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第四章 现场总线技术 谈英姿 东南大学自控系工业自动化教研室
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内容题要 概述 现场总线标准化的发展现状 现场总线的标准化 几种流行的现场总线技术 现场总线发展展望
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概述 什么是现场总线 现场总线的结构特点 现场总线的技术特征 现场总线的分类
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什么是现场总线 根据国际电工委员会ＩＥＣ61158标准定义,现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线. 现场总线是用于现场仪表与控制室系统之间的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统。 现场总线控制系统是建立在现场总线技术基础上的网络结构扁平化，具有开放性、可互操作性、常规控制功能彻底分散、有统一的控制策略组态方法的新一代的分散型控制系统。 现场总线是通信总线在现场设备中的延伸，允许将各种现场设备，如变送器、调节阀、基地式控制器、记录仪、显示器、PLC及手持终端和控制系统之间，通过同一总线进行双向多变量数字通讯。
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现场总线的结构特点 现场总线模型结构 现场总线系统结构类型
一般的现场总线网络只采用三层：物理层、数据链路层、网络层；最简单的只有前两层，复杂一点的外加一个应用层。 现场总线系统结构类型 主从型； C/S型 环型 通信型 物理层：该层规定了现场总线的传输介质、传输速率、每条线路可接仪表数量、最大传输距离、电源、连接方式及信号类型等。 数据链路层：该层规定了物理层和应用层间的接口，其中包括：数据结构、传输差错控制、多主站使用的规范化等。该层将通过帧数据检验保证信息传输的正确性及完整性。 应用层：它向用户提供了一个简单的接口，其中定义了读、写、解释或执行一个信息或一条命令的方法。其中很大部分是定义信息的语法。此外，应用层还定义了信息传输的方式，如：周期式、立即响应式、一次性方式及使用者请求方式等。 用户层：该层定义了过程控制的基本内容。其中，包括现场总线内部信息的存取方法及信息在网内同一节点或不同节点的其它设备间的传送方法。现场总线结构的基础是功能块，由各功能块完成数据采集、控制或输出。每个功能块都包含一个算法功能和运算中所需的数据库以及由用户定义的该功能块的唯一标识符。
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现场总线的技术特征 功能上管理集中，控制分散； 结构上横向分散、纵向分级； 快速实时响应能力； 互操作性； 高可靠性；
① 数字信号完全取代4～20mA模拟信号； ② 使基本过程控制、报警和计算功能等完全分布在现场完成； ③ 使设备增加非控制信息，如自诊断信息、组态信息以及补偿信息等，提高设备的智能化； ④ 实现现场管理和控制的统一； ⑤ 真正实现系统开放性、互操作性。
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快速实时响应能力 快速实时响应能力的要求 传输速率不高于1Mbps 响应时间为0.01－0.5s 具有处理随机事件的能力 提高实时性的措施
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高可靠性 硬件严格筛选； 软件简单易用； 在线快速排除故障； 独立的局部数据库； 容错技术和冗余技术
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现场总线的分类 按照与其传送的平均数据分组（data packet）长度相关的复杂程度分，现场总线又可分为四类：
传感器层：信息量小、响应快、位传输 设备层：可靠性高、响应快、字节传输 控制层：信息量大、可靠性高、信息传输 信息层：信息量大、集成度高、文件传输 位级（bit-level）总线或称为位式传感器—执行器总线：用于简单I／O，满足开／关和传感器／执行器需要的基本数据的高速总线。 字节级（byte-level）总线或设备总线：满足智能型离散设备,如PLS和以微处理器为基础的离散现场设备先进通信要求的总线。 数据流级（block-level）总线或称为现场总线：对速度要求较低而对过程信息通信量要求较高的连续过程的测量与控制用的总线
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现场总线标准化的发展现状 现场总线国际标准化体系结构 现场总线系统安全规范 “本安”的概念 功能块与设备描述规范
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现场总线国际标准化体系结构
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现场总线国际标准协议IEC62026 低压开关设备和控制设备技术委员会
第1部分：一般要求 第2部分：执行/传感器接口AS－I 第3部分：电器设备网络DeviceNet 第4部分：LonTalk（已取消） 第5部分：智能化分布系统SDS 第6部分：串行多路控制总线SMCB
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现场总线系统安全规范
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功能块与设备描述规范 现场设备信息格式及功能描述规范称为”行规”(Profile), 行规可有效实现各种现场设备应用层互联。 功能块的应用
功能块的结构
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现场总线的标准化 现场总线标准化情况——多标准并存
现场总线国际标准IEC61158中采用的8种类型，以及其他一些现场总线，如Lonworks等，将在今后一段时间内共同发展，并相互竞争相互取长补短。此外；国际跨国公司除了从事他们所支持的现场总线技术的研究与开发，还兼顾其他总线的应用。 在IEC制订现场总线标准的同时，各国、跨国大公司也在积极开发现场总线，一些国家或行业的标准和实际所占有的市场都走在了前面，这一方面反映了各自的利益，也反映了各行业的特殊性，IEC原设想的现场总线基金会虽然代表了100多个公司，其开发的基金会现场总线，并不能满足各行业的要求，而且要满足过程工业的要求，也还有一个完善的过程，
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现场总线标准 FF ControlNet Profibus P-NET FFHSE SwiftNet WorldFIP INTERBUS
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FFHSE 支持单位:现场总线基金会(Fisher-Rosemount等100多家公司)。
准:IEC61158;IEC61784;IEC ;IEEE80和RFC894的工业标准以太网;IETF(互联网管理任务要点)。 应用领域:流程工业及其它工业控制。 使用情况:艾默生等公司(4家)已有产品通过注册。
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主要性能特点 ·IEC支持，开放性好，可互操作性好; ·使用工业级的以太网、集线器、交换机等设备;
·网络层使用IP行规，传输层使用TCP、VDP(用户数据报协议，即为IEIF标准下768项协议)行规; ·作为FCS的主干网络，可局域网冗余，设备冗余。
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FF 支持单位:现场总线基金会(Fisher-Rosemount等100多家公司)。 标准:IEC61158;IEC61784。
应用领域:流程工业及其它工业控制。 使用情况:已有试点工程投入运行。 多家生产各种有FFH1接口的产品，可以满足系统集成要求。
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FF主要性能特点 ·IEC支持，开放性好，可互操作性好; ·多种传输介质; ·传输速率31.25kbit/s; ·支持本质安全防爆;
·有数据链路网桥连接与HSE相连。
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Profibus Profibus-DP Profibus-PA Profibus-FMS
Profibus-DP支持单位:西门子公司Profibus国际组织(PI)，我国有用户组织或专业委员会(CPO)。标准:IEC61158; IEC61784;DIN19245;EN50170 。 主要性能特点: ·传输速率范围很广，可高速数据通信9.6Kbit/s~12Mbit/s ·传输介质:RS-485技术双绞屏蔽铜电缆和光纤传输;应用领域:工厂自动化和楼宇自动化。使用情况:应用很广，已有250家生产厂商2000多种产品，已安装25万节点。 b) Profibus-PA 支持单位:西门子公司Profibus国际组织(PI)，我国有用户组织或专业委员会(CPO)。标准:IEC61158; IEC61784;DIN19245;EN50170。 ·用于连接现场仪表，可本质安全防爆; ·可通过耦合器与Profibus-DP相连;应用领域:流程工业。使用情况:应用很广，已有250家生产厂商2000多种产品，已安装25万节点。 c) Profibus-FMS支持单位:西门子公司Profibus国际组织(PI)，我国有用户组织或专业委员会(CPO)。标准:IEC61158; IEC61784;DIN19245;EN50170。 ·为单元层和现场层的数据通信，为多功能通信; ·可与Profibus-DP在同一总线上传输信息。应用领域:工厂级或车间级的通信。 使用情况:应用很广，已有250家生产厂商2000多种产品，已安装25万节点。 d)Profinet(见IEC61784行规3/3)(4)
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Profibus-DP Profibus-DP支持单位:西门子公司Profibus国际组织(PI)，我国有用户组织或专业委员会(CPO)。
标准:IEC61158; IEC61784; DIN19245;EN50170 。 应用领域:工厂自动化和楼宇自动化。 使用情况:应用很广，已有250家生产厂商2000多种产品，已安装25万节点。
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Profibus-DP主要性能特点 ·传输速率范围很广，可高速数据通信9.6Kbit/s~12Mbit/s
·传输介质:RS-485技术双绞屏蔽铜电缆和光纤传输;
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Profibus-PA Profibus-PA
支持单位:西门子公司Profibus国际组织(PI)，我国有用户组织或专业委员会(CPO)。标准:IEC61158; IEC61784;DIN19245;EN50170。 应用领域:流程工业。 使用情况:应用很广，已有250家生产厂商2000多种产品，已安装25万节点。
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Profibus-PA主要性能特点 ·用于连接现场仪表，可本质安全防爆; ·可通过耦合器与Profibus-DP相连;
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Profibus-FMS Profibus-FMS支持单位:西门子公司Profibus国际组织(PI)，我国有用户组织或专业委员会(CPO)。 标准:IEC61158; IEC61784; DIN19245;EN50170。 使用情况:应用很广，已有250家生产厂商2000多种产品，已安装25万节点。
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Profibus-FMS主要性能特点 ·为单元层和现场层的数据通信，为多功能通信;
·可与Profibus-DP在同一总线上传输信息。应用领域:工厂级或车间级的通信。
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WorldFIP WorldFIP世界工厂仪表协议支持单位:法国Alstom公司(原Honeywell公司为北美参加单位，后与FF合并)。标准:IEC61158;IEC61784;EN50170(FIP为法国国家标准)。 应用领域:电力工业、铁路交通、工业控制、楼宇自动化。 使用情况:应用较广，已有400多种产品。
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主要性能特点 ·实时工业控制网络; ·通信速率:31.25Kbit/s,1Mbit/s, 2.5Mbit/s,25Mbit/s;
·传输介质:屏蔽双绞线、光纤; ·层次清晰、简洁高效，控制信息和非控制信息互不干扰，时空一致，确保同步
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P-NET 支持单位:丹麦Proces-Data公司。 标准:IEC61158;IEC61784;EN50179。
应用领域:奶制品厂、啤酒厂、农业环境控制、动物饲养系统、沥青和水泥生产、纺织工业、太阳能电站、燃料管理系统。 使用情况:应用历史较长，在食品工业和农业、养猪自动化方面，欧洲市场占有率高。
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P-NET主要性能特点 ·使用屏蔽双绞线电缆(RS485)，总线分段结构，每段长1200m;
·通信速率:76.8kbit/s;·结构简单灵活，易于扩展，不采用专用芯片。
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SwiftNet SwiftNet得到美国波音公司支持。SwiftNet现场总线是一种结构简单、实时性强的总线，协议仅包括物理层和数据链路层，在标准中没有定义应用层。
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INTERBUS 支持单位:PhoenixContact公司、INTERBUS用户协会和行业标准化协会(INTERBUS-CLUB)
标准:IEC61158;IEC61784; EN50254;DIN19258。 应用领域:工业控制，用于PLC、IPC等现场设备的连接。汽车制造、生产线、食品工业、煤矿输送线、合成纤维、自来水厂。 使用情况:应用很广，1000多家生产厂家，2500多种产品，已有450万节点50万系统应用实绩。
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INTERBUS主要性能特点 ·环型拓扑网络，通过总线控制板引出主干线外，并具有165分支层;
·传输媒介:铜导线、光导传输、其他传输(红外、高频电环式); ·传输速率:500kbit/s(标准)、125kbit/s(特殊用途)、2Mbit/s(2001年后应用); ·端子连接部分结构有特色。
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几种流行的现场总线技术 基金会现场总线FF Profibus现场总线 HART通信协议 CAN总线
DeviceNet－ControlNet系统
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现场总线发展展望 现场总线国际标准 真正的统一？ 现场总线技术和工业以太网的结合 未来的网络？
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