8 现场总线技术及其应用

现场总线技术及其应用 现场总线概述现场总线的原理及其发展概况几种典型的现场总线现场总线控制系统与工业企业网 现场总线概述 现场总线简介现场总线的种类现场总线的发展与未来现场总线的应用 现场总线简介 现场总线 现场总线是应用在输出现场 在微型计算机测量控制设备之间实现双向串行多点数字通讯的系统 底层控制网络 具有开放式 数字化和多点通讯的特点 应用领域 制造业 流程工业 交通和楼宇方面的自动化系统 现场总线控制系统 FieldbusControlSystem 采用现场总线 将智能设备连接在一起 实现基本控制 补充计算 参数修改 报警 显示 监控 优化及管控一体化的综合自动化系统 涉及智能传感器 控制 计算机 数字通讯和网络技术 是继基地式气动仪表控制系统 电动单元组合式模拟仪表控制系统 集中式数字控制系统 集散控制系统后新一代控制系统 底层控制网络 Infranet 1 负责将现场测量控制设备联成网络 实现不同网段 不同现场设备间的信息共享 2 实现现场测量和控制 即将现场设备的运行状况等信息送往控制室 同时将各种控制 维护和组态指令送往现场设备 因此要求具有实时性 可靠性 现场总线的种类 现场总线组织FF FieldbusFoundation现场总线基金会 1994年9月由ISP和WORLDFIP集团共同制定的现场总线准国际标准 全功能数字网络 提供从物理层到用户层的所有功能 包括IEC ISA 美国国家标准 Porfibus PA和DP 德国国家标准 FIP 法国国家标准 Lonworks Echelon公司 等 传感器网络 在CAN ControllerAreaNetwork 德国Bosch公司 基础上建立起来的总线标准 包括DeviceNet Lockwell公司 SDS Honeywell公司 等数字信号串行线 不提供应用层和用户层 Seriplex Interbus S ASI等 现场总线的发展未来 国际标准统一FCS系统取代DCS系统与工业企业网的融合 Intranet 现场总线的应用 现场总线的原理及其发展概况 现场总线的实质现场总线的结构现场总线的发展概况现场总线的特点与优点 现场总线的实质 现场总线的定义 ISASP50的定义 是一种串行的数据链路 它沟通了工程控制领域的基本控制设备之间以及更高层自动控制领域自动化控制设备之间的联系 国际电工 IEC和FF的定义 连接智能现场设备和自动化系统的数字式 双向传输 多分支结构的通讯网络 现场通讯网络 用于现场设备互联的通讯网络现场设备互联 用不同介质连接现场设备互操作性 不同品牌的现场设备的即插即用分散功能模块 控制算法可置于现场设备中 形成虚拟控制站 实现彻底的分散控制通讯线供电 现场设备和仪表可直接从通讯线上取电开发式互联网络 可以与不同层网络互联 实现不同厂商的软 硬件产品的统一组态 现场总线的实质 现场总线的协议制定协议依据 ISO的开发系统互联协议 OSI 实际制定的协议 OSI中的某些层OSI协议 7层协议结构现场总线系统的组成 现场设备形成系统的传输介质 现场总线的结构 物理层规定传输介质 传输速率 每条线可接仪表数量 最大传输距离 电源及连接方式和信号类型本安型与非本安型 网络通讯段数量 长度不同H1b标准与4 20mA标准 设备电路不同连接的设备类型不同数据链路层规定了物理层与数据层间的接口 包括数据结构 差错识别处理 噪声检查 通过帧数据的校验保证信息的正确性和完整性 控制对传输介质的访问 应用层为用户提供简单的接口 定义了如何读 写 解释和执行一条信息或命令 定义了传输信息的方式 规定了如何初始化网络等 用户层把数据规格化为特定的数据结构 由10个标准模块 AI AO PID 组成 19个附加的算术功能块 使用这些模块 用户可以组成手动控制 反馈控制 前馈控制 比例控制 串级控制等控制算法 现场总线的发展概况 现场总线的发展是综合自动化的发展需要计算机集成制造系统 未来生成制造业的发展趋势 综合自动化 在信息采集 加工的基础上 运用网络和数据库技术 实现信息集成 在集成信息的基础上进一步优化生产与操作 增加产量 改善TQCS 提供企业竞争能力 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础传输信号的数字化 以微处理器为核心进行仪表的数字化现场总线将朝着开发系统 统一标准的方向发展1984年美国仪表协会开始制定现场总线标准1985年国际电工委员会决定由PWG负责现场总线标准研究1986年德国开始制定过程现场总线标准1992年80家公司开始联合 成立ISP组织1993年120个公司组织成立FIP组织1994年成立成立现场基金会组织FF 1996年颁布低速总线标准H1各行业公司推出自己的标准 CAN LonWorks 现场总线的特点和优点 特点系统的开发性互操作性与互用性系统结构的高度分散性对现场环节的适应性一对N的结构可控状态互换性综合功能统一组态 优点节省硬件数量和投资节省安装费用节省维护开销用户具有高度的系统集成权 选择权 几种典型的现场总线 控制层现场总线ControlNet 概述 ControlNet是一种面向控制层的实时性现场总线网络 在同一物理介质上提供时间关键性I O数据和报文数据 包括程序上 下载 组态数据 和端到端报文传递 具有高度的确定性和可重复性 适用于控制关系复杂关联 要求控制信息同步 协调实时控制 输出数据速率高的应用场合 ControlNet协议规范采用生成者 消费者通讯模式传统的是源 目的网络模式实时性得不到保证 一组数据可以发送到多个节点由节点有选择性接收 几种典型的现场总线 控制层现场总线ControlNet 优点同一链路可满足各种不同信息传输要求 是确定性和可重复性的控制网络 适用于离散控制 过程控制同一链路允许多个控制器同时共存 支持输入数据和端到端的多路发送可选的介质冗余合本征安全安装和维护简单网络节点居于对等地位 可以从任意节点实现数据存取灵活的拓扑结构 总线 星形 树形 和介质选择 几种典型的现场总线 控制层现场总线ControlNet 其他几种典型现场总线 设备层现场总线DeviceNet 基于CAN技术的开放标准 三层协议结构 罗克韦尔ProfiBus协议 非完全开放的标准 德国FF总线由FF组织提出 三层协议结构 国际LonWorks控制网络和Lon总线端到端的控制系统解决方案 七层协议结构 Echleon公司CAN总线开放系统 二层协议结构 德国Bosch公司 典型控制网络体系结构 基本层次信息层 处于最上层 数据量大 但对实时性要求不高 与数据库技术 互联网技术 数据分析处理技术关系密切控制层 连接不同设备 实时性高 通讯是确定的 可重复的设备层 控制网络底层 数量巨大 通讯速度不一定很高 但容错 智能 典型控制网络结构 罗克韦尔公司设备层 采用DeviceNet设备 开关量传感器 执行器 条形码扫描器 变频器驱动接口