集散控制-第5章_2012

第五章 现场总线技术与网络技术,结束,首页,上页,下页,末页,第五章 现场总线技术与网络技术,5.1 工业数字数据通信5.2 系统网络 5.3 现场总线,DCS通讯网络系统的特点,DCS通讯网络系统的特点： 1、具有快速的实时响应能力； 2、具有极高的可靠性； 3、适应于恶劣的环境下工作； 4、分层结构。,通讯网络系统的组成,1、信息源和信息接收者是信息的产生者和使用者。信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信息源和离散信息源；信息源产生信息的种类和速率不同，因而对传输系统的要求也各不相同。2、发送设备的基本功能是将信息源和传输介质匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式送往传输媒介。信源编码是把连续信息变换为数字信号；而信道编码则是使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性、有效性。发送设备还要包括为达到某种特殊要求所进行的各种处理。,通讯网络系统的组成,3、传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。传输介质固有特性和干扰特性直接关系到变换方式的选择。4、接收设备完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。,结束,首页,上页,下页,末页,5.1工业数据数字通信数字通信的编码方式,数字通信一般采用以下几种方式传输：1、数字数据通过模拟信号传输，也称为调制解调；2、数字数据通过数字信号传输。基本概念及术语： 传输速率、传输方式、基带传输、载带传输、宽带传输、异步传输、同步传输、串行传输、并行传输。,结束,首页,上页,下页,末页,5.1工业数据数字通信数字通信的编码方式,数据编码是将数据表示成某种特殊的信号形式以便于数据的可靠传输，即用数字信号表示数字信息。数字信号编码技术通常包括：1、单极性编码2、极化编码 1）非归零编码 2）归零编码 3）双相位编码（曼彻斯特编码、差分曼斯特）3、双极性编码,结束,首页,上页,下页,末页,非（不）归零编码 非归零编码是指在一个码元时间范围内电压保持恒定值。通常又将不归零编码分为单极性不归零编码和双极性不归零编码。单极性不归零编码，用正电压表示 1，零电压表示 0。每个码元的中点作为采样时间，判决门限作为幅度电平 (即0.5V), 若接收的信号值在 0.51.OV 之间，就判定为 1； 若接收的信号值在 00.5V 之间，就判定为 0。每秒钟发送的二进制码元数称为码速，单位为波特(baud)。,5.1工业数据数字通信数字通信的编码方式,结束,首页,上页,下页,末页,曼彻斯特编码（平衡、归零、单极性）为了使接收方与发送方的时钟保持同步，采用的另一种编码方法是曼彻斯特编码。在这种编码中，每一码元中间都有跳变，它采用的是自同步方法，也就是说，该跳变既可以作为时钟信号，又可以作为数字信号。波形的变化过程可表示为：跳变发生在每一码元的中间，由高电平跳到低电平表示为 1；低电平跳到高电平表示为 “0”。如果出现连续的 “1” 或 “0” 码时，则在码元之间也存在跳变。,5.1工业数据数字通信数字通信的编码方式,结束,首页,上页,下页,末页,调制解调技术 为了解决数字信号在模拟信道中传输产生的失真问题，一般采取的方法是利用调制器将数字信号进行模拟数据编码，也既是进行调制。所谓调制就是进行波形变换，或者更严格些说, 调制就是进行频谱变换, 将基带数字信号的频谱变换成为适合于在模拟信道中传输的频谱。最基本的调制方法有以下几种：调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）,5.1工业数据数字通信数字通信的编码方式,结束,首页,上页,下页,末页,5.1工业数据数字通信数字通信工作方式,在计算机网络通信中通常有两种通信方式，即并行通信和串行通信。并行通信多用于计算机内部各部件之间，或近距离设备之间的数据通信，其优点是通信速度快。串行通信可用于远距离数据通信，用于网络通信中，即经济又实际，是一种较好的方案。,结束,首页,上页,下页,末页,5.1工业数据数字通信数字通信工作方式,1并行通信 并行通信一般以字长为单位进行传输，与字长位数相等的并行线路将同时传输整个字长的二进制比特位。一个字节8位同时传输。,结束,首页,上页,下页,末页,2串行通信串行通信是以二进制比特为单位在一根信号线上将数据一位一位地传输。在局域网和远程通信中一般采用串行传输方式。在工业控制数据通信中，一般采用中低速异步串行数据通信方式，在可接受的价格下，实现有效、实时的无差错数据传输。,5.1工业数据数字通信数字通信工作方式,结束,首页,上页,下页,末页,3. 数据传输方向在串行通讯中，通信方式分三类：单工通信、半双工通信和全双工通信。(1) 单工通信（单向通信）：即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。例如：无线电广播、有线广播以及电视广播等。,5.1工业数据数字通信数字通信工作方式,结束,首页,上页,下页,末页,(2) 半双工通信（双向交替通信）：即通信的双方都可以在同一信道上发送或接收信息，但不能同时发送（也不能同时接收）。对讲机就是采用半双工通信方式，轮流使用通信信道进行语音数据传输。(3)全双工通信（双向同时通信）：允许接收、发送双方在同一时间内沿着各自的信道进行数据传输。调制解调器就是采用全双工通信方式。单向通信只需要一条信道，而半双工通信或全双工通信则都需要两条信道（每个方向各一条）,5.1工业数据数字通信数字通信工作方式,结束,首页,上页,下页,末页,5.1工业数据数字通信差错控制,在数据传输过程中，由于干扰等因素的影响难免出现错码，为了保证数据在传输过程中的安全与可靠, 差错控制提出了检错和纠错的可行性方案。引起传输差错的噪声分为两类 : 一类是热噪声 : 另一类是冲击噪声。由热噪声引起的差错称之为随机差错； 冲击噪声是由外界干扰而引发的噪声, 它在时间上是短暂的，将冲击噪声引起的差错称为突发差错。,结束,首页,上页,下页,末页,5.1工业数据数字通信工作方式,通常有三种数据交换方式： 1、线路交换方式 在需要通信的两个节点之间建立一条实际的物理连接，交换完数据后再拆除物理连接。 2、报文交换方式 数据经由中间节点的存储转发功能实现数据交换。报文由要发送的数据加上目的地址、源地址和控制信息组成。报文在传输之前并无确定的传输路径。 3、报文分组交换方式,结束,首页,上页,下页,末页,5.2.1 开放式系统互联参考模型（Open System Interconnection Reference Model）国际标准化组织（International Standardization Organization）（ISO）提出的开放式系统互联（OSI）参考模型（RM），是网络系统遵循的国际标准。此标准是一个概念上和功能上的框架标准。,5.2 系统网络互联参考模型,结束,首页,上页,下页,末页,5.2系统网络互联参考模型,OSI参考模型是研究如何把开放式系统与其他系统通信，且将相互开放的系统连接起来的标准。其根本目的就是，允许任意一支持某种可用标准的计算机的应用进程，自由地与任何支持同一标准的计算机的应用进程进行通信。,结束,首页,上页,下页,末页,OSI参考模型分为七层第一层，物理层（Physical Layer）。第二层，数据链路层（Data Link Layer）第三层，网络层（Network Layer）第四层，传输层（Transport Layer）第五层，会话层（Session Layer）第六层，表示层（Presentaotion Layer）第七层，应用层（Application Layer）,5.2系统网络互联参考模型,结束,首页,上页,下页,末页,5.2系统网络互联参考模型,结束,首页,上页,下页,末页,（1）物理层 物理层的任务就是透明的传输比特流，在物理层传数据的单位是比特。传输信息所利用的一些物理媒体，如：双绞线、同轴电缆、光缆等，并不在物理层内，而是在物理层下面，因此也把传输用的物理媒体当做第0层。所谓透明传输，主要指通过实际电路传输后，比特流没有发生任何变化，电路不对比特流的传输产生任何影响。实际比特流在电路中传输时，肯定会受到介质和环境的很大影响，物理层就要解决和消除这些影响，使比特流从一端物理层发出到另一端物理层接受后得到原原本本的复现。,5.2系统网络互联参考模型,结束,首页,上页,下页,末页,物理层不必考虑所传输的比特代表什么意思，但物理层要考虑多大的电压代表“1”或“0”，以及在发送端发出比特“1”时，在接收端如何识别出所接收的比特是“1”而不是“0”。物理层还要确定链接电缆的插头应当有多少条腿，以及各条腿应如何连接。,5.2系统网络互联参考模型,结束,首页,上页,下页,末页,（2）数据链路层 数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传输以“帧”为单位的数据。每一帧包括数据和必要的控制信息。在传输数据时，若接受结点检测到所接受的数据有差错，就要通知发送方重发这一帧数据，直到这一帧正确无误的到达接收结点为止。在每一帧所包括的控制信息中有：同步信息、地址信息、差错控制信息和流量控制信息等。,5.2系统网络互联参考模型,结束,首页,上页,下页,末页,（3）网络层 在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能要经过多个结点和链路，也可能要经过好几个不同的路由器互联的通信子网。在网络层，数据的传送的单位是：分组或包。网络层的任务就是要选择合适的路由，使发送站的运输层所传下来的分组能够正确无误地按照地址找到目的地站，并交付给目的站的运输层。这就是网络层的寻找功能。对于由广播通道构成的通信子网，路由问题很简单，因此这种子网的网络层非常简单，甚至可以没有。,5.2系统网络互联参考模型,结束,首页,上页,下页,末页,4）传输层 在传输层信息传输的单位是“报文”。当从上一层接收的报文较长时，先把它分割成若干分组，然后再交给下一层（网络层）进行传输。传输层的任务是根据下面通信子网的特性最佳地利用网络资源，并以可靠和经济的方式，为两端主机的进程之间建立一条或多条运输链接，以透明地传送报文。,5.2系统网络互联参考模型,结束,首页,上页,下页,末页,5.会话层会话层不参与具体的数据传输，但它却对数据传输进行管理。它在两个互相通信的进程之间，建立、组织和协调其交互。例如，确定是双工工作（每一方同时发送和接收），还是半双工工作（每一方交替发送和接收）。,5.2系统网络互联参考模型,结束,首页,上页,下页,末页,6.表示层表示层主要解决用户信息的语法表示。表示层将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法，交换为适合OSI系统内部使用的传送语法。,5.2系统网络互联参考模型,结束,首页,上页,下页,末页,（7）应用层 应用层是互连体系结构中的最高层。应用层确定进程之间通信的性质以及满足用户的需要（这反映在用户所产生的服务请求）。应用层直接为用户的应用进程提供服务。,5.2系统网络互联参考模型,结束,首页,上页,下页,末页,5.2系统网络通信协议,在计算机网络中要做到有条不紊地交换数据，必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则明确规定了所要交换的数据的格式以及有关的同步问题等。这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即称为网络协议。更进一步讲，网络协议主要由以下三要素组成：,结束,首页,上页,下页,末页,（1）语法(syntax)，即数据与控制信息的结构或格式；（2）语义(semantics)，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及作出何种应答；（3）同步（timing），即速度匹配与对事件实现顺序的详细说明,5.2系统网络通信协议,结束,首页,上页,下页,末页,计算机网络协议的分层可以带来以下的好处：（1）各层之间是独立的。某一层并不需要知道它下一层是如何实现的，而仅仅需要知道该层通过层间接口（即界面）所提供的服务。由于每一层只实现一种相对独立的功能，因而可将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的更小一些的问题，这样整个问题的复杂程度就降低了。,5.2系统网络通信协议,结束,首页,上页,下页,末页,（2）灵活性好。当任何一层发生变化时（例如由于技术的变化），只要层间接口关系保持不变，则对此层以上和以下各层均不影响。此外，对某一层提供的服务还可以进行修改。当某层提供的服务不再需要时，甚至可以将这层取消。,5.2系统网络通信协议,结束,首页,上页,下页,末页,（3）结构上可以分割开。各层都可以采用最合适的技术来实现。（4）易于实现和维护。这种结构使得实现和调试一个庞大而又复杂的系统变得易于处理，因为整个系统已被分割为若干个相对独立的子系统。（5）能促进标准化工作。因为每一层的功能及其所提供的服务都已有了精确的说明。,5.2系统网络通信协议,结束,首页,上页,下页,末页,5.2系统网络 TCP/IP,TCP/IP协议并没有遵循OSI协议7层结构的要求。但目前已经得到全世界的承认，使用最广，占有特殊重要的地位。在Internet所使用的各种协议中，最重要的和最著名的就是两个协议，即传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)和网际协议IP(Internet Protocol)。但是现在人们经常提到的TCP/IP并不一定是指这两个具体协议，而往往是表示Internet所使用的体系结构或是指整个TCP/IP协议族。,结束,首页,上页,下页,末页,TCP/IP体系共四个层次。由于TCP/IP在设计时考虑到要与具体的物理传输媒体无关，因此在TCP/IP的标准中并没有对数据链路层和物理层做出规定，而只是将最低的一层取名为网络接口层。如果不考虑没有多少 内容的网络接口层，那么TCP/IP体系实际上只有三个层次：应用层、运输层和网际层。,5.2系统网络 TCP/IP,结束,首页,上页,下页,末页,5.2系统网络网络的拓扑结构,1.星型结构2.环型结构3.总线型结构4.树状结构5.网状结构6.蜂窝拓扑结构,结束,首页,上页,下页,末页,5.3 现场总线,国际电工委员会 (IEC)于 1999 年决定: 保留现场总线国际标准中的 IEC 技术报告,并将它作为国际标准 IEC 61158 的类型1, 采纳 ControlNet 、Profibus、P-Net、FF HSE、 Swift Net、 WordFIP、 Interbus 现场总线作为类型 2 到类型 8, 形成了目前多种现场总线并存的局面。,结束,首页,上页,下页,末页,5.3现场总线,5.3.1 现场总线的产生和发展随着微处理器与计算机功能的增强和价格的降低, 计算机网络得到高速发展, 而处于生产过程底层的测控自动化系统仍采用一对一连线,用电压、电流的模拟信号进行测量和控制,难以实现设备与设备之间以及系统与外界之间的信息交换, 使自动化系统成为“信息孤岛”。,结束,首页,上页,下页,末页,5.3现场总线,要实现整个企业的信息集成和综合自动化, 就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠的、造价低廉的通信系统, 形成现场的底层网络, 完成现场自动化设备之间的多点数字通信。现场总线就是在这种实际需要的驱动下应运而生的。现场总线 (Fieldbus) 是应用在生产现场的,在测量控制设备之间实现双向、串行、多点通信的数字通信系统。基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统。,结束,首页,上页,下页,末页,5.3现场总线,现场总线把通用或专用的微处理器嵌入传统的测量控制仪表, 使之具有数字计算和数字通信能力, 采用一定的媒体作为通信总线, 如双绞线、同轴电缆、光纤、无线、红外等, 按照公开、规范的通信协议, 在位于现场的多个设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间, 实现数据传输和信息交换, 形成适应实际需要的自动化控制系统。 FCS 实质是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布控制系统 , 已成为 21 世纪控制系统的主流。,结束,首页,上页,下页,末页,5.3现场总线,实现现场总线技术所需做的工作可概括如下 :制订出国际现场总线通信及技术标准。自动化厂商按照标准生产具有标准接口的各种自动化类产品 , 包括控制器、仪器仪表、传感器、执行机构、驱动装置及控制软件。实际应用中，使用一根通信电缆, 将所有现场设备连接到控制器，形成设备及车间级的数字化通信网络。,结束,首页,上页,下页,末页,5.3现场总线,现场总线是过程控制技术、仪表技术和计算机网络技术三个不同领域结合的产物。,结束,首页,上页,下页,末页,5.3现场总线,5.3.2 现场总线的技术特点按照 IEC 61158 标准, 现场总线是一种互连现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协议。也就是说, 现场总线是控制系统中底层的通信网络, 具有双向数字传输功能, 在控制系统中允许智能现场装置全数字化、多变量、双向、多节点, 并通过一条物理媒体互相交换信息。,结束,首页,上页,下页,末页,5.3现场总线,现场总线的设计要求利用数字通信代替 4mA20mA 模拟信号。一条总线上可以接入多台现场设备。实现真正的可互操作。 在现场设备上实现基本的控制功能。采用高速工业以太网作为 10OMbps 网络干线。,结束,首页,上页,下页,末页,5.3现场总线,1. 现场总线的技术特点A）系统的开放性。开放系统是指通信协议公开, 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设备层网络的开放系统。这里 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。一个开放系统可以与任何遵守相同标准的其他设备或系统相连。,结束,首页,上页,下页,末页,5.3现场总线,B）互操作性和互用性。互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。互用性意味着对不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换、互用。C）现场设备的智能化和功能自治性: 将系统的传感测量、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, 并完成自动控制的基本功能, 随时诊断设备的运行状态。,结束,首页,上页,下页,末页,5.3现场总线,D）系统结构的高度分散性: 现场总线构成一种新的全分布式控制系统的体系结构,简化了系统结构,提高了可靠性。E）对现场环境的适应性: 现场总线是专为在现场环境下工作而设计的,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, 能采用两线制实现供电与通信, 并可满足安全防爆要求等。,结束,首页,上页,下页,末页,5.3现场总线,2. 现场总线的优点现场总线使系统结构简化, 使控制系统的设计、安装、投入到正常生产运行及其检修维护工作简便。节省硬件数量与投资。现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能, 可以减少变送器的数量, 不再需要单独的控制器、计算单元等, 也不再需要 DCS 系统的信号调整、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线,节省了硬件投资。,结束,首页,上页,下页,末页,5.3现场总线,节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单。由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备, 因此电缆、端子、接线槽、桥架的用量大大减少, 连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时, 无需增设新的电缆, 可就近连接在原有的电缆上, 既节省了投资, 也减少了设计、安装的工作量。,结束,首页,上页,下页,末页,5.3现场总线,节省维护开销。现场控制设备具有诊断与简单故障处理的能力, 并将相关的诊断维护信息送往控制室。用户可以查询设备的运行情况,诊断维护信息,分析故障原因并快速排除，从而缩短了维护停工时间，减少了维护工作量。用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商提供的设备来集成系统,系统集成的主动权掌握在用户手中。,结束,首页,上页,下页,末页,5.3现场总线,提高了系统的准确性与可靠性。与模拟信号相比, 现场总线设备的智能化、数字化从根本上提高了测量与控制的准确度, 减少了传送误差。 因为系统结构简化, 设备与连线减少, 提高了系统的可靠性。 设计简单, 易于重构。,结束,首页,上页,下页,末页,5.3现场总线,5.3.3 几种有影响的现场总线1. 基金会现场总线基金会现场总线 (Foundation Fieldbus FF) 是目前最具发展前景,最具竞争力的现场总线之一, 1994 年成立现场总线基金会, 致力于开发统一的现场总线标准,其宗旨在于开发出符合 IEC 和 ISO 标准的、惟一的国际现场总线。基金会现场总线的通信模型以 OSI模型为基础 , 采用了物理层、数据链路层、应用层, 并在其上增加了用户层, 各厂家的产品在用户层的基础上实现。基金会现场总线采用的是令牌总线通信方式, 可分为周期通信和非周期通信。基金会现场总线包括低速总线(H1)和高速总线(H2)。,结束,首页,上页,下页,末页,5.3现场总线,2. Profibus 总线是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通及电力等领域自动化。Profibus 1996 年3月被批准为欧洲标准, 目前支持 Profibus 标准的产品超过 2000 多种,分别来自国际上250 多个生产厂家。目前在世界各地相继组建了 20 个地区性的用户组织, 企业会员近 650 家。1997 年组建了中国现场总线 (Profibus) 专业委员会 , 并筹建 Profibus 产品演示及认证的实验室。,结束,首页,上页,下页,末页,5.3现场总线,3. WorldFIP 总线19901991 年 WorldFIP 现场总线成为法国国家安全标准 ,1996 年成为欧洲标准(EN 50170V.3)。其下一步目标是靠近 IEC 标准 , 在技术