Chap1 工业数据通信和控制网络技术基础

1现场总线技术FieldbusTechnology主讲：张大兴电气工程系参考：中国矿业大学胡青松西安电子科技大学王卫东2课程介绍现场总线（Fieldbus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。3内容1.1工业数据通信和控制网络技术概述1.1.1工业自动化技术及发展趋势1.1.2控制系统体系结构的演变1.1.3工业数据通信与控制网络1.2工业数据通信和控制网络连接及传输介质1.2.1计算机局域网及其拓扑结构1.2.2网络的传输介质及特性1.2.3信号的传输和编码技术1.2.4介质访问控制方式1.3网络互连参考模型和规范1.3.1基本概念1.3.2网络互连参考模型1.3.3网络互连规范41.1工业数据通信和控制网络技术概述定义：工业数据通信与控制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、通信技术与自控技术结合的产物。必要性:•(1)随着自动控制、计算机、通信、网络等技术的发展，企业的信息集成系统正在迅速壮大，将覆盖从现场控制到监控、市场、经营管理的各个层次以及从原料采购、生产加工的各个环节，并将一直延伸到成品储运销售乃至世界各地市场的供需链全过程，以适应企业管理控制一体化的应用需求。•(2)企业信息系统的发展对工业数据通信的开放性、对底层控制网络的功能及性能都提出了更高的要求。561.1.1工业自动化技术及发展趋势工业控制自动化技术：是工业自动化的核心，它是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。它主要解决生产效率与一致性问题。虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。目前，工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。7工业控制自动化的三个层次：基础自动化、过程自动化和管理自动化，其核心是基础自动化和过程自动化。在传统的自动化系统中，基础自动化部分基本被PLC和DCS（DistributedControlSystem）所垄断，过程自动化和管理自动化部分主要是由价格昂贵的过程计算机或小型机组成。自20世纪90年代以来，以工业PC、I/O装置、监控装置、控制网络组成的PC-based的自动化系统得到了迅速普及，成为实现低成本工业自动化的重要途径。以工业PC为基础的低成本工业控制自动化系统的特点是：(1)开放的结构，用户可以选择来自不同厂商的不同产品，便于系统集成；(2)PC工控机的软硬件丰富，用户可以得到更高性价比的产品；(3)提供有力、柔性的联网能力；(4)能运行复杂任务，并且可基于多种平台运行。1、以工业PC为基础的低成本工业控制自动化已成为主流82、PLC（可编程序控制器）得到了广泛的应用PLC的发展趋势：向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能性方面发展。具体有以下几个方面：（1）大型网络化。主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。（2）多功能。随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制、仿真、通信处理和故障诊断等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。（3）高可靠性。自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，并采用热备用和并行工作、多数表决的工作方式。即使在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全封闭的模板依然能正常工作。93、面向测控管一体化设计的集散控制系统集散控制系统：也称为分布式控制系统或分散式控制系统（DistributedControlSystem,DCS），它采用了标准化、模块化和系列化的设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级组成，以通信网络为纽带，对数据进行集中显示，而操作管理和控制相对分散，是一种配置灵活、组态方便、具有高可靠性的控制系统。DCS的特点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。DCS正朝着综合性、开放性发展。总的发展趋势是：（1）各制造厂商都“开放性”上下功夫，力求使自已的DCS与其他厂商的产品很容易地联网；10（2）大力发展和完善DCS的通信功能，并将生产过程控制系统与工厂管理系统连接在一起，形成测控管理一体的系统产品；（3）高度重视系统的可靠性，在软件的设计中采用容错技术；（4）在控制功能中，不断引进各种先进控制理论，以提高系统的控制性能，如自整定、自适应、最优、模糊控制等；（5）在系统规模的结构上，形成由小到大的产品，以适应不同规模的需求；（6）发展以先进网络通信技术为基础的DCS控制结构，向低成本综合化自动化系统的方向发展。114、大力发展和采用现场总线技术现场总线：是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的通信总线。采用现场总线技术可实现一种具有开放式、数字化和网络化结构的新型自动化控制系统。优势:•(1)可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。•(2)从智能传感器到智能调节阀的信号一直保持数字化，从而极大地提高了抗干扰能力。•(3)是一种开放式的互联网，它可与同层网络相连，也可与不同层网络相连。•(4)降低成本、组合扩展容易、安装及维护简便。125、大力研究和发展智能控制系统为什么需要智能控制：工业自动化中工业控制系统的设计和分析是建立在精确的系统数学模型基础上的，而实际应用的控制系统由于各种因素的影响，无法获得精确的数学模型；同时，为了提高控制性能，整个控制系统会变得极其复杂，增加了设备的投资，降低了系统的可靠性。智能控制定义:模拟人类学习和自适应的能力，能学习、存储和运用知识，能在逻辑推理和知识推理的基础上进行信息处理，能对复杂系统进行有效的全局性控制，能自主地驱动智能机器实现其目标的过程。智能控制系统的研究范围：模糊逻辑控制、专家控制、神经网络控制、分级递阶智能控制系统、学习控制系统等。131.1.2控制系统体系结构的演变1、控制系统的发展过程（1）初级控制系统时间：20世纪50年代以前；特点：所用的设备主要是安装在生产现场、具有简单测控功能的基地式仪表，信号基本上都是在本仪表内起作用。此阶段的控制系统均简单、初级控制系统。（2）模拟仪表控制系统时间：60年代至70年代后期；特点：以电子管、晶体管、集成电路为核心的气动和电动单元组合式仪表两大系列，它们分别以压缩空气和直流电源作为动力，用于对防爆要求较高的化工生产和其他行业，防爆等级为本质安全型，在仪表内部实行电压并联传输，外部实行电流串联传输，以减小传输过程的干扰。14（3）集中式数字控制系统时间：80年代初；特点：使用数字信号代替模拟信号，并研制出直接数字控制系统，用数字计算机代替控制室内的仪表来完成控制系统功能。用一台计算机取代控制室的所有仪表。解决了信号传输及抗干扰问题。（4）集散控制系统（DCS）组成：由数字调节器、可编程控制（PLC）以及多台计算机构成；特点：当一台计算机出故障时，其他计算机立即接替该计算机的工作，使系统继续正常运行。在DCS系统中，测量仪表、变送器一般为模拟仪表，控制器多为数字式，因而它又是一种模拟数字混合系统。但是各厂家的产品互换与互操作有一定的局限性。15（5）现场总线控制系统（FCS）特点：把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以将来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备通过现场总线控制系统把DCS集中与分散结合的集散系统结构变成了新型全分布式系统结构，把控制功能彻底下放到现场。(a)传统控制系统结构(b)现场总线控制系统结构16远程传感器和执行机构控制器控制器工控机...远程传感器和执行机构控制器现场总线智能自治节点远程传感器和执行机构控制器控制器工控机...远程传感器和执行机构控制器现场总线智能自治节点控制器控制器工控机控制器控制器控制器控制器工控机...远程传感器和执行机构控制器控制器现场总线智能自治节点现场总线智能自治节点现场总线控制集散控制集中控制17传统泵/阀控制系统结构示意图P&V1P&V2P&V3P&V4P&V5良工良工良工良工良工CPUI/O,AD/DAetc.Modules18现场总线泵/阀控制系统结构示意图P&V1P&V2P&V3P&V4P&V5良工良工良工良工良工CPUDeviceNet接口NetworkScanner192、现场总线控制系统及现场总线技术的特点定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。也有将现场总线定义为应用在生产现场，在智能测控设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。也称为开放式、数字化、多点通信的低成本底层控制系统。特点：一是在体系结构上成功实现了串行连接，一举克服并行连接的许多不足。二是在技术层面上成功解决了开放竞争和设备兼容两大难题，实现了现场设备智能化和控制系统分散化两大目标。20（1）现场总线控制系统体系结构的特点①基础性②灵活性③易用性④分散性⑤经济性21（2）现场总线技术的特点①开放性。②交互性。③自治性。④适应性。223典型现场总线简介目前国际上有40多种现场总线，但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面，按其传输数据的大小可分为3类：传感器总线（sensorbus)，属于位传输；设备总线（devicebus)，属于字节传输；现场总线，属于数据流传输。233典型现场总线简介基金会现场总线(FoundationFieldbus,FF)美国1994年,由ISP和WorldFIP两大集团合并成立现场总线基金会。目前最具发展前景，最具竞争力的现场总线之一。它的前身是以Fisher-Rosement公司为首，联合80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲150家公司制定的WorldFIP协议，两大集团于1994年合并，成立现场总线基金会，致力于开发统—的现场总线标准。FF目前拥有120多个成员，这包括世界上最主要的自动化设备供应商：AB、ABB、Foxboro、Honeywell、Smnr、FUJIElectric等。采用OSI/ISO物理层,数据链路层和应用层,增加了用户层(OpenSystemInterconnection,共7层，物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层)有低速(H1,31.25kb/s,200m，400m，1200m，1900m)与高速(H2,1Mbps,2.5Mpbs,750m,500m)之分,H2逐渐被HSE(100Mb/s,甚至更高)取代支持双绞线、同轴电缆、光缆和无线发射等传输介质应用领域以过程自动化为主，大型石化企业较多，比如化工,石油,污水处理。243典型现场总线简介过程现场总线(Processfieldbus,Profibus)欧洲西门子为首的13家公司和5家科研机构在联合开发的项目中制定的标准规范。1989年12月成立了PN0，1996年PR0FIBUS成为德国国家标淮DINl9245。同时又是欧洲标准EN50170。PR0FIBUS在实际应用中业绩斐然，在众多总线中居于前列，广泛应用于各种行业。同FF一样，它也是最具竞争力的一类现场总线。共有3种版本Profibus-DP（DecentralisedPeripherals），(最大传输速率为12Mb/s)应用于现场级，经过优化的高速、廉价的传输形式适于自动控制系统与现场设备之间的实时通信，它采用了RS-485传输。Profibus-FMS（FieldbusMessageSpecification），用于车间级，即中、下层,要求面向对象，提供较大数据量的通信服务、它有被以太网取代的趋势，它也采用RS-485传输Profibus-PA（ProcessAutoma