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控制仪表及装置 第八章现场总线控制系统 第一节概述第二节几种流行的现场总线第三节实时工业以太网第四节现场总线控制系统 现场总线控制系统 什么是现场总线 第一节概述 现场总线的产生和发展 4 20mA 现场仪表信号 从模拟 混合 全数字信号 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 丰富的现场信息和智能化提高了设备诊断 维护 管理能力 减少卡件 机柜 端子 线缆 节省开支 提高了可靠性 各行业使用现场总线设备情况 化工 石油天然气 能源 医药 食品 造纸 教育 材料 行业 百分比 其它 29 22 13 9 9 4 3 3 8 工程费用engineering 调试费用commissioning 硬件费用Hardware 51 23 27 22 22 12 0 50 100 硬件 调试 工程 100 57 4 20mA PROFIBUS 安装 费用可节省40 左右 现场总线系统的优势 几点说明 现场总线技术是DCS技术的继承和发展 而不是对DCS的否定或取代 工业上已出现DCS与现场总线系统混合使用的控制系统 现场总线的优点主要是仪表的智能化 网络化 控制的分散化等先进技术所带来的好处 而不单单是节省电缆 现场总线不能解决企业自动化的所有问题 例如ESD MES ERP等等 而是作为底层网络与其它自动化装置一起更好地实现企业综合自动化 现场总线标准 IEC61158的标准现场总线 以下将通过一些流行的现场总线说明特点 网络结构 通信模型和应用实例 第二节几种流行的现场总线 FoundationFieldbus Profibus ProcessFieldbus LonWorks LocalOperatingNetworks CAN ControlAreaNetwork HART HighwayAddressableRemoteTTransducer 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 应用行规2 应用行规1 通信协议 传输特性 专用应用行规 通用应用行规 可选 PROFIBUSDP V0 V2 RS485 PROFIBUSDP IEC61158 2 PROFIBUSPA 传输特性 物理层 的DP采用RS 485通信标准 PA采用IEC61158 2 MBP 传输技术 通信协议 数据链路层 采用DP V0 V2 应用行规说明各种设备的功能和行为 有通用和专用应用行规 Profibus总线的通信模型 通信协议 有DP V0 DP V1和DP V0三种版本 Profibus总线的网络结构 PROFIBUS DP单主站系统 PLC或PC DP从站 Profibus DP DP主站 1个DP主站1 125个从站 PROFIBUS DP多主站系统 计算机 Profibus DP PLC 从站 PLC 主站 采用主站之间的令牌传递和主从站之间的主 从通信方式 令牌传递 Publisher z B Lichtgitter Slave DP 从站2 PROFIBUS DP Master PROFIBUS DP1类主站 PROFIBUS DP Master PROFIBUS DP2类主站 Publisher z B Lichtgitter Slave DP 从站1 Publisher z B Lichtgitter Slave DP 从站3 令牌 循环 从站1 从站2 从站3 从站3 1类主站的循环访问 2类主站的非循环访问 DP V1中的循环和非循环通信 PROFIBUS DP Master Class 1 PROFIBUS DP 1类主站 发布者 e g lightarray 从站 预订者 e g drive 预订者 e g drive 从站 从站对从站通信 从站 输出数据 通过广播的输入数据 DP V2中的从站对从站的数据交换 通过DP PACoupler连接Profibus PA 计算机 Profibus DP 从站 Profibus PA DP PA耦合器 PLC 主站 PROFIBUS PA有树结构 总线结构和两者的混合结构 演示 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 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 Ethernet的特点 第三节实时工业以太网 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 RockwellAutomation等 FFHSE HighSpeedEthernet FF Emerson等 Profinet ProfibusonEthernet PI Siemens等 ModbusIDA ModbusInterfaceforDistributedAutomation IDA SchneiderAutomation等 EtherCAT EthernetControlAutomationTechnology ETG Beckhoff 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 第四节现场总线控制系统 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 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 传统应用系统体系结构 基于OPC技术的应用系统体系结构 监控组态软件 监控组态软件是面向监控和数据采集 SCADA 的软件平台工具 主要用来构建人机图形界面 功能多样 使用灵活 它具有数据采集 实时监控 实时数据库 通信及联网 开放数据接口等功能 并广泛支持各种I O设备 知名的监控组态软件在国际上有Wonderware公司的Intouch Intellution公司的iFix 西门子公司的WinCC NI公司的LabView Iconics公司的Genesis等等 Intouch是在上世纪80年代末推出的第一个商品化组态软件 国内有三维科技股份有限公司的力控软件 北京亚控科技发展有限公司的组态王 北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的MCGS等 基于FF总线的控制系统DeltaV 现场总线控制系统实例 系统结构 DeltaV控制器 I O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 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 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 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 AMS用于仪表和调节阀的设备管理系统基于FF和Hart的仪表数据服务器内置AMS 单工作站AMS 分布式AMS 资源管理器 控制工作室 图形工作室 设备管理系统 控制模块编辑轻松拖放组态方式每个单项均可直接编辑内置批量控制软件和现场总线功能直接轻松存档 类似Windows资源管理器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 DeltaV控制系统应用实例 甲醇装置 2对冗余的MD控制器 H1 PLC PROFIBUSDP MODBUS PLC RemoteI O 上海焦化有限公司甲醇及一氧化碳装置 AI AO DI DO共700多点 控制回路100多个 1台工程师站4台操作员站 12台 FF在上海赛科90万吨 年烯工程中的应用 赛科乙烯工程的十套生产装置 公用工程及辅助设施投入商业化运行 标志着在现代化大型石化联合工厂大规模采用FF现场总线控制技术获得了成功 全厂自控系统包括 DCS FCS SIS 火灾和可燃气体检测系统FGS 仪表和电气设备管理系统AMS和EMS 在线分析仪管理系统ADAQ 转动设备管理系统MMS 先进过程控制APC 在线优化OPT 操作培训仿真系统OTS 闭路电视系统CCTV等 现场仪表设备总共54025台 其中FF设备14375台 总回路数48200个 总位号168 000个 FF网段2473个 平均每个网段上挂5 8台FF设备 现场接线箱5300个 赛科现场总线网段 Segment 设计 现场总线段的设计应考虑网段总的电流负载 电缆型号 总线干线长度 总线支线长度 电压降和现场设备数量等 每个总线网段上最多安装12台FF现场总线设备 工程设计时按安装9台考虑 现平均5 8台 以后尚可增加3台 每根总线电缆长度 干线加各支线总长度之和 不应超过1200米 总线上设备总数为1 12 单根支线长度不应超过120m 支线电缆长度应尽量短 总线网段电源模块 电源隔离器和电源调整器冗余配置 电源调整器的作用是保证FF总线上的频率信号 31 25Kbps 不被电源短路 每个网段有两个终端器 分别接在该网段的两端 一个在FF电源模块中 另一个在专用端子块箱内 终端器将电流信号转换成电压信号 消除信号反射干扰 规定采用MTL公司提供的增安型EExe接线箱 仪表和接线箱与总线电缆连接使用防爆电缆密封接头 用有短路保护作用的FF专用端子块与各FF设备连接 为限制一个现场总线网段上的通信量 一个总线网段设计不应超过2个控制回路 PID控制功能块 标准的单PID控制回路 PID功能块设置在调节阀定位器上 对于串级控制回路 主回路控制PID功能块在DCS控制器执行 副回路控制PID功能块在调节阀定位器上 基于PROFIBUS总线的控制系统PCS 7 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 S7400Controller PROFIUSDP S7400Controller Systembus IndustrialEthernet FastEthernet DP PA Link GasAnalyser Flow Pressure Temperature pH C O2 ValvePositioner Level PROFIBUSPA PROFIBUSPA 通过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 基于Profibus总线控制系统应用实例 DP PA Link ET200MRemoteI O IndustrialEthernet FSM S7400Controller PROFIUSDP S7400Controller EngineeringStationES OperatorStationO