1 现场总线基础知识ppt课件

现场总线技术 一 现场总线基础知识 现场总线简介现场总线的发展现场总线的特点与优点几种有影响的现场总线 1 现场总线简介 FieldBus 当今自动化领域技术发展的热点之一 被誉为自动化领域的计算机局域网 它的出现标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始 为什么要引入现场总线 现场设备 为提高其性能价格比 在实现其内部操作时都采用微处理器和数字化元件 提出了必须在这些领域的数字设备之间实现数字通信的要求 现场总线满足这种要求 1 现场总线简介 现场总线的概念 是连接智能现场设备和自动化系统的全数字 双向 多分支结构的通讯网路 是底层控制网络的最高层次 解决问题 现场的智能化仪器 仪表 控制器 执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题 主要用于 制造业 流程工业 交通 楼宇等方面的自动化系统中 现场总线控制系统 FieldbusControlSystem FCS 压力 温度流量 开关量 智能阀 PLC 监控计算机 网关 现场总线 2 现场总线的发展 1 早期的控制系统主要是模拟仪表控制系统 设备之间传输的信号为1 5V或4 20mA的直流模拟信号 信号的精度较低 传输过程中易受干扰 2 以单片机 计算机和PLC为控制器的集中数字控制系统 其内部传输的是数字信号 克服了模拟仪表中信号精度较低的缺点 提高了抗干扰能力 整个系统的可靠性低 风险高度集中 控制计算机 开关量 D A 开关量 A D 被控现场 执行器 现场连线 被控制变量 控制变量 干扰 集中控制结构示意图 干扰 控制计算机 CRT操作站 通道指挥器 基本调节器1 基本调节器2 基本调节器3 输入 输出 DCS结构示意图 3 以集中管理 分散控制为核心思想的集散控制系统 DCS 在20世纪末期逐步占据了主导地位 4 20mA信号是DCS系统及现场设备相互连接的最本质特点 网关通讯程序开发工作量大 信号要送到控制站 需要很多连线 4 现场总线控制系统 FCS 采用了开放的 可互连的网络技术将现场的各种控制器和仪表设备相互连接 把控制功能彻底下放到现场 降低了安装成本和维护费用 现场总线与DCS的网络结构比较 3 现场总线的结构特点 按照国际标准化组织 ISO 制定的开放系统互连 OSI 参考模型建立 将七层简化成三层 分别由OSI参考模型的第一层物理层 第二层数据链路层 第七层应用层组成 流量与差错控制由数据链路层完成 考虑现场总线的通信特点 有些现场总线还设置了一个现场总线访问子层 现场总线的特点 现场控制设备具有通讯功能 便于构成工厂底层控制网络 数字方式取代设备级的模拟量 4 20mA 0 5V等信号 和开关量信号 通信标准的公开 一致 使系统具备开放性 设备间具有互可操作性 功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性 控制功能下放到现场 使控制系统结构具备高度的分散性 现场总线的优点1 全数字化将企业管理与生产自动化有机结合一直是工业界梦寐以求的理想 但只有在FCS出现以后才有可能高效 低成本地实现 生产管理的局域网能够与用于自动控制的现场总线网络紧密衔接 此外 数字化信号固有的高精度 抗干扰特性也能提高控制系统的可靠性 现场总线使自控系统与设备加入工厂信息网络 成为企业信息网络底层 使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场 全分布各现场设备有足够的自主性 它们彼此之间相互通信 完全可以把各种控制功能分散到各种设备中 而不再需要一个中央控制计算机 实现真正的分布式控制 现场总线的优点2 全开放1999年底现场总线协议已被IEC批准正式成为国际标准 从而使现场总线成为一种开放的技术 双向传输传统的4 20mA电流信号 一条线只能传递一路信号 现场总线设备则在一条线上既可以向上传递传感器信号 也可以向下传递控制信息 现场总线的优点3 节省布线及控制室空间传统的控制系统每个仪表都需要一条线连到中央控制室 在中央控制室装备一个大配线架 现场总线技术使多台现场设备可串行连接在一条总线上 这样只需极少的线进入中央控制室 大量节省了布线费用 互操作性现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操作 这样就可以在一个企业中由用户根据产品的性能 价格选用不同厂商的产品 集成在一起 促进了有效的竞争 降低了控制系统的成本 为用户提供了更为灵活的系统集成主动权 现场总线的优点4 智能化与自诊断性现场总线设备能处理各种参数 运行状态信息及故障信息 具有很高的智能 能在部件 甚至网络故障的情况下独立工作 大大提高了整个控制系统的可靠性和容错能力 通讯线供电允许现场仪表直接从通讯线上摄取能量 总线供电方式 4 现场总线国际标准 1984年 美国仪表协会 ISA 下属的标准与实施工作组中的ISA SP50开始制定现场总线标准 1985年 国际电工委员会决定由ProwayWorkingGroup负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作 1986年 德国开始制定过程现场总线 ProcessFieldbus 标准 简称为PROFIBUS 由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕 4 现场总线国际标准 现场总线技术起源于欧洲 目前以欧 美 日地区最为发达 世界上已出现过的总线种类近200种 经过十多年的竞争和完善 目前较有生命力的有十多种 并仍处于激烈的市场竞争之中 加之众多自动化仪表制造商在开发智能仪表通信技术中已形成的不同特点 使得统一标准的制订困难重重 但没有统一标准 用户就难以把不同制造商生产的仪表集成在一个系统中 因此 现场总线在过程控制中实际应用 就延误到九十年代后期才实现 为什么有这么多标准 技术原因 不同行业标准和用户习惯的继承 不同类型网络互联的协议制定 商业利益 标准要参照现存的企业集团或国家标准 吸取众家之长 互不相让 各干各的 导致目前多种总线共存的局面 现场总线国际标准协议 IEC SC65C工业测量和控制数字通讯技术委员会 IEC SC17B低压开关设备和控制设备技术委员会 IEC61158 IEC62026 现场总线国际标准协议 特点 不同的应用背景背后有大公司支持成立国际组织4 国家或者地区标准 IEC61158 IEC61158 1FF H1 2ControlNet 3Profibus 4P Net 5FFHSE 6SwiftNet 7WorldFip 8Interbus 现场总线国际标准协议IEC62026 主从方式通讯 最多31个节点 传输速率166 66kbit s 已被列入欧洲国家标准 第1部分 一般要求第2部分 执行 传感器接口AS I第3部分 电器设备网络DeviceNet第4部分 LonTalk 已取消 第5部分 智能化分布系统SDS第6部分 串行多路控制总线SMCB 生产 消费通讯模式 最多64个节点 传输速率125 250 500kbit s 已被列入中国国家标准GB T18858 3 2002 5 现场总线系统组成 1 现场设备 2 传输介质 较多使用双绞线 名词 总线 节点 总线模块 主设备 从设备 现场总线接口 微处理器 传感器 A D 现场节点 工作站 现场总线 D A 执行器 7 总线访问方法 MediaAccess 主控 MasterControl 一个高级别的节点控制所有的信号传输 顺序和时间 除非主节点要求 其他节点不能通讯 Profibus DP在主站和从站之间采用这种访问方法 令牌方式 TokenPassing 是一种按一定顺序在各节点传递令牌的方法 每次循环每个节点有一次机会通讯 Profibus DP在主站和主站之间采用这种方法 CSMA访问方法允许每一节点通讯 只要该节点有信息要发布并且没有其他节点占用通讯线 当以CSMA方式操作时 有可能两个节点同时通讯 CD 冲突监测 collisiondetection 所有的发送器必须同时兼听传输线上是否有信息正在发送 如果两个节点同时开始发送 它们将兼听到发生了冲突 都停止通讯 等待一个任意长的时间 重新再发送 以太网采用这种访问方法 BA 逐位仲裁 Bitwisearbitration 地址最低的节点 优先级最高 享有继续通讯的权力 而另一个节点则停止通讯 DeviceNet采用这种访问方法 00000100优先级高00000101优先级低 CSMA冲突解决机制 8 几种有影响的现场总线 1 基金会现场总线FoundationFieldbus 简称FF 用于过程自动化领域 分低速H1和高速H2两种速率 H1的传输速率为31 25kbps 通信距离可达1900m 可加中继器延长 可支持总线供电 支持本质安全防爆环境 H2的传输速率为1Mbps和2 5Mbps两种 其通信距离为750m和500m 物理传输介质可支持双绞线 光缆和无线发射 协议符合IEC1158 2标准 H1支持点对点连接 总线型 菊花链型 树型拓扑结构 而H2只支持总线型拓扑结构 2 PROFIBUS是一种国际化的开放式现场总线标准 即EN50170欧洲现场总线标准 可广泛应用于制造加工自动化 过程自动化和楼宇自动化领域 Profibus的传输速率为9 6 12kbps 最大传输距离在12kbps时为1000m 1 5Mbps时为400m 可用中继器延长至10km 其传输介质可以是双绞线 也可是光缆 最多可挂接127个站点 支持PROFIBUS的自控厂商已多达250家 产品2000多种 应用项目20万个 安装的节点达250多万个 3 LonWorksLonWorks技术是采用神经元芯片 NeuronChip 技术 在ISO的OSI七层协议上实现的网络控制技术 采用面向对象的编程方法 使用网络变量或显式消息进行相互通信 其通讯速率从300bps 1 5Mbps不等 直接通讯距离可达2700m 支持双绞线 同轴电缆 光纤 射频 红外线 电力线等多种通信介质 WorldFIP现场总线 其具有单一的总线 可用于过程控制及离散控制 而且没有任何网桥或网关 低速与高速部分的衔接用软件的办法来解决 已有较完整的系列产 不像FF目前只有低速H1部分的产品 已具备与Internet Extranet Intranet互联网连接 CAN控制器局域网 Controllerareanetwork简称CAN 是德国Bosch公司于1983年为汽车应用而开发的 信号传输采用短帧结构 每一帧的有效字节数为 个 因而传输时间短 受干扰的概率低 在汽车制造业以及航空工业中受到广泛应用 通讯介质双绞线 同轴电缆和光导纤维 通讯距离与波特率有关 最大通讯距离可达10km 最大通讯波特率可达1Mbps CAN总线仲裁采用11位标识和非破坏性逐位仲裁总线结构机制 CAN总线采用了多主竞争式总线结构 具有多主站运行和分散仲裁的串行总线 DeviceNet DeviceNet是CAN的应用层协议的一种 CAN的应用层协议是在现有的底层协议物理层和数据链路层之上实现的高层协议 是在CAN规范的基础上发展起来的应用层 现场总线DeviceNet国家标准GB T18858 2002年12月1日发行的国家标准化管理委员会通报中 公布了DeviceNet现场总线已被批准为国家标准 DeviceNet中国标准的编号为GB T18858 3 2002 名称为 低压开关设备和控制设备控制器 设备接口 CDI 第三部分 DeviceNet 该标准于2002年10月8日被批准 并于2003年4月1日开始执行 DeviceNet列为国家标准的优势 1 与国际标准的接轨 IEC SC17B低压开关设备和控制设备技术委员会 IEC62026 GB T18858 2 更适合设备层 IEC SC65C工业测量和控制数字通讯技术委员会 IEC SC17B低压开关设备和控制设备技术委员会 IEC61158 IEC62026 较高层次总线 较底层次总线 DeviceNet列为国家标准的优势 DeviceNet列为国家标准的优势 3 更开放 全球DeviceNet供货商协会www odva org 中国DeviceNet供货商协会www odvachina org 一致性认证测试 应用更有前景开发周期短 自主知识