现场总线概述课件.ppt
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1、共113页第1页,现场总线概述,共113页第2页,1.1 现场总线的背景和发展,在计算机数据传输领域内,长期以来使用RS-232和CCITT V.24通信标准,尽管它们被广泛地使用,但确是一种低数据速率和点对点的数据传输标准,无能力支持更高层次的计算机之间的功能操作。同时,在复杂或大规模的应用(如工业现场控制或生产自动化领域)中需要使用大量的传感器、执行器和控制器等,它们通常分布在非常广的范围内,如果在最低层上采用传统星型拓扑结构,那么安装成本和介质造价都将非常高昂;采用流行的LAN组件及环型或总线型拓扑结构,虽然可以减少电缆长度,但是增加的LAN介质及相关硬件和软件又使其系统造价与星型系统相
2、差无几。所以在最低层次上的确需要设计出一种造价低廉而又能经受工业现场环境的通信系统,现场总线就是在这种背景下产生的。,共113页第3页,1.1 现场总线的背景和发展,现场总线的先驱可谓是Honeywell公司在1983年推出的数字信号4mA20mA输出的差分信号驱动器,它在输出的4mA20mA直流信号上叠加了数字信号,从而使现场装置与控制室控制装置之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号。在此基础上,美国Rosemount公司配合使用了它自己的HART数字通信协议。到了1987年,美国Foxboro公司发表了I/A智能式自动控制系统,系统中使用了全数字通信。Fieldbus网络体系结构及标准的研究
3、和制定始于1985年。在Montreal的IEC技术委员会TC65C会议上决定由Proway Working Group(IEC TC65C WG6)小组负责此项工作。该组在1986年和1987年公布了一组Field bus的功能需求。在此期间其他一些国际标准化机构或公司也开始了这项工作,其中有著名的ISA(美国仪器协会)和IEEE P18。,共113页第4页,1.1 现场总线的背景和发展,共113页第5页,1.2 现场总线的概述,现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络,是现场通信网络与控制系统的集成。现场总线的节点是现场设备或现场仪表,如传感器、变送器、
4、执行器和编程器等。但不是传统的单功能的现场仪表,而是具有综合功能的智能仪表,例如,温度变送器不仅具有温度信号变换和补偿功能,而且具有PID控制和运算功能;调节阀的基本功能是信号驱动和执行,另外还有输出特性补偿、自校验和自诊断功能。现场设备具有互换性和互操作性,采用总线供电,具有本质安全性。现场总线不单单是一种通信技术,也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表,关键是用新一代的现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)代替传统的集散控制系统DCS(Distributed Control System),实现现场通信网络与控制系统的集成。,共113页第6页,1.2 现场总线的
5、概述,现场总线的本质含义表现在以下6个方面:_现场通信网络_现场设备互连_互操作性_分散功能块_通信线供电_开放式互连网络,共113页第7页,1.2 现场总线的概述,70年代发展起来的DCS分布式控制系统,它的结构模式为“操作站控制站现场总仪表”即三层结构方式。虽然现场仪表带微处理器成为智能现代化现场仪表,但是由于三层结构方式,成本较高。而且各公司的DCS有各自的标准,不能互联。FCS现场控制系统就与传统的DCS分布式控制系统不同,它的结构为“工作站现场总线智能现场仪表”FCS用两层设备完成DCS中三层设备的功能,降低了成本,提高了可靠性,国际标准统一后,实现了真正开放式的相互连接的结构系统。
6、,共113页第8页,1.2现场总线的概述,现场总线控制系统FCS对传统的集散控制系统DCS的挑战和变革有以下几个方面:首先,FCS的信号传输实现了全数字化,从最底层的传感器和执行机构采用现场总线网络,逐层向上直至最高层均为通信网络互连;第二,FCS系统结构则是全分散式,FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站,由现场设备或现场仪表取而代之,即把DCS控制站的功能化整为零,分散地分配给现场仪表,从而构成虚拟的控制站,实现彻底的分散控制;第三,FCS的现场设备具有互操作性,不同厂商的现场设备既可互连也可互换,并可以统一组态,彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性;第四,FCS的通信网络为开放式
7、互连网络,既可与同层网络互连,也可与不同层网络互连,用户可极其方便地共享网络数据库;第五,FCS的技术和标准实现了全开放,从总线标准、产品检验到信息发布完全是公开的,面向世界任何一个制造商和用户。,共113页第9页,1.2现场总线的概述,现场总线控制系统的核心是现场总线,现场总线技术是计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成。它的出现将使传统的自动控制系统产生革命性变革,变革传统的信号标准、通信标准和系统标准,变革现有自动控制系统的体系结构、设计方法、安装调试方法和产品结构。,共113页第10页,1.2 现场总线的概述,现场总线的特点 第一、在分级控制系统中,采用现场总线的系统虽然可能具备足
8、够的智能(数字计算能力),但只执行简单的节点顺序或一种控制方式等较低级功能;第二、现场总线经常只负责发送或接收较小的数据报文,并且以这种数据报文作为与较高一级的控制系统实现设备数据往返传送的有效手段;第三、采用现场总线的系统通常费用较低,可以用低廉的造价组成一个系统,而且与上层网络连接的费用也不高。,共113页第11页,1.2 现场总线的概述,(1)一对N结构;(2)可靠性高;(3)可控状态;(4)互换性;(5)互操作性;(6)综合功能;(7)分散控制;(8)统一组态;(9)开放式系统;(10)分散功能块;(11)通信线供电。,共113页第12页,1.2 现场总线的网络结构,共113页第13页
9、,1.2 现场总线的网络结构,共113页第14页,1.2 现场总线的网络结构,共113页第15页,1.2 现场总线的网络结构,共113页第16页,1.2 现场总线的概述,共113页第17页,1.2 现场总线的概述,现场总线的网络拓扑结构有环型、总线型、树型以及几种类型的混合。环型拓扑结构中令牌环形网最为典型,其优点是延时性较好,缺点是成本较高。总线型拓扑结构的优点是站点接入方便,可扩性较好,成本较低,在轻负载的网络基本上没有时延,但在站点多、通信任务重时,延时明显加大。缺点是时延的不确定性,对某些实时应用不利。树型拓扑结构是总线型拓扑结构的一种变型,其优点是可扩性好,有较宽的频带,缺点是站点间
10、通信不方便。总线型拓扑结构的争用使它不适于实时处理某些突发事件,令牌环形网中的令牌绕环一周的时间虽然有一个上限,但在轻负载时性能不太好,可靠性比总线网差些,综合这两种网的优点,在现场总线中采用了令牌总线网,即在物理上是一个总线网,在逻辑上是一个令牌网。令牌总线网具有总线网接入方便、可靠性较好的优点,也具有令牌环形网“无冲突”和时延性好的优点。,共113页第18页,1.2 现场总线的概述,现场总线的数据操作方式 从现场总线的数据存取、传送、操作方法来分有三种工作模式:对等(Peer to Peer)、主从(Client/Server C/S)及网络计算机结构(Network Computing
11、Archnitecture NCA)。对等和主从工作模式发展较早,也获得广泛应用。在20世纪80年代发展C/S方式,20世纪90年代出现了NCA方式。,共113页第19页,1.2 现场总线的概述,网络扩展与网络互连(1)网络扩展(2)网络互连(3)开放系统互连模型和通信协议,共113页第20页,1.2 现场总线的概述,1151智能压力变送器原理图,现场总线智能仪表,共113页第21页,1.2 现场总线的概述,1151智能压力仪表具有如下功能:1采集差压信号;2采集温度信号;3压力信号单位转换;4测压膜片非线性补偿;5压力信号温度补偿;6流速和流量计算;7测量数据越限报警;8自标定;9零点和满度
12、设定;10掉电保护;11数据通信;12回路控制。FCS上位机管理软件功能 1系统组态;2数据库组态;3历史库组态;4图形组态;5控制算法组态;6数据报表组态;7实时数据显示;8历史数据显示;9图形显示;10参数列表 11数据打印输出;12数据输入及参数修改 13控制运算调节;14报警处理;15故障处理;16通信接口;17人机接口。,现场总线智能仪表,共113页第22页,1.2 现场总线的概述,接近传感器,共113页第23页,1.2 现场总线的概述,超声波传感器,物位控制器,共113页第24页,1.2 现场总线的概述,光电传感器,共113页第25页,1.2 现场总线的概述,光电数据传送系统,共1
13、13页第26页,1.2 现场总线的概述,旋转型编码器,共113页第27页,1.2 现场总线的概述,现场总线标准有如下种类:丹麦国家标准DSF21906:P-Net 德国国家标准DIN19245(1-2):ProfiBus-FMS 德国国家标准DIN19245(3):ProfiBus-DP 德国国家标准DIN19245(4):ProfiBus-PA 法国国家标准FIPC46601-607:WorldFIP 日本JEMA标准CC-Link 美国国家标准ANSI/NEMA以等同方式支持的ISA/IEC标准草案 1)ISA/IEC61158-1总论;2)ISA/IEC61158-2物理层规范 3)IS
14、A/IEC61158-3链路层服务定义1998/09/30未通过,现场总线标准,共113页第28页,1.2 现场总线的概述,4)ISA/IEC61158-4链路层规范;1998/09/30未通过 5)ISA/IEC61158-5应用层服务定义;1998/09/30未通过 6)ISA/IEC61158-6应用层规范;1998/09/30未通过 7)ISA/IEC61158-7管理系统 8)ISA/IEC61158-8一致性试验 9)ISA/IEC61804过程控制模块欧洲标准EN50170(CLC65CX)Vol.IP-Net Vol.IIProfiBus Vol.IIIWorldFIP Vol
15、.IVFF,联合王国(UK)IEC国家委员会提议 Vol.VControlNet,联合王国(UK)IEC国家委员会提议 欧洲标准EN50254(CLC65CX)1)ProfiBusDP 2)FIPDWF 3)Interbus,共113页第29页,1.2 现场总线的概述,欧洲标准EN50295(CLCTC17B)1)ASI 欧洲标准prEN50325 1)DeviceNet美国Rockwell 2)SDS美国Honeywell 国际标准ISO11898 1)德国CANbus;2)美国DeviceNet;3)特性接近ProfiBus;国际标准IEC62026(IECSC65C)1)ASI法国、德国
16、 2)DeviceNet美国Rockwell 3)SDS美国Honeywell,共113页第30页,1.3 PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异,PLC、DCS、FCS三大控制系统的基本特点 PLC(1)从开关量控制发展到顺序控制、运送处理,是从下往上的。(2)连续PID控制等多功能,PID在中断站中。(3)可用一台PC机为主站,多台同型PLC为从站。(4)也可一台PLC为主站,多台同型PLC为从站,构成PLC网络。这比用PC机作主站方便之处是:有用户编程时,不必知道通信协议,只要按说明书格式写就行。(5)PLC网格既可作为独立DCS/TDCS,也可作为DCS/TDCS的子系统。,共
17、113页第31页,(6)大系统同DCS/TDCS,如TDC3000、CENTUMCS、WDPFI、MOD300。(7)PLC网络如Siemens公司的SINECL1、SINECH1、S4、S5、S6、S7等,GE公司的GENET、三菱公司的MELSECNET、MELSECNET/MINI。(8)主要用于工业过程中的顺序控制,新型PLC也兼有闭环控制功能。(9)制造商:GOULD(美)、AB(美)、GE(美)、OMRON(日)、MITSUBISHI(日)、Siemens(德)等。,1.3 PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异,共113页第32页,DCS或TDCS(1)分散控制系统DCS
18、与集散控制系统TDCS是集4C(Communication,Computer,Control、CRT)技术于一身的监控技术。(2)从上到下的树状拓扑大系统,其中通信(Communication)是关键。(3)PID在中断站中,中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。(4)是树状拓扑和并行连续的链路结构,也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。(5)模拟信号,A/DD/A、带微处理器的混合。(6)一台仪表一对线接到I/O,由控制站挂到局域网LAN。,1.3 PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异,共113页第33页,(7)DCS是控制(工程师站)、操作(操作员站)、现场仪表(现场测控站
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