《现场总线讲座》PPT课件.ppt

现场总线技术,现场总线特点及总线标准总线网络结构与通信规范几种流行的现场总线现场总线控制系统,什么是现场总线？,现场总线特点及总线标准,现场总线的产生和发展,现场总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的网络。,FCS是第5代控制系统,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。,现场总线标准,IEC 61158 的标准现场总线,现确认包括Profinet在内的共10种类型，且在2007年之前不再增加。（规范共4600多页）,总线网络结构与互连规范,网络结构,介质访问策略(MAC),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）,-Industry Ethernet,-Modbus、RS 485等,FF总线的特点,Foundation Fieldbus,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,7,21,6543,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总线的通信模型,用户层,数据链路层,物理层,物理层规定物理特性,采用RS-485通信标准,数据链路层MAC描述总线访问方式，FLC为总线链路控制。应用层FMS规定应用协议,低层接口LLI则协调不同的通信关系。用户层规定了应用功能。,模型分层,FMS,DP,PA,FMS行规,DP行规,PA行规,FMS,应用层,LLI,未用,未用,FLC,MAC,IEC接口,IEC61158-2,物理连接，电气特性，介质，RS-485,Profibus总线的网络结构,操作员站,Profibus-DP,PLC,监控层,工程师站,Profibus-FSM或Ethernet,现场层,Profibus-PA,DP/PA耦合器,LonWorks,LonWorks总线的特点,MC143150/20Neuron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总线的通信模型,数据表示,作用,标准网络变量类型,LON提供的服务,表示层,数据链路层,物理层,OSI模型,应用层,会话层,传输层,网络层,网络应用,网络变量外部帧传输,远程传送控制,请求/响应，认证,端对端可靠传输,应答，非应答，认证,传输分组,地址，路由,帧传输,介质访问,数据解码,CRC纠错,优先级,电气连接,介质，电气接口,物理层支持多种介质，链路层的介质访问控制采用改进的CSMA协议，网络层管理网络地址分配，传输层管理报文执行顺序,会话层提供传输的请求/响应机制,表示、应用层提供网络变量等服务。,LonWorks总线的网络结构,监控计算机,78Kbps双绞线,路由器,1.25Mbps双绞线主干通道,10Kbps电力线,网关,其它总线网络,现场节点,现场节点,现场节点,路由器,现场节点,现场节点,HART,HART总线的特点,HART总线的通信模型,HRAT命令,内 容,数据链路层,物理层,模型分层,应用层,HART通信协议规则,电气特性，介质,物理层规定了信号传输方式、电气特性、介质等；数据链路层定义了HART 通信协议规则，包括信息格式及信息的接收与发送处理；应用层规定了三类HART命令：通用命令、普通应用命令和专用命令，为解决不同厂家设备的互换性及互操作问题，HART也采用设备描述语言。,基本主设备,安全栅,现场仪表,HART总线的网络结构,现场仪表,现场仪表,副主设备,Industry Ethernet,Ethernet的特点,Ethernet用于工控网要解决的关键技术,FTP,SMTP,HTTP,Ethernet用于工控网络的几种技术方案,Ethernet/IP(the ControlNet/DeviceNet objects on TCP/IP)(CI)FF HSE(High Speed Ethernet)(FF)Profinet(Profibus on Ethernet)(PI)IDA(Interface for Distributed Automation)(SA)Modbus TCP(Modbus Protocol on TCP/IP)EPA(Ethernet for Plant Automation),EPA的进展,基于Ethernet的工控网络结构,操作员站,过程Ethernet(EPA),交换机,控制层,工程师站,通用Ethernet,现场层,网络服务器,互联网服务器,通用Ethernet,管理计算机,管理计算机,质量,财务,设备,供销管理,Intranet/Internet,管理层,e网到底,小结,适用于过程控制的现场总线,现场总线的选择,FCS的应用场合,现场总线控制系统,现场仪表：具有标准通信接口的智能变送、控制、显示、执行仪表。,现场总线控制系统的组成,现场总线控制网络包括现场测控仪表、通信设备、电缆、上位计算机以及通信和组态软件。,上位监控计算机：符合工业标准，具有通信接口(或网卡)、操作系统的工业控制计算机。,通信设备和软件：通信转换装置、网卡及监控界面与现场仪表之间数据交换软件(DDE、OPC等)。,用户组态软件：制作监控界面，实现显示、操作、报警、制表、打印等功能。,通信接口卡,监控计算机,不同子网,其它网络,路由器,网关,现场仪表,用户应用软件网络通信软件,传感器,执行器,现场总线控制系统示意图,通信软件,DDE(Dinamic data exchange)：动态数据交换基于消息机制，用于控制系统实时数据通信。当数据量大时，效率较低。微软公司已停止发展 DDE技术，但仍给予支持。目前大多数监控软件也支持DDE。,OPC(OLE for Process Control)：用于过程控制的OLE以Active X、COM&DCOM、XML及.NET技术为基础。OPC是一个开放的软件接口规范，用于客户程序和服务器之间的数据通信。OPC使监控软件能高效、稳定地对硬件设备进行存取操作，系统应用软件之间也可灵活地进行信息交换。,组态软件应具有如下功能:,工控组态软件常使用INTOUCH、iFIX、组态王、坤瑞等,组态王运行,组态王开发,现场总线控制系统实例,基于RS-485总线的控制系统,MODBUS、,系统结构:,应用实例（能源计量和管理）:,RS485/232,主台控制器,数据从台,数据主台,RS485,RS485,流量计,变送器,流量演算表,变送器,热能计量表,以屏蔽双绞线为介质,采用无线通信方式,使用单位：上海石化、宝钢集团、浦东机场、金茂大厦等上海同欣自动化仪表仪表有限公司，Tel：021-35052390,基于EPA的控制系统,ERP工作站,ERP工作站,服务器,操作站,工程师站,数据库服务器,MES工作站,网络管理器,分散I/O控制站,网关,变送器,执行器,现场控制器,互联网,管理层,监控层,现场设备层,EPA现场设备层,FF等其他现场总线,网络管理器,变送器,执行器,现场控制器,EPA现场设备层,变送器,执行器,现场控制器,其他网段,系统结构:,冗余,光纤或屏蔽双绞线中继器,光纤或屏蔽双绞线中继器,光纤或屏蔽双绞线中继器,光纤或屏蔽双绞线中继器,HUB或交换机,区域现场控制站,HUB或交换机,执行机构,变送器,区域现场控制站,HUB或交换机,执行机构,变送器,操作站,控制站,控制室,现场控制区域,现场控制区域,EPA监控层环状网络主干,EPA现场设备层网段,实施方案:,EPA监控层网络:采用10M、100M或更高速 率的以太网 由光纤或屏蔽双绞线组成 的环网,可冗余 现场设备分布较广，光纤环 网可提高可靠性 分布相对集中，用屏蔽双绞 线，降低成本 数据通信采用EPA标准通 信协议,EPA现场设备层网络:采用10M以太网 介质一般为屏蔽双绞 在设备间距离较远的情况 下可使用光纤 可冗余或不冗余,EPA在过程控制系统应用实例:,ECS控制系统,操作站,工程师站,控制区域1,控制区域2,控制区域3,EPA监控层,EPA,EPA,420mA,1#碳化塔,420mA,冷却,1#碳化塔,冷却,1#碳化塔,冷却,EPA,EPA,420mA,EPA,EPA,EPA,420mA,EPA,EPA,EPA现场设备层,EPA现场控制器,EPA现场控制器,EPA现场控制器,使用单位：杭州龙山化工有限公司 浙大中控技术有限公司，Tel：0571-88851888,PCS-7 控制系统,功能特点:,EngineeringStation ES,Industrial Ethernet/Fast Ethernet,OS server(1.6),Ethernet,PROFIUS DP,S7 417Controller,ET 200MRemote I/O,SIWAREXWeighing,ET 200MRemote I/O,DP/PA-Link,PROFIBUS DP,S7 416S7 414Controller,DP/PA-Link,PROFIBUS DP,S7 416S7 414Controller,PROFIBUS PA,系统结构:,通过总线连接远程I/O:,PROFIUS DP,ET 200MRemote I/O,SIWAREXWeighing,System bus,Industrial Ethernet/Fast Ethernet,ET 200MRemote I/O,Digital I/Os CountersAnalogue I/Os including HART Protocol,Special modules for WeighingBatchingPID Loop ControlPositioningetc.,远程I/Os的集成是实现工厂自动化的必要条件：1.能够处理以下信号：-pressure switches-temperature switches-level switches-flow switches,etc.2.能够操作：-开关阀-螺纹阀3.能集成模拟I/Os和特殊模块：-weighing,batching,-PID loop control PROFIBUS 支持 HART 协议，保护了用户投资 发展趋势是把远程I/Os放在危险区（ET200iS）通过GSD、GSE文件实现互操作,S7 400 Controller,连接驱动设备和执行器:,PROFIUS DP,Variable speed drivesSIMOVERT MASTERDRIVESMICROMASTER,Motor managementSIMOCODE,System bus,Industrial Ethernet/Fast Ethernet,Motor,集成驱动设备例如变频器,马达驱动的抽水泵和鼓风机etc.电动执行器对于一个工厂的完整自动化是必须的。PROFIBUS对执行器和驱动设备提供综合性的诊断：-过载-马达温度-耗电监控-接地错误-扭矩监控-运行时间 通过GSD文件实现互操作,S7 400 Controller,电动执行器：SIPOS,Pump,连接现场操作面板:,PROFIUS DP,System bus,Industrial Ethernet/Fast Ethernet,用于现场显示和操作 Text displays to local display of information Push Button Panels for local operation Operator panels and bar code readers forhazardous areas are also available 通过GSD文件实现互操作,S7 400 Controller,OP37,OP7,TD17,PP17,PROFIUS DP,S7 400 Controller,System bus,Industrial Ethernet/Fast Ethernet,DP/PA-Link,Gas Analyser,Flow,Pressure,Temperature,pH,C,O2,Valve Positioner,Level,PROFIBUS PA,PROFIBUS PA,耦合器coupler的主要作用：1.实现物理层的转换 2.通过总线向现场仪表供电 3.安全栅功能：实现危险区与安全区的电气隔离 链接器Link的主要作用：1.控制着过程仪表与主控制器之间的数据通信工作，它肩负着主设备和从设备的双重身份。2.作为主设备,它控制着内部总线的正常工作;作为从设备,它又担负着与上一层总线的通信任务。,通过Profibus-PA连接现场仪表:,可连接现场仪表的数量:,PROFIBUS-DP,to 12 MBit/s,DP/PA-Link,PROFIBUS-PA,SIMATIC S7,24 V,max.10 DP-分支/CPU,max.123Link/DP分支,max.5 耦合器/Link,Max.9(30)仪表/耦合器,Ex-(非-Ex)-区(每台仪表12mA),max.30现场仪表/Link,DP/PA-Link,24 V,110mA,400mA,危险区,DP/PA耦合器提供可用的电压 PROFIBUS PA设备的最小工作电压是9V 典型的PA总线电阻值是 44/km 电缆长度的计算遵循 Ohms law PROFIBUS PA的最大长度包括所有分支的长度(1900m)每个DP/PA-Link 能够连接最大5个PA 耦合器，在安全区建议2个PA耦合器；,PROFIUS-DP,DP/PA-Link,安全区:560 m,危险1区:680 m 危险0区:790 m,PROFIBUS PA长度:,PROFIBUS PA,DP/PA-Couplersia ib safe area,Profibus-PA 总线长度:,基于Profibus总线控制系统应用实例:,DP/PA-Link,ET 200MRemote I/O,Industrial Ethernet/FSM,S7 400 Controller,PROFIUS DP,S7 400 Controller,EngineeringStation ES,OperatorStation OS,PROFIBUS PA,吴泾化工厂醋酸车间尾气回收系统，AI、AO、DI、DO共300多点，控制回路30个。Tel：021-64343040,整套装置100万，可节省安装费用50%以上,Delta V 现场总线控制系统,功能特点:,系统结构:,端子块,控制网络,现场接线,I/O 接口,控制器,系统电源,I/O 卡件,Delta V控制器,I/O卡件,输入输出卡件 RTD TC AI PI MV AO DI DO SOE支持各种总线协议的数据接口卡Serial Card 串口卡Fieldbus Card 现场总线卡件Hart AI Hart协议输入卡Hart AO Hart协议输出卡PROFIBUS DP接口卡As-i 协议接口卡DeviceNet 卡HSE高速总线接口卡冗余卡件 本安型卡件,软件包,资源管理器(Explorer)：系统组态的基本浏览工具，允许访问视图中的任一项，并可以拖放的方式进行操作。,类似Windows资源管理器布局和操作方式单一窗口管理整个系统资源系统组态的调度室系统资源分配办公室,自动显示硬件配置控制器自动分配地址I/O模块自动识别,控制工作室(Control Studio)：提供图形化界面，创建和修改控制策略，在线浏览和调试。,图形工作室(Graphics Studio)：使用图形、文字、数字和动态显示工具，创建高分辨率的实时过程图形。,轻松拖放组态方式各种图形模板，用户可以自制模板使用照片、三维图像、声音等各种多媒体,设备管理系统(AMS)：在线对设备进行组态、标定和远程故障诊断。,AMS 是用于仪表和调节阀管理的 设备管理系统基于FF和Hart的仪表数据服务器通用数据库和界面及使用方法内置于AMS、单工作站AMS、分布式AMS、OPC Server AMS AMS的主要功能:组态（Configuration)标定辅助(Calibration Management)诊断和监视(Diagnostics and Monitoring)自动文档(Automated Documentation),先进控制软件：模糊控制、神经网络控制、预测控制、回路整定、仿真软件等。,传统的先进过程控制,DeltaV 的先进过程控制,容易执行、维护和调整内置于DeltaV扩展并改进了过程控制的方法,置于DCS系统之上需要大量的咨询/执行服务被某些厂家捆绑,与其它系统的集成:,共享过程管理站提高工厂管理的统一性为开发专业的用户应用提供基础,采用串行通信接口,采用OPC技术,DeltaV,OPC Server,OPC Client,Product:OPC ServerOPC MirrorDeltaV Web ServerOPC pagerOPC Alarms and Events Server,DeltaV OPC Server与其它DCS OPC Server之间数据交换拖放组态方式可最多有50个工作OPC Server,最多25000个数据每秒超过2000个数据流,DV OPC Server,OPC Mirror,DCS OPC Server,OPC Mirror,Web Server：与Internet的连接,DeltaV Web Server只需IE浏览器，就可实现远程监视浏览实时和历史数据浏览报警和事件完善的安全机制：非授权用户不能访问；只能查询，不能修改,互联网,Plant LAN,无论在何处，我都可以上班！,过程数据和图像,实时和历史趋势,报警和事件,Delta V控制系统应用实例(甲醇装置),2对冗余的MD控制器,H1,PLC,PROFIBUS DP,MODBUS,PLC,Remote I/O,上海焦化有限公司甲醇及一氧化碳装置，AI、AO、DI、DO共700多点，控制回路100多个。Tel：021-64343649,1台工程师站4台操作员站,整套装置200多万，存在问题：不同总线的通信，阀门定位器PID,12台,FCS作为过程控制系统主流结构的进程,采用FCS 的系统结构所带来的收益表现在经济和技术两个方面：在经济上,通过削减多功能控制器的数目,甚至不使用它,使过程控制系统的初始投资降低。多功能控制器往往是多回路共用,通常都有冗余。每削减1个多功能控制器,便节省了2倍的初投资和长期维护成本。在技术上,在调节阀的阀门定位器内实现回路控制，其控制的动态性能优于多功能 控制器。因为用PID 算法对阀杆定位执行内环控制,就地补偿了滞回,再在外环对调节阀执行串级调节。,FCS的优越和利益具有巨大的吸引力,为什么至今尚没能大规模地推广应用呢?首先，只有当阀门定位器支持 FCS的系统结 构时,真正意义的监控优化控制才是可行的。遗憾的是大型调节阀供应商至今尚未深入地包含在过程的数字控制技术的范畴中,仅有少数一些例外。调节阀和阀门定位器的公司完全独立于DCS系统的公司,未能在技术上结合在一起,这也许是FCS的发展明显迟缓的主要原因。其次,HSE的应用的迟缓还是加速,也在不小的程度上影响这一进程。,