现场总线讲解

监控系统与现场总线1CUMT监控系统与现场总线1.什么是现场总线现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。监控系统与现场总线2CUMT监控系统与现场总线2.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。监控系统与现场总线3CUMT监控系统与现场总线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。监控系统与现场总线4CUMT监控系统与现场总线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)监控系统与现场总线5CUMT监控系统与现场总线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。监控系统与现场总线6CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线7CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线8CUMT监控系统与现场总线监控系统与现场总线9CUMT监控系统与现场总线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。监控系统与现场总线10CUMT监控系统与现场总线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。监控系统与现场总线11CUMT监控系统与现场总线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模拟信号系统比较监控系统与现场总线12CUMT监控系统与现场总线4几种有影响的现场总线技术自80年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的生命力。对现场总线技术的发展已经发挥并将会继续发挥较大作用。监控系统与现场总线13CUMT监控系统与现场总线(1)基金会现场总线基金会现场总线(FF，FoundationFieldbus)是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国Fisher—Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WorldFIP协议。屈于用户的压力，这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。监控系统与现场总线14CUMT监控系统与现场总线H1的传输速率为31.25kbps，通信距离可达1900m(可加中继器延长)，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率可为1Mbps和2．5Mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IECll58—2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。监控系统与现场总线15CUMT监控系统与现场总线本质安全型电气设备的原理：通过选择电气设备电路的各种参数或采取保护措施来限制电路的火花放电能量和热能，使其在正常工作和规定的故障状态下，产生的电火花的热效应均不能点燃周围环境的爆炸性混合物，从而实现了电气防爆。这种电气设备的电路本身就具有防爆性能，也就是从“本质”上就是安全的，故称为本质安全型（本安型）。监控系统与现场总线16CUMT监控系统与现场总线基金会现场总线的主要技术内容，包括：FF通信协议；用于完成开放互连模型中第2～7层通信协议的通信栈(CommunicationStack)；用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典；用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术；以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。监控系统与现场总线17CUMT监控系统与现场总线(2)LonWorksLonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术。它是由美国Echelon公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO／OSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300bps至1．5Mbps不等，直接通信距离可达2700m(78kbps，双绞线)。支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。监控系统与现场总线18CUMT监控系统与现场总线集成芯片中有3个8位CPU，一个用于完成开放互连模型中第1和第2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理。第二个用于完成第3～6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等。第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中而得以实现。监控系统与现场总线19CUMT监控系统与现场总线(3)PROFIBUSPROFIBUS是德国国家标准DINl9245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA组成了PROFIBUS系列。DP型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范，PROFIBUS-FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IECll58—2标准。监控系统与现场总线20CUMT监控系统与现场总线该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层。FMS还采用了应用层。传输速率为9，6kbps～12Mbps，最大传输距离在12Mbps时为lOOm，1．5Mhps时为400m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。最多可挂接127个站点。可实现总线供电与本质安全防爆。监控系统与现场总线21CUMT监控系统与现场总线(4)CANCAN是控制局域网络(ControlAreaNetwork)的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达1Mbps／40m，直接传输距离最远可达10km／5kbps。可挂接设备数最多可达110个。CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。监控系统与现场总线22CUMT监控系统与现场总线(5)HARTHART是HighwayAddressableRemoteTransducer的缩写。最早由Rosemount公司开发并得到八十多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。监控系统与现场总线23CUMT监控系统与现场总线它规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令：第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备(尽管不是全部)中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。监控系统与现场总线24CUMT监控系统与现场总线5控制器局域网总线CAN5.1CAN的性能特点CAN(ControllerAreaNetwork)即控制器局域网络。CAN最初是由德国的BOSCH公司为汽车监测、控制系统而设计的。世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)、ROLLS-ROYCE(劳斯莱斯)和JAGUAR(美洲豹)等都已开始采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。监控系统与现场总线25CUMT监控系统与现场总线CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134ms内得到传输。其特点可概括如下：监控系统与现场总线26CUMT监控系统与现场总线CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。监控系统与现场总线27CUM