《集散控制系统与现场总线》第6章-FCS现场总线

第五章现场总线控制系统FCS概述FCS的现场总线工业以太网技术1.FCS概述现场总线：用于过程自动化和制造自动化最低层的现场仪表或现场设备互连的通讯网络。现场总线标准： 通讯协议控制协议 通讯技术控制技术现场总线特点适应工业应用环境，要求实时性强，可靠性高，平安性好。多为短帧传送，通信的传输速率相对较低。减少了接线与安装传统的4-20mA仪表接线方式,4-20mAISISISIS多台设备可以共用一个本安栅，一对接线ISFieldbusFF机构现场总线组织现场总线基金会〔FieldbusFoundation〕LonMark协会,Profibus协会，工业以太网协会IEA〔IndustrialEthernetAssociation〕，工业自动化开放网络联盟IAONA〔IndustrialAutomationOpenNetworkAlliance〕SocietyofAutomotiveEngineers〔SAE〕制定现场总线标准的国际标准化组织IECISO现场总线标准化工作2000年初宣布，IEC现场总线国际标准子集有八种：IEC61158；ControlNet；Profibus；P-Net；HSE； NewcomerSwiftNet；WorldFIP；Interbus-S其他标准最早成为国际标准的是CAN，它属于ISO标准：ISO11898其它有实力、有开展前景的控制网络技术工业以太网；LonWorks；Modbus；蓝牙、无线局域网；消费电子总线CEBus；光总线等；〔过渡型总线HART〕全分布、网络集成式控制系统现场总线系统是企业的底层网络2FCS的现场总线FF(FoundationFieldBus)ModBusPROFIBUS(ProcessFieldBus)LON(LocalOperatingNetwork)CAN(ControlAreaNetwork)HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)FFFF规定了两类标准 H1：低速现场总线 传输：31.25Kbit/s,1900m H2：高速现场总线 传输：1Mbit/s,750m 2Mbit/s,500m传输信号：曼彻斯特编码ModBus通信协议Modbus协议是应用于控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络〔例如以太网〕和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。ModBus标准的Modbus口是使用RS-232C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。控制器通信使用主—从技术，即仅主设备能初始化传输〔查询〕。其它设备〔从设备〕根据主设备查询提供的数据作出相应反响。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。ModBus主设备可单独和从设备通信，也能以播送方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回消息作为回应，如果是以播送方式查询的，那么不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备〔或播送〕地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域。从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和错误检测域。如果在消息接收过程中发生错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立错误消息并把它作为回应发送出去。Modbus消息帧起始位设备地址功能代码数据CRC校验结束符T1-T2-T3-T48Bit8Bitn个8Bit16BitT1-T2-T3-T4RTU消息帧起始位设备地址功能代码数据LRC校验结束符1个字符2个字符2个字符n个字符2个字符2个字符ASCII消息帧

LRC是将消息中的8Bit的字节连续累加，丢弃了进位PROFIBUSPROFIBUS是作为德国国标和欧洲标准的现场总线。PROFIBUS协议的三个主要局部PROFIBUSDP〔DistributedI/Os〕PROFIBUSPA(ProcessAutomation)PROFIBUSFMS(FieldbusMessageSpecification〕PROFIBUS适用于加工自动化领域的应用。〔Siemens〕LonWorksLON可用于工业、交通、楼宇等领域。LON总线采用LonTalk通信协议，参照了OSI的全部7层，并用芯片固化了协议的全部内容。LON总线所采用的一系列技术总称为LonWorks。埃施朗Echelon开发LonWorks分布式测控网络介绍LonWorks技术是美国Echelon公司九十年代中期推出的一种用于自动控制领域的网络技术。其网络节点以神经元芯片〔NeuronChip)为核心，由与OSI七层参考模型兼容的LonWorks协议组成分布式智能控制网络的根底，使用事件驱动方式运行，从而实现了真正的分布式控制。LonWorks技术具有真正的分布性、开放性、互操作性，适应性。它已经被工业界广泛接受，成为控制网络的实际主流标准之一，使得基于LonWorks平台开发的系统已经使用在各种应用领域的控制系统。CAN一个简易的两线差动式串行总线系统，CAN总线可以在噪声强大的环境下运作，并到达高度的数据完整性，开放式架构以及可由使用者自行定义的传输媒介，使它拥有高度的灵活性。能够在短距离(40米)进行高速(1Mbits/s)数据传输，以及在高达10,000米的距离下进行低速(5kbits)传输，多主控端的CAN总线拥有高度的容错能力与超强的检错功能。CAN应用CAN是由德国Bosch公司所开发，原本面向汽车电子化市场而设计，直至今日，汽车电子化市场仍是它主要的应用范围，但它也是理想的一般工业用总线。CAN参照了OSI的物理层和数据链路层，并用ASIC固化了这2层协议。CAN总线应用层的功能由与其连接的微处理器来实现。CAN的特点CAN不采用节点地址编码，而是对报文编码，节点通过报文滤波决定是否与其有关，即接受或发送相应的报文。CAN采用多主工作方式，节点不分主从。CAN总线节点报文分成不同的优先级，满足不同的实时需求。CAN总线采用总线仲裁技术，保证优先级高的节点实时传输报文。CAN的专用集成电路通信控制器：PhilipsSJA1000〔CAN2.0B〕，Intel82526〔2.0A〕，Intel82527〔2.0B〕带微处理器的通信控制器 Intel8XC196CA／CB Philps8XC592HARTHART采用4-20mA模拟信号叠加FSK数字信号的混合传输方式，是一种过渡总线。HART总线参照了OSI的物理层、链路层和应用层。采用总线型的网络拓扑结构。3.工业以太网技术工业以太网源于普通以太网。推进其应用的国际组织： IEA〔IndustrialEthernetAssociation〕 IAONA〔IndustrialAutomation NetworkAlliance〕工业以太网的优势可满足控制系统各个层次的要求，利于管控一体化。设备本钱下降。用户拥有本钱下降。〔维护〕易与Internet集成。广泛的开发技术支持。大量的现有软件资源。以太网的优势高速10M/s、100M/s及更快比其它媒介处理更多信息普遍认知很多书籍很多经验丰富的技术人员很多可选的媒介铜线光纤短距离无线长距离无线ADSL连接性拨号连接性多协议HSE其它在美国Austin的以太网技术人员比全球范围内的现场总线技术人员还多HSE将用在哪里？网关操作台链路设备流量计算机控制器设备效劳器条形码读码器单回路调节器无纸记录仪本机面板报警器票证打印机称重仪PLCs远程I/O罐区测量系统燃烧炉管理系统压缩机控制透平控制腐蚀监测紧急停车系统(ESD)集成火焰和气体系统集成色谱仪发电装置控制泄漏检测纸幅扫描仪振动监测管壁厚度监测开放的IP和以太网SCADA结构FFHSE设备和以太网电台中央控制室主站计算机以太网电台FFH1仪表互操作的以太网HSE仅以太网和TCP/IP缺乏以实现互操作是标准应用层和用户层在控制器层的互操作性成套单元的集成完全冗余双网卡的操作站冗余的双端口链路设备冗余的单一端口链路设备主交换机从交换机单个双端口的链路设备混合模式弱链条损失完整性不支持状态传播不同的数据类型和对象结构基金会HSE链路设备控制器网关设备VSDVSDVSD工业以太网面临的问题通信实时性环境适应性与可靠性〔结构、连接器〕总线供电〔5类线中的空闲线，10-36V〕本质平安〔防爆平安栅〕非确定性问题的解决措施提高通信速率控制网络负荷〔负荷<30%实时〕网络分段技术〔以太网交换机〕提供适应工业环境的元件 〔密封、巩固、抗震、锁紧、控温〕工业以太网技术展望未来的IO设备是网络效劳器。FF:“HSE是具有控制功能的Internet，它适合于那些想把全球各处工厂连接起来的公司，通过适当的网络平安保障，工程师和操作员可以解决地球另一端的故障和紧急情况。”现场总线技术的开展趋势1.注重系统的开放性 封闭、自成一体的系统定会消亡2.注重应用系统设备间的互操作性 早期的总线技术多注重在通信协议上，而近年来其技术开展逐渐转向应用与用户层的相关标准，如设备描述、标准功能块等。应用系统设备间的互连不只要完成数据通信，还要构成控制网络，形成测量控制应用系统，而应用与用户层标准与设备间的互可操作性直接相关。设备间的互操作依靠应用层协议CAN是封装在芯片中的通信协议；485只是物理层的电气接口标准，由它们构成控制网络还需借助另外的协议标准数据信号的传输、数据理解现场总线技术的开展趋势〔续〕3.注重控制网络与公用数据网络的结合HSE；Profinet；连接modbus的透明工厂；第3代的Lonworks等。各种控制网络都在向数据网络挂靠4.注重使测控设备具备网络浏览功能具有网络浏览功能的PLC；具有网络浏览功能的远程数据终端借助通用浏览器工具得到专用设备的数据信息控制设备走向开放的窗口。现