现场总线与组态技术-第一章-现场总线概述

现场总线与组态技术 辽宁省交通高等专科学校陈宏涛2017年2月 2 要求及考试 平时成绩40分实训成绩20分作业6分测验6分 两次 课内纪律与表现8分期末笔试60分 3 主要内容 1 现场总线简介 特点与优点 2 现场总线的通信基础 3 Profibus现场总线及其应用 4 Modbus现场总线及其应用 5 西门子TP177B触摸屏应用 实训室 第1章概述 1 现场总线的产生 本质与发展2 现场总线的结构及其特点3 几种有影响的现场总线4 现场总线面临的挑战 学习目标 1 掌握现场总线的概念2 了解目前市场上最常见的现场总线及其主要特点3 了解现场总线技术对未来自动控制系统的影响 第1章概述 现场总线 是一种在现场设备之间 现场设备与控制装置之间实现双向 互连 串行和多节点的数字通信技术 现场总线技术来源 DCS系统技术 智能化仪表设备技术 计算机网络技术 第1章概述 1 冶炼 化工 石油 电力 造纸 纺织 食品 应用领域 2 航空 铁路等运输行业 3 宇宙飞船 导弹制导等国防工业 4 洗衣机 电冰箱等家用电器 第1章概述 发展历史 测控系统发展历程一 基地式气动仪表 生产现场 二 气动 电动系列的单元组合式仪表 集中控制室 三 直接式数字控制系统危险集中 可靠性差四 DCS DistributedControlSystem 集散控制系统 显示 操作 管理集中 控制 负载 危险分散 自封闭 信息孤岛 五 FCS FieldbusControlSystem 现场总线控制系统 开放 全分布式的控制系统六 工业以太网控制系统 第六代控制系统 正在发展中 概念 将测量 显示 控制等各部分集中组装在一个表壳里 从而形成一个整体 并且可就地安装的一类仪表 1 基地式气动仪表控制系统 气动基地式可调压力调节仪 气动基地式液位调节仪 1 综合与集中 基地式仪表把必要的功能部件全集中在一个仪表之内 只需配上调节阀便可构成一个调节系统 2 基地式仪表系统结构简单 不需要变送器 使用维护方便 防爆 由于安装在现场 因而测量和输出的管线很短 基地式仪表减少了气动仪表传送带滞后的缺点 有助于调节性能的改善 3 基地式仪表的缺点是功能较简单 不便于组成复杂的调节系统 外壳尺寸大 精度稍低 由于不能实现多种参数的集中显示与控制 也在一定程度上限制了基地式仪表的应用范围 1 基地式气动仪表控制系统 基地式气动仪表控制系统特点 1 20世纪50年代以前 2 企业生产规模小 测控仪表处于发展的初级阶段 3 测控仪表自成体系 4 操作人员现场巡视 1 基地式气动仪表控制系统 1 气动和电动组合式仪表 2 气动 电动系列的单元组合式仪表 模拟仪表控制系统 2 模拟量信号 0 02 0 1MPa气动信号 0 10V 4 20mA电信号 3 操作人员监控室了解现场情况 4 20世纪六七十年代 缺点 精度低 易受干扰 YS170调节器 控制室 2 气动 电动系列的单元组合式仪表 模拟仪表控制系统 2 气动 电动系列的单元组合式仪表 模拟仪表控制系统 2 气动 电动系列的单元组合式仪表 模拟仪表控制系统 3 直接数字式控制系统 1 采用单片机 微型计算机或者PLC作为控制器 2 显著提高抗干扰能力 3 操作人员监控室了解现场情况 4 20世纪七八十年代 缺点 故障危险高度集中 运行风险增大 基于工控机的检测系统 3 直接数字式控制系统 以微处理器为核心的检测系统 现场总线技术概述 4 集散控制系统 1 美国霍尼韦尔公司 HoneyWell 1975年TDC200 2 德国西门子公司 SIMENS TELEPERM 3 日本横河公司 YOKOGAWA CENTUM 4 英国肯特公司 Kent P4000 5 20世纪八九十年代 是一个由过程控制级和过程监控级组成的 以通信网络为纽带的多级计算机控制系统 核心思想 集中管理 分散控制 优点 有效克服集中式数字控制系统对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷 广泛应用大型工业生产领域 缺点 封闭专用 不具备互操作性 造价昂贵 4 集散控制系统 典型集散控制系统结构图 DCS 中央控制室 各站监控室 现场PLC 和利时HOLLiASMACS系列 4 集散控制系统 浙大中控JX 300X 4 集散控制系统 5 现场总线控制系统 是一种在现场设备之间 现场设备与控制装置之间实现双向 互连 串行和多节点的数字通信技术 核心思想 功能分散 危险分散 信息集中 应用微处理器 网络技术 通信技术和自动控制技术 FieldbusControlSystem 缺点 没有真正统一的通信标准 现场总线技术概述 基于调节器的单回路自动控制 现场总线技术概述 变送器 DCS 调节阀 DCS传统控制方式 现场总线技术概述 现场总线技术概述 现场总线控制方式 现场智能仪表 现场智能控制设备 现场总线技术概述 现场总线控制系统 FCS 布线方式 现场总线技术概述 混合控制模式 DCS FCS 现场总线技术概述 FCS与DCS FCS DCS I OCPU FCS取消了控制站 DCS控制依赖控制站 现场总线技术概述 FCS与DCS 本安情况下 现场总线多块仪表共用一块安全栅本安情况下 DCS每块仪表均配一块安全栅 FCS DCS I O 现场总线技术概述 FCS与DCS FCS DCS I OCPU FCS控制在现场中完成 DCS控制在控制站中完成 FCS DCS 现场总线技术概述 FCS与DCS FCS DCS I OCPU FCS DCS FCS DCS FCS信息是双向的 DCS信息是单向的 现场总线技术概述 基于现场总线的智能现场设备 1 现场总线的现场设备在不同程度上都具有数字计算和数字通信能力 这一方面提高了信号的测量 控制和传输精度 同时为丰富控制信息的内容 实现其远程传送创造了条件 2 借助现场设备的计算 通信能力 在现场就可以进行多种复杂的控制计算 形成真正分散在现场的完整的控制系统 提高了控制系统运行的可靠性 3 还可借助现场总线控制网络以及与之有通信连接的其他网络 实现异地远程自动控制 4 还可提供传统仪表所不能提供的如设备资源 阀门开关动作次数 故障诊断等信息 便于操作管理人员更好 更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态 现场总线技术概述 现场智能总线压力变送器LD302 FF协议 电容式压力传感器 40 1量程比 0 075 精度 全系列 0 125Pa到0 40MPa可选 远传法兰 主站功能 功能块 AI PID ISS 输入选择模块 INTG 积分器 ARTH 运算模块 CHAR 信号特征描绘模块 自诊断功能 全面认证 FM认证 CE认证 现场总线技术概述 现场总线到气信号转换器FP302 FF协议 输出0 02 0 1Mpa气信号 0 4 精度 低气源消耗 主站功能 功能块 AO PID ISS ARTH CHAR 自诊断功能 本地数字显示 全面安全认证 FM CE 现场总线技术概述 传统控制系统主要缺点 一 信息集成能力不强二 系统不开放 可集成性差 专业性不强三 可靠性不易保证四 可维护性不高 现场总线技术概述 由于处于生产过程底层的测控自动化系统采用一对一连线 用电压和电流的模拟信号进行测量控制 或采用自封闭式的集散系统 难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换 使自动化系统成为 信息孤岛 为解决上述问题 则需要自动控制信息集成 必须设计一种能在工业现场环境运行的 性能可靠的 造价低廉的工厂底层网络 实现自动化设备之间的多点数字通信 实现底层设备现场之间以及生产现场与外界的信息交换 现场总线就是在实际需求下应运而生 现场总线技术概述 现场总线的定义现场总线是以测量控制设备作为网络节点 以双绞线等传输介质作为纽带 把位于生产现场 具备了数字计算和数字通信能力的测量控制设备连接成网络系统 按照公开 规范的网络协议 在多个测量控制设备之间 以及现场设备与远程监控计算机之间 实现数据传输与信息交换 形成适应各种应用需要的自动控制系统 现场总线技术概述 现场总线系统的结构特点 设备之间采用网络式连接是现场总线系统在结构上最显著的特征之一 现场总线系统中 由于设备增强了数字计算能力 有条件将各种控制计算功能模块 输入输出功能模块置入到现场设备之中 借助现场设备所具备通信能力 直接在现场完成测量变送仪表与阀门等执行机构之间的信息传送 实现了彻底分散在现场的全分布式控制 FCS DCS 系统完全分散 与半分散的DCS不同 FCS无论是结构上还是控制上均做到了全分散 FCS控制完全分布在现场 DCS控制依靠控制站为半分布 现场 控制室 现场总线技术概述 现场总线系统的技术特点 一 系统的开放性二 互可操作性与互用性三 通信的实时性与确定性四 现场设备的智能与功能自治性五 对现场环境的适应性 现场总线技术概述 现场总线系统的优点 一 节省硬件数量与投资二 节省安装费用三 节省维护开销四 用户具有系统集成主动权五 提高了系统的准确性与可靠性 DCS I OCPU DCS DCS 更少的设计 简化了图纸 由于FCS结构减化 接线简单 使图纸减少简化 FCS DCS I OCPU FCS DCS 简化了控制系统的工程实施 由于FCS采取并接方式 使铺线 接线 对线 以及安装桥架 分线盒等工作 量得到大量减少 FCS支持远程调校 使安装更加快捷 可远程调校 无法远程调校 I OCPU FCS 减少了导线 端子排 机柜 分线盒 桥架 由于FCS采取并接方式 简少了大量导线 短子排以及安装桥架 分线盒 接线柜等 DCS FCS DCS FCS DCS FCS FCS 下装 FCS DCS FCS DCS FCS DCS DCS ClassicI O DigitalBusses Foxboro FCS DCS FCS DCS FCS 下装 DCS FCS DCS FCS DCS DCS现场控制机柜 Foxboro FCS DCS FCS DCS FCS 下装 DCS FCS DCS FCS DCS 256I O Foxboro 福克斯波罗 控制机柜接线端子 FCS DCS FCS DCS FCS 下装 FCS DCS FCS DCS FCS DCS DCS 256I O AFTER BEFORE 256I O 简化了接线 FCS DCS FCS DCS FCS 下装 DCS FCS DCS FCS DCS DCS系统仪表接线 FCS DCS FCS DCS FCS 下装 DCS FCS DCS FCS DCS 256I O 256I O Before Courtesy CargillCorporation FCS DCS FCS DCS FCS 下装 DCS FCS DCS FCS DCS After Courtesy CargillCorporation I OCPU 组态简单 FCS采用功能块组态方式 迅速快捷 FCS DCS I OCPU FCS DCS 可查看的信息大大增加 由于FCS是纯数字系统 所能观察到的有用信息相对于DCS大量增加 PV 量程 变送器特性 所受压力 仪表健康状况 就地显示 只有PV I OCPU 完善的诊断信息 FCS不仅能观察到简单的变量值 而且可观察到大量状态 这就为准确判断故障 提供了方便 FCS DCS 只有PV I OCPU FCS DCS 可在线校验 量程调整 调零 FCS可以在线对仪表进行校验 量程修改 仪表调零等工作而不必将表拆下 DCS在校验时必须将表拆下 FCS在校验时无须将表拆下 仪表校验 仪表校验 I OCPU DCS 减少了停机时间 降低费用 由于FCS所具备的上述特点 减少了系统由于仪表问题造成的无计划性停车 在线诊断连续运行 拆下 FCS I OCPU 系统具有开放性 FCS所具备的开放性 不仅可充分利用来源丰富的硬软件资源 而且使整 个系统的成本大大降低 基于PC标准的硬件 FCS DCS 工业以太网控制系统第六代控制系统 正在发展和推广之中 工业以太网优点 基于TCP IP的以太网是一种标准的开放式网络 不同厂商的设备很容易互联 这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题 以太网能便捷地访问远程系统 共享 访问多数据库 3 易于与Internet连接 能够在任何城市 地方利用电话线通过Internet对企业进行监控 4 能降低成本 包括技术人员的培训费用 维护费用及初期投资 5 以太网能实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接 工业以太网缺点 存在实时性差 不确定性的问题 工业可靠性问题 安全性问题 没有授权的用户可能进入网络的控制层或管理层 造成安全漏洞 工业以太网控制系统第六代控制系统 正在发展和推广之中 现场总线技术概述 现场总线系统的劣势 在现场总线系统中 由于网络成为各组成部件之间的信息传递通过 网络成为控制系统不可缺少的组成部分之一 网络通信中数据包的传输延迟 通信系统的瞬时错误和数据包丢失 发送与到达次序的不一致等 都会破坏传统控制系统原本具有的确定性 使得控制系统的分析和综合变得更复杂 使控制系统的性能受到负面影响 如何使控制网络满足控制系统对通信实时性 确定性的要求 是现场总线系统在设计和运行中应该关注的重要问题 现场总线技术概述 典型的企业网络系统 现场总线技术概述 现场总线技术概述 现场总线是自控领域的局域网开放的 数字化 多点通信的企业底层网络 构成网络集成式测量控制系统 总线是构成自动化系统的纽带 网络所传输的是测量控制信息 特点 适应工业应用环境 要求实时性强 可靠性高 安全性好 多为短帧传送 通信的传输速率相对较低 现场总线技术概述 1 企业管理层企业资源规划层ERP EnterpriseResourcePlanning 2 过程监控层制造执行层MES ManufacturingExecutionSystem 3 现场控制层FCS FieldControlSystem 现场总线技术概述 位于生产控制和网络结构底层的低带宽网络 可与局域网 Internet Intranet相连 构成开放的网络 现场总线技术概述 目前 控制网络与上层网络的连接方式一般有以下三种 一 采用专用网关完成不同通信协议的转换 把控制网段或DCS连接到以太网 现场总线控制网段与信息网络之间的网关连接 现场总线技术概述 二 将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC 三 将WEB服务器直接置入PLC或现场控制设备内 借助WEB服务器或和通用浏览工具 实现数据信息的动态交互 采用PCI卡连接控制网段与上层网络 现场总线技术概述 现场总线技术始发于二十世纪八十年代 但该项技术的火热发展是近年出现的 早期的现场总线技术与PLC同时出现的 Culter Hammer推出的DirectrolGeneralElectric的GeniusI OPhoenix的Interbus STURCK的Sensoplex丹麦ProcessData公司83年推出的P Net德国Siemens公司84年推出的Profibus ProcessFieldbus的简称 法国Alstom公司87年推出的FIP FactoryInstrumentationProtocol 等都属于早期推出且至今仍有较大影响的总线技术 现场总线技术概述 欧洲 北美 亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究开发 已经形成了各式各样的企业 国家 地区 及国际现场总线标准 根据相关资料统计 已出现的现场总线一百多种 其中宣称为开放型总线的就有40多种 现场总线技术概述 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 Industr