工业控制网络

工业控制网络（现场总线）主讲教师：葛广军1.什么是工业控制网络（现场总线）？2.学习本门课程的主要目的是什么？3.学习本门课程都需要具备哪些基础？4.本门课程将主要讲述哪些内容？问题：电子技术（模拟电子技术和数字电子技术）单片机/微处理器/微控制器/ARM（嵌入式系统）、CPLD/FPGA、DSP技术数据通信与计算机网络学习本门课程需具备的基础了解现场总线，熟悉其特点、优点组建一个具体的现场总线网络（系统）时，知道如何选用现场总线现场总线通信接口及其节点促进现场总线技术在我国的应用与发展学习本门课程的主要目的绪论数据通信与计算机网络基础CAN总线ProfiBus总线其他现场总线简介及现场总线发展趋势介绍本门课程的主要内容《现场总线工业控制网络技术》夏继强等，北航出版社，2005.5《现场总线控制网络技术》雷霖，电子工业出版社，2004.4《现场总线技术及其应用》阳宪惠，清华大学出版社，2008《集散控制与现场总线》刘国海，机械工业出版社， 2006《现场总线技术及其应用》甘永梅等，机械工业出版，2004.5《现场总线技术应用选编》(上下册)邬宽明，北航出版社，2003.1参考书目：1.1工业控制网络的特点1.2典型控制网络体系结构1.3工业控制系统的发展历程1.4现场总线的概念1.5现场总线系统的组成与体系结构1.6现场总线的技术特点及优缺点1.7网络布线与安装1.8现场总线标准1.9现场总线应用领域第1章绪论现场总线定义原本是指现场设备之间的公用信号传输线；后来被定义为应用在生产现场，在测量设备之间实现双向串行多节点数字通信技术1.1工业控制网络的特点工业控制网络指以具有通信能力的传感器、执行器、测控仪表作为网络节点、以现场总线作为通信介质，连接成开放式、数字化、多节点通信，从而完成测量控制任务的网络。工业控制网络是应用于企业信息系统现场控制层和过程监控层的网络通信技术，属于一种特殊类型的计算机网络。工业控制网络特别强调数据传输的完整性、可靠性和实时性。1.1工业控制网络的特点作为普通计算机网络节点的PC或其他种类的计算机、工作站，都可以成为工业控制网络的节点。但工业控制网络的节点大都是具有计算与通信能力的测量控制设备。它们可能具有嵌入式CPU，但功能比较单一，其计算或其他能力通常远不及普通PC，也没有键盘、显示器等人机交互接口；有的甚至不带CPU、单片机，而只有简单的通信接口。具有通信能力的以下设备都可以成为控制网络的节点成员：1.1工业控制网络的特点限位开关、感应开关等各类开关条形码阅读器光电传感器温度、压力、流量、物位等各种传感器、变送器可编程控制器PLCPID等数字控制器各种数据采集装置作为监视操作设备的监控计算机、工作站及其外设各种调节阀马达控制设备变频器机器人作为控制网络连接设备的中继器、网桥、网关等1.2典型控制网络体系结构工业控制网络的基本层次◆信息层★控制系统的最上层★通信的主要特点：通信数据量大，通信的发生较为集中，要求有高速链路支持，对实时性要求不高★通信范围从车间级到全厂级甚至因特网范围，与数据库技术、互联网技术、数据分析和处理技术紧密关联★可连接的设备包括控制器、PC、操作员站、高速I/O、其它局域网设备，通过网关设备可以连接入因特网1.2典型控制网络体系结构◆控制层★处于控制的中间层次★连接不同的可编程设备、控制器、人机终端等，通过网关设备与信息层相连，很多应用实时性要求较高，包括I/O的实时刷新、互锁信息和控制器等之间报文的报文传递等★通信特点是要求有较高的网络速率，实时性要求高的情况下要求通信是确定的、可重复的1.2典型控制网络体系结构◆设备层★控制网络的最底层★面向大量的现场设备，包括离散型的I/O（光电传感器、接近开关等），温度变送器、流量计等较为复杂的设备，通过扫描器或网关设备将数据传送到控制层★通信特点是速度要求不一定很高，有一定的智能和容错能力，要求网络节点设备的经济性、智能化，设备添加/删除简单方便，故障诊断和纠错容易，适应现场的不同恶劣条件1.2典型控制网络体系结构1.3工业控制系统的发展历程工业控制系统的发展经历了以下5个阶段：气动信号控制系统（PneumaticControlSystem，PCS）人工控制阶段，使用3～5psi（压力单位，每平方英寸几磅）的标准气动信号，操作人员通过对生产现场的巡视来了解生产过程，并在现场直接把被控对象的参数调整在预定值上。缺点：仪表信号不能传送给别的仪表或系统年代：20世纪50年代以前电动信号模拟控制系统使用0.002-0.01MPa的气压信号，4-20mA电流模拟信号或1-5V直流电压信号等模拟信号向集中控制室传输信号，为模拟式电子仪表与电动组合的自动控制系统缺点：线缆较多，信号变化缓慢，信号传输的抗干扰能力差年代：20世纪50年代1.3工业控制系统的发展历程集中式数字控制系统经历了直接数字控制、集中型计算机控制和分层计算机控制三个发展阶段，开始用数字信号代替模拟信号，并且企图用一台计算机取代控制室的几乎所有仪表盘。年代：20世纪60年代特点：控制集中，危险集中，因此对中央控制计算机要求高，一旦计算机出现某种故障，就会造成所有控制回路瘫痪、生产停产的严重局面。1.3工业控制系统的发展历程DCS（DistributedControlSystem）集散控制系统/分散控制系统/分布式控制系统把当时的微处理器、计算机数字通信等技术应用到工业控制领域，分为过程控制级、控制管理级和生产管理级，把控制功能分散到若干台控制站，在监控操作站进行集中监控操作。年代：20世纪70年代中期特点：充分体现了管理的集中性和控制的分散性，但不同厂家的设备不能互连在一起，互换和互操作性较差，难以组成大范围信息共享的网络系统。1.3工业控制系统的发展历程FCS（FieldbusControlSystem）现场总线控制系统代表工业自动化控制发展的最新阶段，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系：向下深入到现场的每一台仪表与执行结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能；向上连接到生产管理、企业经营的方方面面，为企业提供全面的解决。年代：20世纪80年代中后期特点：使模拟和数字混合控制系统最终转变为全数字控制系统。1.3工业控制系统的发展历程在企业网络中的地位：处于企业网络的底层，是构成企业网络的基础。在企业网络中的作用：主要是为自动化系统传递数字信息（包括生产运行参数的测量值、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、系统组态、参数修改、零点量值调校信息等），借助现场总线把控制设备连接成控制系统。简言之，现场总线系统在实施生产过程控制、为企业网络提供、传输、集成生产数据方面，发挥着重要作用。工业控制系统的发展过程具有以下特点：计算机技术在工业控制系统中起到越来越重要的作用信息的集成度越来越高控制功能越来越“接近”现场现场仪表的测控能力越来越强1.3工业控制系统的发展历程现场总线一般被看作是一个系统、一个网络或一个网络系统，它应用于现场测量和/或控制目的。目前，现场总线，也称为现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）、现场总线系统、现场总线网络、现场总线网络系统或现场总线网络控制系统，已经成为工业控制网络的代名词。1.4现场总线的概念国际电工委员会制定的国际标准IEC61158对现场总线（fieldbus）的定义是：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的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。1.4现场总线的概念第2版（Ed2.0）IEC61158-2用于工业控制系统中的现场总线标准——第2部分：物理层规范（PhysicalLayerSpecification）与服务定义（Serverdefinition）又进一步指出：现场总线是一种用于底层工业控制和测量设备，如变送器（transducers）、执行器（actuators）和本地控制器（localcontrollers）之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。1.4现场总线的概念对现场总线概念的理解和解释还存在一些不同的表述。之一：现场总线一般是指一种用于连接现场设备，如传感器（sensors）、执行器以及像PLC、调节器（regulators）、驱动控制器等现场控制器的网络；1.4现场总线的概念对现场总线概念的不同的表述之二：现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络；1.4现场总线的概念对现场总线概念的不同的表述之三：现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（现场设备）之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备（车间级设备）之间的联系；对现场总线概念的不同的表述之四：现场总线是连接控制系统中现场装置的双向数字通信网络；或现场总线是从控制室连结到现场设备的双向全数字通信总线；1.4现场总线的概念对现场总线概念的不同的表述之五：现场总线是用于过程自动化和制造自动化（最底层）的现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成；对现场总线概念的不同的表述之六：在自动化领域，“现场总线”一词是指安装在现场的计算机、控制器以及生产设备等连接构成的网络；对现场总线概念的不同的表述之七：现场总线是应用在生产现场、在测量控制设备之间实现工业数据通信、形成开放型测控网络的新技术，是自动化领域的计算机局域网，是网络集成的测控系统。1.4现场总线的概念现场总线的本质含义——现场通信网络——开放式互联网络——现场设备互联——互操作性——分散功能块——通信线供电现场总线将朝着开放系统、统一标准的方向发展。1.5.1现场总线系统的组成1.5.2现场总线控制系统的体系结构1.5现场总线系统的组成与体系结构现场总线系统硬件软件总线电缆总线设备组态工具软件组态通信软件控制器编程软件用户程序软件设备接口通信软件设备功能软件监控组态软件系统平台软件系统应用软件图1现场总线系统的组成1.5.1现场总线系统的组成硬件：总线电缆，又称为通信线、通信介质（媒体/媒介/介体）。连接在通信线上的设备称为总线设备，亦称为总线装置、节点（主节点、从节点）、站点（主站、从站）。又分为总线主设备和总线从设备。1.5.1现场总线系统的组成软件系统平台软件：为系统构建、运行以及为系统应用软件编程而提供环境、条件或工具的基础软件。包括组态工具软件、组态通信软件、监控组态软件和设备编程软件。系统应用软件：为实现系统以及设备的各种功能而编写的软件，包括系统用户程序软件、设备接口通信软件和设备功能软件。1.5.1现场总线系统的组成组态工具软件——为用计算机进行设备设置、网络组态提供平台并按现场总线／规范（Protocol／Specification）与组态通信软件交换信息的工具软件；组态通信软件——为计算机与总线设备进行通信，读取总线设备参数或将总线设备配置、网络组态信息传送至总线设备而使用的软件；控制器编程软件——为用户程序提供编程环境的软件平台；用户程序软件——根据系统的工艺流程及其他要求而编写的PLC（控制器）应用程序；设备接口通信软件——根据现场总线协议／规范而编写的用于总线设备之间通过总线电缆进行通信的软件；设备功能软件——使总线设备实现自身功能（不包括现场总线通信部分）的软件；监控组态软件——运行于监控计算机（通常也称为上位机）上的软件，具有实时显示现场设备运行状态参数、故障报警信息，并进行数据记录、趋势图分析及报表打印等功能。1.5.1现场总线系统的组成变送器／传感器；执行器；控制器；监控／监视计算机；网桥／网关/中继器/集线器/交换机/路由器；其他现场总线设备。在现场总线控制系统中，总线设备主要分为6类：1.5.2现场总线控制系统的体系结构实现现场控制层、制造执行层及资源规划层之间的连接与信息传输如电源、电源阻抗器、终端器、电缆等DeviceNet（设备网）为一种适用于工业控制底层的现场总线指示灯（Light）可以根据需要给出相应的状态指示光电传感器（PhotoelectricSensor）为一种检测用的开关操作员接口（OperatorInterface）为现场直接输入操作命令提供了条件变送器（Transducer）属于输入设备（如温度变送器、压力变送器等）阀（Valve）和交流驱动器（ACDrive）为执行器（如电磁阀、变频器等），属于输出设备人机界面（HMI—HumanMachineInterface）是一种复杂的输入／输出设备，可以接受各种参数及命令并给出所需的文字／数字或图形显示PLC1、PLC2均为控制器，可以配置成一个为主站，一个为从站，也可配制成两个均为主站输入／输出（I/O）可以外接现场的离散量和／或模拟量设备图1-2DeviceNet现场总线控制系统体系结构属于输入设备的条形码识别器（BarCodeReader0）只与ControlNet相连的设备为I/OController1、Controller2接在DeviceNet与ControlNet之间，既起到控制作用，又沟通了DeviceNet与ContorlNet之间的联系通过远程访问路由（读取每一个数据包中的地址然后决定如何传送的专用、智能型的网络设备）设备（RemoteAccessRouterDevice）可将EtherNet与Internet（互联网）连接起来，并将信息传送至Internet上的显示工作站（DisplayStation）Computer1作为上位机，主要用于监控作为执行器（变频器）的智能速度控制器（SmartSpeedController）Controller4与三层网络皆连接，网络功能最为强大，可处理来自三层网络的信息Controller3、Computer1接在ControlNet和EtherNet之间，Controller3与Controller1、Controller2的作用类似，但它与EtherNet之间相互传输的信息允许更多。图1-3罗克韦尔推出的现场总线控制系统体系结构只与EtherNet相连的设备为Computer2现场总线网桥和小型PLC还连接到高速以太网HSE（HighSpeedEtherNet，即FFH2）上，HSE的速率为1Mbps、2.5Mbps和100Mbps连接在HSE与EtherNet之间的设备为监控计算机（SupervisoryComputer）、操作站（OperatorConsole）及现场总线网关（FieldbusGateway）FF意为现场总线基金会（FieldbusFoundation），而FF现场总线也被称为基金会现场总线，有时就写为FF（FoundationFieldbus）图1-4FF现场总线控制系统体系结构设备级网络（Devicelevelnetwork）为低速现场总线（LowSpeedFieldbus），即FFH1，其速率为31.25kbps（bps也可写作b/s或bit/s），它连接现场传感器和执行器（FieldSensorsandActuations）及现场总线网桥（FieldbusBridge）和小型PLC（SmallPLC）现场总线是当今3C技术，即通信（Communication）、计算机（Computer）、控制（Control）技术发展的结合点。现场总线是过程控制技术、自动化仪表技术、计算机网络技术三大技术发展的交汇点。现场总线是信息技术、网络技术的发展在控制领域的体现。现场总线是信息技术、网络技术发展到现场的结果。1.6现场总线的技术特点及其优缺点现场总线是自动化领域技术发展的热点之一，将对传统的工业自动化带来革命，从而开创工业自动化的新纪元。现场总线控制系统必将逐步取代传统的独立控制系统、集中采集控制系统和集散控制系统DCS（DistributedControlSystem），成为本世纪自动控制系统的主流。1.6现场总线的技术特点及其优缺点与DCS等传统的系统相比，现场总线（系统）有以下特点：1、现场通信网络现场总线将通信线（总线电缆）延伸到工业现场（制造或过程区域），或总线电缆就是直接安装在工业现场的；现场总线完全适应于工业现场环境。1.6.1现场总线的技术特点2、数字通信网络现场底层的变送器／传感器、执行器、控制器之间的信号传输均用数字信号；中／上层的控制器、监控／监视计算机等设备之间的数据传送均用数字信号；各层设备之间的信息交换均用数字信号。1.6.1现场总线的技术特点3、开放互连网络现场总线标准、协议／规范是公开的，所有制造商都必须遵守；现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连，也可实现不同层网络互连，而不管其制造商是哪一家；用户可共享网络资源。1.6.1现场总线的技术特点4、现场设备互连网络现场总线通过一根通信线将所需的各个现场设备（如变送器／传感器、执行器、控制器）互相连接起来，即用一根通信线直接互连N个现场设备，从而构成了现场设备的互连网络。1.6.1现场总线的技术特点5、结构与功能高度分散的系统现场总线的系统结构具有高度分散性；现场总线的系统功能实现了高度分散，现场设备由分散的功能模块构成。现场总线废弃了DCS的控制站及其输入／输出单元，从根本上改变了DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，通过将控制功能高度分散到现场设备这一途径，实现了彻底分散控制。1.6.1现场总线的技术特点6、现场设备的互操作性与互换性互操作性：不同厂商的现场设备可以互连，互相之间可以进行信息交换并可统一组态；互换性：不同厂商的性能类似的现场设备可以互相替换。现场总线中现场设备所具有的互操作性与互换性是DCS无法具备的。1.6.1现场总线的技术特点1）一个总线电缆直接互连N台现场设备，电缆用量大大减少（DCS几百根甚至几千根）；2）端子、槽盒、桥架、配线板等连接附件用量大大减少。1）采用人机界面、本身具有显示功能的现场设备或监视计算机代替显示仪表，使仪表的数量大大减少；2）输入／输出转换器（卡件）的数量大大减少。在DCS系统中所用的4～20mA线路只能获得一个测量参数，且与控制站中的输入／输出单元一对一的直接连接，因此输入／输出单元数量多。而在现场总线中，一台现场设备可以测量多个参数，并将他们以所需的数字信号形式通过总线电缆进行传送，因此对单独的输入／输出转换器（卡件）的需要少。现场总线所具有的数字化、开放性、分散性、互操作性与互换性，即对现场环境的适应性等特点决定和派生了其一系列优点。（1）导线和连接附件大量减少（2）仪表和输入／输出转换器（卡件）大量减少（3）设计、安装和调试费用大大降低（4）维护开销大幅度下降（5）系统的可靠性提高（6）系统测量与控制精度提高1）因有优点（1），故原来DCS繁琐的原理图设计在现场总线中变得简单易行；2）优点（1）的存在和标准接插件的使用使得安装和校对的工作量大大减少；3）可根据需要将系统分为几个部分分别调试，使调试工作变得灵活方便；4）强大的故障诊断功能（见（8））使调试工作变得轻松愉快。1）系统的高可靠性（见（5））使系统出现故障的几率大大减小；2）强大的故障诊断功能使故障的早期发现、定位和排除变得快速而有效，系统正常运行时将更长，维护停工时间大大减小。1）系统结构与功能的高度分散性决定了系统的高可靠性；2）现场总线协议／规范对通信可靠性方面的严格规定保证了通信的高可靠性。在现场总线中，各种开关量、模拟量就近转变成数字信号，所有总线设备间均采用数字信号进行通信，避免了信号的衰减和变形，减少了传送误差。1.6.2现场总线的优缺点1）现场设备具有互操作性和互换性，损坏的设备可用功能类似的任何厂家的设备替换，实现“即插即用”；2）当需要增加现场设备时，无需架设新的电缆，可就近接到原有的电缆上；3）系统扩展所需的组态时间大大减少。1）用户可以通过同层网络或上层网络对现场设备进行参数设置，而不必到现场对每一个设备逐个进行配置；2）利用网络组态工具软件可以迅速而方便地组建现场总线网络，配置网络参数；3）由于现场总线的开放性、互操作性与互换性，用户可以自由地集成不同厂商、不同品牌的产品和网络，从而构成所需的系统。1）可以诊断和显示各种故障，如总线设备和连接器的断路、短路故障以及通信故障和电源故障等；2）可以将各种状态及故障信息传送到控制室中的监视／监控计算机，大大减少了使用和维护人员不必要的现场巡视。当现场总线安装在恶劣环境中时，这尤其具有重要意义。1）可以在控制室远程监视现场设备和系统的各种运行状态；2）可以在控制室对现场设备及系统进行远程控制。（7）系统具有优异的远程监控功能（8）系统具有强大的（远程）故障诊断功能（9）设备配置、网络组态和系统集成方便自由（10）现场设备更换和系统扩展更为方便（11）为企业信息系统的构建创造了重要条件1）使用现场总线系统的企业信息网络分为现场控制层、过程监控层和企业经营管理层；2）现场总线或者构成了企业信息系统的现场控制层（设备层），或者构成了企业信息系统的基本框架，与企业的局域网连接起来，即可构成企业信息系统；3）为现场总线设备及系统的各种运行状态、故障信息、各种控制信息进入（企业）公用数据网络创造了条件，使管理者能得到更多的决策依据，为管理者做出各种正确决策提供了有力的支持。1.6.2现场总线的优缺点例子：与传统的DCS方案相比，美国阿拉斯加WestSakARCO油田（自然环境十分恶劣）采用某现场总线所带来的节省情况如下：减少接线端子84％；减少I/O卡件数量93％；减少控制仪表面板空间70％；减少室内接线98％；由于远程诊断而减少维护工作量50~80％；扩展油田所需组态时间减少90％；节省电缆费用69%。1.6.2现场总线的优缺点现场总线的不足之处：网络通信中数据包的传输延迟、通信系统的瞬时错误和数据包丢失、发送与到达次序的不一致等，都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，使得控制系统的分析和综合变得更复杂，使控制系统的性能受到负面影响。因此，如何使控制网络满足控制系统对通信实时性、确定性的要求，是现场总线系统在设计和运行中应该关注的重要问题。1.6.2现场总线的优缺点1.7网络布线和安装现场总线控制系统（FCS）的数字化通信特征，使FCS的布线与安装和传统的模拟控制系统有很大区别。（1）电缆总长度的限制（2）网络的扩充（3）屏蔽、接地与极性（4）本质安全（5）现场总线设备的在线安装与拆除（6）实际安装的一些要求为了保障信息传输的可靠性，需限制现场总线系统的电缆敷设长度。（1）电缆总长度的限制限制主要取决于电缆的类型、网络的拓扑结构和挂接设备的数量及类型。（1）电缆总长度的限制所谓总长度，是指干线长度与支线长度之和。下图所示的现场总线是由1条干线和3条支线所组成的。其中干线的长度为240m，分支1、分支2和分支3的长度分别为80m、120m和40m，因此电缆总长度为480m。（1）电缆总长度的限制在电缆总长度为480m的情况下，只选择A型或B型电缆。可以用下式来判断是否符合要求：式中，L1，L2，…，Ln是每一种电缆实际使用长度；L1max，L2max，…，Lnmax是每一种电缆所允许的最大长度。（2）网络的扩充总线网段由主干和分支构成。网络的扩充最大长度包括主干和分支线的总和。网络扩充分支线长度的取值：分支线越短越好，分支的总长度取决于分支数目和每个分支上的设备个数。建议值如表所列。（2）网络的扩充网络扩充中使用中继器：如果总线长度超过1900m，需使用中继器，在任何两个设备之间最多可使用4个中继器，可得到9500m的总长。（3）屏蔽、接地与极性当使用屏蔽电缆时，要将各支线的屏蔽与干线的屏蔽连接在一起，最后集中于一点进行接地。依据低速现场总线标准，整条电缆上只允许一点接地，总线任何一端都不允许接地，屏蔽层不能当做电源线。现场设备区分极性，当做有极性设备处理。（4）本质安全本质安全技术是在易燃易爆环境下使用电气设备时保证安全的一种方法。基本思想：限制危险场所电气设备中的能量，使其在任何故障状态下所产生的电火花或发热量不足以点燃易燃、易爆物质。现场总线：所连接的设备数量和电缆长度有严格的限制。现场总线需要使用专用的现场总线安全栅或电流隔离器，不能使用一般的安全栅或其他网络的安全栅。（4）本质安全非本质安全系统：一条现场总线上一般可以连接16～32台现场总线设备。对于本质安全系统，由每一个安全栅引出的现场总线只能安装2～6台现场总线设备。（4）本质安全设计和安装应注意事项：安全栅和隔离器不允许安装在危险场所；位于危险场所的终器必须是本质安全的，对于电缆的电气性能，如电容、电感以及电感电阻比都有一定的要求。（4）本质安全本质安全技术是在易燃易爆环境下使用电气设备时保证安全的一种方法。它的基本思想是限制危险场所电气设备中的能量，使其在任何故障状态下所产生的电火花或发热量不足以点燃易燃、易爆物质。（5）现场总线设备的在线安装与拆除当现场总线正在工作的时候，现场总线设备可以安装到现场总线上，或者从现场总线上拆除。注意事项：（1）注意避免现场总线的两根导线短路、碰屏蔽或接地。（2）通信速度不同的现场总线设备不能连接在同一路现场总线上，但具有相同通信速度的总线供电设备和非总线供电设备可以连接在同一路现场总线上。（3）非现场总线设备是不允许连接到现场总线上的。在查找故障时，应使用高阻抗的数字化仪表。（6）实际安装的一些要求现场总线设备安装的要求如下：选择类型适当、尺寸合理的电缆。从整体确定连接箱的位置。合理地选择每网段上的电源和终端器。尽可能将同一个控制回路的设备安排在同一网段上。总线网段或各支线不宜过长。同一网段上不宜接过多设备。避免多级配线。了解现场总线准的必要性：某种现场总线是否已被列入国际标准或／和其他有关标准，是衡量其是否已成为或将成为国际主流现场总线的重要的、甚至是决定性的因素之一。1.8现场总线标准标准不仅是一个产品规范，还起着领导其所在领域高新技术发展的特殊作用。1.8现场总线标准现场总线标准确保了每种总线设备/软件都具有广阔的市场，有助于大批量生产，甚至可以采用大规模集成（LSI）或超大规模集成（LVSI）技术，降低了成本。现场总线的开放性及互操作性与互换性均是以其标准为前提的。国际上制订国际标准的机构有3个：国际标准化组织ISO(InternationalOrganizationforStandardization)国际电工委员会IEC（InternationalElectrotechnicalCommission）国际电信联盟ITU（InternationalTelecommunicationUnion）。各个国家均有制订国家标准的组织。我国制定国家标准的组织是中国标准化管理委员会SAC（StandardizationAdministrationofChina）。1.8现场总线标准1.8.1现场总线国际标准1.8.2现场总线中国标准1.8.3现场总线地区与国家标准及其他现场总线1.8.4学习现场总线标准的目的与意义1.8现场总线标准现场总线国际标准主要包括以下5个：ISO11898ISO11519IEC61158IEC62026IEC617841.8.1现场总线国际标准ISO11898是现场总线最早的国际标准，针对主要影响车辆、运输工具等方面的CAN总线。ISO11519同ISO11898一样，也是针对道路交通运输工具制订的现场总线标准。区别在于ISO11898针对高速CAN（ControlAreaNeowork），ISO11519针对低速CAN和VAN（VehicleAreaNetwork）。IEC61158和IEC62026协议簇是两个国际电工委员会制定的应用于工业控制领域的现场总线标准。IEC61158标准的第4版定义了20种现场总线、实时以太网/工业以太网。IEC62026（控制电器与电器设备接口）标准比较简单，包括四种协议。IEC61784（连续和离散制造用现场总线行规）是对IEC61158的解释和补充，涉及除IEC61158报告外7个协议簇的18个工业自动化网络协议子集。IEC61158是制定时间最长、投票次数最多、分歧最大的国际标准之一。从1984年开始制定该标准到目前为止，IEC61158共有4个不同的版本(1984～2007)。1.8.1现场总线国际标准原因1.8.1现场总线国际标准★各大公司为了从自己专用的技术中取得更多、更大的利润，并不迫切希望现场总线标准早日问世；★他们不得不开发打破垄断、全面开放的现场总线，与其自身利益相矛盾，是无奈之举；★一旦国际标准与其技术产品不符，就投反对票；★一些小国在技术、经济上依附于大国，投票中摇摆，不能自主；★IEC是多极化组织，代表分别来自各大国及各大公司，斗争的复杂性反复性不可避免；★技术上，没有一种现场总线对所有领域都是最好的。Type1IEC/TS61158现场总线Type2CIP现场总线/实时以太网Type3PROFIBUS现场总线Type4P-NET现场总线/实时以太网Type5FFHSE高速以太网(实时以太网)Type6SwiftNet被撤销Type7WorldFIP现场总线Type8INTERBUS现场总线/实时以太网Type9FFH1现场总线IEC61158v4定义的20种总线标准Type10PROFINET实时以太网Type11TCnet实时以太网Type12EtherCAT实时以太网Type13EthernetPowerlink实时以太网Type14EPA（中国）实时以太网Type15MODBUS-RTPS实时以太网Type16SERCOS-Ⅰ,Ⅱ现场总线Type17VNET/IP实时以太网Type18CC-Link现场总线Type19SERCOS-Ⅲ实时以太网Type20HART现场总线IEC61158系列标准是概念性的技术规范，不涉及现场总线的具体实现。为使设计人员、实现者和用户能够方便地进行产品设计、应用选型比较以及实际工程系统的选择，制定了IEC61784系列配套标准。IEC61784涉及到7个协议簇18个工业自动化网络协议子集的通信行规。IEC61158与IEC61784IEEE61784涉及的7个协议簇的18个工业自动化网络协议子集FoundationFieldbus(包括FFH1，FFHSE，FFH2)ControlNet（包括ControlNet，EtherNet/IP）PROFIBUS（包括PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA，PROFINet）P-Net（包括P-NetRS-485，P-NetRS232）WorldFIP（包括WorldFIP，WorldFIPwithsubMMS，WorldFIPminimalforTCP/IP）Interbus（包括Interbus，InterbusforTCP/IP，Interbusminimal）SwiffNet（包括SwiffNettransport，FFSwiffNetfullstack）IEC62026（1995-2001）IEC62026制订的是控制器与电器设备之间的接口标准，为涉及设备层的现场总线标准。IEC62026定义了四种协议：1.8.1现场总线国际标准（1）IEC62026-2（2000-07）低压开关设备和控制设备―控制器-设备接口－第2部分：执行器传感器接口（AS-i：Actuatorsensorinterface）（2）IEC62026-3（2000-07）低压开关设备和控制设备―控制器-设备接口－第3部分：DeviceNetIEC62026标准四种协议：（3）IEC62026-5（2000-07）低压开关设备和控制设备―控制器-设备接口－第5部分：智能分布式系统（SDS：Smartdistributedsystem）（4）IEC62026-6（2001-11）低压开关设备和控制设备―控制器-设备接口－第6部分：Seriplex(SerialMultiplexedControlBus(串行多路控制总线)1.8.1现场总线国际标准与IEC61158相应的现场总线中国标准GB/T20540-2006测量和控制数字式数据通信工业控制系统用现场总线类型3：PROFIBUSGB/Z20541-2006测量和控制数字式数据通信工业控制系统用现场总线类型10：PROFINET1.8.2现场总线中国标准与IEC61158相应的现场总线中国机械行业标准JB/T10308.3-2001测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型3：PROFIBUSJB/T10308.2-2006测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型2：ControlNet和Ethernet/IP1.8.2现场总线中国标准与IEC62026相应的现场总线中国标准GB／T18858.1－2002低压开关设备和控制设备控制器－设备接口(CDI)第1部分总则GB／T18858.2－2002低压开关设备和控制设备控制器－设备接口(CDI)第2部分执行器-传感器接口（AS-i）GB／T18858.3－2002低压开关设备和控制设备控制器－设备接口(CDI)第3部分DeviceNet1.8.2现场总线中国标准其他现场总线中国标准GB/Z20177-2006控制网络LonWorksGB/Z20830-2007PROFIsafeGB/T19582-2008基于Modbus协议的工业自动化网络规范1.8.2现场总线中国标准EN50170：1996年由欧洲电工委员会（CENELEC）发布包含3种不兼容协议的非单一欧洲标准：卷1（Volume1）：P-Net，卷2：Profibus，卷3：WorldFIP1.8.3现场总线地区与国家标准及其他现场总线其他已成为国际标准的现场总线:Interbus为欧洲标准EN50254和德国国家标准DIN19258AS-i为欧洲标准EN50295DeviceNet为欧洲标准EN50325FFH1为美国标准ISAS50.02Profibus为德国国家标准DIN19245P-Net为丹麦国家标准（1996年）WorldFIP的前身FIP为法国FIP标准1.8.3现场总线地区与国家标准及其他现场总线现场总线/接口：Modbus：由美国莫狄康（Modicon）公司于20世纪70年代提出，有2种协议，即Modbus-ASCII和ModbusRTU。BACnet：一种广义现场总线，由美国加热、制冷和空调工程师协会推出，于1995年成为美国建筑自动化网络通信标准ANSI-135，为建筑自动化领域的主流现场总线之一。Sensoplex2：德国图尔克（TURCK）公司推出的应用于重工业自动化领域的控制网络。1.8.3现场总线地区与国家标准及其他现场总线ARCNET（AttachedResourceComputer）：由Datapoint公司于20世纪70年代推出，ARCNET即为连接资源计算机网络。ARCNET最初归为局域网LAN（LocalAreNetwork），但现在已很少用于办公自动化领域，而被认为是一种较理想的现场总线。Dupline：由瑞士CarloGavazzi公司推出。1.8.3现场总线地区与国家标准及其他现场总线LIN：局部互联网络（LocalInterconnectNetwork），是一种通用、串行、低成本的车用A类网络标准，可作为CAN的辅助网络。LIN最初是由五大汽车制造商奥迪（Audi）、宝马（BMW）、戴姆勒（DaimlerChrysler）、沃尔沃（Volvo）、大众（Volkswagen）和开发工具生产商VCT（VolcanoCommunicationsTechnologies）及半导体生产商Motorola共同推出。LIN协会从成立至今主要推出了LIN1.0、LIN1.1、LIN1.2、LIN1.3，直到目前最新的LIN2.0。BITBus：由Intel公司于1984年推出。BITBus曾在欧洲获得较广泛的应用，我国也有不少系统在运行。1.8.3现场总线地区与国家标准及其他现场总线RS-485，由美国EIA于1983年12月在RS-232标准的基础上制定的一个用于平衡数字多点系统发送器和接收器的物理接口电气标准。1.8.3现场总线地区与国家标准及其他现场总线Beckhoff：是一种出自欧洲的光总线。Beckhoff所设计的光总线大多是封闭的，其收发器和ASIC芯片均由Beckhoff设计提供。Beckhoff的性能与SERCOS的性能相近。X-10：一个简单的协议，于1976～1978年在美国开发。以家庭内普遍存在的电力线为通信介质，用于家庭电器控制、安全控制等方面。CEBus：消费电子总线（ConsumerElectronicsBus），由美国EIA的消费电子小组于1984年开始制定，于1992年正式成为EIA-600标准。CEBus物理层定义了电力线、双绞线、红外线等7种介质。CEBus是一种有影响的家庭自动化总线。家庭自动化总线/网络还有：欧洲的欧洲安装总线EIB(EuropeanInstallationBus)欧洲家庭系统EHS(EuropeHomeSystem)和BatiBUS日本的Homebus澳洲奇胜（Clipsal）公司的C-BUS1.8.3现场总线地区与国家标准及其他现场总线专用总线：WTB（WireTrainBus）MVB（MultifunctionVehicleBus）CANopenIQBUSEHSnetexcom1.8.3现场总线地区与国家标准及其他现场总线推广现场总线技术的组织：现场总线基金会（FieldbusFoundation）PROFIBUS协会LonMark协会（推行以LonWorks技术为基础的LonMark标准）工业以太网协会IEA（IndustrialEtherNetAssociation）工业自动化开放网络联盟IAONA(IndustrialAutomationOpenNetworkAlliance)1.8.3现场总线地区与国家标准及其他现场总线了解和掌握现场总线国际标准的目的：跟踪国际上现场总线的发展趋势，促进现场总线在中国的应用和发展；制定我国的现场总线标准，完善中国的技术标准体系；指导中国企业产品开发，使中国企业能够按照国际主流现场总线开发现场总线产品；使我国能够主动参与现场总线国际标准的制定，以便在未来的全球竞争中占有主动权。1.8.4学习现场总线标准的目的与意义现场总线广泛应用于过程工业/工厂自动化、电力系统自动化、交通、家庭自动化等各领域：汽车工业，继电保护与电力监控，半导体芯片和半导体产品制造，水处理，食品饮料制造，机器人，物流业/搬运业，暖通空调，智能楼宇，制药业，包装业，轨道交通/城市交通，石油与化工，能源与环境监控及管理，钢铁/冶金，（煤矿）安全，造纸业，家庭用品等等。1.9现场总线应用领域汽车总装生产线现场总线控制系统1.9现场总线应用领域1.9现场总线应用领域大豆分离蛋白现场总线控制系统1.9现场总线应用领域基于现场总线的企业能源计量系统1.9现场总线应用领域上海世博园区配电网现场总线监控系统配置图打印机后台系统站控单元GPS调度中心间隔1保护测控单元间隔2保护测控单元间隔3保护测控单元间隔n保护测控单元其它智能装置CT\PT数字量控制输出CT\PTCT\PTCT\PT数字量数字量数字量控制输出控制输出控制输出1.9现场总线应用领域低压开关柜传统方式与现场总线智能化方式的比较1.9现场总线应用领域基于以太网的CBZ-8000变电站自动化系统1.9现场总线应用领域基于现场总线的配电网自动化系统Thankyou!