现场总线讲解

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1、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 n 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n 集散控制系统DCS（distributed control system） n 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。n 生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如 0.020.1MPa的气压信号，0

2、10mA、420mA 的直流电流信号，15V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n 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。 n 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n 新型的现场总线控制系统则突破

3、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；n 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(fieldbus control system)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 n 1983年，Honeywell推出了智能化仪表Smar变送器，

4、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420mA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。 n 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。n 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

5、线9CUMT监控系统与现场总线 n 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n 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。n 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

6、-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使用现场总线PROFIBUS PA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 n 基金会现场总线(FF，Foundation F

7、ieldbus)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。n 其前身是以美国FisherRosemount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。n 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n 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。n H2的传输速率可为1

8、Mbps和25Mbps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IECll582标准。n 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：n 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。n 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

9、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：n FF通信协议；n 用于完成开放互连模型中第27层通信协议的通信栈 (Communication Stack)；n 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；n 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；n 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 n 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

10、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。n 它采用了ISOOSI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15Mbps不等，直接通信距离可达 2700m(78kbps，双绞线)。n 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n 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。n 第二

11、个用于完成第36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。n 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 n PROFIBUS是德国国家标准DINl9245和欧洲标准EN50170的现场 总线标准。n 由PROFIBUS-FMS，PROFIB

12、US-DP，PROFIBUS-PA组成了PROFIBUS 系列。n 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。n 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。n 而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IECll582标 准。监控系统与现场总线20CUMT监控系统与现场总线n 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。n 它采用了OSI模型的物理层、数据链路层。FMS还采用了应用 层。n 传输速率为9，6kbps12Mbps，最大传输距离在12Mbps时为 lOOm，15Mhps时为400

13、m，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 n CAN是控制局域网络(Control Area Network)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。n 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。n 信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达1Mbps40m，直接传输 距离最远可达10km5

14、kbps。可挂接设备数最多可达110个。 n 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 n HART是Highway Addressable Remote Transducer的缩写。n 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。n 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

15、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：n 第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、执行的命令； n 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；n 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。n 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 CAN5.1 CAN的性能特点n CAN(Con

16、troller Area Network)即控制器局域网络。n CAN最初是由德国的BOSCH公司为汽车监测、控制系统 而设计的。 n 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n 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。n 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n 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