自动化仪表第八章

控制仪表及装置第八章现场总线控制系统第一节概述第二节几种流行的现场总线第三节实时工业以太网第四节现场总线控制系统什么是现场总线？它是现场仪表之间以及现场仪表与监控计算机之间的全数字、串行双向、多站点的开放型通信系统。第一节概述现场总线是企业实现综合自动化、信息化、管控一体化的需要。（TQCSE）现场总线的产生和发展高新技术的发展为现场总线的产生奠定了基础。现场总线是数字化、智能化、网络化向现场设备发展的产物。4...20mA现场仪表信号：从模拟→混合→全数字信号现场总线技术特点开放性：现场总线的一致性、公开性。互操作与互用性：现场设备间的信息沟通、互可操作及不同厂家设备的相互替换。功能自治性：传感测量、补偿计算、信息处理与控制功能在现场仪表中完成。高度分散性：构成一种全分散性的控制系统结构。环境适应性：支持各种传输介质、两线制和本安防爆。丰富的现场信息和智能化提高了设备诊断、维护、管理能力，减少卡件、机柜、端子、线缆，节省开支，提高了可靠性。各行业使用现场总线设备情况化工石油天然气能源医药食品造纸教育材料行业百分比其它29%22%13%9%9%4%3%3%8%工程费用engineering调试费用commissioning硬件费用Hardware51%23%27%22%22%12%0%50%100%硬件调试工程100%57%4...20mAPROFIBUS安装费用可节省40%左右现场总线系统的优势几点说明现场总线技术是DCS技术的继承和发展，而不是对DCS的否定或取代。工业上已出现DCS与现场总线系统混合使用的控制系统。现场总线的优点主要是仪表的智能化、网络化、控制的分散化等先进技术所带来的好处，而不单单是节省电缆。现场总线不能解决企业自动化的所有问题，例如ESD、MES、ERP等等，而是作为底层网络与其它自动化装置一起更好地实现企业综合自动化。现场总线标准工业控制总线标准主要由IEC的几个技术委员会负责。IECTC65制订了用于工业控制系统的IEC61158。目前流行的PROFIBUS、FF等现场总线也纳入了IEC标准。IECTC17B制订了用于低压开关和电气控制装置的IEC62026。广为使用的DEVICENET、AS-I等总线也纳入了IEC标准。现场总线标准的制订工作起步很早，各大集团公司意见不一，经多年争论，2000年颁布了涵盖多种规范的总线标准，2003年扩展为10种类型的现场总线。IEC61158的标准现场总线Type1：IEC61158技术报告。Type2：ControlNet，得到CI组织的支持。Type3：Profibus，得到PNO组织的支持。Type4：P-NET，得到该总线用户组织的支持。Type5：FF-HSE，由FF组织制定。Type6：Swiftnet，得到美国波音公司的支持。Type7：WorldFIP，属欧洲标准EN50170。Type8：Interbus，得到InterbusClub支持。Type9：FF–H1，由FF组织制定。Type10：Profinet，得到PNO组织的支持。由上可知,IEC61158标准考虑到各种不同的需求，一些大公司和集团也能以此为基础再图发展，开拓市场。实际上，目前在工业自动化领域使用较多的是FF、PROFIBUS、ControlNet和Interbus，以及未被纳入61158标准的一些现场总线。从2001年开始，现场技术发展的重点已不是去追求统一标准；而是集中在如何合理应用,发现并解决问题,切实地推动FCS的实际应用。同时在推广应用过程中确定不同现场总线的适用场合、性能价格比等,以实现优化设计。以下将通过一些流行的现场总线说明特点、网络结构、通信模型和应用实例。随着现场总线和工业以太网技术的迅速发展，IECTC65/SC65C的两个工作组又研究制定了新的现场总线标准61158和实时以太网标准61784-2。新版本总线标准是以2003版本为基础，加入实时以太网解决方案。它共包含14类技术。IEC61158新标准于2007年公布。我国具有自主知识产权的EPA标准被列为61158Type14。第二节几种流行的现场总线-FoundationFieldbus-Profibus（ProcessFieldbus）-LonWorks（LocalOperatingNetworks）-CAN（ControlAreaNetwork）-HART（HighwayAddressableRemoteTTransducer）FF总线的特点FoundationFieldbus用于现场级控制的FF-H1传输速率32.25Kbps,直接通信距离达1900m，其现场仪表可完成检测、变送、调节、计算、报警、故障诊断等控制与信息处理任务。FF-H1采用令牌传递的总线控制方式,令牌传递由链路活动调度器(LAS)控制,以确保信息传递的及时性。在应用层之上增加了用户层，用户层的功能块和设备描述使仪表的现场控制功能与仪表设备的互操作易于实现。为现场仪表提供两种供电方式：非总线供电和总线供电；支持本质安全防爆，可用于易燃、易爆的场合。基于以太网的FF-HSE,在上层与H1基本一致，在底层则采用了流行的以太网+TCP/IP协议，HSE充分利用现有以太网技术，它满足了最终用户对互操作性、低成本和高速现场总线解决方案的要求。HSE支持H1的所有功能，而且其功能模块中还包括新的应用于离散和I/O子系统的“柔性功能模块”，使用标准语言(IEC61131)编程。FF总线的通信模型FF-H1：用户层（应用程序）现场总线报文规范子层FMS现场总线访问子层FAS数据链路层物理层用户层物理层通信栈7216543物理层规定物理连接性能,符合IEC61158-2标准，通信栈控制报文在现场总线的传输。链路层通过LAS来管理对总线的访问，FAS为报文规范子层提供服务，后者为用户层提供服务和报文格式。FF-HSE：物理层符合IEEE802.3u标准，数据链路层符合IEEE802.2规范。用户层FDAIEEE802.2应用层物理层TCP/UDPIPIEEE802.3u传输层网络层数据链路层网络层协议是IPV.4标准，传输层TCP是面向连接的协议，UDP是无连接协议。FDA的作用与H1的FMS相似。FF总线的网络结构操作站...交换机其它总线网络HSE链接设备网关H1总线HSE链接设备路由器HSE子网HSE现场设备H1总线ProfibusProfibus总线的特点Profibus包括Profibus-DP、-FMS、-PA，传输速率9.6Kbps~12Mbps,相应通信距离为1200~100m,可实现总线供电和本质安全防爆(PA)。Profibus-DP用于现场控制器与分散I/O之间的数据通信；Profibus-FMS用来解决车间级通信任务，此层将被Ethernet取代；Profibus–PA用于过程自动化,可连现场变送器、执行器。Profibus采取主站之间的令牌传递方式和主从站之间的主、从通信方式。Profibus-DP允许构成单主站或多主站系统。Profibus行规(用户接口)可使不同厂商生产的零部件互换使用,从而保证各家厂商的现场设备的互换性和互操作性。PA行规包括各种设备功能、行为的必要规范以及描述各类设备组态信息的数据单。Profibus总线协议芯片已形成系列,有多种集成芯片可供使用,以满足不同需要，构成复杂程度各异的Profibus总线。Siemens公司的SPM2单片可用来构成简单的DP从站,ASPC2可构成DP主站,SIM1与SPC4可实现PA的功能。应用行规2应用行规1通信协议传输特性专用应用行规通用应用行规（可选）PROFIBUSDP-V0~V2RS485(PROFIBUSDP)IEC61158-2(PROFIBUSPA)传输特性(物理层)的DP采用RS-485通信标准，PA采用IEC61158-2(MBP)传输技术。通信协议(数据链路层):采用DP-V0~V2。应用行规说明各种设备的功能和行为，有通用和专用应用行规。Profibus总线的通信模型通信协议有DP-V0、DP-V1和DP-V0三种版本：DP-V0提供DP基本功能，包括主站和从站的循环数据交换，以及站诊断、模块诊断等。DP-V1依据过程自动化的需求提供主、从站间的非循环数据交换功能,用于参数赋值、操作、现场设备的可视化和报警处理等。DP-V2依据驱动技术的需求提供同步从站模式和从站对从站的通信功能,通过发布(生产)者/预定(消费)者的广播方式进行通信。Profibus总线的网络结构PROFIBUS-DP单主站系统PLC或PCDP从站Profibus-DPDP主站1个DP主站1~125个从站PROFIBUS-DP多主站系统计算机Profibus-DPPLC从站PLC主站采用主站之间的令牌传递和主从站之间的主、从通信方式。令牌传递DP-V1中的循环和非循环通信Publisher(z.B.Lichtgitter)SlaveDP-从站2PROFIBUSDP-MasterPROFIBUS-DP1类主站PROFIBUSDP-MasterPROFIBUS-DP2类主站Publisher(z.B.Lichtgitter)SlaveDP-从站1Publisher(z.B.Lichtgitter)SlaveDP-从站3令牌循环:从站1从站2从站3从站31类主站的循环访问2类主站的非循环访问PROFIBUS-DPMasterClass1PROFIBUS-DP1类主站发布者(e.g.lightarray)从站预订者(e.g.drive)预订者(e.g.drive)从站从站对从站通信从站输出数据通过广播的输入数据DP-V2中的从站对从站的数据交换通过DP/PACoupler连接Profibus-PA计算机Profibus-DP从站Profibus-PADP/PA耦合器PLC主站PROFIBUS-PA有树结构、总线结构和两者的混合结构。演示LonWorksLonWorks总线的特点LonWorks采用OSI的全部7层通信规范，传输速率300bps~1.5Mbps,通信距离为2700m，它提供完整的开发平台和神经元芯片。现场控制节点的核心器件是神经元芯片，同时具备通信和控制功能，一个神经元芯片加上收发器即可构成典型的现场控制节点。MC143150/20Neuron芯片EEPROM/ROM(仅对MC143150)I/O电路Lon收发器检测控制装置网络介质LonWorks使用开放式通信协议LonTalk,是直接面向对象的网络协议,它发送的报文都是很短的数据，可靠性、实时性较高。LonWorks采用的编程语言NeuronC是转为神经元芯片所设计,它删除了标准C中一些不需要的功能,增加了用于网络操作的语句和内部函数。LonWorks技术为用户提供了一个简洁的访问网络服务工具实施网络管理任务,其功能为网络安装、网络维护和网络监控。LonWorks总线的通信模型数据表示作用标准网络变量类型LON提供的服务表示层数据链路层物理层OSI模型应用层会话层传输层网络层网络应用网络变量外部帧传输远程传送控制请求/响应，认证端对端可靠传输应答，非应答，认证传输分组地址，路由帧传输,介质访问数据解码,CRC纠错,优先级电气连接介质，电气接口物理层支持多种介质，链路层的介质访问控制采用改进的CSMA协议，网络层管理网络地址分配，传输层管理报文执行顺序,会话层提供传输的请求/响应机制,表示、应用层提供网络变量等服务。LonWorks总线的网络结构监控计算机78Kbps双绞线路由器1.25Mbps双绞线主干通道10Kbps电力线网关其它总线网络现场节点现场节点现场节点路由器现场节点现场节点HARTHART总线的特点HART使用OSI参考模型的第1、2、7三层,传输速率较低，一般为1200bps，新版本6.0已提高到9600bps，通信距离可达3000m。HART总线采用基于Bell202通信标准的FSK技术，在4~20mA的模拟信号上叠加了一个频率信号,因此能同时传送模拟和数字信号而不