現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用課件：現(xiàn)場總線技術(shù)概述

現(xiàn)場總線技術(shù)概述1.1現(xiàn)場總線簡介1.2現(xiàn)場總線的特點1.3企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)1.4現(xiàn)場總線的組織及標準小結(jié)思考與習(xí)題

知識目標

(1)了解現(xiàn)場總線的發(fā)展歷史。

(2)理解現(xiàn)場總線的特點。

(3)了解現(xiàn)場總線和企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系。

能力目標

(1)掌握現(xiàn)場總線的優(yōu)勢及各種現(xiàn)場總線的特點。

(2)了解現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢。

1.1現(xiàn)場總線簡介

1.1.1什么是現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線是位于現(xiàn)場終端的控制器與遠程的控制設(shè)備通過通信電纜，以公開的、規(guī)范的通信協(xié)議進行信息交換的系統(tǒng)。

現(xiàn)場終端的控制器包括各種帶有通信功能的儀表、傳感器，如流量計、稱重傳感器、壓力表、編碼器等，還有各種閥門控制器、變頻器、軟啟、電動機管理控制器等。遠程的控制設(shè)備則包括各種帶有通信功能的儀表、觸摸屏、可編程控制器、工控機等。通過現(xiàn)場總線進行信息交換，可以是控制器與控制器之間，可以是控制設(shè)備與控制設(shè)備之間，當然還有應(yīng)用最廣的控制設(shè)備與控制器之間。簡單地說，現(xiàn)場總線在現(xiàn)場應(yīng)用最多的就是控制設(shè)備通過通信對控制器進行控制和監(jiān)視。

現(xiàn)場總線是自動化、智能化控制最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的一部分。操作人員和控制設(shè)備通過現(xiàn)場總線對位于現(xiàn)場終端的控制器進行控制，并讀取控制器實時的狀態(tài)，最終實現(xiàn)控制器本身的正常運行及控制器之間的良好配合。一旦現(xiàn)場總線的通信終端受到干擾，則可能出現(xiàn)設(shè)備不受控制、無法了解設(shè)備運行情況等嚴重故障，輕則會影響生產(chǎn)的正常進行，重則會引起設(shè)備或人身安全事故。所以，現(xiàn)場總線的運行速度、穩(wěn)定性、安全性是保障現(xiàn)場設(shè)備正常運行的基石。

現(xiàn)場總線的安全性則分為兩個方向，一個是面向安全設(shè)備的，另一個是面向通信本身的。面向安全設(shè)備方面，現(xiàn)在很多通信協(xié)議都在自己的規(guī)范中單獨加入了安全設(shè)備的部分，牽涉安全設(shè)備的冗余、自檢等，其目的是和安全設(shè)備做到更優(yōu)的適配，保證在出現(xiàn)安全問題時可以正常地停機。面向通信本身方面，在前面穩(wěn)定性的部分有必要的設(shè)置，如數(shù)據(jù)校驗、心跳協(xié)議等，其目的是保證通信自身信息的安全，并在出現(xiàn)故障時可以做出正確的動作，如停機、報警等。得益于通信速度的加快，目前這一部分的內(nèi)容在整個通信協(xié)議的交換信息中的占比越來越大，就是為了提高通信自身的安全性。

1.1.2為什么要使用現(xiàn)場總線

首先是現(xiàn)場的控制線數(shù)量會大大增加。無論是開關(guān)量信號還是模擬量信號，都會需要單獨的線路做支撐，控制線的數(shù)量會呈幾何級數(shù)上升。龐大的控制線路會給現(xiàn)場的布線和維護帶來很大的困難：布線時需要耗費大量的人力、物力且很容易出錯，接線的點數(shù)變多也代表著故障點的增長，一旦出現(xiàn)故障，維護人員需要花費大量的時間來查找故障點，嚴重影響生產(chǎn)。如果控制回路的保護設(shè)置不當，則極易引發(fā)嚴重的事故。

然后是操作、維護人員的增加。由于線路復(fù)雜，現(xiàn)場需要大量的操作、維護人員來做設(shè)備的巡檢、操作確認、維護工作?，F(xiàn)場人員的工作量變大，而且對現(xiàn)場人員的技術(shù)能力要求更高。一旦設(shè)備或者線路出現(xiàn)故障，現(xiàn)場人員很難及時發(fā)現(xiàn)，容易引起故障擴大。這些無疑都提高了生產(chǎn)的成本，降低了生產(chǎn)的安全，加大了現(xiàn)場人員的壓力。

最后是降低了生產(chǎn)的穩(wěn)定性。開關(guān)量信號和模擬量信號都是純粹的電信號，極易受到干擾。如果現(xiàn)場設(shè)計或施工不當，則在信號受到干擾時很容易出現(xiàn)設(shè)備誤動、信息錯誤、無法安全停機等問題。如果是在施工階段，技術(shù)人員尚可花費大量的時間對其進行排查；如果已進入生產(chǎn)階段才發(fā)現(xiàn)類似問題，則需要花費大量的人力和物力來進行二次改造。

控制線路數(shù)量方面，目前很多通信協(xié)議都是采用屏蔽雙絞線。也就是說，每個節(jié)點設(shè)備只需要兩根線就可以解決通信問題，所有的控制和監(jiān)視，無論數(shù)量的多少都可以通過這兩根線完成，而最終連接到控制設(shè)備上的線路也只有這兩根。只要控制設(shè)備的運算能力足夠，通信協(xié)議的通信速度足夠，所有的信息交換都是在這兩根線上完成的。布線時的工作會大大減少，技術(shù)人員只需要注意線路的可靠連接及線路阻抗的匹配即可。而一旦出現(xiàn)通信故障，維護人員也可以通過控制設(shè)備上反饋的通信故障的控制器來迅速找到故障點。

在穩(wěn)定性方面，與開關(guān)量信號、模擬量信號不同，通信信號是一種數(shù)字信號，在受到干擾時雖然信號會產(chǎn)生畸變，但不會被通信線路上的設(shè)備認可和接收。得益于信號的校驗技術(shù)，通信設(shè)備會對交換的信息的每一幀都進行校驗，錯誤的信息是不會被執(zhí)行的。

例如，若用模擬量信號控制變頻器，如用0～10

V控制變頻器0～50

Hz的輸出，則一旦模擬量信號受到干擾變大或變小，變頻器輸出的頻率會隨著增加或減小，這種錯誤的信號對于生產(chǎn)來說是非常危險的。如果使用現(xiàn)場總線控制變頻器，則一旦受到干擾，變頻器不會執(zhí)行錯誤的信號，只會顯示故障或者停機，從而提高了穩(wěn)定性和安全性。加上信號的校驗在整個信息交換的過程中是持續(xù)進行的，一旦通信信號出現(xiàn)問題，技術(shù)人員可以及時地發(fā)現(xiàn)問題，從而避免故障的擴大。

1.1.3現(xiàn)場總線的誕生與發(fā)展

在工業(yè)生產(chǎn)誕生的初期，工業(yè)現(xiàn)場是沒有任何設(shè)備和儀表能夠?qū)ιa(chǎn)過程進行控制和監(jiān)視的。為了保障生產(chǎn)的持續(xù)進行，生產(chǎn)人員必須依靠不停的巡視、測量和自己的經(jīng)驗來了解現(xiàn)場的狀態(tài)和控制設(shè)備的運行。這樣很難保證生產(chǎn)的持續(xù)性，而且有很大的安全隱患，因為所有的現(xiàn)場信息不能及時地被生產(chǎn)人員獲得。

后來隨著機械儀表的發(fā)展，現(xiàn)場開始廣泛地安裝機械儀表，生產(chǎn)人員可以通過這些機械儀表得知現(xiàn)場的溫度、壓力等信號，提高了巡視的效率。

1.1.4基于現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

基于現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是由以下幾部分組成的：發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、傳輸介質(zhì)、傳輸報文、通信協(xié)議等。如前面現(xiàn)場總線定義中描述的，發(fā)送設(shè)備通過公開的、固定格式的通信協(xié)議，利用傳輸介質(zhì)來傳輸報文到接收設(shè)備，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。

例如，現(xiàn)場的絕對值編碼器通過通信將電機運行的位置信息傳遞給可編程邏輯控制器，可編程邏輯控制器根據(jù)內(nèi)部程序邏輯判斷電機應(yīng)該繼續(xù)前進還是后退，再將控制信號通過通信傳遞給變頻器，變頻器再驅(qū)動電機運行。這里的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備可以是可編程控制器，也可以是絕對值編碼器；傳輸介質(zhì)是現(xiàn)場總線；傳輸報文是電機的位置信息及電機前進或后退的信號；通信協(xié)議是事先植入可編程邏輯控制器、絕對值編碼器內(nèi)的、一致的用于通信的規(guī)則。

通信的內(nèi)容根據(jù)我們想要了解的信息不同，它們的長短是不同的。

根據(jù)通信幀長度的不同，可以把數(shù)據(jù)傳輸總線分為傳感器總線、設(shè)備總線和現(xiàn)場總線。傳感器總線的通信幀只有幾個或十幾個位，屬于位級總線。設(shè)備總線的通信幀一般為幾個到十幾個字節(jié)(一個字節(jié)即Byte，為8個位)，屬于字節(jié)級總線。

以上是按照通信幀長度的不同給數(shù)據(jù)傳輸總線分級，但在實際應(yīng)用中，人們往往會把用于通信的傳感器總線、設(shè)備總線、現(xiàn)場總線都統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線。因為這些總線無論長短，都是用于滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)交換的需求。

1.2現(xiàn)場總線的特點

1.2.1現(xiàn)場總線的硬件特點現(xiàn)場總線的硬件特點主要體現(xiàn)在主站、子站、附件和連接上。

現(xiàn)場總線的主站和子站有內(nèi)置或外加的通信模塊、通信卡，而且支持相同的通信協(xié)議以實現(xiàn)互連。

當然，如果現(xiàn)場總線的規(guī)模較大，也可能出現(xiàn)包含多個不同通信協(xié)議的子網(wǎng)的情況，但每個子網(wǎng)使用的一定是同一個通信協(xié)議。子網(wǎng)和子網(wǎng)之間，可以通過網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，以組成大的主網(wǎng)。主站除了具備通信能力之外，還具有強大的運算能力，因為在每一個掃描周期，主站都需要對通信的數(shù)據(jù)進行處理并做出響應(yīng)。通信的速度越快，主站的運算能力的需求就越大，否則通信的實時性就無法體現(xiàn)出來。子站作為受控設(shè)備，相對來說運算能力的要求比主站要小得多，但也要能夠及時執(zhí)行主站的控制命令、監(jiān)視命令并及時反饋信息。當

現(xiàn)場總線的附件有很多類型，除了上面提到的用于協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)外，還有用于總線集中連接的交換機、用于抑制信號反射的終端電阻、用于延長通信距離的中繼器、用于地址分配的路由器或集線器等(部分可編程控制器也支持地址分配)、用于給通信提供電源的開關(guān)電源等。

現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)式連接是它最重要的硬件特點之一。大部分通信協(xié)議都采用了屏蔽雙絞線，所有的主站和子站都通過這兩根導(dǎo)線來連接，所有的通信信息都是在這兩根導(dǎo)線上完成的。

1.2.2現(xiàn)場總線的協(xié)議特點

(1)透明協(xié)議。現(xiàn)在有越來越多的通信協(xié)議將其內(nèi)容透明化，也就是公開其協(xié)議內(nèi)容。

(2)實時性和準確性。現(xiàn)場總線的任務(wù)是對現(xiàn)場的設(shè)備進行控制和監(jiān)視，通信的實時性是非常重要的。

(3)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。不同于民用和商用現(xiàn)場，使用現(xiàn)場總線的工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境通常都是很嚴苛的，高溫、低溫、高壓、粉塵、油污、震動、腐蝕性氣體、電磁輻射等都有可能造成現(xiàn)場總線的損壞、干擾，甚至是摧毀。

(4)分布控制?，F(xiàn)在有越來越多的現(xiàn)場設(shè)備將特定行業(yè)的專用功能集成到內(nèi)部，如施耐德的很多變頻器都集成了PID、制動邏輯控制、高速提升、傳感器定位等功能。

1.3企?業(yè)?級?網(wǎng)?絡(luò)

1.3.1企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)是對現(xiàn)場設(shè)備的控制和監(jiān)視，它需要連接的是現(xiàn)場的各種執(zhí)行器，通過現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)交換來了解現(xiàn)場的信息并對執(zhí)行器發(fā)出命令，以保障快速、安全、穩(wěn)定地執(zhí)行完生產(chǎn)工藝。

企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)則不同，它除了需要了解生產(chǎn)現(xiàn)場的信息外，還要對生產(chǎn)進行數(shù)據(jù)分析、對報表和圖紙進行打印和傳輸、發(fā)送生產(chǎn)計劃、執(zhí)行資源分配，它需要連接的有個人PC、服務(wù)器、操作站、打印機、制圖儀、電話等各種不同類型的設(shè)備。

按照功能結(jié)構(gòu)劃分，企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)可以分為三個大的層級：ERP企業(yè)資源規(guī)劃層、MES制造執(zhí)行層、FCS現(xiàn)場控制層。企業(yè)資源規(guī)劃層負責(zé)在宏觀上對生產(chǎn)和資源進行分配，制造執(zhí)行層負責(zé)監(jiān)控、計劃、調(diào)度、管理等，現(xiàn)場控制層負責(zé)現(xiàn)場設(shè)備的控制和監(jiān)視。

1.3.2現(xiàn)場總線與企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)場總線位于現(xiàn)場控制層，也就是企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)的最底層。當然，位于最底層不代表現(xiàn)場總線的地位低，而是證明了它是企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。所有生產(chǎn)統(tǒng)計、計劃、管理、調(diào)度需要的信息基礎(chǔ)，都是通過現(xiàn)場總線獲得的；所有生產(chǎn)任務(wù)的進行、故障后的緊急處理，都是通過現(xiàn)場總線執(zhí)行的。

現(xiàn)場總線的主要任務(wù)，就是通過自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息來完成生產(chǎn)的執(zhí)行。這些數(shù)據(jù)信息包括電機的電流、電機的轉(zhuǎn)速、管道的流量、閥門的狀態(tài)、溫度的高低、壓力的大小等，還包括控制電機的啟動和停止、打開和關(guān)閉閥門、發(fā)送警報等?，F(xiàn)場總線傳遞的數(shù)據(jù)信息，是現(xiàn)場控制流程能夠正常進行下去的基礎(chǔ)，也是企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)非常重要的部分。

現(xiàn)場總線除了為現(xiàn)場控制層的內(nèi)部數(shù)據(jù)交換提供支持以外，還需要和上層的網(wǎng)絡(luò)即企業(yè)資源規(guī)劃層、制造執(zhí)行層進行連接，以實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)交換。

但是現(xiàn)場總線使用各種不同的通信協(xié)議，需要使用各種設(shè)備或集成技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。第一種方法是使用網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)的兩側(cè)各連接兩種不同的通信協(xié)議，由網(wǎng)關(guān)來進行數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換；第二種方法是將各種通信協(xié)議通過各自的板卡連接至工控機，由工控機來進行數(shù)據(jù)的讀取和轉(zhuǎn)換；第三種方法是使用WEBserver(即網(wǎng)頁服務(wù)器)，它是集成在現(xiàn)場設(shè)備如變頻器、PLC內(nèi)部的，可以方便地通過以太網(wǎng)來直接訪問，以進行數(shù)據(jù)的交換。前兩種方法都是通過設(shè)備來對通信協(xié)議進行轉(zhuǎn)換的，而第三種方法則是基于以太網(wǎng)的，WEBserver是可以和其他通信協(xié)議并存的。

現(xiàn)場總線和上層網(wǎng)絡(luò)的連接，使得上層網(wǎng)絡(luò)可以直接獲得現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息，既擴展了企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)的功能，又擴大了企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)的范圍。企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)不僅能處理生產(chǎn)的過程數(shù)據(jù)，還能進行生產(chǎn)的過程控制，這是逐步走向全球化工廠的基礎(chǔ)。有了現(xiàn)場總線，人們就有了千里眼和順風(fēng)耳，可以遠程地查詢生產(chǎn)的狀態(tài)、處理故障和報警信息，偏遠地區(qū)、惡劣環(huán)境現(xiàn)場也無需人員值守，只需要遠程控制即可。

現(xiàn)場總線是企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，它是遠程生產(chǎn)過程控制、企業(yè)資源和生產(chǎn)分析的技術(shù)基石，為企業(yè)生產(chǎn)過程節(jié)省了大量的人力和物力。

1.4現(xiàn)場總線的組織及標準

1.4.1常用現(xiàn)場總線統(tǒng)一的現(xiàn)場總線一直是各大工業(yè)控制領(lǐng)域組織和技術(shù)人員的目標，但由于涉及各大公司甚至國家利益，以及行業(yè)發(fā)展、經(jīng)濟制約、地域習(xí)慣等復(fù)雜原因，這一目標遲遲沒有實現(xiàn)。目前為止，現(xiàn)場總線仍然處在一個百花齊放的時代，但各大廠商也逐漸理解了標準一致性的重要性，都開始逐步加強統(tǒng)一標準的工作。

目前，在我國應(yīng)用范圍最廣的還是ProfibusDP通信協(xié)議，由于西門子公司的自動控制系統(tǒng)進入國內(nèi)較早，網(wǎng)絡(luò)上各種問題、故障的解決辦法都有現(xiàn)成的案例，加上ProfibusDP通信速度較快且PLC性能穩(wěn)定，所以ProfibusDP通信協(xié)議在國內(nèi)得到了很好的推廣，在冶金、紡織、港口、物流等眾多行業(yè)都有了普遍的應(yīng)用和經(jīng)典的案例。

CANopen通信協(xié)議則是得益于CAN總線在汽車行業(yè)的天然優(yōu)勢，一直在汽車行業(yè)得到了持續(xù)的發(fā)展。在汽車行業(yè)獲得了眾多的典型應(yīng)用及成功案例后，開始逐漸向航天、石化、倉儲、電力等行業(yè)擴張。CAN總線的標準化、規(guī)范化也一直走在整個行業(yè)的前列，是一個很有未來前景的通信協(xié)議。

Modbus通信協(xié)議是世界上第一個真正公開化、透明化的通信協(xié)議，在眾多儀表及執(zhí)行器上的應(yīng)用使得它滲透到了各個不同領(lǐng)域的行業(yè)。由于其協(xié)議內(nèi)容透明且消息幀結(jié)構(gòu)簡單，是很多自動化行業(yè)的從業(yè)人員必學(xué)的一種通信協(xié)議。因為，它在通信過程中的信息很容易理解，有益于技術(shù)人員了解通信的實質(zhì)過程。無論是ModbusRTU還是ModbusASCII，都是從業(yè)人員很好的必修課。

當然，現(xiàn)在發(fā)展最快、最火爆的還是工業(yè)以太網(wǎng)，Profinet、EthernetIP、ModbusTCP/IP都在新的設(shè)備上得到了很好的普及。工業(yè)以太網(wǎng)通信速度快，而且有以前商業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)做基礎(chǔ)，是未來的主流通信技術(shù)。但是，工業(yè)以太網(wǎng)目前也沒有實現(xiàn)標準的統(tǒng)一，剛才提到的三大以太網(wǎng)基本原理和結(jié)構(gòu)都是有區(qū)別的，還有其他各大廠商開發(fā)的各種截然不同的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。標準的一致性，在工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)上仍然是一個任重道遠的工作。

除了以上通信協(xié)議外，目前世界范圍內(nèi)還有諸如基金會現(xiàn)場總線(FF)、LonWorks網(wǎng)絡(luò)、ControlNet、Interbus、ASI總線、DeviceNet、HART等眾多形形色色的現(xiàn)場總線，以及藍牙、ZigBee等無線通信技術(shù)，在必要的情況下，我們也需要對其應(yīng)用有所了解。

1.4.2現(xiàn)場總線的組織及標準

正如通信協(xié)議的百花齊放，現(xiàn)場總線的組織也是非常多的。如Profibus協(xié)會、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會、現(xiàn)場總線基金會、ODVA組織等，這些組織的主要任務(wù)是對旗下的通信協(xié)議進行標準制定、技術(shù)支持、市場推廣等工作。當制造商或用戶對通信協(xié)議內(nèi)容及使用有疑問時，可以直接通過這些組織獲得相關(guān)的信息。

現(xiàn)場總線的標準也是非常多的，其數(shù)量要多于通信協(xié)議的種類，因為同一個現(xiàn)場總線不僅有自己的標準來對自身進行規(guī)范化，也會因為推廣被寫入一些國家或者組織的標準中。常見的標準有國際電工委員會IEC的物理層標準IEC61158-