现场总线和工业以太网

现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系一、什么是现场总线二、现场总线的技术特点与优点三、现场总线的产生与发展趋势四、以太网与工业控制网络五、工业以太网现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系什么是现场总线现场总线是应用在生产现场、连接智能现场设备和自动化测量控制系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系现场总线是通信网络位于生产控制现场和网络结构的底层现场总线是低带宽的控制网络它与上层的Internet、企业内部网Intranet相连构成企业综合自动化的通信网络平台现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系现场总线对控制系统带来的革命基地式仪表控制系统单元组合式模拟仪表控制系统集中式数字控制系统集散控制系统DCS、PLC基于现场总线的分散控制系统现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系各阶段测控仪表能力指数现场总线开放标准数字DCS电动单元气动、模拟模拟按回路运行按过程运行过程优化管控一体化五十年代196019801998数字/模拟混合测控能力指数现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系与一般通信技术的区别一般通信技术只是能实现信息的传输现场总线是一种控制系统框架一种全新的控制系统结构，即：现场总线还包括网络上的所有设备能够进行信息互访与互换总线上的设备之间能够进行互操作和系统集成现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系现场总控制系统FCS采用开放式数字通信网络突破传统DCS中的专用通信网络结构网络集成的测量控制系统单个分散的测量控制设备变成网络节点现场总线为纽带构成共同完成任务的网络系统与控制系统实现现场测量控制设备之间的信息共享返回本章首页现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系2.1FCS的结构特点Multi-ControllersAOPIDAIPIDAOAIDCSFCS现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系2.2现场总线系统的技术特点全数字通信多分支结构系统的开放性互可操作性和互用性现场设备的智能化与功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的高度适应性现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系全数字通信抗干扰能力和鲁棒性都比较高，传输精度也得到显著提高信号的检错、纠错机制得以实现可进行多参数传输，消除了模拟信号的传输瓶颈现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何智能设备，如中央控制器等。现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系设备状态可控操作员在控制室即可了解现场设备或现场仪表的工作状况可对现场设备进行工艺参数调整、零点量程调校、组态信息调整等通过对现场设备状态趋势分析预测故障发生故障时能及时找到故障点，及时替换新的设备，即：现场设备始终处于操作员的远程监视与可控状态，提高了系统的可靠性和可维护性。现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系一对多的总线型结构现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线型、星型、树形等多种形式，以总线型为主。传统控制系统中设备的连接都是一对一的布线简单，工程安装周期缩短、维护也很方便很强的系统扩展性主机能自动识别设备的增加或删减无需架设新的线缆无需系统停机现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系互换与互可操作不同设备间，除了能实现信息互访外，还能理解信息的含义，并能根据信息要求进行操作不同厂家的相同类型的设备可以互相替换可统一组态，无需专用的驱动程序解决了设备的垄断性和产品故障处理的时效性为系统集成的自主性提供了产品保障用户可选择性价比高的产品现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系现场设备的智能化和综合功能测量，包括多变量测量与处理多参数补偿工程量处理设备自诊断设备状态的控制控制算法可在现场设备中实现根据远程命令进行仪表调校——集多种功能于一身，一表多用现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系分散控制LAN操作站服务器现场总线AI110PID110AO110模拟量输出功能块PID控制功能块FC调节阀FT差压变送器模拟量输入功能块•由网络构成控制系统•信号的测量、控制算法、控制信号的输出等全部在现场实现，无需主机参与•实现了完全分散现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系开放式系统通信协议完全公开，任何人、任何单位均可采用不同厂家的设备遵守相同的技术规范不同厂家的设备可实现信息互访（即互操作）用户可按需要，选用不同厂家的现场总线设备不同设备之间可实现资源共享与其他网络（如互联网）相联，可实现网络与数据库共享现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系对环境的高度适应专为现场环境设计可支持多种传输介质双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等可两线制供电支持本质安全与防爆现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系2.3现场总线带来的益处节省硬件数量与投资节省安装费用节省维护开销用户具有系统集成自主权提高了系统的准确性和可靠性现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系用户具有系统集成的主动权无需专用的驱动程序不必为传输协议的不兼容而一筹莫展不必为接口的不公开而担心系统的扩展和集成不必被某一品牌的产品所“框死”可以选择性价比高、服务质量好的产品用户是真正的“上帝”，拥有真正的选择主动权返回本章首页现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系现场总线技术产生的背景现场总线技术产生于二十世纪八十年代是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求开放性通用性可靠性智能仪表为现场总线的出现奠定了基础现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系现场总线的产生4～20mA智能仪表（70年代末）V/ID/AA/D放大调理微处理器传感信号•结构简单；•信号传输标准统一。4～20mA模拟仪表V/I放大调理传感信号•性能提高，成本增加；•单向模拟传输方式未变。现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系现场总线的产生通信信号具有双向通信功能的智能仪表A/D放大调理微处理器传感信号通信接口现场总线标准化（20世纪80年代中期）双向数字传输方式：—传输精度高；—功能强，成本低；—协议不统一，无法互换。现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系成为控制领域的研究方向现场总线研究开发之热始于20世纪90年代中期信息时代各项技术发展对测控系统提出的要求计算机技术网络与通信技术自动控制技术网络化、信息化给自控技术的发展提供的机遇各国投入巨额资金与人力在开发这一技术，形成了企业、国家、国际标准欧洲、北美、亚洲、中国现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系现场总线标准各种各样现场总线百花齐放由于刚开始没有一个统一的国际标准，各企业和企业集团相继开发自己的总线产品，制定现场总线标准据不完全统计，目前市场上形形式式的现场总线有200多种号称为开放标准的也有二、三十种现场总线国际标准IEC61158包含了10种类型IEC1158原技术规范、FF、HSE、P-NET、PROFIBUS、ProfiNet、ControlNet、Swiftbus、Interbus、WorldFIP现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系主要的现场总线比较总线类型技术特点主要应用场合价格支持公司FF功能强大，本安，实时性好，总线供电；但协议复杂，实际应用少流程控制较贵Honeywell，Rosemount，ABB,Foxboro,横河,山武等WorldFIP有较强的抗干扰能力，实时性好，稳定性好工业过程控制一般AlstoneProfibusPA本安，总线供电，实际应用较多；但支持的传输介质较少，传输方式单一过程自动化较贵SiemensProfibusDP/FMS速度较快，组态配置灵活车间级通讯、工业、楼宇自动化一般SiemensInterBus开放性好，与PLC的兼容性好，协议芯片内核由国外厂商垄断过程控制较便宜独立的网络供应商支持P-NET系统简单，便宜，再开发简易，扩展性好；但响应较慢，支持厂商较少农业、养殖业、食品加工业便宜PROCES-DATAA/SSwiftNET安全性好，速度快航空较贵BoeingCAN采用短帧，抗干扰能力强，速度较慢，协议芯片内核由国外厂商垄断汽车检测、控制较便宜Philips,siemens,Honeywell等LonWorks支持OSI七层协议，实际应用较多，开发平台完善，协议芯片内核由国外厂商垄断楼宇自动化、工业、能源较便宜Echelon现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系多总线并存的发展现状现场总线多种多样现场总线近期内难以统一IEC61158包含了10种类型其他总线：HART、ASI、CAN、Lonworks、……形成了多种现场总线并存的局面由市场决定哪种总线领导市场如以FF（包括H1、HSE）和PROFIBUS（包括Profibus-DP、ProfiNet等）在过程控制领域的市场越来越大工业以太网成为新一轮研究热点返回本章首页现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系Ethernet的回顾Ethernet产生于20世纪七十年代为微型计算机网络终端通信而设计采用星型或总线型结构传输速率当时仅为几M（目前已达1000M甚至更高）传输介质屏蔽（非屏蔽）双绞线、光纤、同轴电缆（粗缆、细缆）只规定了物理层和数据链路层协议如介质访问控制机制采用CSMA/CD现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系通信的“不确定性”在一般商业环境下，以太网有以下特点：总线访问存在随机性：CSMA/CD，负荷大时，网络会因碰撞增加而瘫痪响应时间无法预知，实时性得不到保证因此以太网通信存在不确定性在90年代中期之前，几乎所有的控制系统均不选用以太网，而选用令牌总线或令牌环现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系微处理器功能简单微处理器（单片机）作为工业现场智能仪表的核心部件，在20世纪80年代初时还处于初期发展阶段功能简单数字处理能力有限TCP（UDP）/IP协议比较复杂，早期的单片机处理有困难，这是以太网不用于控制网络的原因之一现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系其它原因应用不广，软硬件技术资源不足以太网刚产生时，成本很高功耗大、环境适应性差——因此，与令牌网及其他专用网络比，以太网当时优势不明显，自然不会选择以太网用于现场总线现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系以太网通信特性以太网通信特性负荷越小，碰撞越少负荷在10%左右时，基本无碰撞负荷在25%以下时，以太网的通信响应时间明显短于令牌网（如ARCnet）现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系一般商用环境下的以太网负荷瞬时流量变化大，无法预测网络负荷波动大网络节点越多，碰撞越频繁因此在商用环境下，无通信响应实时性可言现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系工业控制网络通信特点传输的信息量少，信息长度都比较小周期性信息较多测量、控制信息非周期性信息较少用户操作指令、组态信息、诊断信息等等报警等突发性事件信息需要传输的信息少网络负荷较为平稳信息流向具有明显的方向性节点数少现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系现场总线和工业以太网周黎辉，华北电力大学自动化系今天的以太网优势昨天的以太网今天的以太网网络拓扑总线型星型、总线型集线器共享式交换式通信速率几M10、100、1000M、……传输介质粗同轴电缆光纤、粗缆、细缆、双绞线通信方式半双工半双工、全双工芯片成本高于$1000十几人民币芯片应用环境商业级工业级芯片已有问世应用商业终端几乎所有领域软硬件资源有限丰富被认知程度不熟悉非常熟悉、几乎无需培训现场总线和工业以太网周黎辉，