现场总线-第8讲 现场总线系统集成(02)

第八讲 现场总线系统集成,现场总线系统集成,第 一 部分 现场总线控制系统的设计和组态,现场总线控制系统的设计和组态,8.1.1 现场总线控制系统设计准则-设计步骤,要制定控制方案，需要绘制P&I图；要优化控制策略，需要绘制组态图；要选择现场仪表，计算机和网络部件，需要绘制网络图；要进行安装布线，需要绘制出网络接线图,现场总线控制系统的设计和组态,8.1.1 现场总线控制系统设计准则绘制P&I图,P&I图：过程控制管道和仪表图（Process control diagram a piping and instrumentation drawing），用于过程控制中表示在工艺过程中的检测和控制元件的标准设计符号；目前没有用于现场总线控制系统设计的国际或国家标准，由于P&I图的目的并不需要说明控制系统的接线技术、区分所用仪表类型和表示控制功能的位置，因此，ISA认为现有标准已能满足现场总线控制系统的设计要求；,现场总线控制系统的设计和组态,8.1.1 现场总线控制系统设计准则-绘制P&I图,现场总线控制系统的设计和组态,第一个字母表示被测变量，后续字母表示仪表的功能；圆圈里的数字表示回路编号，它是按车间（区域）或工序（控制回路）进行编制的；为了说明现场总线设备之间信号传输是数字通信信号，可采用通信链的图形符号；,8.1.1 现场总线控制系统设计准则-绘制P&I图,现场总线控制系统的设计和组态,锅炉汽包水位三冲量控制P&I图,FT: 流量变送器FC: 流量控制器LT: 液位变送器FY: 流量加法器,目的：保持锅炉汽包水位在一定范围内。,单冲量：只有一个被控变量，即汽包水位。双重量：增加蒸汽流量前馈。三冲量：增加给水扰动控制,8.1.1 现场总线控制系统设计准则-绘制P&I图,现场总线控制系统的设计和组态,8.1.1 现场总线控制系统设计准则功能连接图,虚线椭圆表示一台现场总线设备,现场总线控制系统的设计和组态,8.1.1 现场总线控制系统设计准则设备接线图,由于通信系统中要防止通信信号在端点处反射造成信号失真，并实现线路阻抗匹配，需要设置终端电阻；现场总线的电缆有一定的类型规定，对导线的线径、特征阻抗等都有严格要求；一般模拟仪表系统采用标准电流（或电压）信号，因此可以采用串联连接，而现场总线仪表一般是并联连接到现场总线网络上的。,通信系统接线与一般模拟仪表系统接线的区别：,现场总线控制系统的设计和组态,例：温度和流量串级控制系统的现场总线设备接线图(1),机柜内,电源模块,8.1.1 现场总线控制系统设计准则设备接线图,现场总线控制系统的设计和组态,例：温度和流量串级控制系统的现场总线设备接线图(2),8.1.1 现场总线控制系统设计准则设备接线图,现场总线控制系统的设计和组态,例：温度和流量串级控制系统的现场总线设备接线图(3),温度检测,温度变送,流量变送,流量控制阀,8.1.1 现场总线控制系统设计准则设备接线图,现场总线控制系统的设计和组态,8.1.1 现场总线控制系统的设计准则,应遵照现场总线技术的有关规范；网段中挂接的现场总线设备总数、分支电缆上挂接的设备数、主干电缆和分支电缆长度及电缆类型、电源供电容量、电压压降等应在现场总线规定的约束范围内；网段上挂接的设备数与该网段的宏循环时间有关；为减少通信量、降低成本，应尽量选用功能较多的现场总线设备，同时同一控制系统中的检测变送器、控制器和控制阀等现场总线设备宜设计在同一网段上；考虑防止过流、过压、雷电冲击等外围干扰和故障；冗余系统考虑（对通信系统、供电系统、链路主设备等）；考虑控制系统应具有一定的可扩展性；,现场总线控制系统的设计和组态,8.1.2 现场总线控制系统的控制组态,现场总线控制组态与DCS控制组态的区别DCS的控制组态结果通常直接存放在DCS的分散过程控制装置中；DCS控制组态所使用的功能块从数量和功能上比现场总线的多，但因制造商不同而异；在DCS控制组态中，由于存储器容量较大，因此较少考虑功能块数量的约束；现场总线功能块适用面更广，但参数设置相对复杂。过程： 添加新网段-设置现场总线设备的地址、有关性能和参数等属性-控制组态-下装,现场总线控制系统的设计和组态,现场总线设备库,8.1.2 现场总线控制系统的控制组态,现场总线控制系统的设计和组态,控制系统功能模块连接图,8.1.2 现场总线控制系统的控制组态,现场总线控制系统的设计和组态,控制组态的内容下载,8.1.2 现场总线控制系统的控制组态,现场总线控制系统的设计和组态,8.1.3 现场总线控制系统的工程设计设计步骤,初步设计整个现场总线控制系统自控工程要达到的自动化水平；设备投资的费用；实现自控工程的交付期；对安全运行的考虑；对操作、维护的要求等。初步扩大设计过程控制系统的组态；工程的集成范围；安全设计和可靠性设计；检测系统设计、人机界面设计、对扩展的考虑等。施工图设计，又称详细设计，主要包括内容有：工程集成的范围、安全设计和可靠性的改进设计等。,现场总线控制系统的设计和组态,8.1.3 现场总线控制系统的工程设计设计文件,系统图网络/网段图位置图建筑物布置图安装图带控制点流程图仪表索引/数据库仪表数据表材料要求制造商文件网络网段检查图阀门危险程度表逻辑图功能描述/控制叙述等,现场总线系统集成,第 二 部分 现场总线控制系统的工程实现,现场总线控制系统的工程实现,8.2.1现场总线的布线和安装网络组件,主要有：中继器(Repeater)、集线器(Hub)、交换式集线器(Switching Hub)、网桥(Bridge)、路由器(Router)、网关(Gateway)等。此外还有连接器(Connector)、耦合器(Coupler)等。,8.2.1现场总线的布线和安装,交换机,HSE链路设备,现场总线控制系统的工程实现,终端器,浪涌保护器,是一个充满气体的密闭管子GDT，当电压低于阈值时，有非常高的电阻；当电压高于阈值时，管内气体电离并产生对地电阻非常低的通路。最大浪涌电流可达20kA,8.2.1现场总线的布线和安装,4-20mA电流回路接线图简单的现场总线网络,安装布线,现场总线控制系统的工程实现,8.2.1现场总线的布线和安装,链接式仪表的现场总线网络图,现场总线控制系统的工程实现,8.2.1现场总线的布线和安装,中继器,现场总线控制系统的工程实现,8.2.1现场总线的布线和安装,屏蔽线不应多点接地，应集中一点后再接地,现场总线控制系统的工程实现,现场总线控制系统的工程实现,8.2.1现场总线的布线和安装,连接示意图,现场总线控制系统的设计和组态,确定现场总线网段和现场总线设备（FF为例）,不同类型电缆的长度约束和线路电阻,网段的长度由电压降和信号的质量，即衰减(Attenuation)和失真(Distortion)所限制。,8.2.1现场总线的布线和安装,现场总线控制系统的设计和组态,确定现场总线网段和现场总线设备（FF为例）例：设计某现场总线网段，它有6台现场总线设备，几何位置分布如下图所示，原有电缆为D型电缆，是否可直接采用原有电缆？解：总电缆长度为：165+60+35+10+10+9+6=295m，根据D型电缆允许最大长度为200m，因此不能全部采用D型电缆。可将各分支电缆换用为A型，即D型165m，A型130m： 因165/200+130/1900=0.89341，所以满足约束条件。,8.2.1现场总线的布线和安装,现场总线控制系统的设计和组态,确定现场总线网段和现场总线设备（FF为例）例：设计某现场总线网段，几何位置分布如下图所示，拟用A型电缆，供电电压19V，供电电流350mA，每台设备的耗电为20mA，要求供电电压不小于9VDC，是否可行？,解：第一接线盒处电压降为：0.02(A/台)*14(台)*44(欧/km)*0.5km=6.16(V)因此，第一个接线盒处的电压为19-6.16=12.84V,8.2.1现场总线的布线和安装,现场总线控制系统的设计和组态,解：第一接线盒到第二接线盒处电压降为： 0.02(A/台)*8(台)*44(欧/km)*0.4km=2.816(V) 因此，第二个接线盒处的电压为12.84-2.816=10.024(V) 第二接线盒到8台设备的电压降为0.02*1*44*0.01=0.0088(V) 第二接线盒连接的8台设备处电压为10.024-0.0088=10.0152(V) 第一接线盒到6台设备的电压降为0.02*1*44*0.01=0.0088(V) 第一接线盒连接的6台设备处电压为12.84-0.0088=12.8312(V) 因此，各设备的供电电压都大于9V，且电缆总长为 500+400+10*6+10*8=1040m 100Mb/s -1Gb/s控制网络负荷在网络设计时控制各网段的负荷量，合理分布各现场设备的节点位置，以减少冲突的发生采用以太网的全双工交换技术采用交换式以太网技术采用交换机将网络切分成多个网段，在网段分配合理的情况下，由于网段上多数的数据不需要经过主干网传输，只在本地网络传输的数据不占用其它网段的带宽。,工业以太网技术,8.3.6 实时以太网,PROFINET,Modbus/TCP,EtherNet/IP,Powerlink,EtherCAT,实时以太网种类 IEC61784-2中的11种实时以太网：EtherNet/IP, Profinet, Interbus, EtherCAT, EPA,几种实时以太网的通信参考模型比较,工业以太网技术,工业以太网的开发情况和发展趋势,工业以太网技术,RT-CSMA/CD协议网络节点分为实时节点和非实时节点，分别遵循RT-CSMA/CD和CSMA/CD协议以网络上相距最远的两个节点之间信号传迟延时间的2倍作为最小竞争时隙发送数据时先侦听信道，若在一个最小竞争时隙中没有检测到冲突，则获得访问控制权，发送数据包；非实时节点检测到冲突时停止发送，退出竞争；实时节点检测到冲突时，发送长度不小于最小竞争时隙的竞争信号；,8.3.7 实时以太网的媒体访问控制,工业以太网技术,确定性分时调度，将通信过程划分为若干个循环，每个循环分为4个时段起始时段：进行必要的准备和时钟同步；周期性通信时段：用于保证周期性实时数据的传输。在该周期中为各节点安排好各自的微时隙进行各自的通信。非周期性通信的异步时段：为普通TCP/IP数据包提供通过竞争传输非实时数据的机会。保留时段：用于发布时钟，控制时钟同步。,8.3.7 实时以太网的媒体访问控制,工业以太网技术,8.3.8 IEEE 1588精确时间同步协议(PTP),时钟偏移量与传输延迟的测量过程,测量主时钟和从时钟之间的时差，即测量时钟偏移值；测量传输延迟,TS1 - TM1 = t1 = tdelay + toffset,TM3 - TS3 = t2 = tdelay - toffset,toffset = (t1 - t2)/2,工业以太网技术,8.3.8 IEEE 1588精确时间同步协议,普通时钟与边界时钟,PROFINET,PROFInet概念模型,8.3.9 PROFINET,PROFINET,PROFInet部件模型,1、工艺模块 PROFInet定义了功能术语，如“机械”、“电气/电子”和 “控制逻辑/软件”，从而形成一种工艺模块。2、PROFInet部件 PROFInet部件代表系统范围工程设计中的一种工艺模块，它将其自动化功能封装在一个软件部件内。3、使用XML的部件描述 在PROFInet中XML部件文件包含以下数据：作为一个库元素的部件描述、硬件描述、软件功能描述、部件项目的存取地点。PROFInet以DCOM作为设备之间的公共应用协议。4、实时通信 在PROFInet中规定了优化的实时通信通道-软件实时通道（SRT通道）5、部件对象模型（COM） PROFInet对象是为自动化应用定做的COM对象。COM对象基本由接口和实现两部分组成。6、运行期和工程设计中的自动化对象,8.3.9 PROFINET,PROFINET_实时通讯,实时，Real-time (RT) 使用标准组件性能类似于当前现场总线技术，如PROFIBUS典型应用：工厂自动化等时同步实时，Isochronous Real-time (IRT) 确定性的通讯响应时间 1ms, 抖动误差 DdeService = Excel; DdeClientConv1-DdeTopic = (D:Book1.xlsSheet1); DdeClientItem1-DdeItem = R1C1:R2C1; DdeClientConv1-OpenLink(); DdeClientConv1-PokeData(R1C3,Edit3-Text.c_str();,8.4.3 基于DDE技术的控制网络和信息网络的集成,工业网络集成技术,集成系统架构,8.4.4 OPC技术,工业网络集成技术,即用于过程控制的OLE技术(OLE for Process Control)；以Windows的对象链接和嵌入(OLE)、组件对象模型(COM)、分布式COM(DCOM)技术为基础，定义了一套标准接口，在此接口上基于PC的软件组件能交换数据；采用客户/服务器模式，OPC服务器是数据供应方，负责为OPC客户提供所需的数据，OPC客户是数据使用方，处理OPC服务器的数据；OPC的作用是在工业控制软件中，为不同类型服务器与不同类型客户搭建一座“桥梁”，通过它各客户/服务器间形成即插即用的、简单规范的链接关系，不同的客户软件能够访问任意的数据源。,8.4.4 OPC技术COM基础,工业网络集成技术,软件结构的发展,一个应用系统是一个单独的应用程序,组件化软件结构：把一个庞大的应用程序分成多个模块，每个模块保持一定的功能独立性。在协同工作时，通过相互之间的接口完成实际任务。,微软提出COM (Component Object Model)，它不仅定义了组件程序之间进行交互的标准，还提供了组件程序运行所需的环境。,8.4.4 OPC技术COM基础,工业网络集成技术,COM标准包含规范和实现两部分,规范部分定义了组件和组件之间通信的机制。这些规范不依赖特定的语言环境和操作系统；COM标准的实现部分是COM库，为COM规范的具体实现提供了一些核心服务；在COM标准中，一个组件程序即为一个模块，它可以是一个动态链接库（DLL），称为进程内组件，也可以是一个可执行程序，称为进程外组件；一个组件程序可以包含一个或多个组件对象；在程序和程序之间进行通信时，通信双方都应该是组件对象，也叫COM对象，而组件程序（COM程序）是提供COM对象的代码载体。,8.4.4 OPC技术COM基础,工业网络集成技术,COM对象,COM组件提供给客户的是以对象形式封装起来的实体。客户程序与COM组件程序进行交互的实体是COM对象，它并不关心组件模块的名称和位置，但必须知道在和哪个COM对象进行交互；COM对象包括属性（状态）和方法（操作）；在COM模型中，对象本身对于客户来说是不可见的。客户请求服务时，只能通过接口进行。每一个COM对象是用一个128位的全局唯一标识符来标识的。,8.4.4 OPC技术COM基础,工业网络集成技术,COM接口,COM接口是包含了一组函数的数据结构，通过这组数据结构，客户代码可以调用组件对象的功能；,接口具有特性： 二进制特性； 接口不变性； 继承性（扩展性）； 多态性。,COM规范要求一个COM对象如果实现了多个接口，则可以从某个接口得到该对象的任意其他接口，这是通过接口的QueryInterface()函数实现的；,8.4.4 OPC技术COM基础,工业网络集成技术,COM特性,语言无关性；进程透明性；,8.4.4 OPC技术COM基础,工业网络集成技术,COM特性,进程透明性；,在同一机器上采用本地过程调用LPC,在不同机器上采用远程过程调用RPC,Proxy：代理；Stub：存根,8.4.4 OPC技术COM基础,工业网络集成技术,COM标准有3种通信机制用于客户程序与COM组件之间的通信：可连接对象、数据通报机制和DCOM技术。,COM中的双向通信机制；可连接对象的双向通信机制；DCOM技术,8.4.4 OPC技术COM基础,工业网络集成技术,DCOM技术,PROFINET,代理(Proxy)与存根(Stub),8.4.4 OPC技术COM基础,PROFINET,8.4.4 OPC技术COM基础,PROFINET,8.4.4 OPC技术OPC技术优势,OPC对数据源与数据用户间连接关系的改善,开发商可以将开发驱动服务程序的大量人力与资金集中到对单一OPC接口的开发，只需开发一个高度优化的、可重复使用的OPC服务器访问底层的硬件；OPC兼容组件降低系统集成费用，用户可把精力集中在解决有关自动化功能的实现上，缩短应用程序的开发周期。,8.4.4 OPC技术OPC技术优势,OPC模式的连接示例,8.4.4 OPC技术OPC技术优势,OPC规范为OPC服务器规定了两种接口：客户接口(CI:Custom Interface) 必须由每一个OPC服务器提供，是访问过程变量的有效通道。自动化接口(AI:Automation Interface)是对客户接口的进一步封装，面向解释程序开发环境，是可选项。,8.4.4 OPC技术OPC的对象和接口,8.4.4 OPC技术OPC的对象和接口,自动化接口,定制接口,按照功能不同，OPC每种接口可分为3种类型：OPC报警和事件访问接口(OPC AE)OPC历史数据访问接口(OPC HDA)OPC数据访问接口(OPC DA)OPC服务器(OPC-Server)：服务供应者，通常是一个COM目标，是OPC组对象的容器。OPC组(OPC-Group)：是OPC客户使用的OPC项的逻辑结构单位。一个组可包含多个OPC项。OPC项目(OPC-Item)：通过项标识ID区分，它具有一个数值、一个状态信息和一个时间标志。,8.4.4 OPC技术OPC的对象和接口,OPC数据存取服务器中对象及OPC客户的相互关系,OPC服务器对象创建OPC组后，将组对象的指针传递给客户，由客户直接操纵组对象。因而提高了存取速度且易于功能扩展,8.4.4 OPC技术OPC数据存取规范(定制接口),OPC服务器对象,是OPC服务器程序暴露的主要对象，客户程序首先创建该对象再通过其接口完成所需的功能,8.4.4 OPC技术OPC的对象和接口,OPC服务器必须的对象有：IUnknown 所有COM组件都必须实现的一个基本的标准接口，它为客户程序提供了QueryInterface()的方法进行接口查询，并且引用计数的方法决定COM对象的生存周期。IOPCServer OPC服务器对象的主要接口。客户程序可通过该接口创建、查询和删除组对象，并了解OPC服务器自身的信息。IOPCCommon 是各类OPC服务器都使用的接口，通过该接口可为某个特定的客户/服务器对话设置和查询本地标志。IConnectionPointContainer 是COM规范中的标准接口，用于实现服务器程序向客户程序发送通知或事件。,8.4.4 OPC技术OPC的对象和接口,OPC组对象,提供了一种让客户组织数据的方法，用户可以将与逻辑相关的一组数据作为OPC项添加到同一个组当中,8.4.4 OPC技术OPC的对象和接口,OPC组对象IOPCItemMgt 允许客户程序组对象添加、删除和管理其包容的OPC项。IOPCGroupStateMgt 客户程序通过该接口来管理整个组对象的状态。IOPCsyncIO 客户程序通过该接口进行同步数据存取操作。IOPCAsyncIO2 客户程序通过该接口进行异步数据存取操作，与IConnectionPointContainer接口一起使用。 和IOPCAsyncIO 客户程序通过该接口进行异步数据存取操作。与IDataObject接口结合使用。,8.4.4 OPC技术OPC的对象和接口,OPC项对象表示了与OPC服务器中数据的连接，包括值(Value)、品质(Quality)、时间戳(Time Stamp)三个基本属性值的数据类型为VARIANT，表示实际的数值；品质标识数值是否有效；时间戳反映从设备读取数据的时间或者服务器刷新其数据存储区的时间。,8.4.4 OPC技术OPC的对象和接口,基于OPC技术的现场总线系统集成,典型ABB的AC800M系统组成,基于OPC技术的现场总线系统集成,短程无线数据通信,WWAN,WMAN,WLAN,WPAN,传输范围,0.01,10,1,0. 1,100,1000,数据传输率（Mbps）,1 短程无线网络标准,1 短程无线网络标准,文本,因特网/声音,压缩图片,多通道数字图像,低高,短程长程,1 短程无线网络标准,2 无线通信的一组术语,ISM(Industrial Scientific Medical)频段：为保证各种用途的无线通信之间互不干扰，需要对无线频道的使用实行管理。ISM频段位无线通信管理部门规定的一些无需获准许就可以应用的频段。我国目前可以使用的ISM频段位433MHz和2.4GHz。短距离无线通信系统大多数工作在ISM频段上。无线频率分割：为了有效实现同一范围内多个节点间的无线通信，必须防止通信帧在传输过程中的相互碰撞。无线频率分割可将频段的频率带宽分解为多个窄带宽的子信道，各子信道的带宽相对独立。扩频与解扩：扩频指对通信信号的频谱扩展，展宽数字信号的频带宽度。采用扩频传输具有抗干扰能力强、可进行多址通信、安全保密、抗多径干扰等特点。包括直接序列扩频（DSSS）、跳频扩频（FHSS）等。,2 无线通信的一组术语,直接序列扩频（DSSS）：直接利用某种宽频伪码实现通信信号的频谱扩展。 跳频扩频（FHSS）：无线通信的收发双方在通信中使用的载波频率受某种伪随机码的控制而离散变化，控制射频载波振荡器的输出频率，使信号的发射频率不断以不等间隔随机跳变。只有知道跳频规律才能正确接收所传输的信息。采用跳频通信具有信号隐蔽、不易被截获、抗干扰能力强等优点。接入点（AP）:一个无线节点与另一个无线节点之间的通信通常需要经过其它节点中转。这些中转点就是无线通信的接入点。无线漫游：终端节点通过自动发现附近信号强度最大的AP，并通过该AP收发数据，与网络保持不间断的连接，这个过程称为无线漫游。,3 蓝牙通信的特点,工作在全球开放的2.4GHz ISM频段； 使用跳频频谱扩展技术； 一台蓝牙设备可同时与其它七台蓝牙设备建立连接； 数据传输速率可达720kbit/s； 低功耗、通讯安全性好； 在有效范围内可越过障碍物进行连接，没有特别的通讯视角和方向要求； 支持语音传输； 组网简单方便,4 ZigBee技术,低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作624个月，在相同条件下，蓝牙能工作数天，WiFi仅能工作数小时。 低成本。通过大幅简化协议(不