《现场总线及其应用技术》第一章 概述

现场总线与控制网络西安建筑科技大学段中兴郑普亮2012年2月FieldBusandControlNetwork2020年2月7日2时17分2主要内容现场总线简介、特点与优点数据通信基础与网络互联主要现场总线的介绍现场总线的典型应用现场总线控制系统现场总线与工业以太网的互连技术2020年2月7日2时17分3参考书目1.李正军.《现场总线及其应用技术》机械工业出版社，20052.阳宪惠.《现场总线技术及其应用》清华大学出版社，19983.甘永梅.《现场总线技术及其应用》机械工业出版社，20004.杨宁.《集散控制系统及现场总线》北航出版社，20015.邬宽明.《现场总线技术应用选编》北航出版社，20012020年2月7日2时17分4参考书目2020年2月7日2时17分5要求及考试上课认真做笔记认真完成课后作业平时成绩30％实验成绩60%平时表现及作业40%期末笔试70％第一讲现场总线概述2020年2月7日2时17分71.1现场总线的现状和发展现场总线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。IEC对现场总线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。涉及智能仪表、控制、计算机、数据通信技术2020年2月7日2时17分81.1.1现场总线的产生---控制系统的发展趋势第一代：气动信号控制系统(50年代之前)第二代：电动模拟信号控制系统(50年代至今),4－20mA的模拟量标准信号。第三代：计算机集中控制系统(70年代)第四代：集散式分布控制系统(80年代)2020年2月7日2时17分9第五代：现场总线控制系统(FCS)突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；把DCS的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。开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。1.1.1现场总线的产生---控制系统的发展趋势2020年2月7日2时17分10传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统2020年2月7日2时17分11DCS与FCS2020年2月7日2时17分12微处理器技术的迅猛发展和广泛应用，使仪表和现场控制设备在性能和功能上有显著的提高；对系统维护管理、测试和监视需求的日益增加；控制领域在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面的要求。1.1.1现场总线的产生---产生背景2020年2月7日2时17分131.现场通信网络用于过程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仪表指传感器、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3.互操作性对不同厂商不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路，并且具备相互操作的功能1.1.2现场总线的本质2020年2月7日2时17分144.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例如：流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输入模块，而且有PID控制和运算功能块。调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输出特性补偿模块，或PID控制和运算模块，甚至阀门特性自检验和自诊断功能。1.1.2现场总线的本质2020年2月7日2时17分155.通信线供电允许现场仪表直接从通信线上获取能量，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.开放式互连网络既可与同层网络互连，也可以与不同层网络互连，还可以实现网络数据库的共享1.1.2现场总线的本质2020年2月7日2时17分161.1.3现场总线的特点和优点---现场总线的结构特点由于采用智能现场设备，能够把DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备中，在现场直接完成采集和控制。由于不需要其他的模数转换器件，且一对电线能传输多个信号，因而简化了系统结构，节约了设备及安装维护费用。2020年2月7日2时17分172020年2月7日2时17分181.1.3现场总线的特点和优点---FCS与DCS的详细对比1.结构FCS:一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号DCS:一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号2020年2月7日2时17分191.1.3现场总线的特点和优点---FCS与DCS的详细对比2.可靠性FCS:可靠性好：数字信号传输抗干扰能力强，精度高；DCS:可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰2020年2月7日2时17分201.1.3现场总线的特点和优点---FCS与DCS的详细对比3.失控状态FCS:操作员在控制室既可以了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处于操作员的远程监视与可控状态之中；DCS:操作员在控制室既不能了解模拟仪表的工作状态，也不能对其进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对仪表处于“失控”状态2020年2月7日2时17分211.1.3现场总线的特点和优点---FCS与DCS的详细对比4.互换性FCS:用户可以自由选择不同制造商提供的性能价格比最优的现场设备和仪表，并将不同品牌的仪表互连；DCS:尽管模拟仪表统一了信号标准(4-20mADC)，可大部分参数仍由制造厂自定，致使不同品牌的仪表互换难度较大2020年2月7日2时17分221.1.3现场总线的特点和优点---FCS与DCS的详细对比5.仪表FCS:智能仪表，除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外，还具有数字通信能力，并且具有控制和运算的能力；DCS:模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能6.控制FCS:控制功能分散在各个智能仪表中；DCS:所有控制功能集中在控制站中2020年2月7日2时17分23IFixPrimaryServerIFixSecondaryServerABBOPCServeriFixOPCClientIFixClient1IFixClient2Gateway3NICAC800MAC800MAC800MMISERPABBAC800MiFIX典型ABB的AC800M系统组成2020年2月7日2时17分24PlantNetwork/IntranetFirewallClient/serverNetworkThirdpartyapplicationserverWorkplacesEnterpriseOptimizationSuiteMobileOperatorConnectivityServerControlNetworkRedundantEngineeringWorkplaceApplicationServerAspectServerThirdpartycontrollers,serversetcSerial,OPCorfieldbusFieldBusFieldBusAC800MHIAC800MAC800M2020年2月7日2时17分25系统的开放性通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换互可操作性与互用性现场设备的智能化与功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的适应性1.1.3现场总线的特点和优点---现场总线的技术特点2020年2月7日2时17分26节省硬件数量与投资节省安装费用节约维护开销用户具有高度的系统集成主动权提高了系统的准确性与可靠性1.1.3现场总线的特点和优点---现场总线的优点2020年2月7日2时17分271.1.4现场总线标准的制定1984年，IEC开始起草现场总线标准；1993-1998年，制定IEC61158的现场总线物理层规范、链路服务定义及协议规范、应用层服务定义及协议规范1999年，修改IEC61158技术规范，形成8种类型新标准2000年，修改后的IEC61158最终获得通过2020年2月7日2时17分28新标准采用8种类型Type1IEC61158(FF的H1)Type2ControlNet(美国Rockwell公司)Type3PROFIBUS(德国Siemens公司)Type4P-Net(丹麦ProcessData公司)Type5FFHSE(Fisher-Rosemount公司)Type6SwiftBet(美国波音公司)Type7WorldFIP(法国Alstom公司)Type8INTERBUS(德国PhoenixContact公司)2020年2月7日2时17分291.1.5现场总线的现状1.多种总线共存世界市场对各种现场总线的需求：过程自动化：15%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP)医药领域：18%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP)加工制造：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet)交通运输：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet)航空，国防：34%(PROFIBUS-FMS,LonWorks,ControlNet,DeviceNet)其它，如楼宇自动化，农业等2020年2月7日2时17分301.1.5现场总线的现状2.每种总线各有其应用领域3.每种总线各有其国际组织4.每种总线均有其支持背景5.设备制造商参加多个总线组织6.多种总线均作为国家和地区的标准7.协调共存8.工业以太网引入工业领域2020年2月7日2时17分311.1.6现场总线网络的实现制定标准时参照OSI七层协议标准；大多采用第1层(物理层)、第2层(数据链路层)和第7层(应用层)，并增加第8层用户层。物理层：定义了信号的编码与传送方式、传送介质、接口的电气及机械特性、信号传输速率等。现场总线有两种编码方式：Manchester和NRZ，前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。前者采用基带传输，后者采用频带传输。调制方式主要有CPFSK和COFSK。传输介质主要有：有线电缆、光纤和无线介质。2020年2月7日2时17分321.1.6现场总线网络的实现数据链路层分为两个子层：介质访问控制层(MAC)和逻辑链路控制层(LLC)。MAC对传输介质传送的信号进行发送和接收控制；LLC对数据链进行控制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线上的设备可以是主站，也可以是从站。MAC层的三种协议：集中式轮询协议、令牌总线协议和总线仲裁协议。应用层分为两子层：应用服务层(FMS)，用于为用户提供服务；现场总线存取层(FAS)，用于实现数据链路的连接。2020年2月7日2时17分331.1.6现场总线网络的实现用户层定义了从现场装置中读写信息和向网络中其他装置分派信息的方法，即规定了供用户组态的标准“功能模块”。2020年2月7日2时17分341.1.7现场总线的发展趋势自动化系统和设备将朝着现场总线体系结构方向发展；在未来数年内几大总线标准共存，甚至在一个系统内几种标准的设备通过路由网关互连实现信息共享；我国在这一领域刚刚起步。2020年2月7日2时17分351.1.7现场总线的发展趋势具有发展前景的现场总线技术：智能仪表与网络设备开发的软硬件技术；组态技术、包括网络拓扑结构、网络设备、网络互连等；网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输；人机接口、软件技术；现场总线系统集成技术2020年2月7日2时17分361.2.1企业网络信息集成系统的层次结构1.2.2现场总线的作用1.2.3现场总线与上层网络的互联1.2.4现场总线网络集成应考虑的因素1.2企业网络信息集成系统2020年2月7日2时17分37现场总线网络直接面向生产过程，因此要求很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性；因此一般只包括物理层、数据链路层和应用层；要完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递；统一的企业网络信息集成系统应具有三层结构，从底向上依次是：过程控制层