控制仪表及装置第八章.ppt

控制仪表及装置,第八章 现场总线控制系统,第一节 概述第二节 几种流行的现场总线第三节 实时工业以太网第四节 现场总线控制系统,现场总线控制系统,什么是现场总线？,第一节 概述,现场总线的产生和发展,4.20 mA,现场仪表信号：从模拟混合全数字信号,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。,丰富的现场信息和智能化提高了设备诊断、维护、管理能力，减少卡件、机柜、端子、线缆，节省开支，提高了可靠性。,各行业使用现场总线设备情况,化工,石油天然气,能源,医药,食品,造纸,教育,材料,行业,百分比,其它,29%,22%,13%,9%,9%,4%,3%,3%,8%,工程费用engineering,调试费用commissioning,硬件费用Hardware,51%,23%,27%,22%,22%,12%,0%,50%,100%,硬件,调试,工程,100%,57%,4.20mA,PROFIBUS,安装,费用可节省40%左右,现场总线系统的优势,几点说明,现场总线技术是DCS技术的继承和发展，而不是对DCS的否定或取代。工业上已出现DCS与现场总线系统混合使用的控制系统。,现场总线的优点主要是仪表的智能化、网络化、控制的分散化等先进技术所带来的好处，而不单单是节省电缆。,现场总线不能解决企业自动化的所有问题，例如ESD、MES、ERP等等，而是作为底层网络与其它自动化装置一起更好地实现企业综合自动化。,现场总线标准,IEC 61158 的标准现场总线,以下将通过一些流行的现场总线说明特点、网络结构、通信模型和应用实例。,第二节 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）,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,应用行规2,应用行规1,通信协议,传输特性,专用应用行规,通用应用行规（可选）,PROFIBUS DP-V0V2,RS 485(PROFIBUS DP),IEC 61158-2(PROFIBUS PA),传输特性(物理层)的DP采用RS-485通信标准，PA采用IEC 61158-2(MBP)传输技术。通信协议(数据链路层):采用DP-V0V2。应用行规说明各种设备的功能和行为，有通用和专用应用行规。,Profibus总线的通信模型,通信协议,有DP-V0、DP-V1 和DP-V0三种版本：,Profibus总线的网络结构,PROFIBUS-DP单主站系统,PLC或PC,DP从站,Profibus-DP,DP主站,1个DP主站1125个从站,PROFIBUS-DP多主站系统,计算机,Profibus-DP,PLC,从站,PLC,主站,采用主站之间的令牌传递和主从站之间的主、从通信方式。,令牌传递,Publisher,(z.B.Lichtgitter),Slave,DP-从站2,PROFIBUS,DP-Master,PROFIBUS-DP1类主站,PROFIBUS,DP-Master,PROFIBUS-DP2类主站,Publisher,(z.B.Lichtgitter),Slave,DP-从站1,Publisher,(z.B.Lichtgitter),Slave,DP-从站3,令牌,循环:,从站1,从站2,从站3,从站3,1 类主站的循环访问,2类主站的非循环访问,DP-V1中的循环和非循环通信,PROFIBUS,-,DP,Master,Class,1,PROFIBUS-DP,1 类主站,发布者,(e.g.light array),从站,预订者,(e.g.drive),预订者,(e.g.drive),从站,从站对从站通信,从站,输出数据,通过广播的输入数据,DP-V2中的从站对从站的数据交换,通过DP/PA Coupler连接Profibus-PA,计算机,Profibus-DP,从站,Profibus-PA,DP/PA耦合器,PLC,主站,PROFIBUS-PA有树结构、总线结构和两者的混合结构。,演示,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,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,Ethernet的特点,第三节 实时工业以太网,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,Rockwell Automation等)FF HSE(High Speed Ethernet)(FF,Emerson等)Profinet(Profibus on Ethernet)(PI,Siemens等)Modbus IDA(Modbus Interface for Distributed Automation)(IDA，Schneider Automation等)EtherCAT(Ethernet Control Automation Technology)(ETG,Beckhoff)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,第四节 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,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。,传统应用系统体系结构,基于OPC技术的应用系统体系结构,监控组态软件,监控组态软件是面向监控和数据采集(SCADA)的软件平台工具，主要用来构建人机图形界面，功能多样,使用灵活。它具有数据采集、实时监控、实时数据库、通信及联网、开放数据接口等功能，并广泛支持各种I/O设备。,知名的监控组态软件在国际上有Wonderware公司的 Intouch、Intellution公司的iFix、西门子公司的WinCC、NI公司的LabView、Iconics公司的Genesis等等。Into uch是在上世纪80年代末推出的第一个商品化组态软件。国内有三维科技股份有限公司的力控软件、北京亚控科技发展有限公司的组态王、北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的MCGS等。,基于FF总线的控制系统 Delta V,现场总线控制系统实例,系统结构:,Delta V控制器,I/O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。,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。,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。,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。,AMS用于仪表和调节阀的设备管理系统基于FF和Hart的仪表数据服务器内置AMS、单工作站AMS、分布式AMS、,资源管理器,控制工作室,图形工作室,设备管理系统,控制模块编辑轻松拖放组态方式每个单项均可直接编辑内置批量控制软件和现场总线功能直接轻松存档,类似Windows资源管理器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,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。,1台工程师站4台操作员站,12台,FF在上海赛科90万吨/年烯工程中的应用,赛科乙烯工程的十套生产装置、公用工程及辅助设施投入商业化运行，标志着在现代化大型石化联合工厂大规模采用FF现场总线控制技术获得了成功。,全厂自控系统包括：DCS/FCS、SIS、火灾和可燃气体检测系统FGS、仪表和电气设备管理系统AMS和EMS、在线分析仪管理系统ADAQ、转动设备管理系统MMS、先进过程控制APC、在线优化OPT、操作培训仿真系统OTS、闭路电视系统CCTV等。,现场仪表设备总共54025台，其中FF设备14375台；总回路数48200个，总位号168,000个；FF网段2473个，平均每个网段上挂5.8台FF设备；现场接线箱5300个。,赛科现场总线网段(Segment)设计,现场总线段的设计应考虑网段总的电流负载、电缆型号、总线干线长度、总线支线长度、电压降和现场设备数量等。,每个总线网段上最多安装12台FF现场总线设备。工程设计时按安装9台考虑，现平均5.8台，以后尚可增加3台。,每根总线电缆长度（干线加各支线总长度之和）不应超过1200米。总线上设备总数为 1-12，单根支线长度不应超过120m。支线电缆长度应尽量短。,总线网段电源模块：电源隔离器和电源调整器冗余配置。电源调整器的作用是保证FF总线上的频率信号（31.25Kbps)不被电源短路。,每个网段有两个终端器，分别接在该网段的两端，一个在FF电源模块中，另一个在专用端子块箱内。终端器将电流信号转换成电压信号，消除信号反射干扰。,规定采用MTL公司提供的增安型EEx e接线箱。仪表和接线箱与总线电缆连接使用防爆电缆密封接头。用有短路保护作用的FF专用端子块与各FF设备连接。,为限制一个现场总线网段上的通信量，一个总线网段设计不应超过2个控制回路。PID控制功能块：标准的单PID控制回路，PID功能块设置在调节阀定位器上。对于串级控制回路，主回路控制PID功能块在DCS控制器执行，副回路控制PID功能块在调节阀定位器上。,基于PROFIBUS总线的控制系统PCS-7,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.,S7 400 Controller,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,通过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,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。,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,谢谢，再见!,