本科生讲座——现场总线及其控制系统.ppt

现场总线 工业以太网与EPA 金建祥浙江大学教授 浙大中控总工程师 报告提纲 一 什么是现场总线二 现场总线的技术特点与优点三 现场总线的产生与发展趋势四 以太网与工业控制网络五 工业以太网与EPA六 结束语 一 什么是现场总线 什么是现场总线 现场总线是应用在生产现场 连接智能现场设备和自动化测量控制系统的数字式 双向传输 多分支结构的通信网络 现场总线是通信网络 位于生产控制现场和网络结构的底层现场总线是低带宽的控制网络它与上层的Internet 企业内部网Intranet相连构成企业综合自动化的通信网络平台 FCS是新一代控制系统 基地式仪表控制系统单元组合式模拟仪表控制系统集中式数字控制系统集散控制系统DCS PLC现场总线系统 各阶段测控仪表能力指数 与一般通信技术的区别 一般通信技术只是能实现信息的传输现场总线是一种控制系统框架一种全新的控制系统结构 即 现场总线控制系统FCS FieldbusControlSystem 代替传统控制系统DCS现场总线还包括网络上的所有设备能够进行信息互访与互换总线上的设备之间能够进行互操作和系统集成 现场总线控制系统FCS 采用开放式数字通信网络突破DCS中的专用通信网络结构网络集成的测量控制系统单个分散的测量控制设备变成网络节点现场总线为纽带构成共同完成任务的网络系统与控制系统实现现场测量控制设备之间的信息共享 二 现场总线的技术特点与优点 2 1FCS的结构特点 DCS FCS 2 2现场总线系统的技术特点 全数字通信多分支结构系统的开放性互可操作性和互用性现场设备的智能化与功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的高度适应性 全数字通信 抗干扰能力和鲁棒性都比较高 传输精度也得到显著提高信号的检错 纠错机制得以实现可进行多参数传输 消除了模拟信号的传输瓶颈现场设备的测量 控制信息以及其他非控制信息如设备类型 型号 厂商信息 量程 设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何智能设备 如中央控制器等 设备状态可控 操作员在控制室即可了解现场设备或现场仪表的工作状况可对现场设备进行工艺参数调整 零点量程调校 组态信息调整等通过对现场设备状态趋势分析预测故障发生故障时能及时找到故障点 及时替换新的设备 即 现场设备始终处于操作员的远程监视与可控状态 提高了系统的可靠性和可维护性 一对多的总线型结构 现场总线是多分支结构 其网络拓扑可为总线型 星型 树形等多种形式 以总线型为主 传统控制系统中设备的连接都是一对一的布线简单 工程安装周期缩短 维护也很方便很强的系统扩展性主机能自动识别设备的增加或删减无需架设新的线缆无需系统停机 互换与互可操作 不同设备间 除了能实现信息互访外 还能理解信息的含义 并能根据信息要求进行操作不同厂家的相同类型的设备可以互相替换可统一组态 无需专用的驱动程序解决了设备的垄断性和产品故障处理的时效性为系统集成的自主性提供了产品保障用户可选择性价比高的产品 现场设备的智能化和综合功能 测量 包括多变量测量与处理多参数补偿工程量处理设备自诊断设备状态的控制控制算法可在现场设备中实现根据远程命令进行仪表调校 集多种功能于一身 一表多用 分散控制 由网络构成控制系统信号的测量 控制算法 控制信号的输出等全部在现场实现 无需主机参与实现了完全分散 开放式系统 通信协议完全公开 任何人 任何单位均可采用不同厂家的设备遵守相同的技术规范不同厂家的设备可实现信息互访 即互操作 用户可按需要 选用不同厂家的现场总线设备不同设备之间可实现资源共享与其他网络 如互联网 相联 可实现网络与数据库共享 对环境的高度适应 专为现场环境设计可支持多种传输介质双绞线 同轴电缆 光缆 射频 红外线 电力线等可两线制供电支持本质安全与防爆 2 3现场总线带来的益处 节省硬件数量与投资节省安装费用节省维护开销用户具有系统集成自主权提高了系统的准确性和可靠性 用户具有系统集成的主动权 无需专用的驱动程序不必为传输协议的不兼容而一筹莫展不必为接口的不公开而担心系统的扩展和集成不必被某一品牌的产品所 框死 可以选择性价比高 服务质量好的产品用户是真正的 上帝 拥有真正的选择主动权 三 现场总线的产生与发展趋势 现场总线技术产生的背景 现场总线技术产生于二十世纪八十年代是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求开放性通用性可靠性智能仪表为现场总线的出现奠定了基础 现场总线的产生 结构简单 信号传输标准统一 性能提高 成本增加 单向模拟传输方式未变 现场总线的产生 通信信号 具有双向通信功能的智能仪表 A D 放大调理 微处理器 传感信号 通信接口 现场总线标准化 20世纪80年代中期 双向数字传输方式 传输精度高 功能强 成本低 协议不统一 无法互换 成为控制领域的研究方向 现场总线研究开发之热始于20世纪90年代中期信息时代各项技术发展对测控系统提出的要求计算机技术网络与通信技术自动控制技术网络化 信息化给自控技术的发展提供的机遇各国投入巨额资金与人力在开发这一技术 形成了企业 国家 国际标准欧洲 北美 亚洲 中国 现场总线标准各种各样 现场总线百花齐放由于刚开始没有一个统一的国际标准 各企业和企业集团相继开发自己的总线产品 制定现场总线标准据不完全统计 目前市场上形形式式的现场总线有200多种号称为开放标准的也有二 三十种现场总线国际标准IEC61158包含了10种类型IEC1158原技术规范 FF HSE P NET PROFIBUS ProfiNet ControlNet Swiftbus Interbus WorldFIP 主要的现场总线比较 多总线并存的发展现状 现场总线多种多样现场总线近期内难以统一IEC61158包含了10种类型其他总线 HART ASI CAN Lonworks 形成了多种现场总线并存的局面由市场决定哪种总线领导市场如以FF 包括H1 HSE 和PROFIBUS 包括Profibus DP ProfiNet等 在过程控制领域的市场越来越大工业以太网成为新一轮研究热点 四 以太网与工业控制网络 Ethernet的回顾 Ethernet产生于20世纪七十年代为微型计算机网络终端通信而设计采用星型或总线型结构传输速率当时仅为几M 目前已达1000M甚至更高 传输介质屏蔽 非屏蔽 双绞线 光纤 同轴电缆 粗缆 细缆 只规定了物理层和数据链路层协议如介质访问控制机制采用CSMA CD 通信的 不确定性 在一般商业环境下 以太网有以下特点 总线访问存在随机性 CSMA CD 负荷大时 网络会因碰撞增加而瘫痪响应时间无法预知 实时性得不到保证因此以太网通信存在不确定性在90年代中期之前 几乎所有的控制系统均不选用以太网 而选用令牌总线或令牌环 微处理器功能简单 微处理器 单片机 作为工业现场智能仪表的核心部件 在20世纪80年代初时还处于初期发展阶段功能简单数字处理能力有限TCP UDP IP协议比较复杂 早期的单片机处理有困难 这是以太网不用于控制网络的原因之一 其它原因 应用不广 软硬件技术资源不足以太网刚产生时 成本很高功耗大 环境适应性差 因此 与令牌网及其他专用网络比 以太网当时优势不明显 自然不会选择以太网用于现场总线 以太网通信特性 以太网通信特性负荷越小 碰撞越少负荷在10 左右时 基本无碰撞负荷在25 以下时 以太网的通信响应时间明显短于令牌网 如ARCnet 一般商用环境下的以太网负荷 瞬时流量变化大 无法预测网络负荷波动大网络节点越多 碰撞越频繁因此在商用环境下 无通信响应实时性可言 工业控制网络通信特点 传输的信息量少 信息长度都比较小周期性信息较多测量 控制信息非周期性信息较少用户操作指令 组态信息 诊断信息等等报警等突发性事件信息需要传输的信息少网络负荷较为平稳信息流向具有明显的方向性节点数少 工控网络负荷实测例子 应用实例 6000多个I O 10M以太网正常情况下 最大负荷为6 4 组态信息传输时 最大为7 2 摘自浙大中控 WebFieldECS 100测试报告 今天的以太网优势 以太网完全能满足工业控制网络通信实时性要求以太网具有ARCnet等专用网络所无法比拟的优势 技术通用 与信息网络IT技术兼容价格低廉供应方便培训 维护简单 与令牌网相比 以太网的优势 已成为控制系统监控网络首选 国内外自上世纪九十代中后期开始已将以太网应用于工业自动化基于以太网的DCSFUJI的OPENAX 浙大中控的JX 300X Fisher Rosemount的Delta V等基于以太网的PLC与远程I OMODICON A B GEFanuc等基于以太网的现场仪表和仪器HP 浙大中控 NI等 中高层网络广泛采用以太网 FoundationFieldbusHSE Ethernet IP PROFINet MODBUSTCP P NETonEthernet InterbusonEthernet 五 工业以太网与EPA 什么是工业以太网 工业以太网技术上 工业以太网与商用以太网 即ISO IEC8802 IEC61784 1 IEEEStd1588 2002 IEEE802 1D Q标准 标准兼容应用在工业自动化环境 主要指生产现场环境 必须满足工业控制网络通信的需求将以太网技术应用于控制器间 甚至是现场设备间的工业通信支持现场区域的Internet能力 但必须满足现场区域的工业通信自动化网络的以下特征实时性 即时间确定性通信 现场设备 如驱动器 时间同步的行为充分而频繁的交换非常小的数据记录 工业以太网的技术要求 1 具有较好的响应实时性工业控制网络不仅要求传输速度快 而且在工业自动化控制中还要求响应快 即响应实时性要好 一般为为毫秒 0 1秒级 2 容错性要求在网络局部链路出现故障的情况下 能在很短的时间内重新建立新的网络链路 3 力求简洁以减小软硬件开销 从而减低设备成本 同时也可以提高系统的健壮性 4 开放性要好工业控制网络尽量不要采用专用网络 需要解决的关键技术 通信实时性技术总线供电技术互可操作技术远距离传输技术网络安全技术可靠性与抗干扰技术本质安全 国家 863 计划组织攻关情况 一个重点课题 基于高速以太网技术的现场总线控制设备 编号 2001AA413010 承担单位 浙江大学参加单位 浙大中控 中科院沈阳自动化所 大连理工大学 清华大学二个面上课题 现场级无线以太网协议研究及设备开发 编号 2001AA413610 承担单位 中科院沈阳自动化所 基于 蓝牙 技术的工业现场设备 监控网络其及关键技术研究 承担单位 重庆邮电学院 已取得的成果 工业以太网关键技术攻关解决了 以太网实时通信 总线供电 可靠性与抗干扰 远距离传输 网络安全以及基于以太网控制系统的体系结构等难题起草了EPA国家标准 参与国际标准化工作历时15个月 先后8次召开标准起草工作会议 起草了 用于测量与控制系统的EPA系统结构和通信标准 开发了基于EPA的分布式网络控制系统 并在生产现场成功应用 1 提高通信响应实时性的方法 交换式以太网技术消除交换机端口对端口之间的碰撞全双工通信技术消除交换机端口与设备端口之间的碰撞降低网络负荷 提高网络传输速率减少冲突优先级技术时间紧急事件先处理 基于以太网的确定性通信 技术特点实时信息和非实时信息 采用不同的通信调度方式周期信息 采用一种时隙访问的控制方式 以固定的时隙进行周期性的数据交换非周期信息 采用集中调度方式 在周期信息通信的间隙进行三个优先级 0 1 2级 确定性通信 通信实时性效果 提高通信实时性方法现场设备网分区域微网化 控制每个网段节点数系统主干网 各控制区域网络之间相互隔离 减少负荷采用确定性通信方法减少通信处理量效果经测试 通信响应时间小于2ms 甚至可小于1ms 2 基于以太网的总线供电技术 总线供电是工业现场设备的特殊要求工业现场环境复杂 供电 布线不方便 维护不方便为减少安装复杂性 提高安全性 经济性 要求现场设备由总线供电连接到现场设备的线缆不仅能够传送数据信号 还要能够为现场设备提供电源两种供电方式总线供电法网络供电法 基于以太网的总线供电 优势 保留了原有两对预留线省去了对4 5 7 8改动绝缘方面也能满足要求经EMI测试满足标准弊端 一定程度上改变了网络变压器的电磁特性一定程度上改变了以太网传输逻辑 基于以太网的 网络供电 优势 可以不通过网络变压器对网络通讯的电磁特性没有任何影响 总线供电效果 3 工业以太网安全技术 必要性工业控制系统中任一个测量信息 控制信号受到攻击 后果不斟设想一般网络安全性技术不适用于工业自动化仪器仪表MD5鉴别技术 RSA公开密钥加密和数字签名技术 隧道模式的ESP技术CPU占用时间大 对通信实时响应影响大 4 网络隔离与防火墙 报文过滤与网络隔离技术用于系统主干网与各控制区域之间的跨网段通信和隔离两层过滤 IP地址 以太网端口过滤应用层数据有效性和合法性过滤防火墙与代理服务器用于控制系统与外部环境间的信息交换包括信息的监视与过滤控制系统与外部环境的物理隔离 5 EPA远距离传输技术 必要性以太网单端传输距离较短 如双绞线为100米 细同轴电缆为185米 组缆为500米工业现场设备分布较广解决方案采用光纤环网连接控制室与各现场控制区域现场控制区域内采用总线供电式工业以太网中继器控制区域的划分 除了按系统内各设备间的通信耦合程度现场设备 现场控制器 变送器 执行机构等 间的距离尽可能短 6 EPA可靠性与抗干扰技术 可靠性设计技术冗余与容错技术故障探测与自恢复工业级通信线缆 联接器件看门狗技术抗干扰技术硬件抗干扰技术屏蔽干扰源 接地抗干扰 控制回路的抗干扰软件抗干扰技术数值滤波算实现效果串 共模 浪涌 群脉冲等EMC测试全部符合工业应用要求 7 互可操作性 一般设备只能进行互联 不能互相通信IEEE802 3只规定了物理层 数据链路层TCP IP映射为网络层 传输层缺少基于以太网 适用于工业现场控制要求的应用层协议 及用户层协议 现有基于以太网的协议不适用只适用于通信实时性相对不强的过程监控层网络面向通信工程师或计算机工程师解决方案开放统一 面向控制工程师的通信协议 成立EPA标准起草工作组 两个标准化项目联合起草 用于工业测量与控制系统的EPA系统结构与通信标准 成立 EPA标准 起草工作组组长 金建祥 浙大中控 副组长 王宏 中科院沈阳自动化所 冯冬芹 浙江大学 秘书长 冯冬芹 浙江大学 主要成员 仲崇权 大连理工大学 杨佃福 清华大学 王平 重庆邮电学院 欧阳劲松 机械工业仪综所 顾问 缪学勤 上海仪表所 EPA标准 EPA 以太网 物理层 链路层 TCP IP 网络层 传输层 应用层 用户层目标 降低现场总线产品的开发和应用难度 促进先进技术的推广应用降低现场总线产品的成本 实现工业企业的管理控制一体化基于以太网的工业控制设备互连与互可操作实现 EPA控制系统模型 EPA通信模型 六 应用EPA的好处 e网到底 控制层网络 管理层网络 远程节点 Web服务器 操作站 工程师站 现场设备层网络 意义 e网到