现场总线论文.doc

南 阳 理 工 学 院控制仪表及装置结课论文学院（系）： 机械与汽车工程学院 专 业： 测控技术与仪器 学 生： 梁 梓 鸣 指导教师： 李 珍 完成日期 2014 年 12 月南阳理工学院控制仪表及装置结课论文现场总线总结报告Field-bus Summary Report总计： 毕业设计（论文）11 页表 格： 0 个插 图 ： 10 幅南阳理工学院控制仪表及装置结课论文现场总线总结报告Fieldbus Summary Report学院（系）： 机械与汽车工程学院 专 业： 测控技术与仪器 学 生 姓 名： 梁 梓 鸣 学 号： 1302314011 指 导 教 师（职称）： 李珍 （高级工程师） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2014年12月 南阳理工学院Nan yang Institute of Technology现场总线总结报告测控技术与仪器 梁梓鸣摘要现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。现场总线的产生对工业的发展起着非常重要的作用，对国民经济的增长有着非常重要的影响。现场总线逐渐在工业现场推广，不少设备不但具有传统仪表的功能，而且还具备现场总线的功能、在DCS中，现场总线被广泛应用。 关键词现场总线；网络；通讯 Fieldbus Summary ReportMeasurement & Control Technology and Instruments Major LIANG ZimingAbstract:Fieldbus refers to the factory focuses on the digital communication between the measurement and control of the machine in the network,also called field network.Is the sensor, various operating terminal and communication between the controller and the controller communication between specialized network.Fiedbus production plays a very important role to the development of industry,have a very important impact on the growth of the national economy. Fieldbus is gradually popularized in industrial field,a lot of equipment not only has the function of the traditional instrument,but also has the function of fieldbus,in the DCS,fieldbus is widely used.Key words:Fieldbus;network;communication目 录1 现场总线概述11.1 现场总线的产生与发展11.2 现场总线基本概念11.2.1 现场总线的定义11.2.2 现场总线技术的特点21.2.3 现场总线的优缺点22 Foundation Fieldbus32.1 FF总线的技术特点32.1.1 适用于过程自动化的低速FF-H132.1.2 内容广泛的用户层32.1.3 基于以太网的高速FF-HSE42.2 FF总线通信模型42.2.1 FF-H1总线模型FF-H142.2.2 FF-HSE总线通信模型52.3 FF总线的网络结构53 Profibus63.1 Profibus总线的系统组成与技术特点63.1.1 系统组成63.1.2 系统主要特点63.1.3 主要应用领域73.2 Profibus技术73.2.1 Profibus DP73.2.2 Profibus PA93.3 Profibus总线通信模型93.4 Profibus总线的网络结构10结束语11参考文献11致谢121 现场总线概述1.1 现场总线的产生与发展20世纪50年代前，过程控制仪表使用气动标准信号，20世纪6070年代发展了4mA20mA(DC)标准信号，直到现在仍在使用。20世纪80年代中期在国际上开始出现，20世纪90年代初，用微处理器技术实现过程控制以及智能传感器的发展，导致需要用数字信号取代4mA20mA(DC)模拟信号，这就形成了一种先进工业测控技术现场总线(Fiedbus)。1.2 现场总线基本概念1.2.1 现场总线的定义现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的计算机局域网络，其网络节点是以微处理器为基础的、具有检测、控制、通信能力的智能式仪表或控制设备。现场总线标准实质上是一个定义了硬件接口和通信协议的通信标准。1.2.2 现场总线技术的特点1 系统的开放性 开放系统是指通信协议公开,各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致性、公开性,强调对标准的共识与遵从。一个开放系统,它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的,开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。2 互可操作性与互用性 这里的互可操作性,是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通,可实行点对点,一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。3 现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成,仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能,并可随时诊断设备的运行状态。4 系统结构的高度分散性 由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能,使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系,4-20mAP.S. 现场总线P.S. 简化了系统结构,提高了可靠性。5 对现场环境的适应性 工作在现场设备前端,作为工厂网络底层的现场总线,是专为在现场环境工作而设计的,它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等,具有较强的抗干扰能力,能采用两线制实现送电与通信,并可满足本质安全防爆要求等。1.2.3 现场总线的优缺点优点：现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；一对双绞线上可挂接多个控制设备， 便于节省安装费用；节省维护开销；提高了系统的可靠性；为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。缺点：网络通信中数据包的传输延迟，通信系统的瞬时错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，使得控制系统的分析与综合变得更复杂，使控制系统的性能受到负面影响。2 Foundation Fieldbus基金会现场总线（FF）的前身是以美国Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、ABB、Siemens、Smar等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合Allen-Bradley、Bailey等150家欧洲著名公司制定的World FIP协议。这两大集团于1994年一起成立了现场总线基金会，致力于开发国际上统一的现场总线标准。2.1 FF总线的技术特点2.1.1 适用于过程自动化的低速FF-H1用于现场级控制的FF-H1为适应过程自动化系统在功能、环境与技术上的需求，该总线除了实现过程信号的数字通信外，还具有以下特点。1 控制与信息处理的现场化 FF现场总线仪表具有很强的功能自治性，它丰富的功能模块是其在现场就可完成对过程变量的检测、变送、控制、计算、显示、报警、故障诊断和自动保护等任务，构成完整的现场控制系统。这种功能上的自治性和结构上的彻底分散性无疑提高了系统的可靠性和组态的灵活性，保障工业生产处于安全、稳定、经济的运行状态。2 支持总线供电和本质安全防爆 FF-H1采用了基于IEC 61158-2的双线信号传输技术，并为现场仪表提供两种供电方式：非总线供电和总线供电。非总线供电时，仪表直接由外部电源供电；总线供电时，总线上既要传输信号，又要由总线为现场仪表提供电源能量。根据本质防爆要求，应用于易燃、易爆场合的设备，除了应保证能完成测量、控制、通信等的正常工作外，还应在任何情况下不至于产生火花和引发燃烧、爆炸等事故。3 令牌总线访问机制FF-H用了令牌传递的总线控制方式。在物理上，它是一种总线结构的局域网，站点共享的传输介质为总线。但在逻辑上，它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，每个站点被赋予一个顺序的逻辑位置，站点只有取得令牌才能发送数据帧，该令牌在逻辑环上依次传递。FF-H1中令牌传递是由链路活动调度器控制的，作为介质访问控制中心的链路活动调度确保了控制系统中信息传输的及时性。2.1.2 内容广泛的用户层通信模型中增加了用户层是FF现场总线的又一重要特点。用户层的功能块和设备描述，使仪器设备间的互操作易于实现。1 功能块与功能块应用进程FF提供一种通用结构，把现场控制系统所需的各种功能封装为相应的功能块，使其公共特征标准化，规定它们各自的输入、输出、算法、事件、变量与块控制图，并把他们组成为可在某个现场设备中执行的应用进程，即功能块应用进程。功能块的通用结构是实现开放系统架构的基础，也是实现各种网络功能与自动化功能的基础。2 设备描述 设备描述是FF总线为实现设备间的互可操作性、支持标准功能块操作而采用的一项重要技术。它为仪器或系统中的虚拟现场设备的每个对象提供了扩展描述，包括变量标签、工程单位、要显示的十进制数、量程与诊断菜单等。2.1.3 基于以太网的高速FF-HSE总体结构上HSE与H1相似：在高层与H1基本一致，依然保留用户层和应用层；在底层则采用了流行的以太网+TCP/IP协议。这种结构的优点是使HSE的开发难度相对减小，同时使成本降低。HSE充分利用了现有的以太网技术，使其传输速率远高于H1总线，它迎合了自动化和仪器仪表最终用户对互操作性、低成本和高速现场总线解决方案的要求。2.2 FF总线通信模型2.2.1 FF-H1总线模型FF-H1总线的物理层对应OSI的第1层，它从通信栈接收报文，并将其转换成在现场总线通信介质上传输的信号，反之亦然。通信栈对应OSI的第2层和第7层。第2层，即数据链路层，主要控制报文在现场总线的传输。它通过链路活动调度器来管理对总线的访问；控制确定信息的传输和设备间的数据交换。第7层即应用层，对用户层进行编码和解码。该层包括现场总线访问子层（FAS）和现场总线报文规范子层（FMS）。图2.1 FF-H1总线模型与OSI模型的对应关系2.2.2 FF-HSE总线通信模型底层采用以太网标准，HSE使用流行的TCP/UDP/IP协议族，作为总线模型的网络层与传输层。应用层为总线设备访问子层。HSE总线的用户层与H1总线相同。图2.2 FF-HSE总线通信模型简图2.3 FF总线的网络结构FF低速总线H1支持点对点的连接（星型）、总线型和树形结构，同时这几种结构还可以组合在一起构成混合式结构。高速总线HSE主要采用总线型结构。FF现场总线网络结构如图2.3所示。图2.3 FF现场总线网络结构示意图由上图可知，FF总线网络可以包含多个HSE子网和多个互连的H1链路，几个HSE子网通过标准路由器连接。3 ProfibusProfibus也是一种开放式的现场总线，是由Siemens公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。目前在世界有20多个地区性的用户组织，而且在中国也成立了现场总线专业委员会。国际上有数百家厂商生产支持Profibus标准的产品，Profibus已广泛应用于加工制造、过程控制、交通、电力和楼宇自动化。图3.1 Profibus面向现场级与车间级的数字化通信系统Profibus总线协议也是以IOS/OSI参考模型为基础，定义了物理传输特性、总线通信协议和应用行规，传输速率为9.8KB/S12MB/S，相应的通信距离为1001200m。典型的工厂自动化系统通常分为现场设备层、车间监控层和工厂管理层，见图3.1所示。现场总线Profibus是面向现场级与车间级的数字化通信网络。3.1 Profibus总线的系统组成与技术特点3.1.1 系统组成Profibus控制系统组成包括以下几个部分：1 一类主站：指PLC、PC或可做1类主站的控制器。1类主站完成总线通信控制与管理。2 二类主站：PLC（智能型I/O） 分散式I/O（非智能I/O） 驱动器、传感器、执行机构等现场设备。3.1.2 系统主要特点1 容易安装，节省成本。 2 集中组态，建立系统简单。 3 提高可靠性，工厂生产更安全、有效。4 减少维护，节省成本。 5 符合国际标准，工厂投资安全。3.1.3 主要应用领域1 制造业自动化：汽车制造（机器人、装配线、冲压线等）、造纸、纺织、汽车组装、润滑油生产、钢板冲压成型啤酒生产（过滤与发酵）等。 2 过程控制自动化：石化、化工、制药、造纸、纺织、水泥、食品、啤酒等。 3 电力：发电、输配电。 4 楼宇：空调、风机、供热、照明灯。 5 铁路交通：信号系统等。3.2 Profibus技术Profibus总线包括Profibus DP和PA。前者主要用于工厂自动化，后者专为过程自动化而设计。原先还包括FMS,但随着工业以太网技术的迅速发展，Profibus FMS这一层与逐渐被Ethernet所取代。3.2.1 Profibus DPProfibus DP（以下简称DP）由不同类型的设备组成（如图3.2所示），在同一总线上最多可连接126个站点，站点类型有3种：1类DP主站（DPM1）、2类DP主站（DPM2）和DP从站。各类型设备的主要功能如图3.3所示。图3.2 Profibus DP多主站系统图图3.3 各类设备的基本功能Profibus DP基本特征如下：1 传输技术：RS-485双绞线、双线电缆或光缆，传输速率为9.6Kb/s12Mb/s。2 总线存取：各主站间令牌传递，主站与从站间为主-从传送。支持单主或多主系统（如图3.2所示）。总线上最多站点（主-从设备）数为126。 3 通信：点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。循环主-从用户数据传送和非循环主-主数据传送。 4 运行模式：运行、清除、停止。 5 同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式为输出同步，锁定模式为输入同步。 6 功能：DP主站和DP从站间的循环用户有数据传送、各DP从站的动态激活和可激活、DP从站组态的检查、强大的诊断功能、3级诊断信息、输入或输出的同步、通过总线给DP从站赋予地址。通过总线对一类DP主站（DPM1）进行配置，每个DP从站的输入和输出数据最大为246B。7 可靠性和保护机制：所有的信息的传输按海明距离HD=4进行。DP从站带看门狗定时器（Watchdog Timer），对DP从站的输入/输出进行存取保护。DP从站上带可变定时器的用户数据传送监视。 8 设备类型：2类DP主站（DPM2）是可进行编程、组态、诊断的设备。1类DP主站（DPM1）是中央可编程控制器，如PLC、PC等。DP从站是带二进制值或模拟量输入/输出的驱动器、阀门等。 9 速率：DP对所有站点传送512b/s输入和512b/s输出，在12Mb/s时只需1ms。 10 诊断功能：经过扩展的DP诊断能对故障进行快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集，诊断信息分3级：本站诊断操作，即本站设备的一般操作状态，如温度过高、压力过低；模块诊断操作，即一个站点的某具体I/O模块故障；通过诊断操作，即一个单独输入/输出位的故障。3.2.2 Profibus PAProfibus PA（以下简称PA）主要用于流程工业自动化领域（如图3.4所示）。使用Profibus PA可取代现行的420mA的模拟技术，如图3.5所示。图3.4 PA图3.5 PA的典型连接Profibus DP基本特征如下：1 适合过程自动化应用的行规使不同厂家的现场设备具有互换性。 2 增加和去除总线站点，即使在本质安全地区也不会影响到其他站。 3 在过程自动化的PA段与制造自动化的DP总线段之间通过耦合器连接，并使之实现两段间的透明通信。 4 使用与IEC1158-2技术相同的双绞线完成远程供电和数据传送。 5 在潜在的爆炸危险区可使用防爆型“本质安全”或“非本质安全”。3.3 Profibus总线通信模型以OSI模型为基础的Profibus总线通信模型如图3.6所示。从功能上可分为传输特性（物理层）、通信协议（数据链路层）和应用行规。Profibus物理层总线介质为屏蔽双绞线或光缆。DP的数据传输采用RS-485或RS-485-IS通信标准，PA的数据传输则符合IEC61158-2规范。链路层的通信协议有三个版本：DP-V0、DP-V1和DP-V2可供使用。DP-V0提供DP基本功能，包括数据循环交换，以及站诊断、 图3.6 Profibus总线通信模型模块诊断和特定通道的诊断。DP-V1包含了依据过程自动化的需求而增加的功能，特别是用于参数赋值、操作、现场设备的可视化和报警处理等的非循环数据通信，这样就可对站中的任何数据组进行读写。DP-V2包含了依据驱动技术的需求而增加的功能。3.4 Profibus总线的网络结构由Profibus总线构成的控制网络如图3.7所示。它包括现场层和监控层。图3.7 Profibus总线的网络结构现场层的从站（从设备）有传感器、传动设备、执行机构、开关、变送器、阀门等，主站（主设备）有PLC、PC机等。它们由Profibus DP和Profibus PA连接起来，完成生产线上现场设备的控制任务，并进行通信管理，实现主、从设备之间以及现场层与监控层间的信息传输功能。监控层有操作站、控制器等设备，可由Profibus FMS（或Ethernet）连接起来，完成对生产设备的监控、故障报警、统计、调度等功能。结束语自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程，这对中国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战。自动化系统的网络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。现在网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中，现场总线技术的兴起，开辟了工厂底层网络的新天地。它将促进企业网络的快速发展，为企业带来新的效益，因而会得到广泛的应用，并推动自动化相关行业的发展。参考文献1 刘泽祥.现场总线技术.机械工业出版社2005.082 周明编.现场总线控制.中国电力出版社2002.013 刘泽祥, 李媛.现场总线技术.机械工业出版社20114 许洪华.现场总线与工业以太网技术.电子工业出版社2008.065 王慧锋,何衍庆.现场总线控制系统原理及应用.化学工业出版社20066 龙志强, 李迅, 李晓龙.现场总线控制网络技术.机械工业出版社2011致谢本文是在李珍老师的关心和指导下完成的。在此表示深深的感谢。在写这篇论文时，我查阅了大量的书籍，李老师也给我许多建议。自己也学到不少东西。收获颇丰。