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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 IEC61158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 FoundationFieldbus Profibus ProcessFieldbus LonWorks LocalOperatingNetworks CAN ControlAreaNetwork HART HighwayAddressableRemoteTTransducer IndustryEthernet Modbus RS 485等 FF总线的特点 FoundationFieldbus 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 IEEE802 2 应用层 物理层 物理层符合IEEE802 3u标准 数据链路层符合IEEE802 2规范 TCP UDP IP IEEE802 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 IndustryEthernet 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 theControlNet DeviceNetobjectsonTCP IP CI FFHSE HighSpeedEthernet FF Profinet ProfibusonEthernet PI IDA InterfaceforDistributedAutomation SA ModbusTCP ModbusProtocolonTCP IP EPA EthernetforPlantAutomation 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 Dinamicdataexchange 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 OLEforProcessControl 用于过程控制的OLE以ActiveX 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 4 20mA 1 碳化塔 4 20mA 冷却 1 碳化塔 冷却 1 碳化塔 冷却 EPA EPA 4 20mA EPA EPA EPA 4 20mA 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 EngineeringStationES IndustrialEthernet FastEthernet OSserver 1 6 Ethernet PROFIUSDP S7417Controller ET200MRemoteI O SIWAREXWeighing ET200MRemoteI O DP PA Link PROFIBUSDP S7416S7414Controller DP PA Link PROFIBUSDP S7416S7414Controller PROFIBUSPA 系统结构 通过总线连接远程I O PROFIUSDP ET200MRemoteI O SIWAREXWeighing Systembus IndustrialEthernet FastEthernet ET200MRemoteI O DigitalI OsCountersAnalogueI OsincludingHARTProtocol SpecialmodulesforWeighingBatchingPIDLoopControlPositioningetc 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 pressureswitches temperatureswitches levelswitches flowswitches 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 PIDloopcontrolPROFIBUS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 S7400Controller 连接驱动设备和执行器 PROFIUSDP VariablespeeddrivesSIMOVERTMASTERDRIVESMICROMASTER MotormanagementSIMOCODE Systembus IndustrialEthernet FastEthernet 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 S7400Controller 电动执行器 SIPOS Pump 连接现场操作面板 PROFIUSDP Systembus IndustrialEthernet FastEthernet 用于现场显示和操作 Textdisplaystolocaldisplayofinformation PushButtonPanelsforlocaloperation Operatorpanelsandbarcodereadersforhazardousareasarealsoavailable通过GSD文件实现互操作 S7400Controller OP37 OP7 TD17 PP17 PROFIUSDP S7400Controller Systembus IndustrialEthernet FastEthernet DP PA Link GasAnalyser Flow Pressure Temperature pH C O2 ValvePositioner Level PROFIBUSPA PROFIBUSPA 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 to12MBit s DP PA Link PROFIBUS PA SIMATICS7 24V max 10DP 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 24V 110mA 400mA 危险区 DP PA耦合器提供可用的电压PROFIBUSPA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Ohm slawPROFIBUSPA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 560m 危险1区 680m危险0区 790m PROFIBUSPA长度 PROFIBUSPA DP PA Couplersiaibsafearea Profibus PA总线长度 基于Profibus总线控制系统应用实例 DP PA Link ET200MRemoteI O IndustrialEthernet FSM S7400Controller PROFIUSDP S7400Controller EngineeringStationES OperatorStationOS PROFIBUSPA 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 DeltaV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 DeltaV控制器 I O卡件 输入输出卡件RTDTCAIPIMVAODIDOSOE支持各种总线协议的数据接口卡SerialCard串口卡FieldbusCard现场总线卡件HartAIHart协议输入卡HartAOHart协议输出卡PROFIBUSDP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 ControlStudio 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 GraphicsStudio 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 OPCServerAMSAMS的主要功能 组态 Configuration 标定辅助 CalibrationManagement 诊断和监视 DiagnosticsandMonitoring 自动文档 AutomatedDocumentation 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 OPCServer OPCClient Product OPCServerOPCMirrorDeltaVWebServerOPCpagerOPCAlarmsandEventsServer DeltaVOPCServer与其它DCSOPCServer之间数据交换拖放组态方式可最多有50个工作OPCServer 最多250