dcs及现场总线技术第7章

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1、第7章 典型现场总线及其应用,7.1 FROFIBUS总线,一、 FROFIBUS总线 PROFIBUS总线由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-PA，三个系列分别用于不同的场合，如图7-1所示:,设备行规 应用行规,图7-1 PROFIBUS三个兼容部分,PROFIBUS三个系列总线提供了一个从传感器/执行器到区域控制器及管理层的透明通信网络，如图所示:,图7-2 从传感器/执行器到区域控制器的透明通信网络,Ethernet TCP/IP,CNC,PC/VME,二、 FROFIBUS协议结构 对于PROFIBUS的三个兼容部分：Profib

2、us-DP、Profibus-FMS和Profibus-PA，因为针对不同的工业过程而设计，协议结构的各层定义有所不同，如图7-3所示。,图7-3 PROFIBUS三个兼容部分协议,三、PROFIBUS数据传输技术 针对工业自动化实际控制系统的需要，PROFIBUS提供了三种数据传输技术，即：用于DPFMS的RS 485传输技术、用于PA的IEC 1158-2传输技术和光纤传输技术。,1. 用于DPFMS的RS 485传输技术,（1）RS 485传输技术的基本特征 传输速率：9.6Kbit /s12Mbit/ s。 通信介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件。 网络拓扑：线性总线，两

3、端配备有源的总线终端电阻。 站点数：每分段32个站（不带中继器），可扩展到126个站（带中继器）。 插头连接：9针D型插头。,（2）RS 485传输设备安装要点 全部设备均与总线连接。每个分段上最多可接32个站，每段的头和尾各有一个总 线终端电阻，确保操作运行不发生误差。两个总线终端电阻必须永远有电源。,当分段上站数超过32个时，必须使用中继器用以连接各总线段。串联的中继器一般不超过3个，如图7-5所示。需要注意的是，中继站没有站地址，但被计算在每段的站数中。,传输距离及速率。 系统在高电磁发射环境运行时，应使用带屏蔽的电缆，屏蔽可提高电磁兼容性。,图7-4 RS 485分段连接结构,2. 用

4、于PA的IEC 1158-2传输技术,IEC 1158-2的传输技术用于PROFIBUS-PA，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持本征安全性，通过总线对现场设备供电。,（1）IEC1158-2传输技术特性 数据传输：数字式、曼彻斯特编码，采用前同步信号、起始和终止限定符提高数据传输准确性。 传输速率：31.25Kbit/s。 通信介质：屏蔽式或非屏蔽式双绞线。 远程电源供电：每段只有一个电源作为供电装置。 防爆性：能进行本征及非本征安全操作。,（2）RS 485传输与IEC1158-2传输技术的连接,图7-5 段间藕合器连接结构,3. 光纤传输技术,在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤

5、传输技术，利用光纤导体增加高速传输的距离。,PROFIBUS总线的三种传输技术在系统的集成过程中，可根据实际控制需要，灵活选择和配置于一个系统中。如图7-7：,图7-6 三种传输技术在同一个系统中的集成方式,四、PROFIBUS三个系列总线的通信特性,1. PROFIBUS-DP,（1）传输特点 通常情况下采用标准的RS 485传输技术，在长距离或强电磁干扰环境下，可采用光纤传输技术，波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。 各主站之间令牌传送，主站与从站间为主-从传送，总线上最多站点（主、从设备）数为126；可实现总线网或环网。 通信距离：在1.5 Mbit/s 的通信速率下，通过中继

6、器PROFIBUS-DP总 线通信距离可以达到200m。无通信速率要求下，最远可延长到90km。,（2） PROFIBUS-DP总线可集成的设备 集成远程 I/O； 集成执行器和驱动； 集成操作面板； 集成PID回路控制器； 集成AS-I总线。,集成案例如图所示：,图7-7 PROFIBUS-DP可集成的设备,2. PROFIBUS-PA,（1）传输特点 基于扩展的 PROFIBUS-DP 协议和 IEC 61158-2 传输技术。 增加和去除总线站点，不会影响到其它站，对所有设备只需一套组态和监测工具。 仅用一根双绞线进行数据通信、控制和供电。 在潜在的爆炸危险区可使用防爆型“本征安全“或“

7、非本征安全“。 通过读取仪器仪表的维护和诊断信息，减少故障和停机时间。 （2）PROFIBUS-PA设备行规： 行规保证不同厂商生产的设备具有相同的通信功能。,3. PROFIBUS-FMS,（1）PROFIBUS-FMS通信对象与对象字典,（2）PROFIBUS-FMS行规,五、PROFIBUS总线的应用设计 1.PROFIBUS控制系统的构成 1) 一类主站：PC、PLC或可做一类主站的控制器，由它们完成总线通信控制与管理 2) 二类主站：操作员工作站、编程器、操作员接口等，完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。 3) 从站 可作为从站的设备 2.项目配置过程 确定与其它控制系统的接

8、口方式； 2) PROFIBUS控制系统的配置； 3) 确定主/从站功能和数量； 4) 确定系统传输协议和现场设备； 5) 选择PROFIBUS控制器； 6) 综合评估。,3. 系统评价 对现场总线控制系统及仪表的评价主要包括下列几项： 控制功能分配是否合理，是否达到危险分散和节省硬件的目的。 适当的冗余措施，使可靠性达到和高于DCS系统。 对传统信号设备和系统的兼容性。 是否通过互可操作性测试，是否具备管理能力。 现场总线仪表的性能。,图7-8 PCS7系统结构,4. PROFIBUS总线的典型应用 案例一：PROFIBUS总线在西门子PCS7控制系统中的应用,案例二： PROFIBUS总线

9、在卷烟厂控制生产线的应用,图7-9 系统网络结构,图7-10 现场仪表连接图,7.2基金会现场总线,一、FF H1总线的通信模型及相互关系 FF总线的通信模型,图7-11 FF模型内部结构,2. 协议数据的构成与层次,图 7-12 协议数据的构成,二、 FF H1总线的物理层,1. FF H1总线的传输介质 H1低速总线支持多种传输介质，如双绞线、同轴电缆、光缆、无线通信介质等， 目前应用较为广泛的是前两种。,2. FF H1总线拓扑结构 低速现场总线FF H1支持点对点连接、总线型、菊花链型、树型拓扑结构,图 7-13 FF H1网络拓扑结构图,三、数据通信链路,基金会总线的数据链路层主要控

10、制数据报文在现场总线上的传输，通过链路活动调度器上确定的集中式总线调度程序，管理对现场总线的访问。,1.通信设备类型 根据总线上设备的通信能力，基金会现场总线把通信设备分为三类，链路主设备、 基本设备和网桥。如图7-14所示：,2.链路活动调度权的竞争与转交,一个总线段上可以连接多种通信设备，也可以挂接多个链路主设备，但一个总线段 上某个时刻只能有一个链路主设备成为链路活动调度器LAS，没有成为LAS的链路主 设备起着后备LAS的作用。当作为链路活动调度器的主设备发生故障或因其他原因失 去链路活动调度能力时，系统自动将链路活动调度权转交给本网段的其他主设备。,图7-15 H1总线网段中LAS转

11、交,图7-16 FF用户应用模块,四、用户应用模块与设备描述,1.用户应用模块,2. FF的设备描述,图7-17 FF设备描述的分层,五、 FF HSE高速以太网 1. HSE与现场设备的连接。如图7-20所示，是HSE的网络系统连接结构。,图7-18 HSE与现场设备的连接,2. HSE与H1的区别,图7-19 FF HSE与FF H1总线的混合通信系统,PLC,六、 基金会现场总线控制系统的设计及应用 FF控制系统设计的基本步骤 1）系统规划 2）H1总线设计和设备选型 3）系统的组态编程 2.应用实例 下面给出一个FF现场 总线用于水位和温度 控制的简例，系统结 构如图7-22所示。,图

12、7-20 FF现场总线用于水位和温度控制,7.3 CAN总线,一、 CAN总线通信特点 1.支持多种通信介质 2.短帧传送结构 3.依据优先权的多主站访问方式 4.基于优先权的无破坏性仲裁技术 5.借助接收滤波的多地址帧传送 6.较强的错误控制及错误重发功能 7.CAN总线多负载能力,CAN(Controller Area Network)总线是控制器局域网的简称，它是一种有效支持分布 式控制或实时控制的串行通信网络。是德国Bosch公司在上个世纪八十年代为解决现 代汽车中众多测量控制部件之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线。,图7-21 CAN通信模块的分层结构,二、 CAN总线协议模

13、型 参照ISO/OSI标准模型，CAN分为数据链路层和物理层。而数据链路层又包括逻辑链路控制子层和媒体访问控制子层 。CAN的通信参考模型及各层功能如图7-23所示。,图7-22 CAN总线与节点的电气连接,四、 CAN总线通信中的几个问题,三、 CAN总线电气连接特性,1. 发送器与接收器,2. 错误类型,图7-23 汽车内CAN总线基本结构,五、 CAN总线的应用 案例：CAN总线在汽车上的应用,7.4 ControlNet总线,一、 ControlNet 概述 ControlNet现场总线基于改进的CAN总线技术，是由美国罗克韦尔公司 推出的面向控制层的实时性现场总线，又称其为控制层现场

14、总线。 二、ControlNet 通信特性 1.通信模式：ControlNet以生产者/消费者模式取代了传统的源/目的模式。 2.虚拟令牌技术：虚拟令牌又名隐性令牌，ControlNet采用虚拟令牌访问机制。网络上不存在专门起令牌作用的帧，令牌隐含在普通数据帧中。 3. 通信的时间分片方法： ControlNet针对控制网络数据传输类型的需要，设计了通信调度的时间分片方法。使它既可以满足对时间有严格要求的控制数据的传输需要，例如I/O刷新、PLC之间的数据传递等，又可满足信息量大、对时间没有苛求的数据与程序的传输，,三、 ControlNet 主要性能指标 ControlNet的网络系统特性主

15、要有： 1.确定性的、可重复的控制网络通信，适合离散控制和过程控制； 2.同一链路上允许多个控制器同时并存； 3.支持输入数据和端到端信息的多路发送； 4.可选的介质冗余和本征安全； 5.网络上节点居于对等地位，可以从任意节点实现网络存取； 6.同一链路上满足I/O数据、实时互锁、端到端报文传输和编程/组态信息等应用的多样的通信要求； 7.安装和维护简单。,四、 ControlNet 总线的应用 案例：ControlNet总线在循环流化床锅炉控制系统中的应用,图7-24 控制系统结构,操作员站,操作员站,操作员站,网络打印机,工程师站,冗余服务器,锅炉控制站,工作控制站,电气控制站,Contr

16、olNet,ControlNet,ControlNet,ControlNet,7.5 DeviceNet总线,一、 DeviceNet概述 DeviceNet总线主要用于构建底层设备网络，是基于CAN技术的一种开放型通信网络，用于连接底层现场设备，通常也称其为设备层现场总线。,DeviceNet协议是一个简单、廉价而且高效的协议，许多PLC和仪表生产 厂商都开发了DeviceNet产品。可通过DeviceNet连接的设备包括从简单 的挡光板到复杂真空泵各类测控设备， DeviceNet一个网络连接实例：,PLC,图7-25 DeviceNet 网络连接,DeviceNet的主要特点： 1.DeviceNet上的节点不分主从，网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络 上其他节点发起通信。 2.采用CAN的非破坏性总线逐位仲裁技术。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不受影响，继续传输数据，节省了总线仲裁时间。 3.各网络节点嵌人CAN通信控制器芯片，其网络