现场总线-现场总线控制系统概述ppt课件

现场总线控制系统概述，介绍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和传感技术、计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程并设计所需的微机测控系统。0.2微机测控系统的组成和特点0.2.1微机测控系统的一般概念微机测控系统是利用微机实现生产过程自动测试和控制的系统。微机测控系统的工作原理可概括为以下三个步骤：(1)实时数据采集：通过测量传输装置完成被控量瞬时值的检测和输入。(2)实时控制决策：对采集的数据进行分析和处理，并根据预定的控制策略决定采取何种控制措施。(3)实时控制输出：根据控制决策，向执行机构发送实时控制信号，完成系统控制任务。实时意味着信号的输入、计算和输出必须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，生产过程直接与计算机相连并受其控制，有时也称为在线模式。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、过程输入输出通道和计算机系统组成。过程输入和输出通道也称为生产过程通道，包括模拟输入和输出通道、数字输入和输出通道、测量传输通道、执行器、电气开关和其他装置。0.2.3微机测控系统系统软件的软件组成(RTOS)应用软件(组态、预控)0.2.4微机测控系统的特点(规模、复杂程度)适应性(嵌入式)，微机测控系统组成结构图，0.3微机测控系统典型形式0.3.1操作指导控制系统这种形式的系统是一个开环系统。计算机以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，操作员根据这些结果修改设定值或执行必要的操作。0.3.2直接数字控制系统的直接数字控制(DDC)系统的基本思想是利用微型计算机对多个受控参数进行巡检，并与给定值进行比较，然后根据预定的控制规则进行计算，最后发出控制信息完成生产过程的控制，从而将受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常见的应用模式。它要求实时性好、可靠性高、适应性强。0.3.3监控计算机控制系统，直接数字控制系统原理框图，监控计算机控制(SCC)系统的基本思想是：微机根据原始过程信息和其他参数，根据描述生产过程的数学模型，自动改变模拟调节器或DDC微机的设定值，使生产过程始终处于最佳工作状态。监控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。它是操作制导控制系统和直接数字控制系统的集成和发展。SCC系统比DDC系统更接近生产变化的实际情况。它不仅能进行定值控制，还能进行顺序控制和最优控制。0.3.4分布式控制系统分布式控制系统(DCS)的基本思想是将测控系统分为三个层次，即分布式过程控制层、集中运行监控层和综合信息管理层，利用分布式控制、集中运行、独立自主和综合协调的原则，形成一个层次化的分布式控制系统。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FCS控制层示意图，1现场总线)，a .包括CPUb，能够直接数字通信，c .具有很强的功能。例如，智能变送器不仅具有传统意义上的信号测量和传输功能，还具有自诊断、报警、在线校准、PID运算等功能.3c技术的发展，计算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技术发展的热点之一，被称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另一个新时代的开始。为了提高大多数现有现场设备的性能价格比，使用微处理器和数字元件来实现它们的内部操作。因此，需要在这些领域中的数字设备之间实现数字通信。采用现场总线的目的就是为了满足这一要求，为工业现场的测控设备提供一种实现串行数字通信的手段。现场总线概述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、双向和多站通信系统。它主要解决工业领域中智能仪表、控制器、执行器等现场设备之间的数字通信以及这些现场控制设备与先进控制系统之间的信息传输问题。主要用于：制造业、流程工业、交通运输、建筑自动化系统等方面。现场总线被定义为连接智能现场设备和自动化系统的数字、双向传输和多分支通信网络。其关键标志是支持双向、多节点、总线式全数字通信。(1)早期的控制系统主要是模拟仪表控制系统。设备间传输的信号为1 5V或4 20mA DC模拟信号，精度低，传输时易受干扰。(2)出现了以单片机、计算机和可编程控制器为控制器的集中数字控制系统。数字信号的内部传输克服了模拟仪器信号精度低的缺点，提高了抗干扰能力。整个系统的可靠性低，风险高度集中。此外，当任务增加时，系统性能会降低。(3)以集中管理和分散控制为核心思想的分布式控制系统在20世纪后期逐渐占据主导地位。随着现场总线的发展，集散控制系统中的管理和控制已经分离。上位机用于集中监控和管理功能。多台下位机分散到现场，实现分布式控制功能。上位机和下位机通过控制网络相互连接，实现它们之间的信息传输。这克服了集中式数字控制系统对控制器的处理能力和可靠性要求高的缺点。由于不同的集散控制系统制造商为了垄断经营的目的，其控制通信网络采用一种特殊的封闭形式，很难实现不同制造商的集散控制系统之间以及集散控制系统与上层的内联网和互联网之间的网络互联和信息共享。因此，集散控制系统本质上是一个特殊的封闭的分布式控制系统，不能相互连接，而且价格昂贵。用户对开放性和降低成本提出了迫切的要求。现场总线和现场总线控制系统(FCS)的发展正好符合上述用户的要求，采用现场总线这种开放的、可互联的网络技术，将现场的各种控制器和仪表设备互联起来，完全降低了现场的控制功能，降低了安装成本和维护成本。因此，燃料电池系统本质上是一个开放的、互联的、低成本的、完全分散的分布式控制系统。1984年，美国仪器协会(ISA)标准与实施工作组的ISA/SP50开始制定现场总线标准。1985年，国际电工委员会决定ProwayWorkingGroup将负责现场总线体系结构和标准的研究和开发。1986年，德国开始制定过程现场总线标准，简称PROFIBUS，开始了现场总线标准的制定及其产品的开发。同时，一些其他组织或机构随着现场总线的发展，现场总线技术起源于欧洲，目前在欧洲、美国和日本最为发达。世界上有近200种现场总线。经过近20年的竞争和改进，目前已有10多种更具生命力的产品，它们仍处于激烈的市场竞争中。此外，许多自动化仪表制造商在发展智能仪表通信技术方面形成了不同的特点，使得制定统一的标准变得困难。由于长期以来没有统一的标准，很难将不同制造商生产的仪器集成到一个对用户影响最大的系统中。因此，现场总线在过程控制中的实际应用被推迟到20世纪90年代末。从1996年到1998年，国际组织FF(现场总线基金会)和PNO(Profibus International)相继发布了适用于过程自动化的现场总线标准H1、H2(健康安全环境)和Profibus-PA。H1和巴勒斯坦权力机构已经在实际项目中得到应用。1999年底，包含8种现场总线标准的国际标准IEC-61158开始生效。除了H1、健康、安全和环境部和巴勒斯坦权力机构之外，还有五种，包括世界粮食计划署、美洲粮食计划署、控制网、个人粮食网和雨燕网。诞生于不同领域的总线技术通常更适用于这一特定领域。例如，Profibus更适用于工厂自动化，CAN适用于汽车工业，FF总线主要适用于过程控制，LON适用于楼宇自动化等。现场总线的发展和现场总线的结构是根据国际标准化组织建立的开放系统互连参考模型建立的。这七层被简化为三层，分别由OSI参考模型的第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层组成。网络通信流量和差错控制由数据链路层完成。考虑到现场总线的通信特点，一些现场总线还配有现场总线接入子层，如图所示。3.1、3.2现场总线的结构特点，集散控制系统实际上是一个“半分散”和“半数字化”的系统，现场总线系统采用完全分散的控制方式。现场总线控制系统出现于20世纪90年代。它利用现场总线作为系统的底层控制网络，将现场仪表、控制设备及其与生产过程中较高控制管理层次的连接进行通信，并能直接进行相互间的数字通信。通常我们称燃料电池系统为第五代控制系统。另一方面，现场总线系统进一步改变了分布式控制系统中的“分布式”系统结构，形成了一个完全分布式的系统结构，并将控制功能完全分散到现场。需要提醒的是，集散控制系统发展成熟、功能齐全、应用广泛，在当前的工业控制领域中仍然发挥着极其重要的作用。(1)全数字通信，(2)开放的互联网，(3)互操作性和互操作性，(4)现场设备的智能化，(5)系统结构的高度分散，(6)对现场环境的适应性，现场总线的4个技术特征，现场总线的4.1个特征，现场控制设备具有通信功能，便于形成工厂的底层控制网络。通信标准的开放性和一致性使系统开放，设备互操作。功能块和结构的标准化使得具有相同功能的设备之间能够互换。控制功能分散到现场，使得控制系统的结构高度分散。4.2现场总线的优势，现场总线使自动控制设备和系统进入信息网络的行列，并为其应用开辟了更广阔的领域；一对双绞线可以连接多个控制装置，方便节约安装成本；节省维护费用；提高了系统的可靠性。它为用户提供了更灵活的系统集成主动性。现场总线国际标准化概况在现场总线技术的合并和分散化的初始阶段后，虽然已经有了一定范围的谈判和合并，但由于行业和区域发展等历史原因，以及各公司和企业集团自身利益的驱动，现场总线国际标准进展缓慢，尚未形成完整统一的国际标准。1999年，由8种类型1组成的IEC61158现场总线国际标准形成，IEC61158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，规定了10种类型的现场总线。类型1ts 16158现场总线类型2控制网和以太网/IP现场总线类型3Profibus现场总线类型4P-NET现场总线类型5FFHSE现场总线类型6SwiftNet现场总线类型7WorldFIP现场总线类型8Interbus现场总线类型9 FH 1现场总线类型10PROFInet现场总线，IEC61158Type1现场总线，IEC61158Type1是IEC推荐的现场总线标准，采用了ISO/OSI的简化模型。物理层提供机械、电气、功能和程序功能。传输介质包括双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输。传输速率为31.25kbps，主要用于现场。它可以通过总线向现场仪表供电，并以全部资金支持供电设备的本质安全。H2总线主要用于过程控制级、远程输入/输出和其他高速数据传输应用。它的传输速率是1兆位/秒、2.5兆位/秒和100兆位/秒。(健康、安全和环境)，从数据链路层接收数据，将其处理成电信号，然后传输(传输；接收到的电信号被反向处理，数据被发送到链路层。通常使用曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码。每个代码都有一个跳转，因此将一个代码分成两半，前一半代码的值为准。每个代码都有一个跳转，在每个边界的开始处跳转到0，而不是在每个边界的开始处跳转到1。数据链路层应用层和数据链路层负责实现链路活动调度、数据接收和发送、活动状态响应、总线上各设备之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的模式，该模式具有总线上所有设备的列表，并负责总线上总线段上每个设备的操作。应用层主要提供通信功能、特殊功能和管理控制功能。FMS提供对象字典OD服务、变量访问服务和事件服务。为用户层提供服务。与数据链路层连接。确保数据的完整性，并决定何时与哪个节点通话。格式控制目标地址源地址参数数据校验，报文格式：校验一般采用循环冗余校验码，示例：假设待校验的数据是M(X)=1101，生成多项式G(X)=X3 X1 1，计算循环冗余校验码。方法：模块化2操作。减法：相同的数字减为0；相异数减为1，不考虑借用。除法：与相同位数相比，只要被除数的最高位数为1，商为1；对于相同的位数比较，只要被除数的最高位数是0，商就是0。计算过程：G(X)的最高幂为3，则k=3；M(X)=M(X)本身，后跟K个零，即1101000，M(X)/G(X)通过模2计算，剩余部分XXX(K位)是循环冗余校验码。最终结果：M(X)XXX，