ZXQ第一章现场总线技术概述

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1、ZXQZXQ第一章现场总线技术第一章现场总线技术概述概述1 1网络化控制系统网络化控制系统现场总线技术现场总线技术 阳宪惠阳宪惠 清华大学出版社清华大学出版社2 2工业数据通信与控制网络工业数据通信与控制网络 阳宪惠阳宪惠 清华大学出版社清华大学出版社3 3现场总线及其应用技术现场总线及其应用技术 李正军李正军 机械工业出版社机械工业出版社4 4现场总线工业控制网络技术现场总线工业控制网络技术 夏继强，刑春香夏继强，刑春香 北京航空航天出版社北京航空航天出版社5 5现场总线控制系统的设计和开发现场总线控制系统的设计和开发 邹益仁，马增良，蒲维邹益仁，马增良，蒲维 国防工业出版社国防工业出版社6

2、 6现场总线与工业以太网及其应用系统设计现场总线与工业以太网及其应用系统设计 李正军李正军 人民邮电出版社人民邮电出版社参考书：参考书：(一一)理解现场总线的概念、现场总线系统的理解现场总线的概念、现场总线系统的 特点、基本组成，掌握现场总线系统的特点、基本组成，掌握现场总线系统的 构建方法。构建方法。(二二)理解掌握数据通信基础知识。理解掌握数据通信基础知识。(三三)理解掌握控制网络基础知识。理解掌握控制网络基础知识。(四四)掌握现场总线控制系统的设计原则、掌握现场总线控制系统的设计原则、思路和方法。思路和方法。教学要求：教学要求：工业数据通信与控制网络是近年来发展形成的自工业数据通信与控制

3、网络是近年来发展形成的自控领域的网络技术。是计算机网络、通信技术与控领域的网络技术。是计算机网络、通信技术与自控技术结合的产物。自控技术结合的产物。现场总线现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，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计算机局域网。它的出现，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，将对该领域的技术发展产生重要影响。将对该领域的技术发展产生重要影响。工业工业数据通信系统数据通信系统；生产现场；生产现场网络系统网络系统；网络集；网络集成式成式控制系统；控制系统；是是ITIT技术在自控领域的延伸技术在自控领域的延伸;自自控领域的控领域的ITIT技术。技术。本课程

4、讲述数据通信与控制网络的基础知识，多本课程讲述数据通信与控制网络的基础知识，多种总线的技术特点、通信与网络规范、通信控制种总线的技术特点、通信与网络规范、通信控制器、通信接口，控制网络的设计与应用等。器、通信接口，控制网络的设计与应用等。第第1章章 现场总线技术概述现场总线技术概述主要内容主要内容1.1 1.1 现场总线简介现场总线简介1.2 1.2 现场总线系统的特点现场总线系统的特点1.3 1.3 以现场总线为基础的企业网络系统以现场总线为基础的企业网络系统1.4 1.4 现场总线技术的标准化现场总线技术的标准化1.1 1.1 现场总线简介现场总线简介控制网络与现场总线控制网络与现场总线控

5、制网络与计算机网络的区别控制网络与计算机网络的区别数据通信系统数据通信系统(网络网络)传感器总线、设备总线和现场总线传感器总线、设备总线和现场总线网络网络化化控制系统控制系统早期的现场总线技术早期的现场总线技术全分布式全分布式控制系统控制系统控制系统对网络的要求控制系统对网络的要求现场总线现场总线(Fieldbus)(Fieldbus)用于连接多个现场测量控制设备、在各现场用于连接多个现场测量控制设备、在各现场用于连接多个现场测量控制设备、在各现场用于连接多个现场测量控制设备、在各现场设备之间传递信号的共享设备之间传递信号的共享设备之间传递信号的共享设备之间传递信号的共享传输介质传输介质传输介

6、质传输介质现场总线系统现场总线系统指以测量控制设备作为网络指以测量控制设备作为网络指以测量控制设备作为网络指以测量控制设备作为网络节点节点节点节点，以双绞线、，以双绞线、，以双绞线、，以双绞线、屏蔽电缆、光纤、无线等屏蔽电缆、光纤、无线等屏蔽电缆、光纤、无线等屏蔽电缆、光纤、无线等传输介质传输介质传输介质传输介质为纽带，为纽带，为纽带，为纽带，把位于生产现场、具备了数字计算和数字通把位于生产现场、具备了数字计算和数字通把位于生产现场、具备了数字计算和数字通把位于生产现场、具备了数字计算和数字通信能力的测量控制设备连接组成的开放式网信能力的测量控制设备连接组成的开放式网信能力的测量控制设备连接组

7、成的开放式网信能力的测量控制设备连接组成的开放式网络与控制系统。络与控制系统。络与控制系统。络与控制系统。控制网络与现场总线控制网络与现场总线 控制网络与现场总线控制网络与现场总线 什么是现场总线技术？什么是现场总线技术？IECIEC规范中对现场总线的描述：现场总线是规范中对现场总线的描述：现场总线是一种应用于生产现场，在现场控制设备之间、一种应用于生产现场，在现场控制设备之间、现场设备与监控装置之间实行现场设备与监控装置之间实行双向、串行、双向、串行、多节点数字通信多节点数字通信的技术。的技术。控制网络：控制网络：由多个分散在生产现场、具有数字通信能力由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的

8、测量控制仪表作为网络节点而形成的网络的测量控制仪表作为网络节点而形成的网络以现场总线作为通信连接的纽带以现场总线作为通信连接的纽带完成测量控制任务的网络系统、控制系统完成测量控制任务的网络系统、控制系统图图1.1 简单控制网络示意图简单控制网络示意图控制网络与计算机网络的区别控制网络与计算机网络的区别网络节点网络节点计算机网络计算机网络计算机网络计算机网络：计算机、工作站、打印机、显示终端：计算机、工作站、打印机、显示终端：计算机、工作站、打印机、显示终端：计算机、工作站、打印机、显示终端控制网络控制网络控制网络控制网络：除了以上设备之外，还有：除了以上设备之外，还有：除了以上设备之外，还有：

9、除了以上设备之外，还有PLCPLCPLCPLC、数字调、数字调、数字调、数字调节器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内节器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内节器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内节器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内嵌有嵌有嵌有嵌有CPUCPUCPUCPU、单片机或其它专用芯片的设备，或功能、单片机或其它专用芯片的设备，或功能、单片机或其它专用芯片的设备，或功能、单片机或其它专用芯片的设备，或功能简单的非智能设备简单的非智能设备简单的非智能设备简单的非智能设备 工作环境工作环境计算机网络计算机网络计算机网络计算机网络：办公室：办公室：办公室：办公室控制网络

10、控制网络控制网络控制网络：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供干扰、震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供干扰、震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供干扰、震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供电的需求电的需求电的需求电的需求 任务任务计算机网络：传输文件、图象、话音等。许多情计算机网络：传输文件、图象、话音等。许多情计算机网络：传输文件、图象、话音等。许多情计算机网络：传输文件、图象、话音等。许多情况下有人参与。况下有人参与。况下有人参与。况下

11、有人参与。控制网络：传输工业数据（图象），承担自动测控制网络：传输工业数据（图象），承担自动测控制网络：传输工业数据（图象），承担自动测控制网络：传输工业数据（图象），承担自动测控任务。许多情况下要求自动完成控任务。许多情况下要求自动完成控任务。许多情况下要求自动完成控任务。许多情况下要求自动完成特点特点实时性实时性实时性实时性可靠性的要求高可靠性的要求高可靠性的要求高可靠性的要求高数据帧包含的字节数少数据帧包含的字节数少数据帧包含的字节数少数据帧包含的字节数少控制网络是一类控制网络是一类特殊的网络特殊的网络广泛应用于广泛应用于广泛应用于广泛应用于离散、连续制造业，交通、楼宇、家离散、连续制造

12、业，交通、楼宇、家离散、连续制造业，交通、楼宇、家离散、连续制造业，交通、楼宇、家电、以至农、林、牧、渔等各行各业。电、以至农、林、牧、渔等各行各业。电、以至农、林、牧、渔等各行各业。电、以至农、林、牧、渔等各行各业。工业数据通信系统工业数据通信系统工业数据通信工业数据通信工业数据通信工业数据通信在测量、控制设备的各功能单元之间、设备与设备之间、在测量、控制设备的各功能单元之间、设备与设备之间、在测量、控制设备的各功能单元之间、设备与设备之间、在测量、控制设备的各功能单元之间、设备与设备之间、以及这些设备与计算机之间传递数据信息的过程。以及这些设备与计算机之间传递数据信息的过程。以及这些设备与

13、计算机之间传递数据信息的过程。以及这些设备与计算机之间传递数据信息的过程。工业数据通信工业数据通信工业数据通信工业数据通信:多个工业控制设备之间二进制数据的交换过程多个工业控制设备之间二进制数据的交换过程多个工业控制设备之间二进制数据的交换过程多个工业控制设备之间二进制数据的交换过程 它区别于电话、电报通信，也有别于计算机通信它区别于电话、电报通信，也有别于计算机通信它区别于电话、电报通信，也有别于计算机通信它区别于电话、电报通信，也有别于计算机通信工业数据通信的工业数据通信的工业数据通信的工业数据通信的内容内容内容内容生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置生产装置运行参数的测量值、

14、控制量、阀门的工作位置生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置开关状态、报警状态开关状态、报警状态开关状态、报警状态开关状态、报警状态设备的资源信息与维护信息、零点量程调校信息设备的资源信息与维护信息、零点量程调校信息设备的资源信息与维护信息、零点量程调校信息设备的资源信息与维护信息、零点量程调校信息系统组态、参数修改信息等系统组态、参数修改信息等系统组态、参数修改信息等系统组态、参数修改信息等 工业数据通信的工业数据通信的网络结构网络结构传统传统传统传统的测量控制系统在设备间的测量控制系统在设备间的测量控制系统在设备间的测量控制系统在设

15、备间一对一一对一一对一一对一的并行连线，即点到的并行连线，即点到的并行连线，即点到的并行连线，即点到点布线传送点布线传送点布线传送点布线传送模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号 现场总线现场总线现场总线现场总线系统：系统：系统：系统：一对一对一对一对导线上可挂接导线上可挂接导线上可挂接导线上可挂接多多多多个传感器、执行器、个传感器、执行器、个传感器、执行器、个传感器、执行器、开关、按钮、控制设备等，开关、按钮、控制设备等，开关、按钮、控制设备等，开关、按钮、控制设备等，总线总线总线总线是现场设备之间数字信号是现场设备之间数字信号是现场设备之间数字信号是现场设备之间数字信号的的的的传输介质传输介质传

16、输介质传输介质，成为数字信息的公共传输通道，成为数字信息的公共传输通道，成为数字信息的公共传输通道，成为数字信息的公共传输通道控制网络（现场总线系统）按网络连接方式构建数据通道，控制网络（现场总线系统）按网络连接方式构建数据通道，控制网络（现场总线系统）按网络连接方式构建数据通道，控制网络（现场总线系统）按网络连接方式构建数据通道，实现实现实现实现数字信号数字信号数字信号数字信号的串行传输，形成数据通信网络。的串行传输，形成数据通信网络。的串行传输，形成数据通信网络。的串行传输，形成数据通信网络。工业数据通信网络的工业数据通信网络的工业数据通信网络的工业数据通信网络的规模规模规模规模三、两个数

17、据节点的三、两个数据节点的三、两个数据节点的三、两个数据节点的简单系统简单系统简单系统简单系统成千上万台设备的成千上万台设备的成千上万台设备的成千上万台设备的复杂网络复杂网络复杂网络复杂网络 一个汽车组装生产线可能有多达一个汽车组装生产线可能有多达一个汽车组装生产线可能有多达一个汽车组装生产线可能有多达25252525万个万个万个万个I/OI/OI/OI/O点点点点 石油炼制过程的一个普通装置也会有上千台测量控制石油炼制过程的一个普通装置也会有上千台测量控制石油炼制过程的一个普通装置也会有上千台测量控制石油炼制过程的一个普通装置也会有上千台测量控制设备设备设备设备 图图1.2 基于现场总线的数

18、据通信系统示例基于现场总线的数据通信系统示例温度温度变送变送器器监控监控计算机计算机温度测温度测量值量值一组一组程序程序现场总线现场总线通信设备通信设备 发送器（发送器（transmittertransmitter）数据通信过程中将通信信号数据通信过程中将通信信号发送发送到传输介质到传输介质（总线）上的发送电路（总线）上的发送电路接收器接收器(receiver)(receiver)数据通信过程中从传输介质（总线）上数据通信过程中从传输介质（总线）上接收接收通通信信号的接收电路信信号的接收电路收发器收发器(transceiver)(transceiver)将接收器、发送器组合在一起，借助公用的电

19、将接收器、发送器组合在一起，借助公用的电路元件进行路元件进行发送和接收发送和接收信号的电子装置信号的电子装置现场总线系统中的网络节点一般均作为收发器现场总线系统中的网络节点一般均作为收发器数据通信设备数据通信设备DCEDCE（Data Communication Data Communication Equipment)Equipment)将将数据转换为对应的通信信号数据转换为对应的通信信号并发送到传输介并发送到传输介质上的电路设备，以及把从传输介质上接收到质上的电路设备，以及把从传输介质上接收到的的通信信号转换为数据通信信号转换为数据的电路设备。的电路设备。如调制解调器、电缆驱动器、多路复用

20、输出器如调制解调器、电缆驱动器、多路复用输出器数据终端设备数据终端设备DTE(Data Terminal DTE(Data Terminal Equipment)Equipment)产生数据的数据源设备或数据用户设备产生数据的数据源设备或数据用户设备DTE一般与通信信号的调制、编码无关，也不一般与通信信号的调制、编码无关，也不直接连接在传输介质上。直接连接在传输介质上。通信设备通信设备 现场设备现场设备现场设备现场设备 (Fieldbus device)(Fieldbus device)(Fieldbus device)(Fieldbus device)泛指连接在现场总线上的通信实体与控制设备

21、泛指连接在现场总线上的通信实体与控制设备既具备某种测量控制功能（既具备某种测量控制功能（DTEDTE），也具有数据通信），也具有数据通信的能力（的能力（DCEDCE）总线主设备总线主设备总线主设备总线主设备(bus master)(bus master)(bus master)(bus master)有能力有能力掌管总线通信权掌管总线通信权的设备叫做总线主设备的设备叫做总线主设备在一条总线段上可连接多个主设备在一条总线段上可连接多个主设备某一时刻，一条总线段上只能有一个主设备执行其某一时刻，一条总线段上只能有一个主设备执行其主设备的功能主设备的功能总线从设备总线从设备总线从设备总线从设备(bu

22、s slaver)(bus slaver)(bus slaver)(bus slaver)没有能力对总线主动发起通信没有能力对总线主动发起通信，只能接收总线信号、，只能接收总线信号、对查询作出相应响应的设备称为总线从设备。对查询作出相应响应的设备称为总线从设备。从设备也被称之为基本设备从设备也被称之为基本设备通信设备通信设备 终端器（终端器（terminatorterminator）在网段两端连接成对线缆导体的终点，用以在网段两端连接成对线缆导体的终点，用以防止发防止发生信号反射生信号反射的电子器件。的电子器件。不同类型现场总线终端器的结构和参数有所区别。不同类型现场总线终端器的结构和参数有所

23、区别。有的终端器只是一个电阻，有的终端器是电阻电容有的终端器只是一个电阻，有的终端器是电阻电容组合电路；其阻值应等于连接电缆的特征阻抗。组合电路；其阻值应等于连接电缆的特征阻抗。中继器中继器(repeater)(repeater)将输入端口接收到的通信信号在将输入端口接收到的通信信号在整形放大整形放大后，转发后，转发到输出端口下游节点的有源设备。到输出端口下游节点的有源设备。中继器可中继器可增加增加总线的总线的传输距离传输距离和和挂接挂接现场设备现场设备节点节点的数量的数量通信设备通信设备 报文与协议报文与协议报文（报文（messagemessage）泛指泛指通信过程中传送的信息通信过程中传送

24、的信息，包括文本、，包括文本、命令、参数值、图片、声音等命令、参数值、图片、声音等报文属于通信系统中的软件报文属于通信系统中的软件现场总线系统中的报文信息包括现场总线系统中的报文信息包括原始数原始数据、测控参数值、操作指令据、测控参数值、操作指令等等协议协议(protocol)(protocol)指一套事先约定好的、共同遵守的指一套事先约定好的、共同遵守的规约规约通信协议（通信协议（Communication ProtocolCommunication Protocol）规定通信报文内容、格式、次序安排、通信何规定通信报文内容、格式、次序安排、通信何时进行以及通信如何进行等内容的一组规则时进行

25、以及通信如何进行等内容的一组规则。参与通信的各方需要根据通信协议参与通信的各方需要根据通信协议控制控制数据通数据通信过程，信过程，理解理解通信报文中数据的含义通信报文中数据的含义总线协议总线协议(Bus Protocol)(Bus Protocol)总线上的现场设备如何使用总线的一整套规则总线上的现场设备如何使用总线的一整套规则是一套事先规定的、必须共同遵守的规约是一套事先规定的、必须共同遵守的规约报文与协议报文与协议 图图1.3 现场总线数据通信系统示例现场总线数据通信系统示例现场现场总线总线传感器总线、设备总线和现场总线传感器总线、设备总线和现场总线 传感器总线传感器总线传感器总线传感器总

26、线属于属于属于属于位位位位(Bit)(Bit)(Bit)(Bit)级级级级总线，其通信帧的长度只总线，其通信帧的长度只总线，其通信帧的长度只总线，其通信帧的长度只有几个数据位或十几位有几个数据位或十几位有几个数据位或十几位有几个数据位或十几位如如如如ASIASIASIASI（Actuator Sensor InterfaceActuator Sensor InterfaceActuator Sensor InterfaceActuator Sensor Interface）总线）总线）总线）总线设备总线设备总线设备总线设备总线属于属于属于属于字节字节字节字节(Byte)(Byte)(Byte)

27、(Byte)级级级级总线，其通信帧的长度总线，其通信帧的长度总线，其通信帧的长度总线，其通信帧的长度一般为几个到几十个字节一般为几个到几十个字节一般为几个到几十个字节一般为几个到几十个字节如如如如CANCANCANCAN（Control Area NetworkControl Area NetworkControl Area NetworkControl Area Network）总线）总线）总线）总线现场总线现场总线现场总线现场总线则属于则属于则属于则属于块块块块(Block)(Block)(Block)(Block)级级级级的总线的总线的总线的总线,其通信帧的长其通信帧的长其通信帧的长其通

28、信帧的长度可达到几百个字节，当要传输的数据块更长时，度可达到几百个字节，当要传输的数据块更长时，度可达到几百个字节，当要传输的数据块更长时，度可达到几百个字节，当要传输的数据块更长时，可支持分包传送。可支持分包传送。可支持分包传送。可支持分包传送。如如如如Foundation FieldbusFoundation FieldbusFoundation FieldbusFoundation Fieldbus、ControlnetControlnetControlnetControlnet、ProfibusProfibusProfibusProfibus传感器总线、设备总线可统称为现场总线传感器总

29、线、设备总线可统称为现场总线传感器总线、设备总线可统称为现场总线传感器总线、设备总线可统称为现场总线 现场总线网络化控制系统现场总线网络化控制系统图图1.4 单回路控制系统框图单回路控制系统框图Network-based control system图图1.5 控制系统组成环节之间的网络连接控制系统组成环节之间的网络连接 网络化连接网络化连接 传统控制系统的一对一连接传统控制系统的一对一连接 网络化连接网络化连接 图图1.6 网络化控制系统与传统控制网络化控制系统与传统控制系统的结构比较系统的结构比较1.1.5 1.1.5 早期的现场总线技术早期的现场总线技术 早期的现场总线（工业电话线），把

30、传感器、按钮、执行机构早期的现场总线（工业电话线），把传感器、按钮、执行机构等测量控制部件接到某种类型的控制器上，例如等测量控制部件接到某种类型的控制器上，例如PLCPLC或者是工或者是工业计算机。业计算机。对控制器的输入包括按钮、传感器、接触器的位置状态与对控制器的输入包括按钮、传感器、接触器的位置状态与数值，数值，控制器的输出用于驱动信号灯、接触器、开关、调节阀门控制器的输出用于驱动信号灯、接触器、开关、调节阀门等。等。第一个设备层现场总线：第一个设备层现场总线：上世纪上世纪7070年代，在年代，在PLCPLC出现的同时，出现的同时，Culter-HammerCulter-Hammer推出

31、了推出了第一个设备层现场总线系统。第一个设备层现场总线系统。早期早期早期早期(80(80(80(80年代年代年代年代)出现至今还在应用的几种现场总线出现至今还在应用的几种现场总线出现至今还在应用的几种现场总线出现至今还在应用的几种现场总线 General ElectricGeneral ElectricGeneral ElectricGeneral Electric的的的的Genius I/O;Genius I/O;Genius I/O;Genius I/O;PhoenixPhoenixPhoenixPhoenix的的的的Interbus;Interbus;Interbus;Interbus;

32、TURCKTURCKTURCKTURCK的的的的Senseplex;Senseplex;Senseplex;Senseplex;Process Data Process Data Process Data Process Data 的的的的PNETPNETPNETPNETGenius I/OGenius I/O 在在在在PLCPLCPLCPLC之间、之间、之间、之间、PLCPLCPLCPLC与人机界面之间传递数据与人机界面之间传递数据与人机界面之间传递数据与人机界面之间传递数据信息信息信息信息 令牌总线令牌总线令牌总线令牌总线,采用分支受限制的总线拓扑；采用分支受限制的总线拓扑；采用分支受限制

33、的总线拓扑；采用分支受限制的总线拓扑；网段节点数网段节点数网段节点数网段节点数32323232个；每个节点的输入、输出个；每个节点的输入、输出个；每个节点的输入、输出个；每个节点的输入、输出 均为均为均为均为1024102410241024位，位，位，位，传输距离约传输距离约传输距离约传输距离约1000100010001000米米米米/传输速率传输速率传输速率传输速率153.6K153.6K153.6K153.6K时时时时;2250;2250;2250;2250米米米米/传输速率传输速率传输速率传输速率38.4K38.4K38.4K38.4K时；时；时；时；屏蔽双绞线，光缆；屏蔽双绞线，光缆；

34、屏蔽双绞线，光缆；屏蔽双绞线，光缆；采用采用采用采用FSKFSKFSKFSK频移键控调制信号频移键控调制信号频移键控调制信号频移键控调制信号 InterbusInterbus在物理连接方式属于直线总线，数据传输在物理连接方式属于直线总线，数据传输属于数据环的方式属于数据环的方式总线最多带有总线最多带有6464个节点个节点,每个节点的输入、每个节点的输入、输出数据为输出数据为1616位位覆盖距离最远可达覆盖距离最远可达12.512.5公里公里典型传输速率为典型传输速率为500Kbps 500Kbps 物理信号连接遵循物理信号连接遵循EIAEIA485485标准标准采用采用单总帧结构单总帧结构,数

35、据帧中有效位的比率高数据帧中有效位的比率高SenseplexSenseplex最初用于德国科隆福特汽车公司机器人的焊接臂上。最初用于德国科隆福特汽车公司机器人的焊接臂上。最初用于德国科隆福特汽车公司机器人的焊接臂上。最初用于德国科隆福特汽车公司机器人的焊接臂上。工作环境靠近电磁场工作环境靠近电磁场工作环境靠近电磁场工作环境靠近电磁场,抗噪声抗噪声抗噪声抗噪声、抗电磁干扰抗电磁干扰抗电磁干扰抗电磁干扰方面的能方面的能方面的能方面的能力很强，在上述恶劣环境中的工作状态良好力很强，在上述恶劣环境中的工作状态良好力很强，在上述恶劣环境中的工作状态良好力很强，在上述恶劣环境中的工作状态良好 Sensep

36、lexSenseplexSenseplexSenseplex系统采用主从结构；系统采用主从结构；系统采用主从结构；系统采用主从结构；连接采用连接采用连接采用连接采用75757575欧姆同轴电缆；欧姆同轴电缆；欧姆同轴电缆；欧姆同轴电缆；使用使用使用使用FSKFSKFSKFSK频移键控调制信号；频移键控调制信号；频移键控调制信号；频移键控调制信号；采用总线拓扑，支持总线供电和本质安全采用总线拓扑，支持总线供电和本质安全采用总线拓扑，支持总线供电和本质安全采用总线拓扑，支持总线供电和本质安全;节点总数为节点总数为节点总数为节点总数为32/64/12032/64/12032/64/12032/64/

37、120个个个个每个节点的数据输入、输出位均为每个节点的数据输入、输出位均为每个节点的数据输入、输出位均为每个节点的数据输入、输出位均为8 8 8 8位。位。位。位。主节点与最远从节点之间的距离为主节点与最远从节点之间的距离为主节点与最远从节点之间的距离为主节点与最远从节点之间的距离为200200200200米，使用中继米，使用中继米，使用中继米，使用中继器可使该距离增加至器可使该距离增加至器可使该距离增加至器可使该距离增加至400400400400米。米。米。米。传输速度为传输速度为传输速度为传输速度为187K187K187K187KP-NetP-Net用于动物饲养系统，奶制品厂，啤酒厂，农用

38、于动物饲养系统，奶制品厂，啤酒厂，农业环境控制等业环境控制等可以形成网络结构较为复杂的系统可以形成网络结构较为复杂的系统EIA-485EIA-485标准，屏蔽双铰线标准，屏蔽双铰线传输速率为传输速率为76.8Kbps76.8Kbps最大传输距离为最大传输距离为1200m1200m每段最多可以连接每段最多可以连接125125个设备。个设备。每帧数据为每帧数据为5656位当数据大于位当数据大于5656位时位时P-NetP-Net采用分段结构的采用分段结构的多主多主网络系统网络系统,网络中网络中可以连接多至可以连接多至3232个主节点。个主节点。图图1.7 P-Net1.7 P-Net多主网络系统多

39、主网络系统 小小 结结从早期总线技术可以看出工业数据通信与控制网络的特点。从早期总线技术可以看出工业数据通信与控制网络的特点。它在网络结构、节点种类、通信帧的长度、所处的工作它在网络结构、节点种类、通信帧的长度、所处的工作环境、各种通信技术参数、需要考虑解决的问题等方面，环境、各种通信技术参数、需要考虑解决的问题等方面，都具有区别于话音通信、计算机通信系统的显著特征。都具有区别于话音通信、计算机通信系统的显著特征。早期总线技术的缺点早期总线技术的缺点大多是专有通信技术，自成系统，不具备开放性。不同大多是专有通信技术，自成系统，不具备开放性。不同生产厂商的产品之间不能相互通信，通信帧一般较短生产

40、厂商的产品之间不能相互通信，通信帧一般较短 开放总线的典型范例开放总线的典型范例CANCAN有公开统一的技术规范有公开统一的技术规范多个芯片制造商：多个芯片制造商：MotorolaMotorola、Intel Intel、PhilipsPhilips、HitachiHitachi开放性促进了该技术的发展与推广应用开放性促进了该技术的发展与推广应用 新型控制系统结构新型控制系统结构 网络化控制系统网络化控制系统 控制系统的结构变迁控制系统的结构变迁 基地式气动仪表控制系统基地式气动仪表控制系统 电动单元组合式模拟仪表控制系统电动单元组合式模拟仪表控制系统集中式数字控制系统集中式数字控制系统 集散

41、控制系统集散控制系统 DCS DCS网络化现场控制系统网络化现场控制系统FCSFCS网络化控制系统的特点网络化控制系统的特点 结构上形成设备的网络式连接结构上形成设备的网络式连接节省大量线缆、槽架、连接件；节省大量线缆、槽架、连接件；连线设计与接头校对的工作量也大大减少连线设计与接头校对的工作量也大大减少 增加现场控制设备无需增设新的电缆增加现场控制设备无需增设新的电缆实现了工业数据的网络式远程传输与集中管理，实现了工业数据的网络式远程传输与集中管理，扩大了操作人员的视野扩大了操作人员的视野，为远程监视与操作提供，为远程监视与操作提供了基础条件了基础条件无人值守机站无人值守机站 将控制功能模块

42、置入现场设备，实现了全分布式将控制功能模块置入现场设备，实现了全分布式控制系统控制系统支持总线供电支持总线供电为自动化系统与其它信息系统的沟通，为实现企为自动化系统与其它信息系统的沟通，为实现企业的管理控制一体化创造了条件业的管理控制一体化创造了条件网络集成式控制系统网络集成式控制系统扩大了操作视野扩大了操作视野传统传统 4-20 mA只能看到只能看到 I/O 子系统子系统现场总线现场总线视野可以扩展到现场仪表视野可以扩展到现场仪表控制器控制器控制系统网络控制系统网络现场总线现场总线远程输入远程输入/输出输出子系统子系统控制器控制器控制系统网络控制系统网络网络化、全分布式控制系统网络化、全分布

43、式控制系统控制系统对网络的要求控制系统对网络的要求 开放性、互可操作性、通信的实时性、对环境的适开放性、互可操作性、通信的实时性、对环境的适开放性、互可操作性、通信的实时性、对环境的适开放性、互可操作性、通信的实时性、对环境的适应性应性应性应性 开放性：开放性：开放性：开放性：通信协议公开，能与任一遵守相同标准的其它通信协议公开，能与任一遵守相同标准的其它通信协议公开，能与任一遵守相同标准的其它通信协议公开，能与任一遵守相同标准的其它厂商设备互连为系统厂商设备互连为系统厂商设备互连为系统厂商设备互连为系统互可操作性：互可操作性：互可操作性：互可操作性：互连设备间的信息传送与沟通；互连设备间的信

44、息传送与沟通；互连设备间的信息传送与沟通；互连设备间的信息传送与沟通；互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换通信的实时性：通信的实时性：通信的实时性：通信的实时性：具有具有具有具有严格的时序和定时要求严格的时序和定时要求严格的时序和定时要求严格的时序和定时要求 达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的动

45、作时序，甚至会造成灾难性的后果。点间的动作时序，甚至会造成灾难性的后果。点间的动作时序，甚至会造成灾难性的后果。点间的动作时序，甚至会造成灾难性的后果。环境适应性环境适应性环境适应性环境适应性 在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下能正常工作，能抗在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下能正常工作，能抗在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下能正常工作，能抗在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下能正常工作，能抗震动、抗电磁干扰、在易燃易爆环境下能保证本质安震动、抗电磁干扰、在易燃易爆环境下能保证本质安震动、抗电磁干扰、在易燃易爆环境下能保证本质安震动、抗电磁干扰、在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力支持总线供电等全，有能力支持

46、总线供电等全，有能力支持总线供电等全，有能力支持总线供电等 1.2 1.2 现场总线系统的特点现场总线系统的特点总线式连接总线式连接结构特点结构特点开放性开放性互可操作性互可操作性通信的确定性与实时性通信的确定性与实时性环境适应性环境适应性数字与智能化（现场设备的智能与功能数字与智能化（现场设备的智能与功能自治性）自治性）技术技术特点特点控制网络在企业网络系统中的地位与作控制网络在企业网络系统中的地位与作用用控制网络控制网络面临的问题面临的问题控制网络与上层网络的连接方式控制网络与上层网络的连接方式1.3 1.3 以现场总线为基础的企业网络系统以现场总线为基础的企业网络系统控制网络在企业网络系

47、统中的地位与作用控制网络在企业网络系统中的地位与作用 企业网络系统的层次结构企业网络系统的层次结构企业网络系统的层次结构企业网络系统的层次结构 Internet-Intranet-InfranetInternet-Intranet-InfranetInternet-Intranet-InfranetInternet-Intranet-Infranet的网络结构的网络结构的网络结构的网络结构互联网企业内部互联网底层控制网互联网企业内部互联网底层控制网互联网企业内部互联网底层控制网互联网企业内部互联网底层控制网 功能层次功能层次功能层次功能层次企业资源规划层企业资源规划层企业资源规划层企业资源规划

48、层ERPERPERPERP（Enterprise Resource Enterprise Resource Enterprise Resource Enterprise Resource PlanningPlanningPlanningPlanning）制造执行层制造执行层制造执行层制造执行层MESMESMESMES（Manufacturing Execution Manufacturing Execution Manufacturing Execution Manufacturing Execution SystemSystemSystemSystem）现场控制层现场控制层现场控制层现场控制

49、层FCSFCSFCSFCS（Field Control SystemField Control SystemField Control SystemField Control System）信息类型：运行参数的测量值、控制量、阀门的工作信息类型：运行参数的测量值、控制量、阀门的工作信息类型：运行参数的测量值、控制量、阀门的工作信息类型：运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、位置、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、位置、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、位置、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点量程调校信

50、息等系统组态、参数修改、零点量程调校信息等系统组态、参数修改、零点量程调校信息等系统组态、参数修改、零点量程调校信息等。图图1.8 以现场总线为基础的企业网络系统示意图以现场总线为基础的企业网络系统示意图企业网络系统的层次结构企业网络系统的层次结构图图1.9 企业网络系统各功能层次企业网络系统各功能层次信息传递示意图信息传递示意图现场控制层面临的问题控制网络种类繁多，形形色色的现场总控制网络种类繁多，形形色色的现场总线再加上线再加上DCSDCS、PLCPLC、SCADASCADA等等网络内部的通信一致性差，个异性强网络内部的通信一致性差，个异性强控制网络与信息网络存在较大差异控制网络与信息网络

51、存在较大差异通信协议，网络节点类型等有较大差异通信协议，网络节点类型等有较大差异控制网络与信息网络实现信息交换有难度控制网络与信息网络实现信息交换有难度实时性、环境适应性方面还面临许多问题实时性、环境适应性方面还面临许多问题需要解决需要解决控制网络与上层网络的连接方式控制网络与上层网络的连接方式 采用采用专用网关专用网关完成不同通信协议的转换，把控完成不同通信协议的转换，把控制网段或制网段或DCSDCS连接到以太网上连接到以太网上 将将现场总线网卡和以太网卡现场总线网卡和以太网卡都置入工业都置入工业PCPC机的机的PCIPCI插槽内，在插槽内，在PCPC机内完成数据交换。实现控制机内完成数据交

52、换。实现控制网段与上层网络的连接网段与上层网络的连接将将WEBWEB服务器服务器直接置入直接置入PLCPLC或现场控制设备内，或现场控制设备内，借助借助WEBWEB服务器和通用浏览工具，实现数据信息服务器和通用浏览工具，实现数据信息的动态交互的动态交互 通过网关连接控制网段与上层网络 采用采用PCIPCI卡连接控制网段与上层网络卡连接控制网段与上层网络 1.4 1.4 现场总线技术的标准化现场总线技术的标准化现场总线的百花齐放与兴盛发展现场总线的百花齐放与兴盛发展各种总线一百多种，其中宣称为各种总线一百多种，其中宣称为开放型总线的就有开放型总线的就有4040多种多种 欧洲、北美、亚洲的许多国家

53、都欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究开发投入巨额资金与人力进行研究开发形成了各式各样的企业、国家、形成了各式各样的企业、国家、地区、及国际现场总线标准地区、及国际现场总线标准1.4 1.4 现场总线技术的标准化现场总线技术的标准化现场总线组织现场总线组织现场总线基金会（现场总线基金会（Fieldbus Fieldbus FoundationFoundation）LonMarkLonMark协会协会,ProfibusProfibus协会，协会，工业以太网协会工业以太网协会IEAIEA（Industrial Industrial Ethernet AssociationEthe

54、rnet Association），），工业自动化开放网络联盟工业自动化开放网络联盟IAONAIAONA（Industrial Automation Open Network Industrial Automation Open Network AllianceAlliance）Society of Automotive Engineers Society of Automotive Engineers Inc.Inc.（SAESAE）现场总线国际标准化组织及标准化进程现场总线国际标准化组织及标准化进程现场总线国际标准化组织及标准化进程现场总线国际标准化组织及标准化进程IEC/TC65IEC/

55、TC65IEC/TC65IEC/TC65 负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作 于于于于1984198419841984年就开始着手总线标准的制定，致力于推年就开始着手总线标准的制定，致力于推年就开始着手总线标准的制定，致力于推年就开始着手总线标准的制定，致力于推出世界上单一的现场总线标准，于出世界上单一的现场总线标准，于出世界上单一的现场总线标准，于出世界上单一的现场总线标准，于1993199319931993年制定了年制定了年制定了年制定了IEC61158-2IEC6

56、1158-2IEC61158-2IEC61158-2 历经波及全球的现场总线标准大战，历经波及全球的现场总线标准大战，历经波及全球的现场总线标准大战，历经波及全球的现场总线标准大战，16161616年的艰难年的艰难年的艰难年的艰难历程后，于历程后，于历程后，于历程后，于2000200020002000年初宣布年初宣布年初宣布年初宣布8 8 8 8种现场总线共同构成种现场总线共同构成种现场总线共同构成种现场总线共同构成IECIECIECIEC现场总线国际标准子集现场总线国际标准子集现场总线国际标准子集现场总线国际标准子集IEC 61158IEC 61158IEC 61158IEC 61158；C

57、ontrolNetControlNetControlNetControlNet；ProfibusProfibusProfibusProfibus；P-NetP-NetP-NetP-Net；High Speed EthernetHigh Speed EthernetHigh Speed EthernetHigh Speed Ethernet；Newcomer Newcomer Newcomer Newcomer SwiftNetSwiftNetSwiftNetSwiftNet；WorldFIPWorldFIPWorldFIPWorldFIP；Interbus-SInterbus-SInterbu

58、s-SInterbus-S 以后该标准又增加为以后该标准又增加为以后该标准又增加为以后该标准又增加为10101010种，种，种，种，13131313种种种种 实时以太网在没有形成正式标准之前已有实时以太网在没有形成正式标准之前已有实时以太网在没有形成正式标准之前已有实时以太网在没有形成正式标准之前已有14141414个子个子个子个子集集集集IEC/17BIEC/17B负责制定低压开关装置与控制装置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用控制设备之间的接口标准已通过的标准已通过的标准IEC62026IEC62026，包括，包括第第2 2部分部分ASIASI第第3 3部分部分 De

59、viceNet DeviceNet；第第4 4部分智能分布式系统部分智能分布式系统SDSSDS（Smart Distributed Smart Distributed SystemSystem）;第第5 5部分部分Senseplex Senseplex ISOISO最早成为现场总线国际标准的最早成为现场总线国际标准的CANCAN（ISO11898ISO11898）其它有实力、有发展前景的控制网络技术其它有实力、有发展前景的控制网络技术LonWorks;HARTLonWorks;HART；ModbusModbus；CC-Link;CC-Link;蓝牙蓝牙无线；无线；ZigbeeZigbee；消费

60、电子总线；消费电子总线;光总线等光总线等每种总线技术都具有自己的特点与优势每种总线技术都具有自己的特点与优势多种总线并存为用户带来了诸多不便，但多种总线并存为用户带来了诸多不便，但却促成了控制网络技术的多姿多彩却促成了控制网络技术的多姿多彩 本门课程涉及多种总线技术，有助于拓宽通本门课程涉及多种总线技术，有助于拓宽通信与网络方面的知识面信与网络方面的知识面课程的教学环节课程的教学环节讲课、自学、讨论、实验、通信规范的翻译理解讲课、自学、讨论、实验、通信规范的翻译理解讲课、自学、讨论、实验、通信规范的翻译理解讲课、自学、讨论、实验、通信规范的翻译理解讲课介绍网络与通信基础、现场总线的技术特点、讲

61、课介绍网络与通信基础、现场总线的技术特点、讲课介绍网络与通信基础、现场总线的技术特点、讲课介绍网络与通信基础、现场总线的技术特点、应用系统应用系统应用系统应用系统开设开设开设开设PROFIBUSPROFIBUSPROFIBUSPROFIBUS、工业以太网、组网通信等实验、工业以太网、组网通信等实验、工业以太网、组网通信等实验、工业以太网、组网通信等实验IEEE802.15.4IEEE802.15.4IEEE802.15.4IEEE802.15.4无线个人局域网标准无线个人局域网标准无线个人局域网标准无线个人局域网标准课程几个教学环节考查结果的综合课程几个教学环节考查结果的综合作业：作业：1 1

62、、名词解释：现场总线、现场总线技术、现、名词解释：现场总线、现场总线技术、现场总线系统、网络化控制系统、全分布式控场总线系统、网络化控制系统、全分布式控制系统、数据终端设备、数据通信设备。制系统、数据终端设备、数据通信设备。2 2、现场总线系统具有哪些特点？、现场总线系统具有哪些特点？3 3、指出企业网络的层次与各层功能。、指出企业网络的层次与各层功能。4 4、现场总线之间采用网络连接具有哪些优势、现场总线之间采用网络连接具有哪些优势?5 5、什么是终端器、中继器？它们在现场总线、什么是终端器、中继器？它们在现场总线系统中各起何作用？系统中各起何作用？6 6、什么是通信确定性？为什么要求现场总线、什么是通信确定性？为什么要求现场总线系统具有通信确定性？系统具有通信确定性？结束结束