《现场总线及其应用技术》ppt课件

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1、现场总线与控制网络,长安大学 王会峰 2013年9月,Field Bus and Control Network,2019年4月30日4时10分,2,主要内容,现场总线简介、特点与优点 数据通信基础与网络互联 主要现场总线的介绍 现场总线的典型应用 现场总线控制系统 现场总线与工业以太网的互连技术,2019年4月30日4时10分,3,参考书目,1. 李正军.现场总线及其应用技术 机械工业出版社，2005 2. 阳宪惠. 现场总线技术及其应用 清华大学出版社，1998 3. 甘永梅.现场总线技术及其应用 机械工业出版社，2000 4. 杨宁.集散控制系统及现场总线 北航出版社，2001 5. 邬

2、宽明.现场总线技术应用选编 北航出版社，2001,2019年4月30日4时10分,4,参考书目,2019年4月30日4时10分,5,要求及考试,上课认真做笔记 认真完成课后作业 平时成绩 30 实验成绩 60% 平时表现及作业 40% 期末笔试 70,第一讲 现场总线概述,2019年4月30日4时10分,7,1.1 现场总线的现状和发展,现场总线 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。 IEC对现场总线的定义 现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。

3、涉及智能仪表、控制、计算机、数据通信技术,2019年4月30日4时10分,8,1.1.1 现场总线的产生 -控制系统的发展趋势,第一代：气动信号控制系统(50年代之前) 第二代：电动模拟信号控制系统(50年代至今),420mA的模拟量标准信号。 第三代：计算机集中控制系统(70年代) 第四代：集散式分布控制系统(80年代),2019年4月30日4时10分,9,第五代：现场总线控制系统(FCS) 突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷； 把DCS的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。 开

4、放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。,1.1.1 现场总线的产生 -控制系统的发展趋势,2019年4月30日4时10分,10,传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统,2019年4月30日4时10分,11,DCS与FCS,2019年4月30日4时10分,12,微处理器技术的迅猛发展和广泛应用，使仪表和现场控制设备在性能和功能上有显著的提高； 对系统维护管理、测试和监视需求的日益增加； 控制领域在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面的要求。,1.1.1 现场总线的产生-产生背景,2019年4月30日4时10分,13,现场通信网络 用于过程及制造自动化的现场设备或现场仪表

5、互连的通信网络 现场设备互连 现场设备或仪表指传感器、变送器和执行器等。这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等 互操作性 对不同厂商不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路，并且具备相互操作的功能,1.1.2 现场总线的本质,2019年4月30日4时10分,14,分散功能块 FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站 例如： 流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输入模块，而且有PID控制和运算功能块。 调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输出特性补偿模块，或PID控制和运算模块

6、，甚至阀门特性自检验和自诊断功能。,1.1.2 现场总线的本质,2019年4月30日4时10分,15,通信线供电 允许现场仪表直接从通信线上获取能量，对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式 开放式互连网络 既可与同层网络互连，也可以与不同层网络互连，还可以实现网络数据库的共享,1.1.2 现场总线的本质,2019年4月30日4时10分,16,1.1.3 现场总线的特点和优点 -现场总线的结构特点,由于采用智能现场设备，能够把DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备中，在现场直接完成采集和控制。 由于不需要其他的模数转换器件，且一对电线能传输多个信号，因而简化了

7、系统结构，节约了设备及安装维护费用。,2019年4月30日4时10分,17,2019年4月30日4时10分,18,1.1.3 现场总线的特点和优点 -FCS与DCS的详细对比,结构 FCS: 一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号 DCS: 一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号,2019年4月30日4时10分,19,1.1.3 现场总线的特点和优点 -FCS与DCS的详细对比,可靠性 FCS: 可靠性好：数字信号传输抗干扰能力强，精度高； DCS: 可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰,2019年4月30日4时10分,20,1.1.3 现场总线的特点和优点 -FC

8、S与DCS的详细对比,失控状态 FCS: 操作员在控制室既可以了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处于操作员的远程监视与可控状态之中； DCS:操作员在控制室既不能了解模拟仪表的工作状态，也不能对其进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对仪表处于“失控”状态,2019年4月30日4时10分,21,1.1.3 现场总线的特点和优点 -FCS与DCS的详细对比,互换性 FCS: 用户可以自由选择不同制造商提供的性能价格比最优的现场设备和仪表，并将不同品牌的仪表互连； DCS:尽管模拟仪表统一了信号标准(4-20mA DC)，可大部分参数仍由制

9、造厂自定，致使不同品牌的仪表互换难度较大,2019年4月30日4时10分,22,1.1.3 现场总线的特点和优点 -FCS与DCS的详细对比,仪表 FCS: 智能仪表，除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外，还具有数字通信能力，并且具有控制和运算的能力； DCS: 模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能 控制 FCS: 控制功能分散在各个智能仪表中； DCS: 所有控制功能集中在控制站中,2019年4月30日4时10分,23,典型ABB的AC800M系统组成,2019年4月30日4时10分,24,2019年4月30日4时10分,25,系统的开放性 通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连

10、并实现信息交换 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,1.1.3 现场总线的特点和优点 -现场总线的技术特点,2019年4月30日4时10分,26,节省硬件数量与投资 节省安装费用 节约维护开销 用户具有高度的系统集成主动权 提高了系统的准确性与可靠性,1.1.3 现场总线的特点和优点 -现场总线的优点,2019年4月30日4时10分,27,1.1.4 现场总线标准的制定,1984年，IEC开始起草现场总线标准； 1993-1998年，制定IEC61158的现场总线物理层规范、链路服务定义及协议规范、应用层服务定义及协议规范 1999年，修

11、改IEC61158技术规范，形成8种类型新标准 2000年，修改后的IEC61158最终获得通过,2019年4月30日4时10分,28,新标准采用8种类型,Type1 IEC61158(FF的H1) Type2 ControlNet(美国Rockwell公司) Type3 PROFIBUS(德国Siemens公司) Type4 P-Net(丹麦Process Data公司) Type5 FF HSE(Fisher-Rosemount公司) Type6 SwiftBet(美国波音公司) Type7 WorldFIP(法国Alstom公司) Type8 INTERBUS(德国Phoenix Con

12、tact公司),2019年4月30日4时10分,29,1.1.5 现场总线的现状,多种总线共存 世界市场对各种现场总线的需求： 过程自动化：15%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP) 医药领域：18%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP) 加工制造：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet) 交通运输：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet) 航空，国防：34%(PROFIBUS-FMS,LonWorks, ControlNet,DeviceNet) 其它，如楼宇自动化，农业等,2019年4月30日4时10分,30,1.1.5 现场总线的现状,每

13、种总线各有其应用领域 每种总线各有其国际组织 每种总线均有其支持背景 设备制造商参加多个总线组织 多种总线均作为国家和地区的标准 协调共存 工业以太网引入工业领域,2019年4月30日4时10分,31,1.1.6 现场总线网络的实现,制定标准时参照OSI七层协议标准； 大多采用第1层(物理层)、第2层(数据链路层)和第7层(应用层)，并增加第8层用户层。 物理层：定义了信号的编码与传送方式、传送介质、接口的电气及机械特性、信号传输速率等。 现场总线有两种编码方式：Manchester和NRZ，前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。前者采用基带传输，后者采用频带传输。调制方式主要有CPFS

14、K和COFSK。传输介质主要有：有线电缆、光纤和无线介质。,2019年4月30日4时10分,32,1.1.6 现场总线网络的实现,数据链路层 分为两个子层：介质访问控制层(MAC)和逻辑链路控制层(LLC)。MAC对传输介质传送的信号进行发送和接收控制；LLC对数据链进行控制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线上的设备可以是主站，也可以是从站。 MAC层的三种协议：集中式轮询协议、令牌总线协议和总线仲裁协议。 应用层 分为两子层：应用服务层(FMS)，用于为用户提供服务；现场总线存取层(FAS)，用于实现数据链路的连接。,2019年4月30日4时10分,33,1.1.6 现场总线网络的实现,

15、用户层 定义了从现场装置中读写信息和向网络中其他装置分派信息的方法，即规定了供用户组态的标准“功能模块”。,2019年4月30日4时10分,34,1.1.7 现场总线的发展趋势,自动化系统和设备将朝着现场总线体系结构方向发展； 在未来数年内几大总线标准共存，甚至在一个系统内几种标准的设备通过路由网关互连实现信息共享； 我国在这一领域刚刚起步。,2019年4月30日4时10分,35,1.1.7 现场总线的发展趋势,具有发展前景的现场总线技术： 智能仪表与网络设备开发的软硬件技术； 组态技术、包括网络拓扑结构、网络设备、网络互连等； 网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输； 人机接口、

16、软件技术； 现场总线系统集成技术,2019年4月30日4时10分,36,1.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构 1.2.2 现场总线的作用 1.2.3 现场总线与上层网络的互联 1.2.4 现场总线网络集成应考虑的因素,1.2 企业网络信息集成系统,2019年4月30日4时10分,37,现场总线网络直接面向生产过程，因此要求很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性； 因此一般只包括物理层、数据链路层和应用层； 要完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递； 统一的企业网络信息集成系统应具有三层结构，从底向上依次是：过程控制层(PCS)、制造执行层(MES)、企业资源规划层(ERP),1.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构,2019年4月30日4时10分,38,1.2.1 企业网络信息集成系统的层次结构,现场总线,现场总线控制网络,工业局域网,企业网 Internet,过程控制层PCS,制造执行层MES,企业资源规划层ERP,2019年4月30日4时1