现场总线-现场总线控制系统概述

现场总线控制系统概述 0绪论0 1微机测控技术主要研究对象微机测控技术主要研究如何将检测与传感技术 计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程并设计出所需要的微机测控系统 0 2微机测控系统的组成与特点0 2 1微机测控系统的一般概念微机测控系统就是利用微型计算机来实现生产过程的自动测试与控制的系统 微机测控系统典型结构图 微机测控系统的工作原理可归纳为以下3步 实时数据采集 通过测量变送装置完成被控量的瞬时值的检测和输入 实时控制决策 对采集的数据进行分析和处理 按预定的控制策略决定采取何种控制行为 实时控制输出 根据控制决策 向执行机构发出实时控制信号 完成系统控制任务 实时的含义是指信号的输入 计算 输出都要在一定的时间间隔内完成 软实时RTOS 硬实时RTOS 在线是指 在微机测控系统中 生产过程与计算机直接连接并受计算机的控制 有时也称为联机方式 0 2 2微机测控系统的组成微机测控系统主要由被控对象 过程输入输出通道及计算机系统三部分组成 过程输入输出通道也叫生产过程通道 包括模拟量输入输出通道 数字量输入输出通道 测量变送 执行机构 电气开关等装置 0 2 3微机测控系统的软件组成系统软件 RTOS 应用软件 组态 先控 0 2 4微机测控系统的特点灵活性 规模 复杂度 适应性 嵌入式 微机测控系统组成结构框图 0 3微机测控系统的典型形式0 3 1操作指导控制系统这种形式的系统属于开环系统 计算机按照一定的时间间隔对生产现场的参数进行采样 处理 显示 打印或报警 操作人员根据这些结果进行设定值的修改或必要的操作 操作指导控制系统原理图 0 3 2直接数字控制系统直接数字控制 简称DDC 系统的基本思想是 利用微型计算机对多个被控参数进行巡回检测 并与给定值比较 然后按照预定的控制规律进行计算 最后发出控制信息完成对生产过程的控制 使被控参数稳定在给定值上 直接数字控制系统是计算机在工业生产过程控制中最普遍的一种应用方式 它要求实时性好 可靠性高 适应性强 直接数字控制系统原理框图 0 3 3监督计算机控制系统监督计算机控制 简称SCC 系统的基本思想是 微型计算机根据原始工艺信息和其它参数 按照描述生产过程的数学模型 自动改变模拟调节器或DDC微型计算机的给定值 从而使生产过程始终处于最优工况 监督计算机控制系统原理框图a SCC 模拟调节器系统b SCC DCC系统 它有两种不同的结构形式 一种是SCC 模拟控制器 另一种是SCC DDC控制系统 它是操作指导控制系统和DDC系统的综合和发展 SCC系统较DDC系统更接近生产变化实际情况 它不仅可以进行定值控制 还可以进行顺序控制 最优控制等 0 3 4分散控制系统分散控制系统 简称DCS 的基本思想是 利用分散控制 集中操作 分而自制 综合协调的原则 将测控系统分为分散过程控制级 集中操作监控级和综合信息管理级等三级 构成一分级形式的分布式控制系统 分散控制系统原理框图 0 3 5现场总线控制系统现场总线控制系统 简称FCS 其结构模式为 工作站 现场总线智能仪表 二层结构 成本低 可靠性高 可实现真正的开放式互连系统结构 FCS控制层原理图 1现场总线的概述 FieldBus a 包含CPUb 能直接数字通信c 具有很强的功能 例如 智能化变送器除了具有常规意义上的信号测量和变送功能以外 往往它还具有自诊断 报警 在线标定甚至PID运算等功能 3C技术的发展微机化仪器仪表的成熟和应用 1 现场总线概述 现场总线是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 现有的多数现场设备 为提高其性能价格比 在实现其内部操作时都采用了微处理器和数字化元件 于是就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 采用现场总线的目的就是为了满足这种要求 为工业领域中的测量和调节控制设备提供实现串行数字通信的手段 1 现场总线概述 现场总线 Fieldbus 的概念 是连接智能现场设备和自动化系统的全数字 双向 多站的通信系统 主要解决工业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 现场总线定义 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式 双向传输 多分支结构的通信网络 它的关键标志是能支持双向 多节点 总线式的全数字通讯 网络节点 网络体系 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 出现以单片机 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 另外 当任务增加时会使系统性能下降 3 又出现以集中管理 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 2 现场总线的发展 在DCS中管理与控制相分离 上位机用于集中监视管理功能 多台下位机下放分散到现场实现分布式控制功能 上下位机之间以控制网络互联以实现相互之间的信息传递 克服了集中数字控制系统对控制器的处理能力和可靠性要求很高的缺点 由于不同的DCS厂家出于垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用专用的封闭形式 不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层的Intranet Internet之间难以实现网络互联和信息共享 因此DCS系统实质上是一种专用封闭的 不能互联的分布式控制系统 且DCS价格昂贵 用户对此提出了开放性和降低成本的迫切要求 2 现场总线的发展 4 现场总线控制系统 FCS 正是顺应了上述的用户要求 采用了现场总线这一开放的 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 因此 FCS系统实质上是一种开放的 可以互连的 低成本的 彻底分散的分布式控制系统 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 与此同时 其他一些组织或机构 如WorldFip等 也开始从事现场总线标准的制定和研究 2 现场总线的发展 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 经过近20年的竞争和完善 目前较有生命力的有10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 由于较长时期没有统一标准 对用户影响最大的就是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 一直延误到20世纪90年代后期才逐步实现 1996年到1998年 国际性组织FF 现场总线基金会 和PNO Profibus国际组织 先后发布了适于过程自动化的现场总线标准H1 H2 HSE 和Profibus PA H1和PA都在实际工程中开始应用 1999年底 包含8种现场总线标准在内的国际标准IEC 61158开始生效 除H1 HSE和PA外 还有WorldFIP Interbus ControlNet P NET SwiftNet等五种 诞生于不同领域的总线技术往往对这一特定的领域的适用性就好一些 如Profibus较适合于工厂自动化 CAN适用于汽车工业 FF总线 FoundationFieldbus 主要适用于过程控制 LON适用于楼宇自动化等 2 现场总线的发展 3 现场总线的结构 按照国际标准化组织 ISO 制定的开放系统互连 OSI 参考模型建立的 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 网络通信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 如图所示 3 1 3 2现场总线的结构特点 DCS实际上是 半分散 半数字 的系统FCS采用的是一个完全分散的控制方式 现场总线控制系统兴起于90年代 它采用现场总线作为系统的底层控制网络 沟通生产过程现场仪表 控制设备及其与更高控制管理层次之间的联系 相互间可以直接进行数字通信 通常我们把FCS称为第五代控制系统 50年代之前的气动仪表控制系统称作第一代 单元组合仪表为基础的常规仪表控制系统称为第二代 集中型计算机控制系统称为第三代 第四代控制系统是指70年代中期以后发展起来的DCS 作为新一代控制系统 一方面 FCS突破了DCS采用专用通信网络的局限 采用了基于开放式 标准化的通信技术 克服了封闭系统所造成的缺陷 另一方面 FCS进一步变革了DCS中 集散 系统结构 形成了全分布式系统构架 把控制功能彻底下放到现场 需要提醒的是 DCS以其成熟的发展 完备的功能及广泛的应用 在目前的工业控制领域内仍然扮演着极其重要的角色 1 全数字化通信 2 开放型的互联网络 3 互可操作性与互用性 4 现场设备的智能化 5 系统结构的高度分散性 6 对现场环境的适应性 4现场总线的技术特征 4 1现场总线的特点 现场控制设备具有通信功能 便于构成工厂底层控制网络 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 4 2现场总线的优点 现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列 为其应用开拓了更为广阔的领域 一对双绞线上可挂接多个控制设备 便于节省安装费用 节省维护开销 提高了系统的可靠性 为用户提供了更为灵活的系统集成主动权 5 现场总线国际标准化概况 基本情况 现场总线技术在历经了群雄并起 分散割据的初始阶段后 尽管已有一定范围的磋商合并 但由于行业与地域发展等历史原因 加上各公司和企业集团受自身利益的驱使 致使现场总线的国际化标准工作进展缓慢 至今尚未形成完整统一的国际标准 1999年形成了一个由8个类型组成的IEC61158现场总线国际标准 IEC61158现场总线标准 IEC61158国际标准只是一种模式 8种类型都是平等的 各组织按照IEC技术报告Type1的框架组织各自的行规 但不改变各组织专有的行规 Profile IEC标准的其中Type2 Type8需要对Type1提供接口 而标准本身不要求Type2 Type8之内提供接口 用户在应用各类型时仍可使用各自的行规 其目的就是为了保护各自的利益 现场总线标准 2003年4月 IEC61158Ed 3现场总线标准第3版正式成为国际标准 规定10种类型的现场总线 Type1TS61158现场总线Type2ControlNet和Ethernet IP现场总线Type3Profibus现场总线Type4P NET现场总线Type5FFHSE现场总线Type6SwiftNet现场总线Type7WorldFIP现场总线Type8Interbus现场总线Type9FFH1现场总线Type10PROFInet现场总线 IEC61158Type1现场总线 IEC61158Type1是IEC推荐的现场总线标准 采用ISO OSI的简化模型 物理层 功能 物理层提供机械 电气 功能性和规程性功能 传输介质 有双绞线 同轴电缆 光纤和无线传输 传输速率为31 25kbps主要用于现场级它能够通过总线为现场仪表供电 并支持带总钱供电设备的本质安全 H2总线主要面向过程控制级 远程I O和其它高速数据传输的应用 其传输速率为1Mbps 2 5Mbps和100Mbps HSE 接收数据链路层的数据 经加工变为电信号后进行发送 传输 将接收到的电信号进行相反处理 并将数据送交链路层 通常 采用曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码 每个码均有一次跳变 这样就把一个码分成两半 以前半个码的值为准 每个码均有一次跳变 在每位开始的边界跳变为0 在每位开始的边界不跳变为1 数据链路层应用层 数据链路层负责实现链路活动调度 数据的接收发送 活动状态的响应 总线上各设备间的链路时间同步等 总线访问控制采用链路活动调度器LAS方式 LAS拥有总线上所有设备的清单 由它来掌管总线段上各设备对总线的操作 应用层主要提供通信功能 特殊功能以及管理控制功能 FMS提供对象字典OD服务 变量访问服务和事件服务等 为用户层提供服务 实现与数据链路层连接 保证数据的完整性 决定何时与何节点对话 格式控制目标地址源地址参数数据校验 报文格式 校验一般采用CRC 循环冗余校验码 例子 假设待校验数据为M X 1101 生成多项式G X X3 X1 1 求CRC 方法 模2运算 减法 相同数减为0 相异数减为1 不考虑借位 除法 相同位数比较 只要被除数的最高位为1 商1 相同位数比较 只要被除数的最高位为0 商0 计算过程 G X 最高幂次方为3 则K 3 M X M X 本身 后面跟K个0 即1101000用模2计算方法求 M X G X 得到的余数XXX K位 即为CRC校验码 最终结果 M X XXX 校验后的CRC码 1101001 检验时 将上述结果除G X 余数为0 正确 余数不为0 错误 不同位发生的错误会使余数也不同 用户层 标准功能块FB装置描述DD功能 标准规定32种功能块 现场装置使用这些功能块完成控制策略 DD功能包括描述装置通信所需的所有信息 并且与主站无关 所以可使现场装置实现真正的互操作性 FF是Type1的一个子集 8种现场总线的简单比较 主要应用于啤酒 食品 农业和饲养业等 主要用于航空和航天等领域 6 满足控制网络要求的协议 1 以太网 Ethernet IEEE802 3CSMA CD 2 令牌总线 TokenBus IEEE802 4 令牌环 TokenRing IEEE802 5 3 控制器局部网 CAN CSMA AMP 控制网络一般基于CAN协议 如智能分布式系统 SmartDistributedSystem 4 设备网DeviceNet和令牌协议 如过程现场总线 Profibus 制造自动化协议 ManufacturingAutomationProtocol 控制网 Controlnet 分布式光纤数据接口 FiberDistributedDataInterface 主要MAC工作方式 1 CSMA CD IEEE802 3 为冲突检测载体监听多重访问 采用总线网络 其控制策略是竞争发送 广播式传输 载体监听 冲突检测 冲突后退和再试发送 2 TokenBus IEEE802 4 为令牌总线控制技术 总线上所有站形成一个逻辑环 令牌在总线网络上传送 收到令牌的站 决定是否发送或接收 然后再将令牌传给下一站 3 TokenRing IEEE802 5 为令牌环控制技术 令牌在环形网络上传送 收到令牌的站 决定是否发送或接收 然后再将令牌传给下一站 6 1载波侦听多路访问 载波侦听多路访问 CSMA CarrierSenseMultipleAccess 是一种适合于总线结构的具有信道检测功能的分布式介质访问控制方法 其控制手段称之为 载波侦听 CSMA CD又被称之为 先听后讲 边听边讲 其具体工作过程概括如下 1 先侦听信道 如果信道空闲则发送信息 2 如果信道忙 则继续侦听 直到信道空闲时立即发送 3 发送信息后进行冲突检测 如发生冲突 立即停止发送 并向总线上发出一串阻塞信号 连续几个字节全1 通知总线上各站点冲突已发生 使各站点重新开始侦听与竞争 4 已发出信息的各站点收到阻塞信号后 等待一段随机时间 重新进入侦听发送阶段 CSMA CD发送过程流程图 6 2令牌环网络 令牌环网络 Token Ring 系统在1985年由IBM公司率先推出 令牌环网的拓扑结构为环形 采用专用的令牌环介质访问控制方式 传输介质为屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线 UTP 或者光纤 传输速率为4Mbps或者16Mbps 令牌环网络系统遵循IEEE802 2和IEEE802 5标准 在传输效率 实时性 地理范围等网络性能上都优于采用CSMA CD介质访问控制方式的以太网 令牌环网络的覆盖范围没有限制 但站点数却受到一定限制 使用STP时可连接2 260台设备 而使用UTP时只能连接2 72台设备 6 2令牌环访问控制方式 令牌环是一种适用于环形网络的分布式介质访问控制方式 已由IEEE802委员会建议成为局域网控制协议标准之一 即IEEE802 5标准 在令牌环网中 令牌也叫通行证 它具有特殊的格式和标记 令牌有 忙 Busy 和 空闲 Free 两种状态 具有广播特性的令牌环访问控制方式 还能使多个站点接收同一个信息帧 同时具有对发送站点自动应答的功能 传送过程 C发送给A 6 2令牌总线访问控制方式 令牌总线访问控制方式 Token Bus 是在综合了CSMA CD访问控制方式和令牌环访问控制方式的优点基础上形成的一种介质访问控制方式 令牌总线控制方式主要用于总线型或树型网络结构中 该方式是在物理总线上建立一个逻辑环 一个总线结构网络 如果指定每一个站点在逻辑上相互连接的前后地址 就可构成一个逻辑环 如图中A B D E A C站点没有连入令牌总线中 总线结构中的令牌环 返回本节 7 几个具体问题的分析 7 1FCS与DCS的比较 FCS是在DCS的基础上发展起来的 FCS顺应了自动控制系统的发展潮流 这已是业内人士和学术界的基本共识 FCS在开放性 控制分散等诸多方面都优于传统DCS 代表着自动控制系统的发展方向与潮流 DCS则代表传统与成熟 DCS以其成熟的发展 完备的功能及广泛的应用而占居着一个尚不可完全替代的地位 影响FCS发展 制约FCS应用的原因主要有3方面 技术原因 商务原因 用户原因 7 2现场总线技术与计算机通信技术的比较 现场总线是用于现场仪表和控制室系统之间的一种全数字化 双向 多分支结构的计算机通信系统 计算机通信技术的发展会从各个方面影响现场总线的发展 但是 二者在基本功能 信号传输要求和网络结构上均有所不同 1 基本功能 计算机通信的基本功能 可靠地传递信息 现场总线的功能则是包括了更多的内容 高效 低成本地实现仪表及自控设备间的全数字化通信 以体现其经济性 解决现场装置的总线供电问题 实现性现场总线的本质安全规范 以体现其安全性 解决现场总线的环境适应性问题 如电磁干扰 环境温度 适度 振动等因素 以体现其可靠性 现场仪表及现场控制装置要尽可能地就地处理信息 不要将信息过多地在网络上往返传递 以体现现场总线技术发展趋势 信息处理现场化 2 信号传输要求 二者在速度要求上是一致的 但现场总线不仅要求传输速度快 还要求响应快 即需要满足控制系统的实时性要求 一般通信系统也会有实时性的要求 但这是一种 软 的要求 即只要大部分时间满足要求就行了 过程控制对实时性的要求是 硬 的 因为它往往涉及安全 必须在任何时间都及时响应 不允许有不确定性 现场总线的实时性主要体现在响应时间和循环周期二个方面 响应时间是指系统发生特殊请求或发生突发事件时 仪表将信息传输到主控设备或其它现场仪表所需的时间 这往往需要涉及 现场设备的中断和处理能力 传输时间 优先级控制等多种因素 过程控制系统通常并不要求这个时间达到最短 但它要求最大值是预先可知的 过程控制系统通常需要周期性地与现场控制设备进行信息交流 循环周期是指系统与所有现场控制设备都至少完成一次通信所需的时间 这个时间往往具有一定的随机性 过程控制系统同样希望其最大值是可预知的 现场总线通常采用以下二种技术来保证其实时性 一是简化技术 简化网络结构 现场总线一般将网络形式简化成线形 简化通信模型 一般只利用了OSI RM中的2 3层 简化节点信息 通常简化到只有几字节 经过以上简化 可以极大地提高通信传递速度 二是采用网络管理技术来实现实时性 并保证其可预知性 例如 采用主 从访问方式 只要限制网络的规模 就可以将响应时间控制在指定的时间内 总而言之 实时性要求是现场总线区别于一般计算机通信的主要因素 改善现场总线的实时性 减少响应时间的不确定性是现场总线的重要发展趋势 3 网络结构 计算机通信系统的结构是网络状的 节点间的通信路径是不固定的 大部分现场总线的结构是线状的 节点间的通信路径是比较固定的 如果线状结构的现场总线上某支路断开了以后 这条支路就可能完全