1、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線的由來(lái) 隨著控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到控制、管理的各個(gè)層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場(chǎng)。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(fieldbus)就是順應(yīng)這一形勢(shì)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的由來(lái)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)輸入設(shè)備中央計(jì)算機(jī)控制輸出設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)變量操作變量現(xiàn)場(chǎng)總線的由來(lái)集中式控制系統(tǒng)檢測(cè)輸入設(shè)備中央計(jì)算機(jī)控制輸出設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)變量操作變量CRT操作臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線的由來(lái)分布式控制系統(tǒng)（DCS）現(xiàn)場(chǎng)總線的由來(lái)分布式控制系統(tǒng)

2、（DCS）I/O4-20 mAAnalyzerPLC4-20 mA控制站操作站LAN現(xiàn)場(chǎng)總線的由來(lái)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場(chǎng)總線的定義根據(jù)IEC的標(biāo)準(zhǔn)定義：“安裝在制造和過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、雙向串行傳輸、多線通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線?，F(xiàn)場(chǎng)總線的定義現(xiàn)場(chǎng)總線的含義 (1)現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò) 用于過(guò)程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)儀表或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連的通信網(wǎng)絡(luò)； (2)現(xiàn)場(chǎng)儀表互連 網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備是傳感器、變送器、執(zhí)行器、控制器等現(xiàn)場(chǎng)儀表； (3)功能塊分散 構(gòu)成控制系統(tǒng)的多個(gè)功能塊分散在多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中； (4)互操作性 不同廠家的現(xiàn)場(chǎng)儀表或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可

3、以互相通信，并可以統(tǒng)一組態(tài)； (5)互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制室設(shè)備之間構(gòu)成互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的類型目前國(guó)際上是多種現(xiàn)場(chǎng)總線并存，IEC現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)(IEC61158)是迄今為止制定時(shí)間最長(zhǎng)、投票次數(shù)最多、意見(jiàn)分歧最大的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一。IEC于2000年1月4日公布投票結(jié)果。 IEC61158采用以下8種現(xiàn)場(chǎng)總線：類型1：IEC61158技術(shù)報(bào)告 (即FF H1)類型2：ControlNet (美國(guó)Rockwell)類型3：PROFIBUS (德國(guó)Siemens)類型4：P-NET (丹麥Process Data)類型5：FF (美國(guó)Fisher-Rosemount)類型6：Swift N

4、et (美國(guó)Boyin)類型7：World FIP (法國(guó)Alston)類型8：Interbus (德國(guó)Phoenix Contact)注：IEC現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的8種類型都是平等的，并要求類型28對(duì)類型1提供接口，但不要求類型28之間提供接口。現(xiàn)場(chǎng)總線的類型除了上述八種類型外，還有其他一些現(xiàn)場(chǎng)總線：Lonworks：美國(guó)Echelon公司推出并與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，采用全部7層協(xié)議。DeviceNet：由原AB即現(xiàn)在的羅可韋爾公司推出的。CAN：德國(guó)BOSCH公司推出的HART：美國(guó)Fisher-RosemountAS-I：執(zhí)行器-傳感器接口的，RS-485：不能稱為現(xiàn)場(chǎng)總線，卻是現(xiàn)場(chǎng)總

5、線的鼻祖?，F(xiàn)場(chǎng)總線回顧制定一個(gè)統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線一直沒(méi)能實(shí)現(xiàn)的原因：每種總線的產(chǎn)生都有其一定的應(yīng)用背景，如Profibus在制造業(yè)，WorldFIP、FF在過(guò)程控制行業(yè)，P_Net在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。每種總線都有一個(gè)或多個(gè)大公司，且多是大型跨國(guó)公司為背景。如WordFIP主要由Alstom公司支持，Profibus以Siemens公司為主要支持，ControlNet則以Rockwell公司為主要背景。每種總線都力圖開(kāi)發(fā)其應(yīng)用領(lǐng)域，以擴(kuò)張其勢(shì)力范圍。每種總線大多將自己作為國(guó)家或者地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，以加強(qiáng)自己的競(jìng)爭(zhēng)地位，如P-Net以成為丹麥標(biāo)準(zhǔn)，Profibus已成為德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，WorldFIP已成為法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。

6、NetLinx 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)新紀(jì)元Rockwell AutomationEthernet,ControlNet,DeviceNet, NetLinx下的三層網(wǎng)絡(luò)Information Level(EtherNet/IP)Device Level(DeviceNet)Station MMI24vdc509 -BODModular I/OBlock I/OMicro DriveControl Level(ControlNet)Gateway or Linking DeviceProgrammable Device Support PCMotor StarterMicro PLCOperator I

7、nterfaceDriveServoGateway or Linking DeviceMaintenance PCDesktop PCController以太網(wǎng)絡(luò)信息層控制層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)三層網(wǎng)絡(luò)的著眼點(diǎn)信息層： 高速報(bào)文傳送 高容量數(shù)據(jù)共享控制層 高速I/O信息和報(bào)文的傳送 有效的數(shù)據(jù)共享 確定性和可重復(fù)性設(shè)備層 有類似于控制層的要求，但更強(qiáng)調(diào)降低費(fèi)用、系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間設(shè)備網(wǎng)DeviceNet設(shè)備網(wǎng)連接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備DeviceNet總線含義DeviceNet是90年代中期發(fā)展起來(lái)的一種基于CAN技術(shù)的開(kāi)放型、符合全球工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的低成本、高性能的通信網(wǎng)絡(luò)DeviceNet把可編程序控制器、傳感器、光

8、電開(kāi)關(guān)、操作員終端、電動(dòng)機(jī)保護(hù)器、變頻器和軟起動(dòng)器等現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備連接起來(lái)，是分布式控制系統(tǒng)減少現(xiàn)場(chǎng)I/O接口和布線數(shù)量，將控制功能下載到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的理想解決方案DeviceNet總線現(xiàn)狀DeviceNet由開(kāi)放式設(shè)備網(wǎng)供貨商協(xié)會(huì)ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）組織和管理，ODVA是一個(gè)負(fù)責(zé)DeviceNet協(xié)議的制定和增補(bǔ)工作的國(guó)際組織。現(xiàn)有供貨商會(huì)員316個(gè)，已開(kāi)發(fā)了350多種DeviceNet產(chǎn)品。DeviceNet產(chǎn)品增長(zhǎng)勢(shì)頭迅猛，在美國(guó)和日本，它所占的市場(chǎng)份額已達(dá)50%以上，它每年正以高于150%的驚人速度不斷增長(zhǎng)幾乎所有世界著名的電器和自

9、動(dòng)化元件生產(chǎn)上都在大力開(kāi)發(fā)DeviceNet產(chǎn)品，如ABB、Rockwell、Phoenix、Contacts、Omron、Hitachi、Cutler-Hammer等用戶對(duì)設(shè)備網(wǎng)的要求 布線方便 小尺寸物理設(shè)備 低節(jié)點(diǎn)成本增加到相關(guān)設(shè)備 快速呼應(yīng)時(shí)間 設(shè)備組態(tài)和診斷的帶寬 支持控制器/系統(tǒng) 支持多銷售商設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備的市場(chǎng)要求減少硬接線減少勞動(dòng)力開(kāi)支在許多情況下，減少硬件成本減少起動(dòng)時(shí)間接線錯(cuò)誤最少診斷功能有助于解決焦急的問(wèn)題資源快速分配給下一個(gè)任務(wù)減少停機(jī)時(shí)間診斷功能提供預(yù)兆故障報(bào)警診斷功能有助于排除故障減少故障點(diǎn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的比較Control Networke.g.

10、 DH+,ControlNetRemoteI/ORackA1-5 vDC4-20 ma120 vAC24 vDCTADDI/O 網(wǎng)絡(luò)e.g. RIOA1-5 vDC4-20 ma120 vAC24 vDC24vdc509 -BODTADDDevice Network24vdc509 -BODTDeviceNet傳統(tǒng)DeviceNet電纜結(jié)構(gòu)+24VDC ( V+ )+0VDC ( V- )CAN-HCAN-L屏蔽電纜空藍(lán)白紅黑它總共有五根線:電力線有+24VDC, 0VDC 通訊線有CAN-H, CAN-L 屏蔽電纜 DeviceNet拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最長(zhǎng)支線是 6m (20ft)終端電阻是 121

11、歐姆TapZero DropShort DropsDaisy Chain max20 feetNodeNodeNodeNodeNodeNodeNode終端電阻主線 TrunkBranching DropNodeNodeNodeNode終端電阻支線節(jié)點(diǎn)DeviceNet連接方式多端口連接器T型分接器干線段 -注塑小型連接器支線 - 注塑連接器 - 0 到 20 英尺. - 小型和微型設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝干線連接器 -螺紋型 -彎曲型典型的密封型連接方式還有開(kāi)放式連接菊花鏈路連接方式粗主線 Thick Trunk通訊速度 125 Kbaud 250 Kbaud 500 Kbaud最長(zhǎng)主線距離 500m (

12、1640 ft) 250m (820ft) 100m (328 ft)最長(zhǎng)支線距離 20 ft 20 ft 20 ft最多節(jié)點(diǎn) 64 64 64細(xì)主線 Thin Trunk通訊速度 125 Kbaud 250 Kbaud 500 Kbaud最長(zhǎng)主線距離 100m (328 ft) 100m (328ft) 100m (328 ft)最長(zhǎng)支線距離 20 ft 20 ft 20 ft最多節(jié)點(diǎn) 64 64 64扁平主線 Flat Trunk通訊速度 125 Kbaud 250 Kbaud 500 Kbaud最長(zhǎng)主線距離 420m (1378 ft) 200m (656 ft) 75m (246 ft

13、)最長(zhǎng)支線距離 20 ft 20 ft 20 ft最多節(jié)點(diǎn) 64 64 64DeviceNet的性能特點(diǎn)采用基于CAN的廣播方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任一時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。(2) 網(wǎng)上可容納64個(gè)節(jié)點(diǎn)地址，每個(gè)節(jié)點(diǎn)支持的I/O數(shù)量沒(méi)有限制。(3) 采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，具有極好的檢錯(cuò)效果，具有CRC校驗(yàn)和其它檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率低。(4) 通信介質(zhì)為獨(dú)立雙絞總線，信號(hào)和電源承載于同一電纜。(5) 支持設(shè)備的熱插拔，無(wú)需網(wǎng)絡(luò)斷電。(6) 采用非破壞性逐位仲裁機(jī)制，保證了通信的實(shí)時(shí)性。DeviceNet的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)ThickThinFlat

14、DeviceNet的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)Flat MediaRound MediaDevicePortDeviceLinkDeviceBoxT-PortKwikLinkTrunk CableDrop CableAccessoriesFlat CableDeviceNet上的設(shè)備-掃描器設(shè)備網(wǎng)的管理者DeviceNet Scaner 網(wǎng)絡(luò)掃描器DeviceNet上的設(shè)備-傳感器各種傳感器DeviceNet上的設(shè)備-操作界面DeviceNet上的設(shè)備-電力設(shè)備小型電機(jī)控制器中型變頻調(diào)速器電機(jī)保護(hù)器變頻器通訊適配器電機(jī)啟動(dòng)器DeviceNet上的設(shè)備-I/O設(shè)備深入到現(xiàn)場(chǎng)的輸入/輸出設(shè)備DeviceNet具體實(shí)

15、例控制網(wǎng)ControlNet控制網(wǎng)概貌ControlNet 的歷史與發(fā)展ControlNet最早于1995年10月面世。1997，7月由Rockwell等22家企業(yè)聯(lián)合發(fā)起成立了ControlNet International 組織，Rockwell 公司把技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了該組織。該組織是非盈利性的，主要負(fù)責(zé)推廣、發(fā)展ControlNet技術(shù)，提供測(cè)試和組織培訓(xùn)等。ControlNet Internatinal 組織也取得了很大的發(fā)展、，到目前成員公司已擴(kuò)大到50多個(gè)。ABB Roboties、Honeywell Inc.、Omron Electronics Inc.等。ControlNet In

16、ternational 組織的網(wǎng)址是http:/工業(yè)界對(duì)控制層網(wǎng)絡(luò)的要求實(shí)時(shí)功能確定性和可重復(fù)性控制器之間的互鎖對(duì)等報(bào)文發(fā)送診斷功能使停機(jī)時(shí)間最小人機(jī)界面 (MMI) 支持編程24vdc509 -BODInformationDiscrete DeviceAutomation and ControlProcess DeviceFTPControlNet的使命在單根實(shí)際電纜上支持兩種類型的信息傳輸：對(duì)時(shí)間有苛求的控制和I/O數(shù)據(jù)：I/O刷新和對(duì)等互鎖指定最高的優(yōu)先權(quán)確定性和可重復(fù)性無(wú)時(shí)間苛求信息：報(bào)文發(fā)送和程序上載/下載指定較低的優(yōu)先權(quán)不允許犧牲控制和I/O數(shù)據(jù)功能為了建立羅克韋爾自動(dòng)化和其它自動(dòng)

17、化系統(tǒng)供應(yīng)商控制體系結(jié)構(gòu)，必須提供可靠的高速應(yīng)用信息傳輸。ControlNet的主要技術(shù)特點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)功能：同一鏈路支持控制信息、I/O數(shù)據(jù)、編程數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洌壕€形、星形、樹(shù)型、以及以上的任何拓?fù)涞幕旌暇W(wǎng)絡(luò)速度：5Mbit/s（最大）單網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度：（同軸電纜）1000m帶2個(gè)節(jié)點(diǎn)，250m帶48個(gè)節(jié)點(diǎn)。（光纖） 3000m網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)：99個(gè)最大可編址節(jié)點(diǎn)，不帶中繼器的網(wǎng)段最多48個(gè)節(jié)點(diǎn)I/O數(shù)據(jù)觸發(fā)方式：論詢（Poll），周期性發(fā)送（Cyclic）/狀態(tài)改變發(fā)送（Change of State)網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間：可組態(tài)2100ms數(shù)據(jù)分組大小：可變長(zhǎng)0 510字節(jié)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)特性：可帶電插拔，確定性和可重

18、復(fù)性。ControlNet的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)R段 # 3段#4RRRR“樹(shù)型”段 # 1段 # 2RR段 # 1RR段 # 4R段 # 2“星型”段 # 3段 # 6R= 中繼器ControlNet用戶獲得的利益靈活的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)I/O控制和編程在同一網(wǎng)絡(luò)上完成從每個(gè)節(jié)點(diǎn)，甚至適配器上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)存取使用戶編程過(guò)程簡(jiǎn)單化和增加功能用戶可選擇控制和I/O刷新速率刷新速率恒定，可增加或減少節(jié)點(diǎn)對(duì)遠(yuǎn)程邏輯機(jī)架消除塊傳輸編程在線反饋帶寬利用率開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)對(duì)其它自動(dòng)化供應(yīng)商可用技術(shù)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)范羅克韋爾自動(dòng)化產(chǎn)品PLC-5Cs, 1771 and Flex I/O適配器, PanelView MMI, PC卡,

19、交流變頻器, 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器, 編程和組態(tài)ControlNet用戶獲得的利益高速 (5 Mb/s) 控制和I/O網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)I/O性能改進(jìn)對(duì)等通信靈活的安裝方式可以在干線的任何地方安裝設(shè)備可選冗余介質(zhì)在同一物理鏈路上支持多達(dá)99個(gè)節(jié)點(diǎn)先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)能力確定性 - 知道數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)刻可重復(fù)性 - 傳輸時(shí)間恒定，甚至當(dāng)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)或折除時(shí)生產(chǎn)者/客戶模式：多主結(jié)構(gòu)，多信道廣播輸入和對(duì)等通信ControlNet上的設(shè)備-變頻器變頻調(diào)速器控制網(wǎng)適配器模塊（同軸電纜方式）ControlNet上的設(shè)備-變頻器非冗余光纜轉(zhuǎn)換器TX RX冗余介質(zhì)TX RX變頻器控制網(wǎng)適配器模塊（光纜方式）ControlNet上的設(shè)備I/

20、O輸入輸出設(shè)備操作員面板計(jì)算機(jī)接口卡“Old Way” = 源/目標(biāo)方式通常被主/從方式所采用“The time is 8:00”“The time is 8:00”“The time is 8:00”“The time is 8:00”“The time is 8:00”“New Way” = 生產(chǎn)者/消費(fèi)者方式also referred to as “Publisher/Subscriber”contains all Source/Destination capabilities, plus additional capabilities for improved efficiencyNe

21、tLinx的基本技術(shù)設(shè)置控制數(shù)據(jù)采集生產(chǎn)者/消費(fèi)者服務(wù)方式NetLinx網(wǎng)絡(luò)的三大功能Controller控制器 Drive1Sensor Drive3Drive2Data AcquisitionHMIAnalog I/O 傳輸效率非常低 - RIO, Profibus, Interbus S傳統(tǒng)控制方式-源/目標(biāo)方式Controller Drive1Sensor Drive3Drive2Data AcquisitionHMIAnalog I/O Change-of-State 狀態(tài)改變 - Sensor produces data only when object is present. C

22、yclic 周期性循環(huán)- Analog I/O can send one value (pressure) every 50 ms, and another value (temperature) every 500 msMulticast 多點(diǎn)傳送- simultaneous data consumption. 傳輸效率非常高使用NetLinx技術(shù)的控制方式如果支持通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置，常常需要在主站中編程否則就需要點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的進(jìn)行設(shè)置Controller Drive1Sensor Drive3Drive2Programmable Device SupportHMIAnalog I/O ( EN )

23、( DN )( ERR )MOVDest: M1Size: 32 words| / |N23:5/00( )N22:1/06( )O.0.1/10| |I.0.2/04( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M0Size: 32 words傳統(tǒng)的設(shè)備配置方式Very Efficient, devices communicate directly - not through bottlenecks編程器直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編程通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行組態(tài)Controller Drive1Sensor Drive3Drive2Programmable Device SupportHMIA

24、nalog I/O ( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M1Size: 32 words| / |N23:5/00( )N22:1/06( )O.0.1/10| |I.0.2/04( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M0Size: 32 words使用NetLinx技術(shù)的設(shè)備配置方式Controller Drive1Sensor Drive3Drive2Data AcquisitionHMIAnalog I/O 主站通過(guò)輪詢的方式采集數(shù)據(jù)主站通過(guò)邏輯梯形圖程序獲取數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)需要被存儲(chǔ)后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M1Si

25、ze: 32 words| / |N23:5/00( )N22:1/06( )O.0.1/10| |I.0.2/04( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M0Size: 32 words傳輸效率低下DH+ & RIO, Profibus FMS & DP 等網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式設(shè)備數(shù)據(jù)通過(guò)廣播方式進(jìn)行傳輸任何設(shè)備都可以消費(fèi)/享用數(shù)據(jù)減少信息量，無(wú)需編程高效率地利用了網(wǎng)絡(luò)帶寬和處理器能力Controller Drive1Sensor Drive3Drive2Data AcquisitionHMIAnalog I/O ( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M1Size: 32 words| / |N23:5/00( )N22:1/06( )O.0.1/10| |I.0.2/04( EN )( DN )( ERR )MOVDest: M0Size: 32 words使用NetLinx技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方式信息層網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)絡(luò)HostComputerRSLinx &INTERCHANGESoftwareRSViewSoftwarePLC-5EsRSLinxDDE ServerProgrammi