控制仪表及装置第08章.

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1、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。 4.20 mA 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

2、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Hardware 51% 23% 27% 22% 22%

3、12% 0% 50% 100% 硬件调试工程 100% 57% 4.20mA PROFIBUS 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。IEC

4、 TC65 制订了用于工业控制 系统的IEC 61158。目前流行的PROFIBUS 、FF等现场总线也纳入了IEC标准。 IEC TC17B制订了用于低压开关和电气控制 装置的IEC 62026。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。 IEC 61158 的标准现场总线 Type1：IEC 61158 技术报告。 Type2：ControlNet，得到CI组织的支持。 Type3：Profibus，得到PNO组织的

5、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Interbus Club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, IEC 61158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

6、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 ，IEC TC65 /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

7、术。 IEC 61158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61158 Type14 。 第二节 几种流行的现场总线 - Foundation Fieldbus - Profibus（Process Fieldbus） - LonWorks（Local Operating Networks ） - CAN（Control Area Network ） - HART（Highway Addressable Remote T Transducer） FF总线的特点 Foundation Fieldbus 用于现场级控制的FF-H1传输速率32.25Kbps, 直接通信距

8、离达1900 m，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

9、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(IEC 61131)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 7 2 1 6 5 4 3 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： 用户层 FDA IEEE 802.2 应用层 物

10、理层 物理层符合IEEE 802.3u标准，数据链路层符合IEEE 802.2规范。 TCP/UDP IP IEEE 802.3u 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 Profibus Profibus总线的特点 Profibus包括Profibus-DP、-FMS、-PA，传输 速率9.6Kbps12Mbps,相应通信距离为1200

11、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。

12、 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） PROFIBUS DP-V0V2 RS 485 (PROFIBUS DP) IEC 61158-2 (PROFIBUS PA) 传输特性(物理层)的DP采用RS-485通信标准，PA采用 IEC 61158-2(MBP)传输技术。通信协议(数据链路层):

13、采用DP-V0V2。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

14、PC DP从站 Profibus-DP DP主站 1个DP主站 1125个从站 PROFIBUS-DP多主站系统 计算机 Profibus-DP PLC 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 Publisher (z.B. Lichtgitter) Slave DP-从站 2 PROFIBUS DP-Master PROFIBUS-DP 1类主站 PROFIBUS DP-Master PROFIBUS-DP 2类主站 Publisher (z.B. Lichtgitter) Slave DP-从站 1 Publisher (z.B. Lichtg

15、itter) Slave DP-从站 3 令牌 循环: 从站1从站2从站3从站3 1 类主站的 循环访问 2类主站的 非循环访问 DP-V1中的循环和非循环通信 PROFIBUS-DP MasterClass1 PROFIBUS-DP 1 类主站 发布者 (e.g. light array) 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/PA Coupler连接Profibus-PA 计算机 Profibus-DP 从站 Profibus-PA DP/PA 耦合器

16、 PLC 主站 PROFIBUS-PA有树结构、总线结构和两者的 混合结构。 演示 LonWorks LonWorks总线的特点 LonWorks采用OSI 的全部7层通信规范，传 输速率300bps1 .5Mbps,通信距离为2700 m， 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。 MC143150/20 Neuron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,