集散控制系统概述.ppt

7 1集散控制系统简介7 2现场总线技术简介7 3中国国家标准 用于测量与控制系统的EPA系统结构与通信标准 简介 集散控制系统概述 7 1集散控制系统简介 7 1 1集散控制系统的发展历程共出现了3代DCS产品 1975年至80年代前期为第一代产品 80年代中期至90年代前期为第二代产品 90年代中期至21世纪初为第三代产品 目前发展成为DCS与FCS的集成 由若干台微处理器或微机分别承担部分任务 并通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来 进行集中的监视和操作 并实现复杂的控制和优化 Distributedcontrolsystem包括 DCS控制站 DCS操作站 数据通信及网络 集散控制系统的主要组成部分 DCS控制站 1 DCS控制站DCS系统中 控制站继承了DDC技术 它是一个完整的计算机 实际运行中可以在不与操作站及网络相连的情况下 完成过程控制策略 保证生产装置正常运行 控制站作为一个完整的计算机 它的主要I O设备为现场的输入 输出处理设备 以及过程输入 输出 PI O 量 包括信号变换与信号调理 A D D A转换等 它在第二代和第三代产品中已陆续采用了嵌入式技术 并采用单片机等完成量程调整 远程I O数据传输 小型化及减少PI O卡硬件规格等功能 直至连接智能化的现场变送器或接受采用现场总线提供的数字信号 DCS控制站的系统软件 关于DCS控制站的系统软件 原则上也有实时操作系统 编程语言及编译系统 数据库系统 自诊断系统等 只是完善程度不同而己 第一代DCS控制站的功能更近似于多回路调节器 而且每个控制站都可以配置人机界面和备用操作器 第二代DCS控制站的实时操作系统及程序编译系统比较完整 编程语言有面向过程语言和高级语言 控制策略的组态由操作站或工作站在与控制站联机的情况下 完成编译和下载 第三代DCS控制站的系统软件齐全 操作站或工程师站可以完成离线组态及在线修改控制策略 控制站是整个DCS的基础 控制站是整个DCS的基础 它的可靠性和安全性最为重要 死机和控制失灵的现象是绝对不允许的 而且冗余 掉电保护 抗干扰 防爆系统构成等方面都应有很高的可靠性 才能满足用户要求 多年的实践经验证明 绝大多数厂家的DCS控制站都能够胜任用户要求 DCS操作站 2 DCS操作站DCS操作站具有操作员功能 工程师功能 通信功能和高级语言功能等 其中工程师功能中包括系统组态 系统维护 系统通用 Utility 功能 实际的DCS操作站是典型的计算机 它与控制站不同 有着丰富的外围设备和人机界面 70年代中期 CRT显示器技术已成熟 以外部存储器为特征 第二代DCS操作站还具有如下特点 操作站和工程师站 或称工作站 分开 也有公司将操作站的历史数据存储用硬盘 历史模件 和高级语言应用站 应用模件 分别独立挂在通信网络上 操作系统除采用DOS系统以外 有的产品采用Unix等操作系统 实时数据库储存性能逐渐完善 在人机界面方面 逐渐过渡为以GUI图形用户界面为平台并采用鼠标 组态时制作流程图和控制回路图等方法 采用菜单 窗口 CAD等技术 使人机界面友好 数据通信及网络 3 数据通信及网络在DCS系统诞生时 主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站之间的数据通信问题 第二代DCS则解决多个装置的DCS互联问题 第三代DCS则解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联的问题 这是总的设计思想 在实际应用中 如石化行业 DCS一直多用在一个生产装置范围内的多机通信系统中 而且控制站和操作站均集中放置在控制室内 在DCS中采用数字通信技术 还有在控制站内采用站内通信总线及远程I O总线 以及在第三代DCS的控制站内增加了连接PLC 分析仪和现场智能仪表的接口卡 使DCS与现场仪表之间的接线减少 并对现场仪表进行设备管理 这为DCS向下兼容并与现场总线通信技术融合打下基础 DCS面临的主要问题 4 DCS面临的主要问题目前 DCS如何解决现场接线繁杂 DCS控制站控制比较集中 FCS与DCS控制站的相互关系 智能控制 先进控制与优化如何在DCS FCS中实现等已成为DCS发展中急需解决的问题 7 1 3JX 300X集散控制系统 系统结构JX 300X集散控制系统是浙大中控开发的具有自主知识产权的集散控制系统 其结构如图7 1所示 JX 300X的基本组成包括工程师站 ES 操作站 OS 控制站 CS 和通讯网络SCnetII 通过在JX 300X的通讯网络上挂接总线变换单元 BCU 可实现与JX 100 JX 200 JX 300系统的连接 在通讯网络上挂接通信接口单元 CIU 可实现JX 300X与PLC等数字设备的连接 通过多功能计算站 MFS 和相应的应用软件AdvanTrol PIMS可实现与企业管理计算机网的信息交换 实现企业网络 Intranet 环境下的实时数据采集 实时流程查看 实时趋势浏览 报警记录与查看 开关量变位记录与查看 报表数据存贮 历史趋势存贮与查看 生产过程报表生成与输出等功能 从而实现整个企业生产过程的管理 控制全集成综合自动化 OS 操作站 ES 工程师站 MFS 多功能计算站 BCU 总线变换单元 CIU 通讯接口单元 PCS 过程控制站 ACS 区域控制站 LCS 逻辑控制站 DAS 数据采集站 SBUS 系统I O总线 IOU IO单元 RIOU 远程IO单元图7 1JX 300X集散控制系统结构示意图 系统特点 JX 300X控制站以先进的微控制器为核心 提高了系统的实时性和控制品质 系统能完成各种先进的控制算法 过程管理级采用高性能CPU的主机和WINDOWS9X NT 2000的多任务操作系统 以适合集散控制系统良好的操作环境和管理任务的多元化 过程控制网络采用双重化的Ethernet技术 使过程控制级能快速安全的协调工作 做到真正的分散控制和集中管理 JX 300X覆盖了大型集散系统的安全性 冗余功能 网络扩展功能 集成的用户界面及信息存取功能 除了具有模拟量信号输入输出 数字量信号输入输出 回路控制等常规DCS的功能 还具有高速数字量处理 高速顺序事件记录 SOE 可编程逻辑控制等特殊功能 它不仅提供了功能块图 SCFBD 梯形图 SCLD 等直观的图形组态工具 又为用户提供开发复杂高级控制算法 如模糊控制 的类C语言编程环境SCX JX 300X采用高速 可靠 开放的通讯网络SCnetII JX 300X系统控制网络SCnet 连接工程师站 操作站 控制站和通讯处理单元 通讯网络采用总线形或星形拓扑结构 曼彻斯特编码方式 遵循开放的TCP IP协议和IEEE802 3标准 SCnet 采用1 1冗余的工业以太网 TCP IP的传输协议辅以实时的网络故障诊断 其特点是可靠性高 纠错能力强 通信效率高 通讯速率为10Mbps 7 2现场总线技术简介 7 2 1传统控制系统向基于现场总线的控制系统演变现场总线技术的一个显著特点是其开放性 允许并鼓励不同厂家按照现场总线技术标准 自主开发具有特点及专有技术的产品 因此 现场总线技术引入自动化控制系统 促使传统控制系统结构演化 逐步形成基于现场总线的控制系统FCS 1 从PLC到通用工业PC 1 在传统控制系统中 控制器 或称CPU 或处理器 与I O模块及其它功能模块 机架为同一系列产品 有一致的物理结构设计 2 基于现场总线的控制系统中 控制器与现场设备 I O模块 功能模块及传感器 变送器 驱动器等 连接是通过标准的现场总线 因此没有必要使用与控制器捆绑的I O模块产品 这与插在PLC机架上的I O模块的配置方法不同 可使用任何一家的具有现场总线接口的现场设备与控制器集成 因此控制器趋向于采用标准的 通用的硬件平台一工业计算机 IndustrialCompactComputer 如Intel Windows类PC机 近年来嵌入式控制器 如PC 104产品 的发展和WINDOWS CE等的推出 逐渐使用嵌入式控制器硬件和WINDOWS CE等软件作为控制器平台 从PLC的I O模块到现场总线分布式I O 2 从PLC的I O模块到现场总线分布式I O在FCS系统中 插在控制器机架上的I O模块将被连接到现场总线上的分散式I O模块所取代 分散式I O不再是控制器厂家的捆绑产品 而是第3方厂家的产品 廉价的 专用的 具有特殊品质的I O模块 如高防护等级 本征安全 可接受高压或大电流信号等 将具有广阔市场 FCS的控制器与传统PLC配置方式的比较见图7 2 图7 2FCS控制器与传统PLC配置方式的比较 现场总线与4 20mA系统的区别 现场总线设备在总线上并联连接 所有设备通过总线接收 发送数字信号现场总线设备可以向网络上其它设备提供任意多信息总线具有循环冗余检错的 CRC 功能 可以保证接收设备获得正确数据多节点现场总线无需点对点的布线 具有现场总线接口的现场设备 3 从PLCI O控制的现场设备到具有现场总线接口的现场设备现场设备如传感器 变送器 开关设备 驱动器 执行机构等 传统PLC控制系统的I O设备与PLCI O模块连接 PLC通过模拟量 4 20mA 或开关量 如24VDC 控制监测现场设备 在FCS系统中 现场设备具有现场总线接口 控制器通过标准的现场总线与现场设备连接 4 系统软件在传统PLC系统中 系统软件 包括PLC系统软件和编程软件 与PLC硬件联系紧密 技术上对外是封闭的 在FCS系统中 控制器采用通用工业PC平台 系统软件不再与控制器 I O 现场设备等硬件捆绑 可运行在通用标准的工业PC WINDOWS NT平台上 减少连线和安装 传统的4 20mA连线每台设备需要一个安全栅和一对连线 现场总线连线多台设备共用一个安全栅和一根总线 控制器 控制系统网络 现场总线 4 20mA 输入 输出子系统 I S I S I S I S 控制器 控制系统网络 现场总线带来的好处 提高控制功能的分散性 传统型 现场总线型有些控制和I O功能可以转移到现场仪表 控制器 控制系统网络 现场总线 4 20mA 输入 输出 子系统 控制器 控制系统网络 现场总线带来的好处 增加信息的交互量 传统4 20mA单变量单向 现场总线多变量双向 控制器 控制系统网络 现场总线 输入 输出 子系统 控制器 控制系统网络 现场总线带来的好处 扩大了操作视野 传统4 20mA只能看到I O子系统 现场总线视野可以扩展到现场仪表 控制器 控制系统网络 现场总线 远程输入 输出 子系统 控制器 控制系统网络 现场总线带来的好处 7 2 2现场总线技术的特点 1 系统的开放性开放系统是指通信协议公开 各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换 现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统 这里的开放是指对相关标准的一致性 公开性 强调对标准的共识与遵从 一个开放系统 它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连 一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的 开放系统把系统集成的权利交给了用户 用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统 2 互可操作性与互用性这里的互可操作性 是指实现互连设备间 系统间的信息传送与沟通 可实行点对点 一点对多点的数字通信 而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用 3 现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量 补偿计算 工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成 仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能 并可随时诊断设备的运行状态 4 系统结构的高度分散性由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能 使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构 从根本上改变了现有 集中与分散相结合的集散控制系统体系 简化了系统结构 提高了可靠性 5 对现场环境的适应性工作在现场设备前端 作为工厂网络底层的现场总线 是专为在现场环境工作而设计的 它可支持双绞线 同轴电缆 光缆 射频 红外线 电力线等 具有较强的抗干扰能力 能采用两线制实现送电与通信 并可满足本质安全防爆要求等 现场总线的定义 现场总线是工业控制网络向现场发展的产物 是在市场需求的背景下发展起来的新型技术 具有全数字化 分散 双向传输和多分支的特点 其关键标志是能支持双向 多节点 总线式的全数字通讯 现场总线技术综合运用微处理器技术 网络技术 通信技术和自动控制技术 它把专用微处理器置引入传统的现场仪表 使它们各自都具备数字计算和数字通信能力 成为能独立承担某些控制 通信任务的网络节点 根据国际电工委员会IEC1158定义 后改为IEC61158 现场总线是 安装在生产过程区域的现场设备 仪表与控制室内的自动控制装置 系统之间的一种串行 数字式 多点通信的数据总线 或者说 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 多分支结构的网络系统与控制系统 它以单个分散的 数字化 智能化的测量和控制设备作为网络节点 用总线相连接 实现相互交换信息 共同完成自动控制功能 其中 生产过程 应包括断续生产过程和连续生产过程两类 现场设备 仪表指位于现场层的传感器 驱动器 执行机构等设备 因此 现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术 7 2 3典型现场总线简介 有较强实力和影响的有 FoundationFieldbus FF LonWorks Profibus HART CAN Dupline等 1 基金会现场总线基金会现场总线 即FoundationFieldbus 简称FF 它以ISO OSI开放系统互连模型为基础 取其物理层 数据链路层 应用层为 通信模型的相应层次 并在应用层上增加了用户层 基金会现场总线分低速 1和高速 2两种通信速率 1的传输速率为31 25kbps 通信距离可达1900 可加中继器延长 可支持总线供电 支持本质安全防爆环境 2的传输速率为1Mbps和25Mbps两种 其通信距离为750 和500 物理传输介质可支持双绞线 光缆和无线发射 协议符合 1158 2标准 其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码 2 LonWorksLonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术 它是由美国Echelon公司推出并由它们与摩托罗拉 东芝公司共同倡导 于1990年正式公布而形成的 它采用了ISO OSI模型的全部七层通讯协议 采用了面向对象的设计方法 通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置 其通讯速率从300bps至15Mbps不等 直接通信距离可达到2700 78kbps 双绞线 支持双绞线 同轴电缆 光纤 射频 红外线 电源线等多种通信介质 并开发相应的本安防爆产品 被誉为通用控制网络 LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的芯片中并得以实现 集成芯片中有3个8位CPU 一个用于完成开放互连模型中第1 2层的功能 称为媒体访问控制处理器 实现介质访问的控制与处理 第二个用于完成第3 6层的功能 称为网络处理器 进行网络变量处理的寻址 处理 诊断 路径选择 软件计时 网络管理 并负责网络通信控制 收发数据包等 第三个是应用处理器 执行操作系统服务与用户代码 芯片中还具有存储信息缓冲区 以实现CPU之间的信息传递 并作为网络缓冲区和应用缓冲区 如Motorola公司生产的神经元集成芯片MC143120E2就包含了2 RAM和2 EEPROM LonWorks被广泛应用在楼宇自动化 家庭自动化 保安系统 办公设备 运输设备 工业过程控制等行业 为了支持LonWorks与其它协议和网络之间的互连与互操作 该公司正在开发各种网关 以便将LonWorks与以太网 FF Modebus DeviceNet Profibus Serplex等互连为系统 另外 在开发智能通信接口 智能传感器方面 LonWorks神经元芯片也具有独特的优势 3 PorfibusPROFIBUS于1996年批准为欧洲标准 即DIN50170V 2 PROFIBUS产品在世界市场上已被普遍接受 市场份额占全球首位 目前支持PROFIBUS标准的产品超过1500多种 分别来自国际上250多个生产厂家 PROFIBUS由PROFIBUS DP PROFIBUS PA和PROFIBUS FMS三个标准组成 DP型用于分散外设间的高速传输 适合于加工自动化领域的应用 FMS为现场信息规范 适用于纺织 楼宇自动化 可编程控制器 低压开关等一般自动化 而PA型则是用于过程自动化的总线类型 它遵从 1158 2标准 有关PROFIBUS的技术要点将本节的第四部分作重点介绍 4 是控制网络ControlAreaNetwork的简称 最早由德国BOSCH公司推出 用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信 其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准 得到了Motorola Intel Philips Siemence NEC等公司的支持 已广泛应用在离散控制领域 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的 但其模型结构只有3层 即只取OSI底层的物理层 数据链路层和顶上层的应用层 其信号传输介质为双绞线 通信速率最高可达1Mbps 40 直接传输距离最远可达10km 1kbps 可挂接设备最多可达110个 的信号传输采用短帧结构 每一帧的有效 的信号传输采用短帧结构 每一帧的有效字节数为8个 因而传输时间短 受干扰的概率低 当节点严重错误时 具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系 使总线上的其它节点及其通信不受影响 具有较强的抗干扰能力 支持多主工作方式 网络上任何节点均可在任意时刻主动向其它节点发送信息 支持点对点 一点对多点和全局广播方式接收 发送数据 它采用总线仲裁技术 当出现几个节点同时在网络上传输信息时 优先级高的节点可继续传输数据 而优先级低的节点则主动停止发送 从而避免了总线冲突 5 是HighwayAddressableRemoteTransducer的缩写 最早由Rosemount公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持 于1993年成立了 通信基金会 这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议 其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信 属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品 因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力 得到了较好的发展 通信模型由3层组成 物理层 数据链路层和应用层 物理层采用FSK FrequencyShiftKeying 技术在4 20 模拟信号上迭加一个频率信号 频率信号采用 202国际标准 数据传输速率为1200bps 逻辑 0 的信号频率为2200Hz 逻辑 1 的信号传输频率为1200Hz 信息格式 其信息构成包括开头码 显示终端与现场设备地址 字节数 现场设备状态与通信状态 数据 奇偶校验等 其数据字节结构为1个起始位 8个数据位 1个奇偶校验位 1个终止位 应用层的作用在于使 指令付诸实现 即把通信状态转换成相应的信息 它规定了一系列命令 按命令方式工作 它有3类命令 第一类称为通用命令 这是所有设备理解 执行的命令 第二类称为一般行为命令 它所提供的功能可以在许多现场设备 尽管不是全部 中实现 这类命令包括最常用的现场设备的功能库 第三类称为特殊设备命令 以便在某些设备中实现特殊功能 这类命令既可以在基金会中开放使用 又可以为开发此命令的公司所独有 在一个现场设备中通常可同时存在这3类命令 支持点对点主从应答方式和多点广播方式 按应答方式工作时的数据更新速率为2 3次 按广播方式工作时的数据更新速率为3 4次 它还可支持两个通信主设备 总线上可挂设备数多达15个 每个现场设备可有256个变量 每个信息最大可包含4个变量 最大传输距离3000 采用统一的设备描述语言 现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性 由 基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编入设备描述字典 主设备运用 技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口 但由于这种模拟数字混合信号制 导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片 7 2 4 1PROFIBUS概貌 1 PROFIBUS是一种国际化 开放式 不依赖于设备生产商的现场总线标准 广泛适用于制造业自动化 流程工业自动化和楼宇 交通 电力等其他领域自动化 2 PROFIBUS由三个兼容部分组成 即PROFIBUS DP DecentralizedPeriphery PROFIBUS PA ProcessAutomation PROFIBUS FMS FieldbusMessageSpecification 3 PROFIBUS DP 是一种高速低成本通信 用于设备级控制系统与分散式I O的通信 使用PROFIBUS DP可取代24VDC或4 20mA信号传输 7 2 4现场总线PROFIBUS技术要点 4 PROFIBUS PA 专为过程自动化设计 可使传感器和执行机构联在一根总线上 并有本征安全规范 5 PROFIBUS FMS 用于车间级监控网络 是一个令牌结构 实时多主网络 6 PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术 1 PROFIBUS协议结构 7 2 4 2PRFIBUS基本特性 图7 3PROFIBUS协议结构 PROFIBUS DP 定义了第一 二层和用户接口 PROFIBUS FMS 定义了第一 二 七层 应用层包括现场总线信息规范 FieldbusMessageSpecification FMS 和低层接口 LowerLayerInterface LLI PROFIBUS PA PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS DP协议 2 PROFIBUS传输技术PROFIBUS提供了三种数据传输类型 用于DP和FMS的RS485传输用于PA的IEC1158 2传输光纤 1 用于DP FMS的RS485传输技术由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议 因而 这两套系统可在同一根电缆上同时操作 RS 485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术 这种技术通常称之为H2 采用的电缆是屏蔽双绞铜线 RS 485传输技术基本特征 网络拓扑 线性总线 两端有有源的总线终端电阻 传输速率 9 6Kbit s 12Mbit s 介质 屏蔽双绞电缆 也可取消屏蔽 取决于环境条件 EMC 站点数 每分段32个站 不带中继 最多可达到127个站 带中继 插头连接 最好使用9针D型插头 2 用于PA的IEC1158 2传输技术 IEC1158 2传输技术主要用于PROFIBUS PA 能满足化工和石油化工的要求 它可保持其本征安全性 并通过总线供电 IEC1158 2是一种位同步协议 通常称为H1 IEC1158 2技术用于PROFIBUS PA 其传输依据下列原理 每段只有一个电源作为供电装置 当站收发信息时 不向总线供电 每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流 现场设备其作用如同无源的电流吸收装置 主总线两端起无源终端线作用 允许使用线性 树型和星型网络 为提高可靠性 设计时可采用冗余的总线段 为了调制的目的 设定每个总线站至少需用10mA基本电流才能使设备启动 通信信号的发生是通过发送设备的调制 从 9mA到基本电流之间 IEC1158 2传输技术特性 数据传输 数字式 位同步 曼彻斯特编码 传输速率 31 25Kbit s 电压式 数据可靠性 前同步信号 采用起始和终止限定符避免误差 电缆 双绞线 屏蔽式或非屏蔽式 远程电源供电 可选附件 通过数据线 防爆型 能进行本征及非本征安全操作 拓扑 线型或树型 或两者相结合 站数 每段最多32个 总数最多为126个 中继器 最多可扩展至4台 3 光纤传输技术 PROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下应用时 可使用光纤导体 以增加高速传输的距离 可使用两种光纤导体 一是价格低廉的塑料纤维导体 供距离小于50米情况下使用 另一种是玻璃纤维导体 供距离大于1公里情况下使用 许多厂商提供专用总线插头可将RS 485信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成RS 485信号 三种PROFIBUS DP FMS PA 均使用一致的总线存取协议 该协议是通过OSI参考模型第二层 数据链路层 来实现的 在PROFIBUS中 第二层称之为现场总线数据链路层 FieldbusDataLink FDL PROFIBUS协议的设计满足介质存取控制的两个基本要求令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权 令牌 主站得到总线存取令牌时可与从站通信 图7 4是一个由3个主站 7个从站构成的PROFIBUS系统 3PROFIBUS总线存取协议 图7 43个主站 7个从站构成的PROFIBUS系统 7 在总线系统初建时 主站介质存取控制MAC的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环 在总线运行期间 断电或损坏的主站必须从环中排除 新上电的主站必须加入逻辑环 8 第二层的另一重要工作任务是保证数据的可靠性 PROFIBUS第二层的数据结构格式可保证数据的高度完整性 9 PROFIBUS第二层按照非连接的模式操作 除提供点对点逻辑数据传输外 还提供多点通信 其中包括广播及有选择广播功能 7 2 4 3PROFIBUS DP 1 PROFIBUS DP的基本功能 1 传输技术 RS 485双绞线 双线电缆或光缆 波特率从9 6Kbit s到12Mbit s 2 总线存取 各主站间令牌传递 主站与从站间为主 从传送 支持单主或多主系统 总线上最多站点 主 从设备 数为126 3 通信 点对点 用户数据传送 或广播 控制指令 循环主 从用户数据传送和非循环主 主数据传送 4 运行模式 运行 清除 停止 5 同步 控制指令允许输入和输出同步 同步模式 输出同步 锁定模式 输入同步 6 功能 DP主站和DP从站间的循环用户数据传送 各DP从站的动态激活 DP从站组态的检查 三级诊断信息的强大诊断功能 输入或输出的同步 通过总线给DP从站赋予地址 通过总线对DP主站 DPM1 进行配置 每个DP从站的输入和输出数据最大为246字节 7 可靠性和保护机制 所有信息的传输按海明距离HD 4进行 DP从站带看门狗定时器 WatchdogTimer 对DP从站的输入 输出进行存取保护 DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视 8 设备类型 第二类DP主站 DPM2 是可进行编程 组态 诊断的设备 第一类DP主站 DPM1 是中央可编程序控制器 如PLC PC等 DP从站可是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器 阀门等 2 PROFIBUS DP基本特征 1 速率 在一个有着32个站点的分布系统中 PROFIBUS DP对所有站点传送512bit s输入和512bit s输出 2 诊断功能 经过扩展的PROFIBUS DP诊断能对故障进行快速定位 诊断信息在总线上传输并由主站采集 诊断信息分三级 本站诊断操作 本站设备的一般操作状态 如温度过高 压力过低 模块诊断操作 一个站点的某一具体I O模块故障 通道诊断操作 一个单独输入 输出位的故障 3 PROFIBUS DP系统配置和设备类型PROFIBUS DP允许构成单主站或多主站系统 在同一总线上最多可连接126个站点 系统配置的描述包括 站数 站地址 输入 输出地址 输入 输出数据格式 诊断信息格式及所使用的总线参数 每个PROFIBUS DP系统可包括以下三种不同类型设备 1 一级DP主站 DPM1 一级DP主站是中央控制器 它在预定的信息周期内与分散的站 如DP从站 交换信息 典型的DPM1如PLC或PC 2 二级DP主站 DPM2 二级DP主站是编程器 组态设备或操作面板 在DP系统组态操作时使用 完成系统操作和监视目的 3 DP从站 DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备 如I O设备 驱动器 HMI 阀门等 4 单主站系统 在总线系统的运行阶段 只有一个活动主站 如图7 5所示 5 多主站系统 总线上连有多个主站 这些主站与各自从站构成相互独立的子系统 每个子系统包括一个DPM1 指定的若干从站及可能的DPM2设备 任何一个主站均可读取DP从站的输入 输出映象 但只有一个DP主站允许对DP从站写入数据 如图7 6所示 4 系统行为系统行为主要取决于DPM1的操作状态 这些状态由本地或总线的配置设备所控制 主要有以下三种状态 停止 在这种状态下 DPM1和DP从站之间没有数据传输 清除 在这种状态下 DPM1读取DP从站的输入信息并使输出信息保持在故障安全状态 运行 在这种状态下 DPM1处于数据传输阶段 循环数据通信时 DPM1从DP从站读取输入信息并向从站写入输出信息 1 DPM1设备在一个预先设定的时间间隔内 以有选择的广播方式将其本地状态周期性地发送到每一个有关的DP从站 如图7 7所示 2 如果在DPM1的数据传输阶段中发生错误 DPM1将所有有关的DP从站的输出数据立即转入清除状态 而DP从站将不再发送用户数据 然后 DPM1转入清除状态 图7 7PROFIBUS DP用户数据传输 5 DPM1和DP从站间的循环数据传输DPM1和相关DP从站之间的用户数据传输是由DPM1按照确定的递归顺序自动进行 在对总线系统进行组态时 用户对DP从站与DPM1的关系作出规定 确定哪些DP从站被纳入信息交换的循环周期 哪些被排斥在外 DPM1和DP从站间的数据传送分三个阶段 参数设定 组态 数据交换 在参数设定阶段 每个从站将自己的实际组态数据与从DPM1接受到的组态数据进行比较 只有当实际数据与所需的组态数据相匹配时 DP从站才进入用户数据传输阶段 因此 设备类型 数据格式 长度以及输入输出数量必须与实际组态一致 6 DPM1和系统组态设备间的循环数据传输除主 从功能外 PROFIBUS DP允许主 主之间的数据通信 这些功能使组态和诊断设备通过总线对系统进行组态 7 同步和锁定模式除DPM1设备自动执行的用户数据循环传输外 DP主站设备也可向单独的DP从站 一组从站或全体从站同时发送控制命令 这些命令通过有选择的广播命令发送 使用这一功能将打开DP从站的同步及锁定模式 用于DP从站的事件控制同步 主站发送同步命令后 所选的从站进入同步模式 在这种模式中 所编址的从站输出数据锁定在当前状态下 在这之后的用户数据传输周期中 从站存储接收到输出的数据 但它的输出状态保持不变 当接收到下一同步命令时 所存储的输出数据才发送到外围设备上 用户可通过非同步命令退出同步模式 锁定控制命令使得编址的从站进入锁定模式 锁定模式将从站的输入数据锁定在当前状态下 直到主站发送下一个锁定命令时才可以更新 用户可以通过非锁定命令退出锁定模式 8 保护机制对DP主站DPM1使用数据控制定时器对从站的数据传输进行监视 每个从站都采用独立的控制定时器 在规定的监视间隔时间中 如数据传输发生差错 定时器就会超时 一旦发生超时 用户就会得到这个信息 如果错误自动反应功能 使能 DPM1将脱离操作状态 并将所有关联从站的输出置于故障安全状态 并进入清除状态 对DP从站使用看门狗控制器检测主站和传输线路故障 如果在一定的时间间隔内发现没有主机的数据通信 从站自动将输出进入故障安全状态 9 扩展DP功能DP扩展功能是对DP基本功能的补充 与DP基本功能兼容 DPM1与DP从站间的扩展数据通信包括 1 DPM1与DP从站间非循环的数据传输 2 带DDLM读和DDLM写的非循环读 写功能 可读写从站任何希望数据 3 报警响应 DP基本功能允许DP从站用诊断信息向主站自发地传输事件 而新增的DDLM ALAM ACK功能被用来直接响应从DP从站上接收的报警数据 4 DPM2与从站间的非循环的数据传输 10 电子设备数据文件 GSD 为了将不同厂家生产的PROFIBUS产品集成在一起 生产厂家必须以GSD文件 电子设备数据库文件 方式提供这些产品的功能参数 如I O点数 诊断信息 波特率 时间监视等 标准的GSD数据将通信扩大到操作员控制级 使用根据GSD文件所作的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中 如图7 8所示 GSD文件可分为三个部分 1 总规范 包括了生产厂商和设备名称 硬件和软件版本 波特率 监视时间间隔 总线插头指定信号 2 与DP有关的规范 包括适用于主站的各项参数 如允许从站个数 上载 下载能力 3 与DP从站有关的规范 包括了与从站有关的一切规范 如输入 输出通道数 类型 诊断数据等 11 PROFIBUS DP行规PROFIBUS DP协议明确规定了用户数据怎样在总线各站之间传递 但用户数据的含义是在PROFIBUS行规中具体说明的 另外 行规还具体规定了PROFIBUS DP如何用于应用领域 使用行规可使不同厂商所生产的不同设备互换使用 而工厂操作人员毋须关心两者之间的差异 因为与应用有关的参数含义在行规中均作了精确的规定说明 下面是PROFIBUS DP行规 括弧中数字是文件编号 NC RC行规 3 052 编码器行规 3 062 变速传动行规 3 071 操作员控制和过程监视行规 HMI 7 2 4 4PROFIBUS PA PROFIBUS PA具有如下特性 1 适合过程自动化应用的行规 使不同厂家生产的现场设备具有互换性 2 增加和去除总线站点 即使在本征安全地区也不会影响到其它站 3 在过程自动化的PROFIBUS PA段与制造业自动化的PROFIBUS DP总线段之间通过藕合器连接 并可实现两段间的透明通信 4 使用与IEC1158 2技术相同的双绞线完成远程供电和数据传送 5 在潜在的爆炸危险区可使用防爆型 本征安全 或 非本征安全 1 PROFIBUS PA传输协议PROFIBUS PA采用PROFIBUS DP的基本功能来传送测量值和状态 并用扩展的PROFIBUS DP功能来制订现场设备的参数和进行设备操作 PROFIBUS PA第一层采用IEC1158 2技术 第二层和第一层之间的接口在DIN19245系列标准的第四部分作出了规定 2 PROFIBUS PA设备行规PROFIBUS PA行规保证了不同厂商所生产的现场设备的互换性和互操作性 它是PROFIBUS PA的一个组成部分 PA行规的任务是选用各种类型现场设备真正需要通信的功能 并提供这些设备功能和设备行为的一切必要规格 1 PROFIBUS FMS应用层2 PROFIBUS FMS通信模型3 通信对象与通信字典 OD 4 PROFIBUS FMS服务5 低层接口 LLI 6 网络管理7 PROFIBUS FMS行规 7 2 4 5PROFIBUS FMS 7 3 用于测量与控制系统的EPA系统结构与通信标准 7 3 1背景与动机EPA是EthernetforPlantAutomation的简称 用于测量与控制系统的EPA系统结构与通信标准 以下简称 EPA标准 是中国科技部十五 863 设立的 基于高速以太网技术的现场总线控制设备 现场级无线以太网协议研究及设备开发 基于 蓝牙 技术的工业现场设备 监控网络及其关键技术研究 等三个课题研究成果的基础上 而制定的中国国家标准 在工厂综合自动化系统的层次化结构网络 以以太网为代表的COTS CommercialOff The Shelf 技术由于具有应用广泛 通信速率高 价格低廉 软硬件资源丰富 拥有全球的技术支持等特点 在工厂综合自动化系统中得到了成功普及应用 如DCS PLC 远程数据采集器等 并有可能直接向下延伸应用于现场设备间的连接 EPA标准 起草的目的 就是针对当前多种现场总线并存 无法统一的局面 根据工业过程控制系统中对确定性与实时性通信 可靠性 可用性等要求 结合交换技术 全双工通信 优先级等工业以太网最新技术 通过对基于EPA的分布式网络控制系统的体系结构 确定性通信调度机制 网络通信模型等方面内容的规定 为建立基于以太网与无线技术 如无线局域网 蓝牙等 等广泛应用于信息网络的COTS Commercial Off TheShelf 通信技术在工业自动化控制系统中应用提供指导 本标准分为两部分 其中第一部分包括EPA分段化系统结构 基于以太网的确定性通信调度 总线供电 网络安全 EPA实时应用层规范 基于XML的设备描述等部分的规范 包括系统结构 应用层规范 管理功能块规范 基于XML的设备描述规范 网络安全规范等 第二部分包括用户层规范 EPA测试与认证 EPA冗余 信息技术在EPA中的应用等内容 本节将就标准的第一部分进行简单介绍 图7 9工业企业综合自动化网络结构示意图 7 3 3EPA系统模型 7 3 2范围 本标准规定了基于以太网 无线局域网 蓝牙等信息网络通信技术 统称为EPA网络 的工业自动化控制系统与仪器仪表间通信的标准 也称通信栈协议 包括相互之间的通信操作 为用户应用程序提供的服务接口以及相关管理方面的规范 本标准同时也规定了基于以太网 无线局域网 蓝牙等网络媒体与配置的要求 以保证以太网 无线局域网 蓝牙等网络通信技术应用于复杂工业现场的环境适应性要求 包括机械环境适应性 气候环境适应性 电磁环境适应性或电磁兼容性EMC以及可靠性等要求 本标准适用于工业过程测量与控制领域 但目前还没有考虑具有本质安全的应用场合 7 3 3EPA系统模型 7 3 4EPA系统结构 基于EPA的控制系统 或EPA系统 是一种分布式现场网络控制系统 以EPA通信网络为基础 并结合工业自动化生产现场物理环境 将若干个分散在现场的设备 小系统以及控制 监视设备连接起来 所有设备一起运作 共同完成工业生产过程和操作中的I O数据采集和自动化控制 EPA系统结构提供了一个系统框架 用来描述由基于以太网 无线局域网 蓝牙等网络连接在一起的物理设备 在EPA系统中 有三种子网 即基于以太网 IEEE802 3 无线局域网 IEEE802 11 和蓝牙 IEEE802 15 的子网 EPA系统中的网段可以是相同类型的子网 或者是两种或三种的结合 EPA支持下以下拓扑结构 如图7 11所示 1 一个或多个基于以太网的EPA子网 兼容IEEE802 3协议 2 一个或多个基于无线局域网的EPA子网 兼容IEEE802 11协议 3 一个或多个基于蓝牙技术的EPA子网 兼容IEEE802 15协议 4 基于以太网和无线局域网的以上两种或三种子网组成的混合网段 每个物理设备通过提供一个或多个应用进程 来执行整个系统的一部分工作 应用进程之间的通信通过EPA通信实体实现 7 3 5网络拓扑结构 图7 11EPA系统网络拓扑结构 按类型分 一个EPA系统中有EPA主设备 EPA现场设备 EPA网桥 EPA代理以及EPA网关 1 EPA主设备 HOSTDEVICE EPA主设备是EPA过程监控层L2网段上的设备 一般是指EPA系统中的组态 监控设备 它一般不要求具有控制应用功能块或功能块应用进程 EPA主设备的IP地址必须在系统中唯一 2 EPA现场设备 FIELDDEVICE EPA现场设备是指处于工业应用现场的设备 EPA现场设备必需具有EPA通信实体 并包含功能块 功能块应用进程 并通过TCP UDP用EPA服务来访问功能块应用进程 EPA现场设备的IP地址必须在系统中唯一 7 3 6EPA设备 3 EPA网桥 EPABRIDGE EPA网桥作为可选设备 本质是上一个网桥设备 用于连接两个网段 即EPA过程监控层L2网段和现场设备层L1网段 因此 一般它有两个EPA接口 视不同应用 其中的任一个接口都可以是以太网 无线局域网 蓝牙或其他网络接口 但在具有冗余要求的场合 可视情况 其中任一个接口都可以冗余配置 甚至是对EPA网桥设备进行冗余配置 EPA网桥是可以组态的设备 通过组态 EPA网桥对从任一个接口的接收到的EPA报文进行IP地址 端口号 EPA服务标识进行过滤处理 只有在接收到的报文满足特殊要求时 才予以转发 对于不满足要求的报文 要么在本地进行处理 要么直接予以丢弃 不予转发 4 EPA代理 EPAAGENT EPA代理是一个可选设备 它可采用一般信息网络技术 如COM组件 与其他网络进行信息的共享和交换 以及对远程访问的安全管理 5 EPA网关 EPAGATEWAY EPA网关是用于其他非EPA设备连接到EPA网络上的设备 以实现其他网络和现场总线 如FF PROFIBUS等 与EPA网络之间的互联 该设备的详细技术要求不在本标准考虑之列 1 EPA支持的通信模式 1 客户 服务器客户 服务器用于EPA网络上两个设备之间由用户发起的 一对一的 排队式 非周期通信 客户 服务器通信模式常用于设置参数或实现某些操作 如改变给定值 对调节器参数的访问和调整 对报警的确认 设备的上载和下载等 2 报告分发型报告分发型通信模式是一种排队式 非周期通信 也是一种由用户发起的一对多的通信 这种报告分发型用于广播及多点传送事件与趋势报告 最典型的应用场合是将报警状态 趋势数据等通知操作台 7 3 7EPA网络通信与调度 3 发布 预定接收型发布 预定接收模式主要用来实现缓冲型 一对多通信 这种通信模式可以根据组态 按准确的时间周期发出 也可以由数据用户按非周期方式发送 2 EPA通信调度对于处于过程监控层的L2网段 可以采用基于IEEE802 3 11 15的访问调度机制 如基于以太网的子网段 完全采用基于CSMA CD的自由竞争访问机制 而对于处于现场设备层的L1网段 由于工业测量与控制系统的确定性和实时性通信要求 在EPA系统中 采用一种确定性通信调度策略 在L1网段 EPA设备间的通信信息可分为周期性信息和非周期性信息两大类 其中 周期性信息按准确的时间周期发出 而非周期性信息则按非周期方式发送 在L1网段的一个子网段内 所有EPA现场设备间的通信都基于一种称为巡回周期的分时通信方式 该巡回周期分为两个阶段 其中第一个阶段为周期性信息传输阶段 见图7 12中紫色区域所示 第二个阶段为非周期信息传输阶段 见图7 12中粉色区域所示 7 3 8实时EPA通信与非实时网络通信的并行运行管理 所谓实时EPA通信 是指在EPA系统中 完全符合EPA通信规范和确定性通信调度 并兼容IEEE802 3 11 15规范的通信 而非实时网络通信 是指不具有确定性通信特征 但完全符合IEEE802 3 11 15的通用网络通信 EPA系统中支持实时EPA通信与非实时网络通信的并行运行 并通过以下功能模块进行管理 1 在图7 11所示的EPA系统结构中 EPA代理应具有必要的网络安全措施 并安装必要的防火墙软件 对来自EPA系统外部的远程访问进行网络安全管理 2 在需要支持实时EPA通信与非实时网络通信并行运行的EPA现场设备层L1网段 并由EPA网桥转发非实时网络通信信息 此时 在7 3 7节所