工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教案第1頁課程題目第2講概論（2）現(xiàn)場總線的技術(shù)特點及優(yōu)點、制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的機構(gòu)、現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場總線中國標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場總線的分類課時2學(xué)時教學(xué)目的：1．了解制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的機構(gòu)；2．掌握現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場總線的中國標(biāo)準(zhǔn)；3．掌握現(xiàn)場總線的分類和現(xiàn)場總線的技術(shù)特點及優(yōu)點，思考思考標(biāo)準(zhǔn)的更改與現(xiàn)場總線發(fā)展的關(guān)系。教學(xué)重點與難點：重點：現(xiàn)場總線的技術(shù)特點及優(yōu)點、現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)；難點：現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)。教學(xué)方法與手段：方法：講授法手段：課堂教學(xué)教學(xué)內(nèi)容與課時分配：1.現(xiàn)場總線的技術(shù)特點及優(yōu)點、制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的機構(gòu)；1學(xué)時2.現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場總線中國標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場總線的分類。1學(xué)時教具：作業(yè)與思考：教學(xué)后記：備注教學(xué)內(nèi)容工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教案第9頁備注教學(xué)內(nèi)容第2講緒論（2）一、現(xiàn)場總線的技術(shù)特點及優(yōu)點1．現(xiàn)場總線的技術(shù)特點與DCS等傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，現(xiàn)場總線（系統(tǒng)）有以下特點：1）現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線將通信線（總線電纜）延伸到工業(yè)現(xiàn)場（制造或過程區(qū)域），或總線電纜就是直接安裝在工業(yè)現(xiàn)場的；現(xiàn)場總線完全適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，因為它就是為此而設(shè)計的。2）數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場底層的變送器／傳感器、執(zhí)行器、控制器之間的信號傳輸均用數(shù)字信號；中／上層的控制器、監(jiān)控／監(jiān)視計算機等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送均用數(shù)字信號；各層設(shè)備之間的信息交換均用數(shù)字信號。3）開放互連網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議／規(guī)范是公開的，所有制造商都必須遵守；現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)是開放的，既可實現(xiàn)同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可實現(xiàn)不同層網(wǎng)絡(luò)互連，而不管其制造商是哪一家；用戶可共享網(wǎng)絡(luò)資源。4）現(xiàn)場設(shè)備互連網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線通過一根通信線將所需的各個現(xiàn)場設(shè)備（如變送器／傳感器、執(zhí)行器、控制器）互相連接起來，即用一根通信線直接互連N個現(xiàn)場設(shè)備，從而構(gòu)成了現(xiàn)場設(shè)備的互連網(wǎng)絡(luò)。5）結(jié)構(gòu)與功能高度分散的系統(tǒng)現(xiàn)場總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有高度分散性；現(xiàn)場總線的系統(tǒng)功能實現(xiàn)了高度分散，現(xiàn)場設(shè)備由分散的功能模塊構(gòu)成。6）現(xiàn)場設(shè)備的互操作性與互換性互操作性：同一制造商或不同制造商提供的兩個或多個現(xiàn)場設(shè)備交換信息和使用這些信息正確地執(zhí)行特定功能的能力?；Q性：不用改變系統(tǒng)內(nèi)的其他元件，用一個制造商提供的設(shè)備替代另一個制造商提供的設(shè)備的能力。2．現(xiàn)場總線的優(yōu)點現(xiàn)場總線所具有的數(shù)字化、開放性、分散性、互操作性與互換性及對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性等特點決定和派生了其一系列優(yōu)點：1）導(dǎo)線和連接附件大量減少；2）儀表和輸入／輸出轉(zhuǎn)換器（卡件）大量減少；3）設(shè)計、安裝和調(diào)試費用大大降低；4）維護(hù)開銷大幅度下降；5）系統(tǒng)可靠性提高；6）系統(tǒng)測量與控制精度提高；7）系統(tǒng)具有優(yōu)異的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；8）系統(tǒng)具有強大的（遠(yuǎn)程）故障診斷功能；9）設(shè)備配置、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和系統(tǒng)集成方便自由；10）現(xiàn)場設(shè)備更換和系統(tǒng)擴展更為方便；11)為企業(yè)信息系統(tǒng)的構(gòu)建創(chuàng)造了重要條件。與傳統(tǒng)的DCS方案相比，美國阿拉斯加WestSakARCO油田（自然環(huán)境十分惡劣）采用某現(xiàn)場總線所帶來的節(jié)省情況如下：a、減少接線端子84％；b、減少I/O卡件數(shù)量93％；c、減少控制儀表面板空間70％；d、減少室內(nèi)接線98％；e、由于遠(yuǎn)程診斷而減少維護(hù)工作量50~80％；f、擴展油田所需組態(tài)時間減少90％；g、節(jié)省電纜費用69%。二、了解以至掌握現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)和其它相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的必要性1）某種現(xiàn)場總線是否已被列入國際標(biāo)準(zhǔn)或／和其它有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，是衡量其是否已成為或?qū)⒊蔀閲H主流現(xiàn)場總線的重要的、甚至是決定性的因素之一；2）在當(dāng)今數(shù)字技術(shù)時代，標(biāo)準(zhǔn)不僅是一個產(chǎn)品規(guī)范，而且還起著領(lǐng)導(dǎo)其所在領(lǐng)域高新技術(shù)發(fā)展的特殊作用；3）現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)確保了每種總線設(shè)備/軟件都具有廣闊的市場，這有助于大批量生產(chǎn)，甚至可以采用大規(guī)模集成（LSI）或超大規(guī)模集成（LVSI）技術(shù)，從而降低了成本；4）現(xiàn)場總線的開放性及互操作性與互換性均是以其標(biāo)準(zhǔn)為前提的。三、制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的機構(gòu)國際上制訂國際標(biāo)準(zhǔn)的機構(gòu)有3個：1）國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO(InternationalOrganizationforStandardization)；2）國際電工委員會IEC（InternationalElectrotechnicalCommission）；3）國際電信聯(lián)盟ITU（InternationalTelecommunicationUnion）。各個國家均有制訂國家標(biāo)準(zhǔn)的組織，我國制定國家標(biāo)準(zhǔn)的組織是中國標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會SAC（StandardizationAdministrationofChina）。IEC國際標(biāo)準(zhǔn)的制定過程：—預(yù)備階段；—提案階段；—準(zhǔn)備階段；—委員會階段；—征詢意見階段；—批準(zhǔn)階段；—出版階段。（標(biāo)志：PPUB：PublicationIssued，出版發(fā)行即認(rèn)為國際標(biāo)準(zhǔn)形成）四、現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)據(jù)統(tǒng)計，世界上已有現(xiàn)場總線100多種，其中宣稱為開放型總線的就有40多種，僅國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線即達(dá)25種。IEC61158：工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線（FieldbusforuseinindustrialControlSystem）。IEC62026：低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備（Low-VoltageSwitchgearandControlgear）用現(xiàn)場總線（設(shè)備層現(xiàn)場總線）。ISO11898：道路交通工具－數(shù)字信息交換－用于高速通信的控制器局域網(wǎng)（CAN）。ISO11519：道路交通工具－低速串行數(shù)據(jù)通信。1.IEC61158：IEC61158是制定時間最長、投票次數(shù)最多、意見分歧最大的國際標(biāo)準(zhǔn)之一。到目前為止，IEC61158共有4個不同的版本(1984～2007)。原因：1）各大公司為了從自己專用的技術(shù)中取得更多、更大的利潤，并不迫切希望現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)早日問世；2）他們不得不開發(fā)打破壟斷、全面開放的現(xiàn)場總線，與其自身利益相矛盾，是無奈之舉；3）一旦國際標(biāo)準(zhǔn)與其技術(shù)產(chǎn)品不符，就投反對票；4）一些小國在技術(shù)、經(jīng)濟上依附大國，投票中搖擺，不能自主；5）IEC是多極化組織，代表分別來自各大國及各大公司，斗爭的復(fù)雜性反復(fù)性不可避免；6）技術(shù)上，沒有一種現(xiàn)場總線對所有領(lǐng)域都是最好的。IEC61158第1版（ED1.0）（1984-1993-1998），如下圖：圖1-23IEC61158第1版（ED1.0）內(nèi)容2.IEC61158第2版（ED2.0）(1999-2000)IEC61158第2版（ED2.0）包括以下部分：IEC61158-2（2000-08）工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)－第2部分：物理層規(guī)范與服務(wù)定義；IEC61158-3（2000-01）測量與控制用數(shù)字式數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)－工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線－第3部分：數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)定義；IEC61158-4（2000-01）測量與控制用數(shù)字式數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)－工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線－第4部分：數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議規(guī)范；IEC61158-5（2000-01）測量與控制用數(shù)字式數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)－工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線－第5部分：應(yīng)用層服務(wù)定義；IEC61158-6（2000-01）測量與控制用數(shù)字式數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)－工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線－第6部分：應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范。注：第2版IEC61158于2000年成為正式國際標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)入IEC61158第2版的現(xiàn)場總線有以下8種類型（Type），如下圖：圖1-24IEC61158第2版（ED2.0）-8種現(xiàn)場總線3.IEC61158第3版（ED3.0）(2000-2002)IEC61158第3版（ED3.0）也包括IEC61158-2至IEC61158-6這幾部分。其IEC61158-3至IEC61158-6的標(biāo)題（Title）與第2版對應(yīng)部分的標(biāo)題相同。第3版IEC61158-2的標(biāo)題為：IEC61158-2TR測量與控制用數(shù)字式數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)－工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線－第2部分：物理層規(guī)范。IEC61158第3版（ED3.0）共有10種現(xiàn)場總線。IEC61158第3版規(guī)定了以下10種類型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：Type1PhL：擴展的IEC61158-2:1993擴展的FOUDATIONTMFieldbus功能擴展的WorldFIP?DLL：IECTS61158-3，TS61158-4擴展的FOUDATIONFieldbus功能擴展的WorldFIPAL：IECTS61158-5，TS61158-6Type2PhL：ControlNetTMDLL：ControlNetAL：ControlNetandEthernet/IPTMType3：PROFIBUSTMType4：P-NET?Type5：PhL：無DLL：無AL：FFHSEType6：SwiftNetTMType7：WorldFIPType8：INTERBUS?Type9：PhL：無DLL：無AL：Type1的一部分，與FF相同Type10：PROFInetTM其中，PhL、DLL、AL分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。4.IEC61158第4版（ED4.0）(2003-2007)IEC61158第4版包括：IEC/TR61158-1總則；IEC61158-2物理層服務(wù)定義與協(xié)議規(guī)范；IEC61158-300數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)定義；IEC61158-400數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議規(guī)范；IEC61158-500應(yīng)用層服務(wù)定義；IEC61158-600應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范。IEC61158第4版（ED4.0）-19種現(xiàn)場總線。IEC61158第4版規(guī)定了以下20種類型的現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)/實時以太網(wǎng)：Type1IEC/TS61158現(xiàn)場總線Type2CIP現(xiàn)場總線/實時以太網(wǎng)Type3PROFIBUS現(xiàn)場總線Type4P-NET現(xiàn)場總線/實時以太網(wǎng)Type5FFHSE高速以太網(wǎng)(實時以太網(wǎng))Type6SwiftNet被撤銷Type7WorldFIP現(xiàn)場總線Type8INTERBUS現(xiàn)場總線/實時以太網(wǎng)Type9FFH1現(xiàn)場總線Type10PROFINET實時以太網(wǎng)Type11TCnet實時以太網(wǎng)Type12EtherCAT實時以太網(wǎng)Type13EthernetPowerlink實時以太網(wǎng)Type14EPA實時以太網(wǎng)Type15MODBUS-RTPS實時以太網(wǎng)Type16SERCOS-Ⅰ,Ⅱ現(xiàn)場總線Type17VNET/IP實時以太網(wǎng)Type18CC-Link現(xiàn)場總線Type19SERCOS-Ⅲ實時以太網(wǎng)Type20HART現(xiàn)場總線IEC61158采納多種現(xiàn)場總線的原因：1）技術(shù)原因。目前尚沒有一種現(xiàn)場總線對所有應(yīng)用領(lǐng)域在技術(shù)上都是最優(yōu)的。2）利益驅(qū)動。5.IEC62026（1995-2001）-4種現(xiàn)場總線1）IEC62026-1（2000-07）低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備―控制器-設(shè)備接口（CDIs：Controller-deviceinterface）－第1部分：總則（Generalrules）；2）IEC62026-2（2000-07）低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備―控制器-設(shè)備接口－第2部分：執(zhí)行器傳感器接口（AS-i：Actuatorsensorinterface）；3）IEC62026-3（2000-07）低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備―控制器-設(shè)備接口－第3部分：DeviceNet；4）IEC62026-5（2000-07）低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備―控制器-設(shè)備接口－第5部分：智能分布系統(tǒng)（SDS：Smartdistributedsystem）；5）IEC62026-6（2001-11）低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備―控制器-設(shè)備接口－第6部分：Seriplex(SerialMultiplexedControlBus(串行多路控制總線))；6）IEC62026-1、2、3、5于2000年7月作為正式國際標(biāo)準(zhǔn)出版；7）IEC62026-6于2001年11月作為正式國際標(biāo)準(zhǔn)出版；8）IEC62026曾有過IEC62026-4，其標(biāo)題為：IEC62026-4用于低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的控制電路設(shè)備和開關(guān)元件（Controlcircuitdeviceandswitchingelements）－第4部分：Lontalk，因該協(xié)議不適合作為設(shè)備層的通用協(xié)議而被移去。6.ISO11898（1993）-高速CANISO11898的標(biāo)題為：1）ISO11898:1993道路交通工具（RoadVehicle）－數(shù)字信息交換（Interchangeofdigitalinformation）－用于高速通信（Forhigh-speedcommunication）的控制器局域網(wǎng)（CAN）；2）ISO11898:1993描述CAN的一般結(jié)構(gòu)，包括CAN物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的詳細(xì)技術(shù)規(guī)范，規(guī)定裝備有CAN的道路交通工具電子控制單元之間以125kbit/s～1Mbit/s傳送速率進(jìn)行數(shù)字信息交換的各種特性。7.ISO11519（1994-1995）-低速CAN和VANISO11519的各部分如下：1）ISO11519-1：1994道路交通工具－低速串行數(shù)據(jù)通信－第1部分：總則與定義（Generalanddefinitions）；2）ISO11519-2：道路交通工具－低速串行數(shù)據(jù)通信－第2部分：低速控制器局域網(wǎng)（CAN）；3）ISO11519-3：1994道路交通工具－低速串行數(shù)據(jù)通信－第3部分：交通工具局域網(wǎng)（VAN）。ISO11519-1說明用于道路交通工具的速率不大于125kbit/s的低速串行數(shù)據(jù)通信的一般定義；ISO11519-2、3分別說明用于道路交通工具速率不大于125kbit/s的CAN和VAN通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，規(guī)定其網(wǎng)絡(luò)的一般結(jié)構(gòu)。五、現(xiàn)場總線中國標(biāo)準(zhǔn)1.與IEC61158相應(yīng)的現(xiàn)場總線中國標(biāo)準(zhǔn)：1）GB/T20540-2006測量和控制數(shù)字式數(shù)據(jù)通信工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線類型3：PROFIBUS；2）GB/Z20541-2006測量和控制數(shù)字式數(shù)據(jù)通信工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線類型10：PROFINET；3）GB/T20171-2006用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范。1）GB/T19760-2008CC-Link控制與通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)范2.與IEC61158相應(yīng)的現(xiàn)場總線中國機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：1）JB/T10308.3-2001測量和控制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線類型3：PROFIBUS；2）JB/T10308.2-2006測量和控制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線類型2：ControlNet和Ethernet/IP。3.與IEC62026相應(yīng)的現(xiàn)場總線中國標(biāo)準(zhǔn)：1）GB／T18858.1－2002低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備控制器－設(shè)備接口(CDI)第1部分總則；2）GB／T18858.2－2002低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備控制器－設(shè)備接口(CDI)第2部分執(zhí)行器-傳感器接口（AS-i）；3）GB／T18858.3－2002低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備控制器－設(shè)備接口(CDI)第