第一章-现场总线概述新

第1章现场总线概述学院：电气与控制工程学院主讲人:邢广成QQ:150328757手机：[phone]参考书目1．《现场总线与工业以太网及其应用技术》，李正军著，机械工业出版社出版社，2011年9月第1版。2．《现场总线技术》，刘泽祥著，机械工业出版社，2011年2月第1版。3.《现场总线技术及其应用》，甘永梅编著.机械工业出版社,2004年第1版。学习目标：了解各类现场总线的原理和技术规范，了解节点开发的一般过程，为将来应用某种总线打下良好的基础。学习要求：认真听讲，认真阅读教材及完成作业。考核：平时成绩+考试成绩一、现场总线的概念什么是现场总线？现场总线在自动化系统中所处的位置现场总线对自动控制系统和自动化系统的影响使用现场总线技术给用户带来的好处1.1现场总线的现状与发展现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。按照IEC对现场总线（fieldbus）一词的定义，现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。这是由IEC/TC65负责测量和控制系统数据通信部分国际标准化工作的SC65/WG6定义的。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布式控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数据通信为主要内容的综合技术，已受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。是美国通用汽车公司(GM)提出的一种用于制造自动化的局域网协议。网络的骨干智能速度控制器：执行器条形码识别器：输入设备控制、网关上位机：监控与三层网络相连远程访问路由设备显示工作站信息量减少图3罗克韦尔推出的现场总线控制系统图4FFHSE网络架构（体系结构）链接设备：核心网桥、网关时间发布链路调度器31.25kbps100Mbps主机系统以太网交换机高速以太网组态、监控现场信息控制信息1.1.1现场总线的产生在过程控制领域中，从20世纪50年代至今一直都在使用着一种信号标准，那就是4~20mA的模拟信号标准。20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，而此时的计算机提供的是集中式控制处理。20世纪80年代微处理器在控制领域得到应用，微处理器被嵌入到各种仪器设备中，形成了分布式控制系统。现场总线的由来集散控制系统DCS（distributedcontrolsystem）随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如0.02～0.1MPa的气压信号，0～10mA、4～20mA的直流电流信号，1～5V直流电压信号等，送往集中控制室。由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度的开销、难度都较大，信号传输的抗干扰能力也较差，人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，出现了直接数字控制。但是，在DCS系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连在一起，难以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难。新型的现场总线控制系统则突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能；同时把DCS集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。现场总线控制系统FCS(fieldbuscontrolsystem)智能仪表为现场总线的出现奠定了基础1983年，Honeywell推出了智能化仪表——Smar变送器，这些带有微处理器芯片的仪表除了在原有模拟仪表的基础上增加了复杂的计算功能之外，还在输出的4～20mA直流信号上迭加了数字信号，使现场与控制室之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号。现场总线之所以具有较高的测控能力指数，一是得益于仪表的微机化，二是得益于设备的通信功能。把微处理器置入现场自控设备、使设备具有数字计算和数字通信能力，一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制信息的内容，实现其远程传送创造了条件。伴随着控制系统结构与测控仪表的更新换代，系统的功能、性能也在不断完善与发展，图4-1为各阶段测控仪表能力指数示意图。它表明，测量控制系统从早期基地式模拟仪表只能实现单点、单控制回路的测控功能开始，逐渐发展到按装置或过程的多回路、多变量集中监控，整个装置或车间的优化控制，以致实现生产过程的控制与管理一体化。每一代更新都带来能力指数的跃变，同时随着工具与功能开发的不断完善，每一代系统的测控能力指数会按各自的增长速率不断升高，为生产过程的控制与管理提供更为完善的服务，带来更大的经济效益。这里，图4-1中对能力指数的描述在数值上并不精确，不过是一种示意性的表达而已。原方案现方案备注系统平台PLCSIEMESPCS7传输方式点对点传统模式PROFIBUS开放性差好设备信息与管理无有连接电缆多少安装工作量大小系统设备费计划／165万实际／188万分析仪表未列入电缆桥架费计划／95万实际／18万安装费用计划／68万实际／21万不包括分析仪表安装节省投资３１％使用现场总线PROFIBUSPA的经济优势：与使用传统的4-20mA模拟信号系统比较智能设备以微处理器为核心，实施信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能。一些具有专家辅助推断分析与决策能力的数字式智能化仪表产品，其本身具备了诸如自动量程转换、自动调零、自校正、自诊断等功能，还能提供故障诊断、历史信息报告、状态报告、趋势图等功能。另外，从实际应用的角度，控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新需求。由此，导致了现场总线的产生。基于现场总线的分布式控制系统（FCS），将是继DCS后的又一代控制系统。现场总线与4-20mA系统的区别？4-20mAP.S.现场总线P.S.–现场总线设备在总线上并联连接，所有设备通过总线接收、发送数字信号–现场总线设备可以向网络上其它设备提供任意多信息–总线具有循环冗余检错的(CRC)功能，可以保证接收设备获得正确数据–多节点现场总线无需点对点的布线1.1.2现场总线的本质由于标准实质上并未统一，所以对现场总线也有不同的定义。但现场总线的本质含义主要表现在以下6个方面。1．现场通信网络用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络。2．现场设备互连现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等，并可根据需要因地制宜地选择不同类型的传输介质。3．互操作性现场设备或现场仪表种类繁多，没有任何一家制造商可以提供一个工厂所需的全部现场设备，所以，互相连接不同制造商的产品是不可避免的。现场设备互连是基本的要求，只有实现互操作性，用户才能自由地集成FCS。例如，汽车机械制造设备，电气自动化设备。4．分散功能块FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。由于功能块分散在多台现场仪表中，并可统一组态，供用户灵活选用各种功能块，构成所需的控制系统，实现彻底的分散控制。5．通信线供电通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式。6．开放式互连网络现场总线为开放式互连网络，它既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，还可以实现网络数据库的共享。1.1.3现场总线的特点和优点1．现场总线的结构特点现场总线打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。现场总线控制系统由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号，如运行参数值、多个设备状态、故障信息等。用一根通信线直接互连N个现场设备，从而构成了现场设备的互连网络。1.2.2现场总线控制系统的体系结构离散量/模拟量输入/输出设备指示灯：状态指示光电传感器：检测开关操作员接口：输入操作命令阀和交流驱动器：执行器，输出设备变送器（传感器）：输入设备控制器：主站、从站人机界面：输入/输出设备参数、命令、显示图1-1FCS与DCS结构比较PROFIBUS-DPH1DeviceNet现场总线现场设备现场设备网桥LonWorks现场总线CANBUS服务器LAN操作站4~20mALAN传统的模拟仪表控制站操作站现场总线控制系统（FCS）与传统控制系统（如DCS）结构对比如图1-1所示。2．现场总线的技术特点（1）系统的开放性开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。（2）互可操作性与互用性这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。（3）现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。（4）系统结构的高度分散性由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。（5）对现场环境的适应性作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力。3．现场总线的优点由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。（1）节省硬件数量与投资由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等。（2）节省安装费用现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。（3）节约维护开销由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化、连线简单而减少了维护工作量。（4）用户具有高度的系统集成主动权用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。（5）提高了系统的准确性与可靠性由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。1.1.4现场总线标准的制定国际电工委员会极为重视现场总线标准的制定，早在1984年就筹备成立了IEC/TC65/SC65C/WG6工作组，开始起草现场总线标准。IEC61158标准将采用的8种类型为：Type1IEC61158（FF的H1）技术报告Type2ControlNet（美国Rockwell公司支持）现场总线Type3PROFIBUS（德国Siemens公司支持）现场总线Type4P-Net（丹麦ProcessData公司支持）现场总线Type5FFHSE（即原FF的H2，Fisher-Rosemount公司支持）现场总线Type6SwiftNet（美国波音公司支持）现场总线Type7WorldFIP（法国Alstom公司支持）现场