现场总线控制系统全面分析

《现场总线控制系统全面分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现场总线控制系统全面分析（103页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、现场总线控制系统全面分析 第一节概述一 单元组合仪表控制系统 DCS与现场总线控制系统 1 单元组合仪表控制系统1 采用模拟信号传输 2 现场至控制室为1 1连接方式 每台仪表均需一对导线 3 组成各种控制系统时 各仪表之间均采用直接接线 2 DCS 分散控制系统 1 现场至控制室为1 1连接方式 每台仪表均需一对导线 2 室内控制装置采用站式结构 各站之间采用网络连接方式 3 组成各种控制系统时 采用软连接方式 功能组态 特点 模拟数字混合系统集中操作有限度的分散控制组态式的控制功能组成 3 现场总线控制系统 FCS 1 产生背景综合自动化系统发展的需要现场智能仪表的出现为其奠定了基础现代通

2、信技术的发展提供了技术保障2 现场总线 Fieldbus 连接智能现场装置和自动化系统的数字式 双向传输 多分支结构的通信网络 3 现场总线控制系统 FieldbusControlSystem FCS 采用现场总线技术实现的控制系统 二 现场总线的技术特点 1 系统的开放性总线标准及通信协议均为公共开放的 2 互可操作性与互换性可实现总线设备间的信息交换 以及遵循同一总线标准的各厂家的产品可集合在一起使用 3 现场仪表的功能自治性现场仪表均为智能仪表 一般处理功能可在现场仪表内完成 如补偿 线性化 标度变换等 4 系统结构的高度分散性可实现回路控制的彻底分散 提高了系统可靠性 5 对现场环境的

3、适应性专为现场环境设计的现场总线具有较强的抗干扰能力 而且有本质安全防爆产品 三 现场总线国际标准简介 现场总线技术在历经了群雄并起 分散割据的初始阶段后 尽管已有一定范围的磋商合并 但由于行业与地域发展等历史原因 加上各公司和企业集团受自身利益的驱使 致使现场总线的国际化标准工作进展缓慢 至今尚未形成完整统一的国际标准 从1985年筹备成立IEC现场总线标准工作组开始标准起草制定工作 到1997年制定了一些协议规范 IEC61158 并作为FDIS标准发布 1998年对IEC61158FDIS草案投票未获通过 故于1999年初以技术规范的形式发布IEC6115第一版现场总线标准 第一版标准

4、技术规范 中 只有一种标准即后来的Type1 FF H1和FF H2 随后根据各国或组织的意见进行修改 于2000年初通过了经修改后的IEC61158 即IEC61158第二版 该版保留了Type1 并增加了七种现场总线标准 Type2 Type8 为了反映现场总线与工业以太网技术的最新发展 又对IEC61158第二版标准进行了扩充和修订 新版标准规定了10种类型现场总线 除原有的8种类型 还增加了Type9和Type10现场总线 2003年4月 IEC61158Ed 3现场总线第三版正式成为国际标准 2007年发布了IEC61158第四版中 共有20种现场总线标准进入该标准 其中包括我国的E

5、PA标准 Type14 Type1 Type8Type1 IEC61158技术报告 由于该总线主要依据FF现场总线和部分吸收WorldFIP现场总线技术制定的 所以经常被理解为FF现场总线 包括FF H1 FF H2 Type2 由以美国Rockwell公司为代表支持的CI ControlNetInternational 组织制定 包括DeviceNet ControlNet现场总线和Ethernet IP实时以太网 Type3 即Profibus 由以西门子公司为代表的德国多家公司及研究单位制定 得到了PNO ProfibusNationalOrganization 用户组织的支持 并被定为

6、欧洲标准 Type4 即P NET 由丹麦ProcessData支持 主要用于啤酒 食品 农业和饲料业 Type5 即FF HSE 高速以太网 由IEC制定 用于替代FF H2 Type6 即SwiftNet 由美国SHIPSTAR协会制定 得到波音公司支持 主要用于航空和航天业 Type6SwiftNet现场总线由于市场推广应用很不理想 在第四版标准中被撤消 Type7 即WorldFIP 由法国Alstom为代表的WorldFIP协会制定 主要用于发电 输配电 加工自动化 运输等行业 Type8 即Interbus 由德国PhoenixContact制定 得到了InterbusClub组织

7、的支持 主要用于机器加工及制造业 IEC61158第四版中列出的20种现场总线标准 Type1TS61158现场总线Type2CIP现场总线Type3Profibus现场总线Type4P2NET现场总线Type5FFHSE高速以太网Type6SwiftNet被撤消Type7WorldFIP现场总线Type8INTERBUS现场总线Type9FFH1现场总线Type10PROFINET实时以太网 Type11TCnet实时以太网Type12EtherCAT实时以太网Type13EthernetPowerlink实时以太网Type14EPA实时以太网Type15Modbus2RTPS实时以太网Ty

8、pe16SERCOS 现场总线Type17VNET IP实时以太网Type18CC2Link现场总线Type19SERCOS 实时以太网Type20HART现场总线 第二节典型现场总线简介一 FF总线 FoundationFieldbus 基金会现场总线 前身为美国Fisher Rosemount公司为首 联合Foxboro ABB Siemens Smart等80多家公司制定的ISP协议和以Honrywell公司为首 联合Allen Bradley Bailey等150多家公司的WorldFIP协议 1994年两大集团一起成立现场总线基金会 致力于开发国际上统一现场总线标准 主要应用于自动化

9、系统 特别是过程自动化系统 支持总线供电及本质安全防爆 FF包括低速FF H1和高速FF HSE两部分 一 FF总线的技术特点 1 适用于过程自动化的低速FF H1总线用于现场级控制 传输速率为31 25KB s 最大通信距离1900m 1 控制与信息处理的现场化智能化现场仪表可完成检测 变送 控制 计算 显示 报警 诊断及自动保护等任务 从而构成完整的现场控制系统 现场仪表具有高度的自治性 且结构上具有彻底的分散性 2 支持总线供电及本质安全防爆非总线供电 现场仪表采用外部供电 总线供电 现场仪表通过总线供电 总线既作为供电线 又作为数字信号传输线 提供本质安全防爆系统 3 令牌总线访问机制

10、在物理上是一种总线结构的局域网 各站点共享通信总线 在逻辑上是一种环形结构的局域网 连接到总线上的站点组成一个逻辑环 站点获得令牌后 取得对总线的控制权 2 内容广泛的用户层1 功能块与功能块应用进程主要功能块 如AI AO PID DI DO等 2 设备描述用于实现设备之间的互操作性 包括变量标签 工程单位 要显示的十进制数 量程与诊断标签等 3 基于以太网的高速FF HSE总线1 最初的FF H21MB s和2 5MB s高速总线标准 因通信速率较低 后被放弃 2 目前的FF HSE基于以太网的高速总线技术规范 HSE总线支持10MB 100MB s网段 二 FF总线通信模型1 FF H1

11、总线模型 ISO OSI模型 FF H1总线模型 1 物理层用于实现物理设备与总线之间的连接 为现场设备与通信媒体提供机械 电气接口 由传输媒体 媒体相关子层及媒体无关子层构成 1 传输媒体 规定了传输介质 传输速率 传输距离及总线结构等 FF H1的传输介质可是双绞线 电缆 光缆 无线介质 传输速率为31 25kbps 传输距离200 1900m 对应不同传输介质 拓扑结构 点对点 总线型 树型 菊花链型 2 媒体相关子层 负责处理不同介质 不同速率的信号转换问题 也称媒体访问单元 FF支持桥接网 利用网桥实现他们之间的连接 3 媒体无关子层 是媒体访问单元与数据链路单元的接口 完成编码或解

12、码 采用MBP 曼彻斯特码 增加或去掉前导码 帧前定界码及帧结束码等任务 由硬件完成 前导码 帧前定界码 协议数据 帧结束码 1字节 1字节 8 273字节 1字节 2 数据链路层规定总线存取 协议控制信息及错误鉴别 1 总线数据存取FF H1的数据传输由链路活动调度器 LinkActionScheduler LAS 控制 每个总线段上均有一个活动的LAS FF将通信设备分为三类 即 链路主设备 基本设备 网桥 链路主设备指有能力成为LAS的设备 可有多个 但某个时刻只有一个能成为LAS 其余备用 基本设备指不能成为LAS的设备 只能接收令牌并作出响应 网桥是用于网段之间的连接设备 因其管理着

13、下游网段 所以也能成为LAS H1网段中的通信设备与LAS LAS拥有总线上所有设备的清单 并规定周期性和非周期性两类通信 其中 由LAS按预定时间表周期性依次发起的通信为周期性通信 在周期性通信之外的时间 各设备通过获取令牌而得到总线控制权时 发起的通信为非周期性通信 周期性通信 用于需要周期性传输数据的场合 如测量值数据 控制输出数据等 非周期性通信 用于传输控制参数 诊断信息 报警信息 趋势数据等 2 协议控制信息由数据链路协议数据单元 DLPDU 提供 由帧控制信息 数据链路地址及DLPDU参数等组成 3 错误鉴别提供帧校验码 数据传输帧结构 帧控制符 目的地址 源地址1 参数 源地址

14、2 用户数据 帧校验码 3 应用层由现场总线访问子层 FAS 和现场总线报文规范子层 FMS 构成 其任务是实现应用进程之间的通信 1 FASFAS利用数据链路层调度和非调度的特点 为报文规范子层 FMS 提供服务 分为客户 服务器型 报文分发型和发布 预定接收型三种服务类型 客户 服务器型 两个设备之间由用户发起的 一对一 排队式 非周期的通信 用于设置给定值 改变操作模式 手动调节 上载 下载 报警管理 远程诊断等 报文分发型 用户发起的一对多 排队式 非周期通信 用于广播或多点传送事件与趋势数据 如用于向操纵台通告报警信息 历史趋势数据等 发布 预定接收型 用于实现缓冲型的一对多通信 主

15、要用于刷新功能块的输入 输出数据 如PID控制功能块和操作台发送的测量值等 2 FMS该层描述了用户应用所需的通信服务 信息格式 行为状态等 FMS提供了一组服务和标准的报文格式 用户可采用这种标准格式在总线上相互传递信息 并通过FMS服务 访问应用对象及对象的描述 FMS由虚拟现场设备VFD 对象字典管理 联络关系 上下文 管理 域上载 下载管理 程序调用管理 变量访问 事件管理等组成 4 用户层用户层规定了各种功能模块和设备描述 供用户构成所需的应用程序 三种典型的用户应用块 1 转换块转换块按所要求的频率读取传感器中的数据 包含又有量程数据 传感器类型 线性化 I O数据表示等信息 如输

16、入转换块 输出转换块 显示转换块等 2 资源块资源块用于描述现场总线设备特征 如设备名称 制造商规定 系列号等 资源块由一组参数组成 3 功能块功能块提供控制系统行为 它的输入 输出参数可通过现场总线链接 功能块由参数 算法和事件组成 由外部事件驱动功能块的执行 通过算法将输入参数转换为输出参数 实现应用系统的控制功能 10种基本功能块 AI AO DI DO PD PID SS 选择器 ML 手操 BG 偏置 RA 比率 H1总线协议数据的构成与层次关系 用户应用 FMS总线报文规范 FAS总线访问子层 DLL数据链路层 物理层 现场总线 用户数据 FMS协议控制 用户数据编码 FAS协议控制 FMS协议数据 4 4 255 0 251 11 DLL协议控制 FAS协议数据 5 256 5 15 帧校验 2 帧前定界码 DLL协议数据 8 273 1 帧结束码 1 前导码 1 2 FF HSE总线模型底层采用以态网标准 网络层与传输层使用TCP UDP IP协议 应用层为总线设备访问子层 FDA 作用与H1的FMS相似 用户层与H1总线相同 HSE子网通过HSE链路设备与H1网段连接