現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù).ppt

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 主講教師:李振華 山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 Email:;Tel:88395821,2019/4/14,2,第8章現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù),本章要點(diǎn)：,1.現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀與發(fā)展 2.企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng),2019/4/14,3,設(shè)備之間傳輸1-5V或4-20mA直流模擬信號，精度低，易受干擾,傳輸數(shù)字信號。風(fēng)險(xiǎn)高度集中，可靠性低，任務(wù)增加，會使系統(tǒng)性能下降。,集中管理分散控制。DCS廠家采用專用的控制通訊網(wǎng)絡(luò)。不同廠家的DCS系統(tǒng)之間難以網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。價(jià)格昂貴。 用戶需求：開放性和降低成本。,2019/4/14,4,2019/4/14,5,FCS是一種開放的、可以互聯(lián)的、低成本的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)。,2019/4/14,6,2019/4/14,7,隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化作為一種趨勢正在從工業(yè)生產(chǎn)過程的的決策層、管理層、監(jiān)控層和控制層一直滲透到現(xiàn)場設(shè)備?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)，是數(shù)字通信技術(shù)迅速占領(lǐng)工業(yè)過程控制系統(tǒng)中模擬量信號的最后一塊領(lǐng)地。一種全數(shù)字化、全分散式、可互操作的和全開放式的新型控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）已經(jīng)成為當(dāng)今的熱點(diǎn)。,8.1 現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀與發(fā)展,2019/4/14,9,現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、多變量、多點(diǎn)、多站的通信網(wǎng)絡(luò)。 IEC對現(xiàn)場總線的定義：是應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間實(shí)行雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的技術(shù)。 是當(dāng)今自動化領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。,2019/4/14,10,現(xiàn)場總線的產(chǎn)生 縱觀控制系統(tǒng)的發(fā)展史，不難發(fā)現(xiàn)，每一代新的控制系統(tǒng)的推出都是針對老一代控制系統(tǒng)存在的缺陷而給出的解決方案，現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)也不例外。 模擬儀表控制系統(tǒng) 集中式數(shù)字控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),2019/4/14,11,模擬儀表控制系統(tǒng) 在上世紀(jì)六七十年代占主導(dǎo)地位； 顯著缺點(diǎn)：模擬信號精度低，極易受干擾。,2019/4/14,12,集中式數(shù)字控制系統(tǒng) 在上世紀(jì)七八十年代占主導(dǎo)地位； 采用單片機(jī)、PLC或微機(jī)作為控制器，控制器內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號； 優(yōu)點(diǎn)：在控制方式、控制機(jī)時(shí)的選擇上可以統(tǒng)一調(diào)度、安排； 缺點(diǎn)：對控制器本身要求高。,2019/4/14,13,集散控制系統(tǒng)(DCS) 在上世紀(jì)八九十年代占主導(dǎo)地位； 核心是集中管理、分散控制； 優(yōu)點(diǎn)：有力地克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)對控制器要求高地缺陷； 缺點(diǎn)：封閉專用、不具備可互操作性、造價(jià)昂貴。,2019/4/14,14,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS) 數(shù)據(jù)傳輸采用總線方式； 控制功能徹底下放到現(xiàn)場，安裝成本和維護(hù)費(fèi)用得以降低； 是一種開放的、具備可互操作性、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)。,2019/4/14,15,現(xiàn)場總線的本質(zhì): 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場設(shè)備互連 互操作性 分散功能塊 通信線供電 開放式互連網(wǎng)絡(luò),1 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場總線作為一種數(shù)字式通信網(wǎng)絡(luò)一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場中的現(xiàn)場設(shè)備，使以往（包括DCS）采用點(diǎn)到點(diǎn)式的模擬量信號傳輸或開關(guān)量信號的單向并行傳輸變?yōu)槎帱c(diǎn)一線的雙向串行數(shù)字式傳輸。,2 現(xiàn)場設(shè)備互連 現(xiàn)場設(shè)備是指連接在現(xiàn)場總線上的各種儀表設(shè)備，按功能可分為變送器、執(zhí)行器、服務(wù)器和網(wǎng)橋、輔助設(shè)備等，這些設(shè)備可以通過一對傳輸線即現(xiàn)場總線直接在現(xiàn)場互連，相互交換信息，這在DCS中也是不可以的。現(xiàn)場設(shè)備如下：,（1）變送器 常用的變送器有溫度、壓力、流量、物位、分析等，每類又有多個(gè)品種。這種智能型變送器既有檢測、變換和補(bǔ)償功能，又有PID控制和運(yùn)算功能。,（2）執(zhí)行器 常用的執(zhí)行器有電動和氣動兩大類，每類又有多個(gè)品種。執(zhí)行器的基本功能是控制信號的驅(qū)動和執(zhí)行，還內(nèi)含調(diào)節(jié)閥的輸出特性補(bǔ)償、PID控制和運(yùn)算，另外還有閥門特性自動校驗(yàn)和自動診斷功能。 （3）服務(wù)器和網(wǎng)橋 服務(wù)器下接 H1和 H2，上接局域網(wǎng) LAN（Local Area Network）；網(wǎng)橋上接H2，下接H1。 （4）輔助設(shè)備 輔助設(shè)備有 H1/氣壓轉(zhuǎn)換器、H1/電流轉(zhuǎn)換器、電流/H1轉(zhuǎn)換器、安全柵、總線電源、便攜式編程器等。,2019/4/14,20,3互操作性,現(xiàn)場設(shè)備種類繁多，沒有任何一家制造廠可以提供一個(gè)工廠所需的全部現(xiàn)場設(shè)備。所以，不同廠商產(chǎn)品的交互操作與互換是不可避免的。用戶不希望為選用不同的產(chǎn)品而在硬件或軟件上花力氣，而希望選用各廠商性能價(jià)格比最優(yōu)的產(chǎn)品集成在一起，實(shí)現(xiàn)“即接即用”，能對不同品牌的現(xiàn)場設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需要的控制回路。,4分散功能塊 FCS廢棄了傳統(tǒng)的DCS輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。由于功能分散在多臺現(xiàn)場儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)，用戶可以靈活選用各種功能塊構(gòu)成所需控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制，,現(xiàn)場總線除了傳輸信息之外，還可以完成為現(xiàn)場設(shè)備供電的功能?？偩€供電不僅簡化了系統(tǒng)的安裝布線，而且還可以通過配套的安全柵實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全系統(tǒng) ，為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在易燃易爆環(huán)境中應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。,5現(xiàn)場總線供電,6開放式互連網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場總線為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連?，F(xiàn)場總線協(xié)議不象DCS那樣采用封閉專用的通信協(xié)議，而是采用公開化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的通信協(xié)議，只要符合現(xiàn)場總線協(xié)議，就可以把不同制造商的現(xiàn)場設(shè)備互連成系統(tǒng)。開放式互連網(wǎng)絡(luò)還體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享，通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)。,2019/4/14,25,現(xiàn)場總線的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn): 現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。 不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。 采用數(shù)字信號代替模擬信號，可以實(shí)現(xiàn)一對電線上傳輸多個(gè)信號。,1一對N 結(jié)構(gòu) FCS采用一對傳輸線，N臺儀表，雙向傳輸多個(gè)信號。這種一對N結(jié)構(gòu)使得接線簡單、工程周期短、安裝費(fèi)用低、維護(hù)容易。如果增加現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表，只需并行掛接到電纜上，無需架設(shè)新的電纜。而傳統(tǒng)的控制是一對一模擬信號的傳輸結(jié)構(gòu)，即一臺儀表，一對傳輸線，單向傳輸一個(gè)信號。這種一對一結(jié)構(gòu)造成接線龐雜、工程周期長、安裝費(fèi)用高、維護(hù)困難。,2可靠性高,FCS是數(shù)字信號傳輸，因而抗干擾強(qiáng)、精度高，由于無需采用抗干擾和提高精度的措施，從而減少了成本。而傳統(tǒng)的模擬信號傳輸，易受干擾精度低，為此采用各種抗干擾措施和提高精度的方法，其結(jié)果增加了成本。,3可控狀態(tài),FCS的操作員在控制室既能了解現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表的工作狀況，也能對其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，還可預(yù)測或?qū)ふ夜收希冀K處于操作員的遠(yuǎn)程監(jiān)視與可控狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的可靠性、可控性和可維護(hù)性。而傳統(tǒng)控制的操作員在控制室既不了解模擬儀表的工作狀況，也不能對其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，更不能預(yù)測尋找故障，導(dǎo)致操作員對其處于“失控”狀態(tài)。,4互換性,FCS用戶可以自由選擇不同制造商所提供的性能價(jià)格比最優(yōu)的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表進(jìn)行互連互換。即使某臺儀表出現(xiàn)故障，換上其他品牌的同類儀表照常工作，實(shí)現(xiàn)“即接即用?！倍M儀表盡管統(tǒng)一了信號標(biāo)準(zhǔn)，但大部分技術(shù)參數(shù)仍由制造廠商自定，致使不同廠商的儀表無法互換。,5互操作性,FCS用戶可把不同制造商的各種品牌的儀表集成在一起，進(jìn)行統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需的控制回路，不必為集成不同品牌的產(chǎn)品而在硬件或軟件上花費(fèi)力氣或增加額外投資。,6綜合功能 FCS現(xiàn)場儀表既有檢測、變換和補(bǔ)償功能，又有控制和運(yùn)算功能。實(shí)現(xiàn)一表多用，不僅方便了用戶，也節(jié)省了成本。,7分散控制,FCS的控制站功能分散在現(xiàn)場儀表中，通過現(xiàn)場儀表就可構(gòu)成控制回路，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制，提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。,8統(tǒng)一組態(tài) 由于FCS中的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表都引入了功能塊的概念，所有制造商都使用相同的功能塊，并統(tǒng)一組態(tài)方法。這樣就使組態(tài)變得非常簡單，不必因?yàn)楝F(xiàn)場設(shè)備種類不同，而進(jìn)行不同組態(tài)方法的培訓(xùn)或?qū)W習(xí)。,9開放式系統(tǒng) 對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開性、強(qiáng)調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與遵從。,2019/4/14,34,2019/4/14,35,分散控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),2019/4/14,37,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)（如DCS）結(jié)構(gòu)對比如圖8-1所示。,DeviceNet現(xiàn)場總線,傳統(tǒng)的模擬儀表,圖8-1 FCS與DCS結(jié)構(gòu)比較,2019/4/14,38,現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn): 系統(tǒng)的開放性； 互可操作性與互用性； 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性； 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性； 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。,2019/4/14,39,現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn): 節(jié)省硬件數(shù)量與投資； 節(jié)省安裝費(fèi)用； 節(jié)約維護(hù)開銷； 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)； 提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。,2019/4/14,40,現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn): 現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)是數(shù)字通信，通信就必須有協(xié)議，現(xiàn)場總線是一個(gè)定義了硬件接口和通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)。各個(gè)公司的現(xiàn)場總線沒有一個(gè)統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，但都參考OSI7層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，大都采用了第1（物理層）、2（數(shù)據(jù)鏈路層）、7層（應(yīng)用層），并增設(shè)了第8層（用戶層）。,2019/4/14,41,物理層 物理層定義了信號的編碼與傳送方式、傳送介質(zhì)、接口的電氣及機(jī)械特性、信號傳輸速率等?，F(xiàn)場總線有兩種編碼方式：Manchester和NRZ（ No Return Zero-Inverse 非歸零反相編碼），前者同步性好，但頻帶利用率低，后者剛好相反。Manchester編碼采用基帶傳輸，而NRZ編碼采用頻帶傳輸。 調(diào)制方式主要有CPFSK和COFSK。 現(xiàn)場總線傳輸介質(zhì)主要有有線電纜、光纖和無線介質(zhì)。,2019/4/14,42,數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層又分為兩個(gè)子層，即介質(zhì)訪問控制層（MAC）和邏輯鏈路控制層（LLC）。MAC功能是對傳輸介質(zhì)傳送的信號進(jìn)行發(fā)送和接收控制，而LLC層則是對數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行控制，保證數(shù)據(jù)傳送到指定的設(shè)備上?，F(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以是主站，也可以是從站，主站有控制收發(fā)數(shù)據(jù)的權(quán)力，而從站則只有響應(yīng)主站訪問的權(quán)力。 關(guān)于MAC層，目前有三種協(xié)議： （1）集中式輪詢協(xié)議 其基本原理是網(wǎng)絡(luò)中有主站，主站周期性地輪詢各個(gè)節(jié)點(diǎn)，被輪詢的節(jié)點(diǎn)允許與其他節(jié)點(diǎn)通信。 （2）令牌總線協(xié)議 這是一種多主站協(xié)議，主站之間以令牌傳送協(xié)議進(jìn)行工作，持有令牌的站可以輪詢其他站。 （3）總線仲裁協(xié)議 其機(jī)理類似于多機(jī)系統(tǒng)中并行總線的管理機(jī)制。,2019/4/14,43,應(yīng)用層 應(yīng)用層可以分為兩個(gè)子層，上面子層是應(yīng)用服務(wù)層（FMS層），它為用戶提供服務(wù)；下面子層是現(xiàn)場總線存取層（FAS層），它實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的連接。 應(yīng)用層的功能是進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的傳送及現(xiàn)場總線變量的訪問。它為用戶應(yīng)用提供接口，定義了如何應(yīng)用讀、寫、中斷和操作信息及命令，同時(shí)定義了信息、句法（包括請求、執(zhí)行及響應(yīng)信息）的格式和內(nèi)容。應(yīng)用層的管理功能在初始化期間初始化網(wǎng)絡(luò)，指定標(biāo)記和地址。同時(shí)按計(jì)劃配置應(yīng)用層，也對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，統(tǒng)計(jì)失敗和檢測新加入或退出網(wǎng)絡(luò)的裝置。,2019/4/14,44,用戶層 用戶層是現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)在OSI模型之外新增加的一層，是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)開放與可互操作性的關(guān)鍵。 用戶層定義了從現(xiàn)場裝置中讀、寫信息和向網(wǎng)絡(luò)中其他裝置分派信息的方法，即規(guī)定了供用戶組態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)“功能模塊”。事實(shí)上，各廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)功能塊的程序可能完全不同，但對功能塊特性描述、參數(shù)設(shè)定及相互連接的方法是公開統(tǒng)一的。信息在功能塊內(nèi)經(jīng)過處理后輸出，用戶對功能塊的工作就是選擇“設(shè)定特征”及“設(shè)定參數(shù)”，并將其連接起來。功能塊除了輸入輸出信號外，還輸出表征該信號狀態(tài)的信號。,2019/4/14,45,現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展趨勢: 發(fā)展現(xiàn)場總線技術(shù)已成為工業(yè)自動化領(lǐng)域廣為關(guān)注的焦點(diǎn)。具有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線技術(shù)有： 智能儀表與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)的軟硬件技術(shù)； 組態(tài)技術(shù)； 網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)； 人機(jī)接口和軟件技術(shù)； 現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成技術(shù)。,FCS的組態(tài)技術(shù)：對用戶而言，F(xiàn)CS中有三種軟件模塊：功能塊、轉(zhuǎn)換塊和資源塊。當(dāng)用一些功能塊組成了某一裝置的控制策略時(shí)，就把這些功能塊的有序集合稱為一個(gè)“功能應(yīng)用塊”。一個(gè)功能塊應(yīng)用可以和另一個(gè)功能塊應(yīng)用互連在一起，一個(gè)功能塊應(yīng)用也可以包含另一個(gè)功能塊應(yīng)用。,2019/4/14,47,現(xiàn)場總線屬于尚在發(fā)展的技術(shù)，我國在這一技術(shù)領(lǐng)域還剛剛起步。了解國際上該項(xiàng)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展動向，對我國相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，對自動化技術(shù)、設(shè)備的更新，無疑具有重要的作用。 總體說來，自動化系統(tǒng)與設(shè)備將朝著現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)的方向前進(jìn)，這一發(fā)展趨勢是肯定的。既然是總線，就要向著趨于開放統(tǒng)一的方向發(fā)展，成為大家都遵守的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但這一技術(shù)所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。,2019/4/14,48,大千世界，眾多領(lǐng)域，需求各異，一個(gè)現(xiàn)場總線體系下可能不止容納單一的標(biāo)準(zhǔn)。另外，從以上介紹也可以看出，幾大技術(shù)均具有自己的特點(diǎn)，已在不同應(yīng)用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢。加上商業(yè)利益的驅(qū)使，它們都正在十分激烈的市場競爭中求得發(fā)展。 有理由認(rèn)為：在從現(xiàn)在起的未來10年內(nèi)，可能出現(xiàn)幾大總線標(biāo)準(zhǔn)共存，甚至在一個(gè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)內(nèi)，幾種總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備通過路由網(wǎng)關(guān)互連實(shí)現(xiàn)信息共享的局面。,現(xiàn)場總線是FCS的核心。目前，世界上出現(xiàn)了多種現(xiàn)場總線的企業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)。這些現(xiàn)場總線技術(shù)各具特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸形成自己的產(chǎn)品系列，并占有相當(dāng)大的市場份額。由于技術(shù)和商業(yè)利益的原因，尚沒有統(tǒng)一。以下就是目前流行的幾種著名的現(xiàn)場總線。,8.2 現(xiàn)場總線簡介,2019/4/14,50,比較流行的現(xiàn)場總線 基金會現(xiàn)場總線 CAN Devicenet LonWorks PROFIBUS RS-485,2019/4/14,51,1 基金會現(xiàn)場總線(Foundation Fieldbus) FF是現(xiàn)場總線基金會Fieldbus Foundation的縮寫。現(xiàn)場總線基金會是國際公認(rèn)的、惟一不附屬于某企業(yè)的、非商業(yè)化的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織。其宗旨是制定單一的國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。FF協(xié)議的前身是以美國Fisher-Rosemount公司為首，聯(lián)合 Foxboro、Yokogawa、ABB、Siemens等80家公司制定的ISP協(xié)議，和以Honeywell公司為首、聯(lián)合歐洲等地的150家公司制定的 Word FIP協(xié)議。迫于用戶的壓力，支持ISP和World FIP的兩大集團(tuán)于1994年9月握手言和，成立了現(xiàn)場總線基金會Fieldbus Foundation。,2019/4/14,52,分低速H1和高速H2兩種通信速率； FF總線分為低速現(xiàn)場總線和高速現(xiàn)場總線兩種通信速率。低速現(xiàn)場總線H1的傳輸速率為31.25kbps，高速現(xiàn)場總線HSE的傳輸速率為100Mbps，H1支持總線供電和本質(zhì)安全特性，最大通信距離為1900m（如果加中繼器可延長至9500m，最多可直接連接32個(gè)節(jié)點(diǎn)（非總錢供電）、13個(gè)節(jié)點(diǎn)（總線供電）、6個(gè)節(jié)點(diǎn)（本質(zhì)安全要求）。如果加中繼器最多可連接240個(gè)節(jié)點(diǎn)。通信介質(zhì)為雙絞線、光纜或無線電。,2019/4/14,53,物理媒介的傳輸信號為曼徹斯特編碼。 FF總線以O(shè)SI參考模型為基礎(chǔ)，取其物理層、鏈路層和應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在此基礎(chǔ)上增加了用戶層。,2019/4/14,54,FF采用可變長幀結(jié)構(gòu)，每幀的有效字節(jié)數(shù)為 0251個(gè)。目前已經(jīng)有 Smar、 Fuji、National、Semiconductor、Siemens、Yokogawa等12家公司可以提供FF的通信芯片。,2019/4/14,55,目前，全世界已有120多個(gè)用戶和制造商成為現(xiàn)場總線基金會的成員?；饡聲依耸澜缟献钪饕淖詣踊O(shè)備供應(yīng)商?；饡蓡T所生產(chǎn)的自動化設(shè)備占世界市場的90以上?；饡?qiáng)調(diào)中立與公正。所有的成員均可以參加規(guī)范的制訂和評估，所有的技術(shù)成果由基金會擁有和控制。由中立的第三方負(fù)責(zé)產(chǎn)品的注冊和測試等。因此，基金會現(xiàn)場總線具有一定的權(quán)威性、廣泛性和公正性。,2019/4/14,56,2 CAN (Controller Area Network) 它是由德國Bosch公司推出、最早用于汽車內(nèi)部監(jiān)測部件與控制部件的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在已經(jīng)逐步應(yīng)用到其它控制領(lǐng)域。 CAN協(xié)議也是建立在OSI模型基礎(chǔ)上的，它采用了OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和高層的應(yīng)用層，其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線； 最高通信速率為1Mbps（通信距離40m），最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)10km（通信速率為5kbps），節(jié)點(diǎn)總數(shù)可達(dá)110個(gè)。,2019/4/14,57,信號傳輸采用短禎結(jié)構(gòu)，有效字節(jié)為8個(gè)；因而傳輸?shù)臅r(shí)間短，受干擾的概率低，每幀信息均采用循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC及其它檢錯措施，通信誤碼率極低。CAN節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，這時(shí)故障節(jié)點(diǎn)與總線脫離，使其它節(jié)點(diǎn)的通信不受影響。,2019/4/14,58,支持多主工作方式； 被ISO制定為國際標(biāo)準(zhǔn)。,2019/4/14,59,3 DeviceNet 是一個(gè)開放式網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)； 購買者將得到真正免費(fèi)的開發(fā)該產(chǎn)品的許可； 特點(diǎn)為：基于CAN總線、通信模式為生產(chǎn)者/客戶、設(shè)備可互換性、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可隨時(shí)連接或斷開、設(shè)備安裝費(fèi)用少、可方便對網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備進(jìn)行配置、測試和管理。,CAN本身并未指出流量控制、節(jié)點(diǎn)地址分配、通信建立、設(shè)備連接標(biāo)準(zhǔn)等具體的細(xì)則。后來在CAN總線協(xié)議的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了DeviceNET和CANopen協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。 DeviceNET沿用了CAN 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的ISO參考模型中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的一部分，并補(bǔ)充了不同的報(bào)文的傳送格式，總線訪問仲裁規(guī)則及故障檢測和隔離的發(fā)法。,2019/4/14,60,4 LonWorks Lon Works是局部操作網(wǎng)絡(luò)Local Operating Network的縮寫。它是由美國 Echelon公司研制、于1990年正式公布的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。 采用ISO/OSI模型的全部七層協(xié)議； 采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法；,2019/4/14,61,其最高通信速率為1.25MbpS（通信距離不超過130m），最遠(yuǎn)通信距離為27000m（通信速率為78kbps），節(jié)點(diǎn)總數(shù)可達(dá)32000個(gè)。網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。,2019/4/14,62,其技術(shù)的不斷推廣促成了神經(jīng)元芯片的低成本； 已經(jīng)被定義為建筑自動化協(xié)議的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。,2019/4/14,63,5 PROFIBUS PROFIBUS是過程現(xiàn)場總線Process Field Bus的縮寫。它是德國國家標(biāo)準(zhǔn) DIN 19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN 50170所規(guī)定的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。 PROFIBUS由三個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUSDP、PROFIBUSPA和 PROFIBUSFMS。其中 PRMUSDP是一種高速低成本通信系統(tǒng)； 參考模型為ISO/OSI模型，定義了物理層、鏈路層和應(yīng)用層；,2019/4/14,64,支持主-從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等傳輸方式； 傳輸速率范圍寬，傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、光纜。最高通信速率為12Mbps（通信距離不超過100m），最大通信距離為 1200m（通信速率為9.6kbps）。如果采用中繼器可延長至10km ，其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線或光纜。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)可掛32個(gè)節(jié)點(diǎn)，如帶中繼器，最多可掛127個(gè)節(jié)點(diǎn)。,2019/4/14,65,5 CC-Link 控制與通信鏈路系統(tǒng)的簡稱； 以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，也可以覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感器層； 很多汽車行業(yè)成為其用戶。,2019/4/14,66,6 RS-485總線 不能稱為現(xiàn)場總線，但是鼻祖； 通信設(shè)備簡單，成本低。,2019/4/14,67,8.3 現(xiàn)場總線與企業(yè)網(wǎng)絡(luò),企業(yè)網(wǎng)絡(luò)：由信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)組成。 信息網(wǎng)絡(luò)：處理企業(yè)管理與決策信息。處于企業(yè)的上層，處理大量的、變化的和多樣的信息，其特點(diǎn)是高速、綜合。 控制網(wǎng)絡(luò)處理企業(yè)現(xiàn)場實(shí)時(shí)測控信息。采用現(xiàn)場總線技術(shù)，處于企業(yè)的底層，其特點(diǎn)是：協(xié)議簡單、安全可靠、容錯性強(qiáng)、成本低。過程控制層、制造執(zhí)行層、企業(yè)資源規(guī)劃層。,2019/4/14,68,8.2.1 企業(yè)網(wǎng)絡(luò),企業(yè)網(wǎng)絡(luò)： 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)一般是指在一個(gè)企業(yè)范圍內(nèi)將信號檢測、數(shù)據(jù)傳輸、處理、存儲、計(jì)算、控制等設(shè)備或系統(tǒng)連接在一起，將企業(yè)范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲等資源連接在一起，提供企業(yè)內(nèi)的信息共享、員工間的便捷通信和企業(yè)外部的信息訪問，提供面向客戶的企業(yè)信息查詢及業(yè)務(wù)伙伴間的信息交流等多方面功能的一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。,2019/4/14,69,企業(yè)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的資源共享、信息管理、過程控制、經(jīng)營決策，并能夠訪問企業(yè)外部的信息資源，使得企業(yè)的各項(xiàng)事務(wù)能協(xié)調(diào)運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)企業(yè)集成管理和控制。,企業(yè)網(wǎng)絡(luò)是眾多新技術(shù)綜合的結(jié)果。企業(yè)網(wǎng)絡(luò)組成技術(shù)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)技術(shù)是構(gòu)成企業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)。,2019/4/14,70,圖8-2 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),2019/4/14,71,企業(yè)網(wǎng)絡(luò)組成技術(shù)包括：計(jì)算機(jī)技術(shù)，數(shù)據(jù)庫技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，控制技術(shù)，現(xiàn)場總線技術(shù)，多媒體技術(shù)和管理技術(shù)。 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)技術(shù)包括：局域網(wǎng)，廣域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)互連，系統(tǒng)集成，Internet，Intranet和Extranet。,2019/4/14,72,8.2.2 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),企業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需求： 目前，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)已滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，對企業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、經(jīng)營管理、服務(wù)方式等帶來了革命性的影響，并成為衡量一個(gè)企業(yè)科技水平和綜合力量的重要指標(biāo)。企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用不僅可以改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，提高產(chǎn)品的附加值，而且對推動企業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)信息化也將起到關(guān)鍵性的作用。,2019/4/14,73,企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的特性： 范圍確定性：企業(yè)網(wǎng)絡(luò)是在有關(guān)企業(yè)范圍內(nèi)為實(shí)現(xiàn)企業(yè)的集成管理和控制而建成的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，具有特定的地域和服務(wù)范圍，并能實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場實(shí)時(shí)控制到管理決策支持的功能。 集成性：企業(yè)網(wǎng)絡(luò)通過對計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息與通信技術(shù)和控制技術(shù)等技術(shù)的集成，達(dá)到了現(xiàn)場信號監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)控制到信息管理、經(jīng)營決策等功能上的集成，從而構(gòu)成了企業(yè)信息基礎(chǔ)設(shè)施的基本骨架。,2019/4/14,74,安全性：企業(yè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于Internet和其他網(wǎng)絡(luò)。它作為相對獨(dú)立單位的某個(gè)企業(yè)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，在企業(yè)信息保密和防止外部入侵方面要求高度的安全性，要確保企業(yè)能通過企業(yè)網(wǎng)絡(luò)獲取外部信息和發(fā)布內(nèi)部公開信息，相對獨(dú)立和安全地處理內(nèi)部事務(wù)。 相對開放性：企業(yè)網(wǎng)絡(luò)是連接企業(yè)各部門的橋梁和紐帶，它是一個(gè)廣域網(wǎng)，并與Internet連通，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)對外聯(lián)系的職能。,2019/4/14,75,企業(yè)信息化與自動化的層次模型： 設(shè)備層：設(shè)備層的設(shè)備種類繁多，有傳感器、啟動器、驅(qū)動器、I/O部件、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變換器、閥門等。設(shè)備的多樣性要求設(shè)備層滿足開放性要求，各廠商遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，保證產(chǎn)品滿足標(biāo)準(zhǔn)化；來自不同廠家的設(shè)備在功能上可用相同功能的同類設(shè)備互換，實(shí)現(xiàn)可互換性；不同廠家的設(shè)備可以相互通信，在多廠家的環(huán)境中完成功能，實(shí)現(xiàn)可互操作性。,2019/4/14,76,自動化層：自動化層實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，控制網(wǎng)絡(luò)遵循開放的體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議；對設(shè)備層的開放性，允許符合開放標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備方便地接入；對信息層的開放性，允許與信息層互連、互通、互操作。 自動化層控制網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)與發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)自動化層開放性策略打下了良好的基礎(chǔ)。 信息層：信息層較好地實(shí)現(xiàn)開放性策略，各類局域網(wǎng)滿足IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)，信息網(wǎng)絡(luò)的互連遵循TCP/IP協(xié)議。,2019/4/14,77,8.2.3 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),企業(yè)的控制管理層大致分為5層,2019/4/14,78,CIM-OSA體系結(jié)構(gòu)（CIM Open System Architecture)復(fù)雜系統(tǒng)建模分析所用的一組多視圖、多層次模型的集合，稱為體系結(jié)構(gòu)。CIM-OSA是 歐共體ESPRIT計(jì)劃中研究“計(jì)算機(jī)集成制造開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)”的一 個(gè)課題名稱。,CIM-OSA模型：,2019/4/14,79,CIM-OSA體系結(jié)構(gòu)將企業(yè)的管理與生產(chǎn)過程視為一個(gè)由生命周期維、視圖維和通用維組成的三維模型。生命周期維是指CIM系統(tǒng)開發(fā)的整個(gè)生命周期中，從“需求定義”到“設(shè)計(jì)說明”，再到“實(shí)施描述”的三個(gè)階段，每一個(gè)階段都有適合其需要和特點(diǎn)的模型；視圖維是指系統(tǒng)需要建模的各個(gè)方面及其相互關(guān)系，在這里它提出了功能、信息、資源和組織四個(gè)視圖；通用維則是指一個(gè)由一般到特殊的發(fā)展過程。,2019/4/14,80,與其他CIM體系結(jié)構(gòu)相比，CIM-OSA具有全面性、完整性、開放性、標(biāo)準(zhǔn)化和形式化等優(yōu)點(diǎn)，因而成為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的一項(xiàng)預(yù)標(biāo)準(zhǔn)。目前許多建?？蚣苁腔贑IM-OSA衍生出來的，或在很大程度上借鑒了CIM-OSA的思想。但其不足之處在于還沒有一種真正意義上的方法論指導(dǎo)建模過程的實(shí)施，且模型框架的部分內(nèi)容尚不完善，因此尚無一種完全遵循CIM-OSA體系結(jié)構(gòu)的商用軟件。,2019/4/14,81,體系結(jié)構(gòu) 應(yīng)用需求的提高和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，要求企業(yè)網(wǎng)絡(luò)能同時(shí)處理數(shù)據(jù)、聲音、圖像、視頻等多媒體信息，滿足企業(yè)從管理決策到現(xiàn)場控制自上而下的應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)對多種媒體、多種功能的集成。 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)按功能可分為信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)上下兩層，其體系結(jié)構(gòu)如圖8-4所示。,2019/4/14,82,圖8-4 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),2019/4/14,83,（1）信息網(wǎng)絡(luò) 信息網(wǎng)絡(luò)位于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的上層，是企業(yè)數(shù)據(jù)共享和傳輸?shù)妮d體。 （2）控制網(wǎng)絡(luò) 控制網(wǎng)絡(luò)位于企業(yè)網(wǎng)的下層，與信息網(wǎng)絡(luò)緊密地集成在一起，服從信息網(wǎng)絡(luò)的操作，同時(shí)又具有獨(dú)立性和完整性。它的實(shí)現(xiàn)既可以用工業(yè)以太網(wǎng)，也可以采用自動化領(lǐng)域的新技術(shù)現(xiàn)場總線技術(shù)，或者工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術(shù)的結(jié)合。,2019/4/14,84,（3）信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)互連的邏輯結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的企業(yè)模型具有分層結(jié)構(gòu)，然而隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，企業(yè)為適應(yīng)日益激烈的市場競爭的需要，已提出分布化、扁平化和智能化的要求。,2019/4/14,85,（4）信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)互連主要基于以下目的： 將測控網(wǎng)絡(luò)連接到更大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，如Intranet，Extranet和Internet。 提高生產(chǎn)效率和控制質(zhì)量，減少停機(jī)維護(hù)和維修的時(shí)間。 實(shí)現(xiàn)集中管理和高層監(jiān)控。 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異地診斷和維護(hù)。 利用更為及時(shí)的信息，提高控制管理及決策的水平。,2019/4/14,86,信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)互連的邏輯結(jié)構(gòu)如圖8-5所示。,圖8-5 信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)互連的邏輯結(jié)構(gòu),2019/4/14,87,信息管理系統(tǒng),知識發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)組織,控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),系統(tǒng)維護(hù),資源調(diào)度,生產(chǎn)監(jiān)控,優(yōu)化決策,信號監(jiān)控,信息收集,狀態(tài)監(jiān)視,運(yùn)行控制,局部優(yōu)化,系統(tǒng)協(xié)調(diào),圖8-6 控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與信息管理系統(tǒng)的關(guān)系,控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與信息管理系統(tǒng)的關(guān)系,2019/4/14,88,8.2.4 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn),企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的建立 將信息網(wǎng)絡(luò)與自動化層的控制網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一組網(wǎng)，融為一體，然后通過路由器（R）與設(shè)備層的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連，從而形成一體化的工業(yè)企業(yè)網(wǎng)，如圖8-7所示；,2019/4/14,89,2019/4/14,90,企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的建立 各現(xiàn)場設(shè)備的控制功能由嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)接口接入控制網(wǎng)絡(luò)。該控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一構(gòu)建，從而形成一體化的工業(yè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如圖8-8所示。,2019/4/14,91,圖8-8 通過控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建一體化的企業(yè)網(wǎng)絡(luò),2019/4/14,92,將現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)與Intranet集成，如圖8-9所示。,動態(tài)數(shù)據(jù)庫處于核心位置，1、根據(jù)現(xiàn)場信息自動修改自身數(shù)據(jù)，為監(jiān)控站提供服務(wù)；2、接受監(jiān)控站的控制信息對其進(jìn)行處理并送往現(xiàn)場。,客戶-服務(wù)器模式、動態(tài)瀏覽器技術(shù)、動態(tài)數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Java技術(shù),2019/4/14,93,8.2.5 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)Intranet,隨著越來越激烈的企業(yè)間競爭，企業(yè)必須進(jìn)行全面的策劃，加強(qiáng)擴(kuò)大企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)合作伙伴以及企業(yè)與市場間的信息