第3章 现场总线控制系统

共61页第1页共61页第2页第一节现场总线控制系统概述•现场总线的产生从集中控制走向分散控制从DCS走向FCS从集团协议走向国际标准从国外走向国内第一节现场总线控制系统概述共61页第3页现场总线的产生图：传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统第一节现场总线控制系统概述共61页第4页现场总线技术特点•系统的开放性•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第一节现场总线控制系统概述共61页第5页现场总线技术特点现场总线体系结构网络管理系统管理功能块设备描述语音DLL现场总线信息规范（FMS）应用层数据链路层PLC现场物理层传感器控制器执行器第一节现场总线控制系统概述共61页第6页现场总线的基本内容•现场总线的含义通信网络互操作性分散功能块通信线供电开放式互连网络第一节现场总线控制系统概述共61页第7页现场总线的基本内容FCS的分散功能块控制方案操作站LAN服务器FTFGAI110差压变送器模拟量输入功能块现场总线PID功能控制块调节阀模拟量输出功能块PID110AO110第一节现场总线控制系统概述共61页第8页现场总线的基本内容新一代FCS控制器操作站LAN服务器124H2现场总线现场设备32H1现场总线现场设备32H1现场总线现场设备H1H1H1H1H2网桥第一节现场总线控制系统概述共61页第9页现场总线的基本内容•现场总线的网络结构1.现场总线的网络拓扑结构环型、总线型、树型2.现场总线的数据操作方式从现场总线的数据存取、传送、操作方法来分有三种工作模式：对等(PeertoPeer)、主从(Client/ServerC/S)及网络计算机结构(NetworkComputingArchnitectureNCA)第一节现场总线控制系统概述共61页第10页现场总线的基本内容3.网络扩展与网络互连网络扩展与网络互连（1）网络扩展（2）网络互连（3）开放系统互连模型和通信协议第一节现场总线控制系统概述共61页第11页现场总线的基本内容OSI及其几种现场总线开放互连模型的对应关系应用层表达层会话层传输层物理层ISO/OSI模型76网络层数据链路层54321应用层物理层现场总线协议总线接口子层数据链路层用户层物理层FF模型功能块设备描述传送块通信栈物理层Proifbus-DP数据链路层应用层接口物理层Proifbus-FMS数据链路层用户接口隐去第3至第7层隐去第3至第6层应用层信息规范底层接口HART指令Bell202HART模型HART通信规则第一节现场总线控制系统概述共61页第12页现场总线的基本内容•FCS体系结构操作站LAN服务器124H2现场总线现场设备32H1现场总线现场设备32H1现场总线现场设备H1H1H1H1H2网桥第一节现场总线控制系统概述共61页第13页现场总线的基本内容•1151电容式压力变送器的测压原理CPU通信接口MNET低速现场总线A/D电容测量电路显示单元3.3V电源线智能压力变送器原理图第一节现场总线控制系统概述共61页第14页现场总线的基本内容1151智能压力仪表具有如下功能1．采集差压信号2．采集温度信号3．压力信号单位转换4．测压膜片非线性补偿5．压力信号温度补偿6．流速和流量计算7．测量数据越限报警8．自标定9．零点和满度设定10．掉电保护11．数据通信12．回路控制第一节现场总线控制系统概述共61页第15页现场总线的基本内容•FCS上位机管理软件功能1．系统组态2．数据库组态3．历史库组态4．图形组态5．控制算法组态6．数据报表组态7．实时数据显示8．历史数据显示9．图形显示10．参数列表11．数据打印输出12．数据输入及参数修改13．控制运算调节14．报警处理15．故障处理16．通信接口17．人机接口第一节现场总线控制系统概述共61页第16页第二节几种常见的现场总线现场总线基金会(FF)•FieldbusFoundation(FF)组织•FF现场总线的特点与优势设备互操作性、改善过程数据、对进程增加更多的了解、改善现场安全、更早的预测维护、减少的线缆和安装费用第二节几种常见的现场总线共61页第17页现场总线基金会(FF)•FF现场总线主要技术内容1．基金会现场总线的通信技术2．标准化功能块(FB-FunctionBlock)3．设备描述(DD-DeviceDescription)与设备描述语言(DDL-DeviceDescriptionLanguage)4．现场总线通信控制器与智能仪表或工业控制计算机之间的接口技术5．系统集成技术6．系统测试技术第二节几种常见的现场总线共61页第18页现场总线基金会(FF)•基金会现场总线的网络拓扑结构H2H1H1H2接线盒网桥总线型点对点树型菊花链型H1H1H1第二节几种常见的现场总线共61页第19页H1、H2总线网段的主要特性参数低速现场总线H1高速现场总线H2传输速率31.25kbit/s31.25kbit/s31.25kbit/s1Mbit/s1Mbit/s1Mbit/s信号类型电压电压电压电流电压电压拓扑结构总线/菊花链/树型总线/菊花链/树型总线/菊花链/树型总线总线总线通信距离1900米1900米1900米750米750米750米分枝长度120米120米120米000供电方式非总线供电总线供电总线供电总线交流供电非总线供电非总线供电本质安全不支持不支持支持支持不支持支持设备数/段2-321-122-62-322-322-32第二节几种常见的现场总线共61页第20页现场总线基金会(FF)•FF现场总线控制系统体系结构现场总线设备分类FF现场总线控制系统结构第二节几种常见的现场总线共61页第21页现场总线基金会(FF)FF现场总线控制系统结构控制器网桥PLC手持终端总线分析器H1—低速现场总线H2—高速现场总线（或Ethernet）H1H1H1监控计算机第二节几种常见的现场总线共61页第22页现场总线基金会(FF)•FF现场总线信息原理FF的协议规范建立在ISO/OSI层间通信模型之上，它由3个主要功能部分组成：物理层、通信栈和用户层。第二节几种常见的现场总线共61页第23页过程现场总线(PROFIBUS)Profibus现场总线包括三种类型的总线形式：通用自动化Profibus-FMS总线、工业自动化Profibus-DP总线和过程自动化Profibus-PA总线，以适应于高速和时间苛求的数据传输或大范围的复杂通信场合。第二节几种常见的现场总线共61页第24页过程现场总线(PROFIBUS)Profibus现场总线的结构Profibus-FMSProfibus-DPPLCPLC网桥工业PC机工业PC机ACTACT10M100M123413141516567817181920910111221222324UPLINK123456789101112131415161718192021222324COLCOLPWRSWITCH耦合器传感器执行器传感器执行器第二节几种常见的现场总线共61页第25页过程现场总线(PROFIBUS)PROFIBUS系列一般自动化PROFIBUS-FMS(DIN19245T1+T2)PrEN50170行业应用规范：纺织工业、楼宇自动化、传动技术、传感器和执行器、PLCs可编程控制器、低压开关设备过程自动化PROFIBUS-PA(DIN19245T4)在起草中符合IEC1158-2标准的本质安全传输技术加工自动化PROFIBUS-DP(DIN19245T1+T3)PrEN50170分散外设间的高速数据传输第二节几种常见的现场总线共61页第26页过程现场总线(PROFIBUS)•PROFIBUS-DP从站1从站2从站3从站4从站5从站6主站1（1类）主站2（2类）主站3（1类）主站间的逻辑令牌环总线电缆短截线多主站系统PROFIBUS系统第二节几种常见的现场总线共61页第27页过程现场总线(PROFIBUS)PROFIBUS-DP系统由三种类型的设备组成PROFIBUS-DP系统可以是单主站系统，也可以是多主站系统系统配置的描述PROFIBUS-FMS技术特性第二节几种常见的现场总线共61页第28页HART可寻址远程传感器数据通路(HART)的发展HART协议采用的信号HART协议把链路上所挂设备分为三类HART协议命令分为三类第二节几种常见的现场总线共61页第29页HART计算机系统与智能仪器的连接计算机系统HART接口手操器智能仪表智能仪表HART4～20mA模拟仪表…第二节几种常见的现场总线共61页第30页HARTHART通信协议模型应用层数据链路层物理层用户物理介质应用层数据链路层物理层用户第二节几种常见的现场总线共61页第31页控制局域网络(CAN)•CAN概述版本发布时间内容变化1.01985年1.11987年位定时要求重新定义1.21990年振荡器容错能力提高2.01991年PartA,与1.2版相同PartB,引入数据帧和远程帧的扩展帧结构CAN协议版本发展第二节几种常见的现场总线共61页第32页控制局域网络(CAN)•CAN总线系统CAN总线系统由CAN网络节点、转发器节点和上位机构成。第二节几种常见的现场总线共61页第33页控制局域网络(CAN)•CAN总线系统上位机系统转发器1节点节点转发器2节点节点转发器n节点节点一级总线二级总线…系统的总体结构第二节几种常见的现场总线共61页第34页控制局域网络(CAN)节点的结构图微处理器80C592EPROM锁存器CAN驱动器82C250传感器接口传感器AD590电源模块复位芯片+220V-220V二级总线第二节几种常见的现场总线共61页第35页控制局域网络(CAN)转发器节点结构图微控制器MCS51总线接口82C200+82C250电源模块+220V-220V一级总线总线接口82C200+82C250二级总线第二节几种常见的现场总线共61页第36页控制局域网络(CAN)•CAN控制器目前应用较广泛、特点较突出的是Philips公司的SJA1000控制器上控主设备CAN接口卡监控报警器CAN接口电路智能仪表1#CAN接口电路智能仪表N#CAN接口电路智能开关量板CAN接口电路CAN总线120Ω120Ω…CAN网络总体设计方案第二节几种常见的现场总线共61页第37页控制局域网络(CAN)CAN总线模块结构执行机构灵敏元件人-机接口模块控制器CAN控制器CAN接收发送器RxTx执行机构灵敏元件人-机接口AT89C51SJA1000PCA82C250RxTxCAN总线第二节几种常见的现场总线共61页第38页控制局域网络(CAN)•CAN网络的组网方式CAN接口卡监控主机现场传感器现场设备现场传感器现场设备分线盒现场传感器现场设备现场传感器现场设备点对点连接树型连接支脉型连接菊花链型CAN网络组网连接方式原理示意图第二节几种常见的现场总线共61页第39页控制局域网络(CAN)CAN总线分布工业测控网络拓扑原理图CAN接口卡CANHCANL中继器CAN模块1CAN模块2CAN模块NCANLCANHSdLRTRTRTRT监控主机第二节几种常见的现场总线共61页第40页第三节局部操作网络(LonWorks)•LonWorks概述•LonWorks的技术核心—神经元芯片LontWorks技术的核心是神经元芯片(NeuronChip)。该芯片内部装有3个CPU。第三节局部操作网络(LonWorks)共61页第41页神经元芯片共享存储器通信接口I/O口MAC处理器网络处理器应用处理器网络缓冲器应用缓冲器第三节局部操作网络(LonWorks)共61页第42页LonWorks节点•以神经元芯片为核心的控制节点传感器和执行器晶振电源I/O调理收发器16k~58kROM神经元芯片3150/3120神经元节点的结构框图第三节局部操作网络(LonWorks)共61页第43页LonWorks节点•采用宿主(HostBase)结构主处理器接口单元神经元芯片收发器复位电路EPROM典型宿主结构框图第三节局部操作网络(LonWorks)共