类设备：现场设备、基本主设备、副主设备。三类设备：现场设备、基本主设备、副主设备。l现场仪表与副主设备均为并联，连接点位置任意。现场仪表与副主设备均为并联，连接点位置任意。l支持总线供电，能满足本质安全防爆要求。支持总线供电，能满足本质安全防爆要求。l使用模拟控制器时，只能有一台现场仪表，即模拟使用模拟控

57、制器时，只能有一台现场仪表，即模拟/数字混合方式数字混合方式。基本主设备或基本主设备或模拟控制器模拟控制器安安全全栅栅现场现场仪表仪表现场现场仪表仪表现场现场仪表仪表副主设备副主设备（三）（三）HART系统的网络结构系统的网络结构 第三节第三节 实时工业以太网实时工业以太网一、概述一、概述l 以太网（以太网（Ethernet）于）于1980年由年由Xerox、DEC和和Intel三家公司推出，并被三家公司推出，并被PC机局域网机局域网普遍采用。普遍采用。l 1982年，美国电气与电子工程师协会在此年，美国电气与电子工程师协会在此基础上制定了标准。后经修订、增补，于基础上制定了标准。后经修订、增

58、补，于1990年被国际标准化组织年被国际标准化组织ISO接受，成为。接受，成为。l 传输速率：传输速率：10M、100M、1000M、10Gl 传输介质：双绞线、光纤传输介质：双绞线、光纤l1、应用广泛、应用广泛l2、通信速率高、通信速率高l3、技术成熟、技术成熟l4、成本低、成本低l5、发展潜力大、发展潜力大l1、通信的实时性、通信的实时性l2、总线供电和本安性能、总线供电和本安性能l3、互可操作性、互可操作性l4、远距离传输、远距离传输l5、网络的安全性、网络的安全性l6、网络的可靠性、网络的可靠性二、以太网用于工业现场的关键技术二、以太网用于工业现场的关键技术各种管理计算机各种管理计算机

59、互联网互联网服务器服务器互联网互联网管理层管理层通用通用Ethernet网络网络 服务器服务器监控层监控层通用通用Ethernet浏览器、操作站、高级控制器浏览器、操作站、高级控制器网关网关现场层现场层过程过程Ethernet交换机交换机或网桥或网桥其他现场总线其他现场总线现场智能设备现场智能设备网关网关其他现场总线其他现场总线三、基于三、基于Ethernet的工控网络结构的工控网络结构四、几种典型的实时以太网四、几种典型的实时以太网l 建立在标准基础上建立在标准基础上,通过实时扩展提高实时性通过实时扩展提高实时性能能,并能与标准以太网无缝连接的并能与标准以太网无缝连接的Ethernet称为称

60、为实时以太网实时以太网(Real Time Ethernet,简称简称RET)。按采用的技术方案，可分为四种类型：按采用的技术方案，可分为四种类型：l1）采用在）采用在TCP/IP之上进行实时数据交换的方之上进行实时数据交换的方案，如案，如Ethernet/IP，Modbus/TCP等。等。l2）采用经优化处理和提供旁路实时通道的通）采用经优化处理和提供旁路实时通道的通信协议模型的方案，如信协议模型的方案，如PROFINET V2，Modbus-IDA等。等。l3）采用集中调度提高实时性的方案，如）采用集中调度提高实时性的方案，如EPA，PROFINET V3、Power Link等等l4）采

61、用类似）采用类似Interbus总线总线“集总帧集总帧”通信方式通信方式和在物理层使用总线拓扑结构提升以太网实时和在物理层使用总线拓扑结构提升以太网实时性的方案，如性的方案，如Ethernet CAT。l1、Ethernet/IPl 由由ControlNet国际组织国际组织CI、工业以太网协会、工业以太网协会IEA和开放的和开放的DeviceNet供应商协会供应商协会ODVA等共等共同开发的工业网络标准。同开发的工业网络标准。l Ethernet/IP在标准的在标准的TCP/IP协议之上，利用协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自

62、动化设备定义了一个应用层协议制工业自动化设备定义了一个应用层协议基于控制和信息协议（基于控制和信息协议（CIP）l1)Ethernet/IP通信协议模型通信协议模型封装封装/解包解包TCP/UDPIP以太网媒体访问控制以太网媒体访问控制(CSMA/CD)以太网物理层以太网物理层 CIP报文路径报文路径:链接管理链接管理CIP数据管理服务数据管理服务:显性报文或显性报文或 I/O报文报文 CIP应用应用:应用对象库应用对象库物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层传输层传输层应用层应用层 用户设备行规用户设备行规CIP公共规范公共规范TCP/IP协议组协议组数据链路数据链路和物理层和物理层l

63、2)CIP通信系统通信系统 l CIP可以传输实时数据和非实时数据可以传输实时数据和非实时数据l EtherNet/IP在在IEEE 1588精确时间同步协议精确时间同步协议基础上，制定了基础上，制定了CIPsync标准，进一步提高了实标准，进一步提高了实时性，同步精度准确到微秒级。时性，同步精度准确到微秒级。l 交换基本交换基本I/O数据和数据和PLC类信息等类信息等 CIP用用UDC/IP协议实现，以简单的主从方式协议实现，以简单的主从方式处理。处理。l上传和下载参数与设定点，趋势数据传输等上传和下载参数与设定点，趋势数据传输等l 属于实时性不强、数据量较大的通信任务，属于实时性不强、数据

64、量较大的通信任务，CIP用用TCP/IP实现这类任务。实现这类任务。l可以处理轮询、周期（循环）和事件驱动可以处理轮询、周期（循环）和事件驱动l支持点对点、一点对多点和广播通信支持点对点、一点对多点和广播通信l l EtherNet/IP网络上的典型设备有主机、网络上的典型设备有主机、PLC、HMI、I/O设备等，典型的设备等，典型的EtherNet/IP网络使用网络使用星型拓扑结构，多组设备连接到一个交换机上实星型拓扑结构，多组设备连接到一个交换机上实现点对点通信。现点对点通信。l EtherNet/IP现场设备具有内置的现场设备具有内置的Web Server功能，支持众多的网络服务。功能，

65、支持众多的网络服务。l3)Ethernet/IP的网络结构的网络结构交换机交换机I/OPLCPLCSLCPLC交换机交换机交换机交换机监控站监控站MIS通信组件通信组件操作员站操作员站工程师站工程师站PLCPLCPLCControl NetEthernet/IPl2、PROFINETl PROFINET实时工业以太网是由实时工业以太网是由PI组织提出组织提出的基于以太网的自动化标准。的基于以太网的自动化标准。l 1）PROFINET的通信系统的通信系统l PROFINET提供一个标准通信通道和两类实提供一个标准通信通道和两类实时通信通道。时通信通道。l 标准通信通道是使用标准通信通道是使用TC

66、P/IP协议的非实时协议的非实时通道，主要用于设备参数化、组态和读取诊断通道，主要用于设备参数化、组态和读取诊断数据等。一般响应时间在几十毫秒。数据等。一般响应时间在几十毫秒。l 实时通信通道的实时通信通道的SRT（Software RT）是软件）是软件实时方案，主要用于过程数据的高性能循环传实时方案，主要用于过程数据的高性能循环传输、事件控制的信号和报警信号等。这里采用输、事件控制的信号和报警信号等。这里采用旁路技术（旁路第旁路技术（旁路第3和第和第4层）及报文优先级分层）及报文优先级分级等（最多分级等（最多分7级）。一般响应时间在几级）。一般响应时间在几毫秒毫秒（小于（小于10ms）。）。l 实时通信通道的实时通信通道的IRT（Isochronous Real-Time）是等时同步的）是等时同步的ASCI芯片方案，用于传输芯片方案，用于传输对时间要求特别严格的数据，如运动控制应用对时间要求特别严格的数据，如运动控制应用等，响应时间等，响应时间小于小于1毫秒。毫秒。l2）PROFINET通信协议模型通信协议模型IT应用应用 HTTP SNMP DHCPPROFINET应用应用标准数据