现场总线技术

第3章机电一体化系统的控制技术 3 1计算机控制的特点对系统的噪声及参数变化不敏感 只要这种噪声几参数的变化不变成数字量进入控制系统 它对系统就没有什么影响 数据处理速度快 精度高对重复性工作的处理很方便 利用程序的循环可以用程序很容易地完成模拟控制难以实现的控制工作系统可靠度高 多处理器 分布式控制 DCS 使用专用集成电路提高处理效率 增强可靠性 降低成本 同时有利于保护知识产权 提高系统智能化水平 增强系统柔性 信息存贮量大数据可以长时间保存数据可以高速长距离传输数据检索速度快 方便控制系统电压低 功耗小 3 2计算机控制的类型 1 模拟仪表控制系统控制系统的主要特点是传感器及执行器的信号传输均以模拟量的形式出现 这种控制系统信号的精度不高 容易受到干扰 2 集中式数字控制系统 DDC DirectDigitalControl 由计算机 单片机 PLC 微机等 直接对众多的现场仪表进行控制 控制器内部传输的是数字信号 3 集散控制系统 DCS DistributedControlSystem 集散控制系统 DCS 又称为分布式控制系统 其控制为分散的 但管理则是集中的 主要构成包含 现场控制单元 其作用是对受控对象的信号进行采集 处理 并对受控对象进行控制 这一部分是分散的 人机接口 人与计算机之间进行信息交互的界面即通道 由此人可以实现对全局信息的了解 监控 也可以实现对某一设备的参数的更改 对系统组态的监控 通信网络 设备之间信息交互的通道 计算机接口 实现上位机与现场设备之间信息的交互 可以实现电平的转换 信号制式的转换 计算机 功能强大 用来对全局进行监控 DCS控制系统的主要特点可以表述为 适应性好可以满足不同企业的要求灵活性强根据企业的规模及生产情况 可以对DCS系统进行组配 有很强的灵活性 可靠性高通过冗余技术 可以保证在某一部分出现故障 备用机立即投入运行 从而提高系统可靠性 DCS的问题各厂家生产的DCS系统标准不一致 产品不兼容 这主要是标准不一致引起的导致各厂有自己的协议 目前正在向标准网络通信接近 4 现场总线控制系统 FCS 现场总线实际上是用一条总线将若干台现场仪表或执行机构连接在一起 用于过程自动化和制造自动化 使现场通信网络与控制系统的集成 第4章现场总线控制系统FCS 现场总线控制系统FieldbusControlSystem FCS 定义 现场总线指安装在制造过程区域的现场装置 与控制室内的自动化装置之间的数字式 串行 多点的数据总线 基本内容包括 以串行通信方式取代传统的4 20mA的模拟信号 一条现场总线可为众多可寻址现场设备实现多点连接 支持底层的现场智能设备与高层的系统利用公用传输介质交换信息 4 1现场总线技术的主要特点 数字化信号传输现场仪表之间 现场仪表与上层工作站之间以及工作站之间的信息交换均为数字信息 开放式 互操作性 互换性 可集成性技术及标准是全开放式的 面向所有制造商及用户 特别强调互操作性 互换性 因而设备具有很好的可集成性 可靠性高 可维护性好采用总线方式而非传统的一对一的I O线 减少了接点数目 减少了接触不良造成的故障 可以通过总线对仪表的参数进行设定 降低系统成本有资料表明 仅系统的布线 安装 维护费用可以比传统的DCS减少66 的成本 4 2几种常见的现场总线 1 FF基金会现场总线FF FieldbusFoundation主要的自动化设备供应商 AB ABB Foxboro Honeywell Fuji等 主要应用领域 化工 石油 污水处理等 2 PROFIBUS ProcessFieldBus分为三种 PROFIBUS DP DecentralizedPeriphery 分散外围设备用于设备级控制系统与分散式I O的通信 现场级 PROFIBUS PA ProcessAutomation 过程自动化 可用于有爆炸危险的环境 PROFIBUS FMS FieldbusMassageSpecification 现场总线报文规范车间级监控网络 令牌结构 常用于楼宇自动化 目前PROFIBUS在德国及欧洲市场居首位 PROFIBUS是以西门子公司为首研制的 目前全世界支持PROFIBUS的产品已超过1500多种 3 LonWorks采用LonTalk协议 LonWorks的核心是神经元芯片 Neuron 多用于楼宇自动化 保安系统 办公设备 供暖通风 消防 救生 安全 照明等领域 4 CANControllerAreaNetwork 控制器局域网络 由Bosch公司牵头 起初专为汽车工业设计 现在发展用于各种行业 但不能用于防爆区 这种总线系统目前广泛地被应用于汽车的控制系统 5 HARTHighwayAddressableRemoteTransducer 可寻址远程传感器高速通道最早由Rosemount公司开发 现得到80多家仪表生产商的支持 HART能由总线供电 可满足本安防爆要求 严格讲HART不属于现场总线 6 其它现场总线WorldFIP P Net AS i ActuatorSensorInterface DeviceNet CC Link ControlNet SwiftNet 主要用于航空航天 Interbus另外还有目前刚刚兴起的基于以太网 Ethernet 的PROFINET 4 3现场总线与互联网的区别 现场总线强调实时性 一般控制系统响应时间为0 01 0 5s 制造自动化系统响应时间为0 5 2s 而互联网中响应时间一般在2 6s 工厂自动化系统中 通信方式使用了广播和交组方式 互联网中两个自主系统只建立暂时一对一方式 现场总线强调在恶劣条件下数据传送的完整性 在可燃或易爆环境中的本质安全性 互联网信息流通量大 现场总线信息流通量不大 但要变为物质流 能量流 动作流 要求必须十分可靠 4 4现场总线的标准 1 ISO的现场总线标准国际标准化组织ISO InternationalStandardizationOrganization 制定了现场总线标准的基础 ISO7498 1996 简称为OSI OpenSystemInterconnection 将通信任务划分为七层 七层分别为 OSIRM OpenSystemInterconnectionReferenceModel 开放系统互联参考模型 2 IEC标准ISO OSI是为计算机互联而设计的 用于开放系统互联的模型 IEC 国际电工委员会 于1999年底通过了 工业控制系统用现场总线 国际标准 IEC61158 通过了8类现场总线作为其标准 但8类互不兼容 类型1IEC技术报告 即FF H1 类型2ControlNet 美Rockwell支持 类型3Profibus 德Siemens支持 类型4P Net 丹麦ProcessData支持 类型5FFHSE 原FF H2 Fisher Rosemount支持 类型6SwiftNet 美Boeing支持 类型7WorldFIP 法Adstom支持 类型8Interbus 德PhoenixCoutact支持 类型9FoundationFieldbus FF FMS类型10Profinet 4 5PROFIBUS现场总线技术 4 5 1PROFIBUS概貌由三个兼容部组成 PROFIBUS DP PROFIBUS PA PROFIBUS FMS PROFIBUS DP 取代24VDC或4 20mA信号传输 DP DecentralizedPeriphery PROFIBUS PA 专为过程自动化设计 可使传感器和执行器连在一根总线上 并有本安规范 PROFIBUS PA可以用双绞线供电技术进行数据通信 PA ProcessAutomation PROFIBUS FMS FMS FieldbusMessageSpecification是一种由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技术 PROFIBUS DP使用第一层 第二层和用户接口 第三层到第七层未加定义 用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的功能 并详细说明了各种不同PROFIBUS DP设备的设备行为 还提供了传输可选用的RS485传输技术或光缆传输技术 PROFIBUS FMS定义了第一 二和七层 应用层包括现场总线报文规范 FieldbusMessageSpecification FMS 和地层接口 LowerLayerInterface LLI LLI协调不同的通信关系并向FMS提供与设备无关的访问第二层的技术 第二层 FieldbusDataLink FDL 可完成总线存取控制和数据的可靠性 他还为PROFIBUS FMS提供RS485传输技术或光缆传输技术 PROFIBUS PA数据的传输采用扩展的PROFIBUS DP协议 另外还使用了描述现场设备行为的PA行规 通过使用段耦合器 PROFIBUS PA设备能很方便地集成到PROFIBUS DP网络中 PROFIBUS DP和PROFIBUS FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线存取协议 因此两种系统可以在同一根电缆上同时操作 4 5 2PROFIBUS协议结构 4 5 3PROFIBUS在工厂自动化系统中的位置 1 现场设备层连接现场设备 如分散式I O 传感器 驱动器 执行机构 开关设备等 完成现场设备控制及设备间连锁控制 2 车间监控层完成车间主生产设备之间的连接 完成车间级设备监控 车间级监控网络可采用PROFIBUS FMS 3 工厂管理层通过集线器可以使车间操作员工作站与车间办公 4 5 4PROFIBUS控制系统配置的几种形式 1 总线接口型现场设备不具备PROFIBUS接口 则采用分散式I O作为总线接口 与现场设备连接 若设备能分组则更能发挥现场总线的优点 2 单一总线型现场设备都有PROFIBUS接口 这是理想的情况 对于一个新建的工厂 或新设计的设备来说容易实现 3 混合型部分现场设备有PROFIBUS功能 部分没有 4 5 5PROFIBUS的传输技术 PROFIBUS中的传输技术包括用于DP和FMS的RS485传输技术和光纤传输 以及用于PA的IEC61158 2传输技术 这些传输技术的共同特点是 在总线段的开头和结尾必须有总线终端器 每段可以有最多32个站 中继器没有站地址 但它们被计算在每段的站数中 用于 DP传输技术 这种传输技术使用屏蔽双绞铜线作为传输介质 总线上的站点共用一根导线对 这种总线的传输速率为9 6Kbit s到12Mbit s 称之为高速总线 H2总线 在运行中全部设备均须选用同一传输速度 安装提示 全部设备都与总线相连接 在每个总线段中最多可以接32个站 主站或从站 每段的头和尾各接有一个有源总线终端器 为确保操作不发生错误 两个总线终端器必须永远保持有电源 如果站的数量超过32个或需要扩大网络区域 则必须使用中继器 repeater 总线放大器 来连接各个总线段 电缆的最大长度取决于传输速率 电缆的特殊长度可以使用中继器来增加 但一般串联使用的中继器不超过3个 RS 485传输技术的基本特性 电缆长度与传输速率的关系 总线的连接 连接RS485的9针D型插座 DP及 FMS总线终端器 用于 PA的IEC61158 2传输技术 能满足化工和石化工业的要求可保持本质安全性并使现场设备通过总线供电是位同步协议 可进行无电流的连续传输 通常称之为H1传输以下列原则为依据 每段只有一个电源 作为供电装置当站点发送信息时 不向总线供电每个站点现场设备在稳态下消耗常量基本电流现场设备作用如同无源的电流吸收装置主总线两端起无源线性终端作用为了提高可靠性 设计时可采用冗余的总线段为了调制的目的 每个总线站点至少需用10mA的基本电流才使设备起动 PA总线终端器 IEC61158 2传输技术安装要点 分段耦合器将IEC61158 2传输技术总线段与RS 485传输技术总线段连接 耦合器使RS 485信号与IEC61158 2信号相匹配 它们为现场设备的远程电源供电 供电装置可限制IEC61158 2总线的电流和电压 PROFIBUS PA的网络拓扑有树型和线型结构 或是两种拓扑的混合现场配电箱仍继续用来连接现场设备并放置总线终端电阻器 采用树型结构时 连在现场总线分段的全部现场设备都并联地接在现场配电箱上 建议使用如下参考电缆 也可使用更粗截面导体的其它电缆 主总线电缆的两端各有一个无源终端器 内有串联的RC元件 当总线站极性反向连接时 它对总线的功能不会有任何影响 连接到一个段上的站数目最多为32个 如果使用本质安全型及总线供电 站的数量将进一步受到限制 即使不需要本质安全性 远程供电装置电源也受到限制 光纤传输技术 行规 Profiles 由制造商和用户制定的有关设备和系统的特征 功能特性和行为的规范 行规分为 通用应用行规 有用于不同应用的实现选项 如 PROFIsafe行规 冗余行规 时间标签 TimeStamp 行规 专用应用行规 为特定的应用开发的 如PROFIdrive SEMI或PADevices行规 系统和主站行规 描述可供现场设备使用的特定的系统性能 4 5 6PROFIBUS DP行规 Profibus DP行规明确定义了用户数据怎样在总线各站之间传递 但用户数据不是由Profibus DP传输协议来说明的 它的含义是在行规中具体说明的 另外 行规还具体规定了Profibus DP如何用于应用领域 利用行规可使不同厂商所生产的不同设备互换使用 NC RC行规 3 052 该行规介绍了人们怎样通过Profibus DP对操作机和装配机器人进行控制 编码器行规 3 062 本行规介绍了回转式 转角式和线性编码器与Profibus DP的联接 这些编码器带有单转或多转分辨率 变速传动行规 3 0