第八章控制仪表及装置

1、控制仪表及装置控制仪表及装置第八章第八章 现场总线控制系统现场总线控制系统第一节第一节 概述概述第二节第二节 几种流行的现场总线几种流行的现场总线第三节第三节 实时工业以太网实时工业以太网第四节第四节 现场总线控制系统现场总线控制系统什么是现场总线？什么是现场总线？它是现场仪表之间以及现场仪表与监控计算它是现场仪表之间以及现场仪表与监控计算机之间的全数字、串行双向、多站点的开放机之间的全数字、串行双向、多站点的开放型通信系统。型通信系统。第一节第一节 概述概述 现场总线是企业实现综合自动化、信息化、现场总线是企业实现综合自动化、信息化、 管控一体化的需要管控一体化的需要 。（TQCSE）现场总

2、线的产生和发展现场总线的产生和发展 高新技术的发展为现场总线的产生奠定了基高新技术的发展为现场总线的产生奠定了基 础础 。 现场总线是数字化、智能化、网络化向现场现场总线是数字化、智能化、网络化向现场 设备发展的产物。设备发展的产物。4.20 mA现场仪表信号：从现场仪表信号：从模模拟拟混合混合全全数字信号数字信号现场总线技术特点现场总线技术特点开放性：现场总线的一致性、公开性。开放性：现场总线的一致性、公开性。 互操作与互用性：现场设备间的信息沟通、互操作与互用性：现场设备间的信息沟通、互可操作及不同厂家设备的相互替换。互可操作及不同厂家设备的相互替换。 功能自治性：传感测量、补偿计算、信息

3、功能自治性：传感测量、补偿计算、信息处理与控制功能在现场仪表中完成。处理与控制功能在现场仪表中完成。 高度分散性：构成一种全分散性的控制高度分散性：构成一种全分散性的控制系统结构。系统结构。 环境适应性：支持各种传输介质、两线制环境适应性：支持各种传输介质、两线制和本安防爆。和本安防爆。 丰富的现场信息和智能化提高了设备诊断、维护、管理能力，丰富的现场信息和智能化提高了设备诊断、维护、管理能力，减少卡件、机柜、端子、线缆，节省开支，提高了可靠性。减少卡件、机柜、端子、线缆，节省开支，提高了可靠性。各行业使用现场总线设备情况各行业使用现场总线设备情况化工石油天然气能源医药食品造纸教育材料行业百分

4、比其它29%22%13%9%9%4%3%3%8%工程费用工程费用engineering调试费用调试费用commissioning硬件费用硬件费用Hardware51%23%27%22%22%12%0%50%100%硬件硬件调试调试工程工程100%57%4.20mAPROFIBUS安装安装费用可节省费用可节省40%左右左右现场总线系统的优势现场总线系统的优势几点说明几点说明现场总线技术是现场总线技术是DCS技术的继承和发展，而不技术的继承和发展，而不是对是对DCS的否定或取代。工业上已出现的否定或取代。工业上已出现DCS与与现场总线系统混合使用的控制系统。现场总线系统混合使用的控制系统。 。 现

5、场总线的优点主要是仪表的智能化、网络化、现场总线的优点主要是仪表的智能化、网络化、控制的分散化等先进技术所带来的好处，而不控制的分散化等先进技术所带来的好处，而不单单是节省电缆。单单是节省电缆。 现场总线不能解决企业自动化的所有问题，例现场总线不能解决企业自动化的所有问题，例如如ESD、MES、ERP等等，而是作为底层网络等等，而是作为底层网络与其它自动化装置一起更好地实现企业综合自与其它自动化装置一起更好地实现企业综合自动化。动化。 现场总线标准现场总线标准工业控制总线标准主要由工业控制总线标准主要由IEC 的几个技术委的几个技术委员会负责。员会负责。IEC TC65 制订了用于工业控制制订

6、了用于工业控制系统的系统的IEC 61158。目前流行的目前流行的PROFIBUS、FF等现场总线也纳入了等现场总线也纳入了IEC标准。标准。IEC TC17B制订了用于低压开关和电气控制制订了用于低压开关和电气控制装置的装置的IEC 62026。广为使用的广为使用的DEVICENET、AS-I等总线也纳入了等总线也纳入了IEC标准。标准。现场总线标准的制订工作起步很早，各大集现场总线标准的制订工作起步很早，各大集团公司意见不一，经多年争论，团公司意见不一，经多年争论，2000年颁布年颁布了涵盖多种规范的总线标准，了涵盖多种规范的总线标准，2003年扩展为年扩展为10种类型的现场总线。种类型的

7、现场总线。 IEC 61158 的标准现场总线的标准现场总线 Type1：IEC 61158 技术报告技术报告。 Type2：ControlNet，得到得到CI组织的支持。组织的支持。 Type3：Profibus，得到得到PNO组织的支持。组织的支持。 Type4：P - NET，得到该总线用户组织的支持。得到该总线用户组织的支持。 Type5：FF - HSE，由由FF组织制定。组织制定。 Type6：Swiftnet，得到美国波音公司的支持。得到美国波音公司的支持。 Type7：WorldFIP，属欧洲标准属欧洲标准EN50170。 Type8：Interbus，得到得到Interbus

8、 Club支持支持。 Type9：FF H1，由由FF组织制定。组织制定。 Type10：Profinet，得到得到PNO组织的组织的支持支持。由上可知由上可知, IEC 61158标准考虑到各种不同的标准考虑到各种不同的需求，一些大公司和集团也能以此为基础再需求，一些大公司和集团也能以此为基础再图发展，开拓市场。图发展，开拓市场。实际上，目前在工业自动化领域使用较多的实际上，目前在工业自动化领域使用较多的是是FF、PROFIBUS、ControlNet 和和 Interbus，以及未被纳入以及未被纳入61158标准的一些现场总线。标准的一些现场总线。从从2001年开始，现场技术发展的重点已不

9、是年开始，现场技术发展的重点已不是去追求统一标准；而是集中在如何合理应用去追求统一标准；而是集中在如何合理应用, 发现并解决问题发现并解决问题,切实地推动切实地推动FCS的实际应用。的实际应用。同时在推广应用过程中确定不同现场总线的同时在推广应用过程中确定不同现场总线的适用场合、性能价格比等适用场合、性能价格比等,以实现优化设计。以实现优化设计。以下将通过一些流行的现场总线说明特点、网络结构、通信模型和应用实例。随着现场总线和工业以太网技术的迅速发展，随着现场总线和工业以太网技术的迅速发展，IEC TC65 /SC65C的两个工作组又研究制定的两个工作组又研究制定了新的现场总线标准了新的现场总

10、线标准 61158 和实时以太网标和实时以太网标准准61784 -2。新版本总线标准新版本总线标准 是以是以2003版本为基础版本为基础，加入加入实时以太网解决方案。它共包含实时以太网解决方案。它共包含14类技术。类技术。IEC 61158新标准于新标准于2007年公布年公布。我国具有自我国具有自主知识产权的主知识产权的EPA标准被列为标准被列为61158 Type14。第二节第二节 几种流行的现场总线几种流行的现场总线- Foundation Fieldbus- Profibus（Process Fieldbus）- LonWorks（Local Operating Networks）- C

11、AN（Control Area Network）- HART（Highway Addressable Remote T Transducer）FF总线的特点总线的特点Foundation Fieldbus用于现场级控制的用于现场级控制的FF-H1传输速率传输速率32.25Kbps,直接通信距离达直接通信距离达1900 m，其现场仪表可完成其现场仪表可完成检测、变送、调节、计算、报警、故障诊断检测、变送、调节、计算、报警、故障诊断等控制与信息处理任务。等控制与信息处理任务。 FF-H1采用令牌传递的总线控制方式采用令牌传递的总线控制方式, 令牌传令牌传递由链路活动调度器递由链路活动调度器(LAS

12、) 控制控制, 以确保信息以确保信息传递的及时性。传递的及时性。在应用层之上增加了用户层，用户层的功能在应用层之上增加了用户层，用户层的功能块和设备描述使仪表的现场控制功能与仪表块和设备描述使仪表的现场控制功能与仪表设备的互操作易于实现。设备的互操作易于实现。 为现场仪表提供两种供电方式：非总线供电为现场仪表提供两种供电方式：非总线供电和总线供电；支持本质安全防爆，可用于易和总线供电；支持本质安全防爆，可用于易燃、易爆的场合。燃、易爆的场合。 基于以太网的基于以太网的FF-HSE,在上层与在上层与H1基本一致，基本一致，在底层则采用了流行的以太网在底层则采用了流行的以太网+TCP/IP协议，协

13、议，HSE充分利用现有以太网技术，它满足了最充分利用现有以太网技术，它满足了最终用户对互操作性、低成本和高速现场总线终用户对互操作性、低成本和高速现场总线解决方案的要求。解决方案的要求。 HSE支持支持H1的所有功能，而且其功能模块中的所有功能，而且其功能模块中还包括新的应用于离散和还包括新的应用于离散和I/O子系统的子系统的 “柔性柔性功能模块功能模块”，使用标准语言，使用标准语言(IEC 61131)编程。编程。 FF总线的通信模型总线的通信模型 FF-H1：用户层（应用程序） 现场总线报文规范子层FMS 现场总线访问子层FAS数据链路层 物理层 用户层物理层 通信栈7216543物理层规

14、定物理连接性能物理层规定物理连接性能,符合符合IEC61158-2标准，标准，通信栈控制报文在现场总线的传输。链路层通过通信栈控制报文在现场总线的传输。链路层通过LAS来管理对总线的访问，来管理对总线的访问，FAS为报文规范子层为报文规范子层提供服务，后者为用户层提供服务和报文格式。提供服务，后者为用户层提供服务和报文格式。 FF-HSE：用户层FDAIEEE 802.2 应用层应用层物理层物理层 物理层符合物理层符合IEEE 802.3u标准，数据链路层符合标准，数据链路层符合IEEE 802.2规范。规范。 TCP/UDPIPIEEE 802.3u 传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链

15、路层网络层协议是网络层协议是IPV.4 标准，标准， 传输层传输层TCP是面向连接的是面向连接的协议，协议， UDP是无连接协议。是无连接协议。FDA的作用与的作用与H1的的FMS相似。相似。 FF总线的网络结构总线的网络结构操作站操作站.交换机交换机其它总线网络其它总线网络HSE链接设备链接设备网关网关H1总线总线HSE链接设备链接设备路由器路由器HSE子网子网HSE现场设备现场设备H1总线总线ProfibusProfibus总线的特点总线的特点Profibus包括包括Profibus-DP、-FMS、-PA，传输传输速率速率9.6Kbps12Mbps,相应通信距离为相应通信距离为1200

16、100m,可实现总线供电和本质安全防爆可实现总线供电和本质安全防爆(PA)。 Profibus-DP用于现场控制器与分散用于现场控制器与分散I/O之间的之间的数据通信；数据通信； Profibus-FMS 用来解决车间级通用来解决车间级通信任务，此层将被信任务，此层将被Ethernet取代；取代；Profibus PA用于过程自动化用于过程自动化, 可连现场变送器可连现场变送器、执行执行器。器。 Profibus采取主站之间的令牌传递方式和主从采取主站之间的令牌传递方式和主从站之间的主、从通信方式。站之间的主、从通信方式。 Profibus-DP允许允许构成单主站或多主站系统。构成单主站或多主

17、站系统。 Profibus行规行规 (用户接口用户接口) 可使不同厂商生产的可使不同厂商生产的零部件互换使用零部件互换使用, 从而保证各家厂商的现场设从而保证各家厂商的现场设备的互换性和互操作性。备的互换性和互操作性。PA 行规包括各种设行规包括各种设备功能备功能、行为的必要规范以及描述各类设备组行为的必要规范以及描述各类设备组态信息的数据单。态信息的数据单。Profibus总线协议芯片已形成系列总线协议芯片已形成系列, 有多种集有多种集成芯片可供使用成芯片可供使用, 以满足不同需要，构成复杂以满足不同需要，构成复杂程度各异的程度各异的Profibus总线。总线。Siemens公司的公司的 S

18、PM2单片可用来构成简单的单片可用来构成简单的DP从站从站, ASPC2可构成可构成DP主站主站, SIM1与与SPC4可实现可实现PA的功能。的功能。应用行规应用行规2应用行规应用行规1通信协议通信协议传输特性传输特性专用应用行规通用应用行规（可选）PROFIBUS DP-V0V2RS 485(PROFIBUS DP)IEC 61158-2(PROFIBUS PA)传输特性传输特性( (物理层物理层) )的的DP采用采用RS-485通信标准，通信标准，PA采用采用IEC 61158-2( (MBP) )传输技术。传输技术。通信协议通信协议( (数据链路层数据链路层) ):采用采用DP-V0V

19、2。应用行规说明各种设备的功能和行为，。应用行规说明各种设备的功能和行为，有通用和专用应用行规。有通用和专用应用行规。 Profibus总线的通信模型总线的通信模型通信协议通信协议有有DP-V0、 DP-V1 和和DP-V0三种版本三种版本 ：DP-V0 提供提供DP基本功能基本功能，包括主站和从站的包括主站和从站的循环数据交换，以及站诊断、模块诊断等循环数据交换，以及站诊断、模块诊断等。 DP-V1 依据过程自动化的需求提供主、依据过程自动化的需求提供主、 从站从站间的非循环数据交换功能间的非循环数据交换功能, 用于参数赋值用于参数赋值、操操作作、现场设备的可视化和报警处理等现场设备的可视化

20、和报警处理等。 DP-V2 依据驱动技术的需求提供同步从站模依据驱动技术的需求提供同步从站模式和从站对从站的通信功能式和从站对从站的通信功能, 通过发布通过发布(生产生产)者者/预定预定(消费消费)者的广播者的广播 方式进行通信方式进行通信。 Profibus总线的网络结构总线的网络结构PROFIBUS-DP单主站系统单主站系统PLC或或PCDP从站从站Profibus-DPDP主站主站1个DP主站1125个从站PROFIBUS-DP多主站系统多主站系统计算机计算机Profibus-DPPLC从站从站PLC主站主站采用主站之间的令牌传递和主从站之间的主、采用主站之间的令牌传递和主从站之间的主、

21、从通信方式。从通信方式。令牌传递令牌传递Publisher (z.B. Lichtgitter)Slave DP-从站从站2PROFIBUSDP-MasterPROFIBUS-DP1类主站类主站PROFIBUSDP-MasterPROFIBUS-DP2类主站类主站Publisher (z.B. Lichtgitter)Slave DP-从站从站1Publisher (z.B. Lichtgitter)Slave DP-从站从站3令牌令牌循环: 从站1从站2从站3从站31 类主站的循环访问2类主站的非循环访问DP-V1中的循环和非循环通信中的循环和非循环通信PROFIBUS-DPMasterCl

22、ass1PROFIBUS-DP1 类主站类主站发布者发布者(e.g. light array)从站从站预订者预订者 (e.g. drive) 预订者预订者(e.g. drive) 从站从站 从站对从站通信从站对从站通信 从站从站输出数据输出数据 通过广播的输入数据通过广播的输入数据 DP-V2中的从站对从站的数据交换中的从站对从站的数据交换通过通过DP/PA Coupler连接连接Profibus-PA计算机计算机Profibus-DP从站从站Profibus-PADP/PA耦合器耦合器PLC主站主站PROFIBUS-PA有树结构、总线结构和两者的有树结构、总线结构和两者的混合结构。混合结构。

23、演示演示LonWorksLonWorks总线的特点总线的特点LonWorks采用采用OSI 的全部的全部7层通信规范，传层通信规范，传输速率输速率300bps1 .5Mbps,通信距离为通信距离为2700 m，它提供完整的开发平台和神经元芯片它提供完整的开发平台和神经元芯片。 现场控制节点的核心器件是神经元芯片，同现场控制节点的核心器件是神经元芯片，同时具备通信和控制功能，一个神经元芯片加时具备通信和控制功能，一个神经元芯片加上收发器即可构成典型的现场控制节点上收发器即可构成典型的现场控制节点。 MC143150/20Neuron芯片芯片EEPROM/ROM(仅对MC143150)I/O电路电

24、路Lon收发器收发器检测控制检测控制装置装置网络介质网络介质LonWorks 使用开放式通信协议使用开放式通信协议 LonTalk, 是是直接面向对象的网络协议直接面向对象的网络协议, 它发送的报文都是它发送的报文都是很短的数据，可靠性、实时性较高。很短的数据，可靠性、实时性较高。LonWorks 采用的编程语言采用的编程语言 Neuron C 是转为是转为神经元芯片所设计神经元芯片所设计, 它删除了标准它删除了标准C中一些不中一些不需要的功能需要的功能, 增加了用于网络操作的语句和内增加了用于网络操作的语句和内部函数。部函数。LonWorks技术为用户提供了一个简洁的访问技术为用户提供了一个

25、简洁的访问网络服务工具网络服务工具 实施网络管理任务实施网络管理任务,其功能为网其功能为网络安装、网络维护和网络监控。络安装、网络维护和网络监控。LonWorks总线的通信模型总线的通信模型数据表示作用作用标准网络变量类型LON提供的服务提供的服务表示层 数据链路层 物理层 OSI模型模型应用层会话层传输层网络层网络应用网络变量外部帧传输远程传送控制请求/响应，认证端对端可靠传输应答，非应答，认证传输分组地址，路由帧传输,介质访问 数据解码,CRC纠错,优先级电气连接介质，电气接口物理层支持多种介质，链路层的介质访问控制采用改物理层支持多种介质，链路层的介质访问控制采用改进的进的CSMA协议，

26、网络层管理网络地址分配，传输层协议，网络层管理网络地址分配，传输层管理报文执行顺序管理报文执行顺序, 会话层提供传输的请求会话层提供传输的请求/响应机制响应机制, 表示、应用层提供网络变量等服务。表示、应用层提供网络变量等服务。 LonWorks总线的网络结构总线的网络结构监控计算机监控计算机78Kbps双绞线路由器路由器1.25Mbps双绞线主干通道10Kbps电力线网关网关其它总线网络现场现场节点节点现场现场节点节点现场现场节点节点路由器路由器现场现场节点节点现场现场节点节点HARTHART总线的特点总线的特点HART使用使用OSI参考模型的第参考模型的第1、2、7三层三层, 传传输速率较

27、低输速率较低，一般为一般为1200bps，新版本新版本6.0已提已提高到高到9600bps，通信距离可达通信距离可达3000 m。 HART总线采用基于总线采用基于Bell 202 通信标准的通信标准的FSK技术，在技术，在420mA的模拟信号上叠加了一个频的模拟信号上叠加了一个频率信号率信号, 因此能同时传送模拟和数字信号而不因此能同时传送模拟和数字信号而不相互干扰。相互干扰。 HART支持多主站通信支持多主站通信, 在一根总线上也可连在一根总线上也可连接多个现场智能仪表接多个现场智能仪表, 它能实现总线供电和本它能实现总线供电和本质安全防爆。质安全防爆。 HART总线的通信模型总线的通信模

28、型HRAT命令内内 容容 数据链路层 物理层 模型分层模型分层应用层HART通信协议规则电气特性，介质物理层规定了信号传输方式、电气特性、介质等；物理层规定了信号传输方式、电气特性、介质等；数据链路层定义了数据链路层定义了HART 通信协议规则，包括信息通信协议规则，包括信息格式及信息的接收与发送处理；格式及信息的接收与发送处理；应用层规定了三类应用层规定了三类HART命令：命令： 通用命令、普通应通用命令、普通应用命令和专用命令，为解决不同厂家设备的互换性用命令和专用命令，为解决不同厂家设备的互换性及互操作问题，及互操作问题，HART也采用设备描述语言。也采用设备描述语言。 基本主设备基本主

29、设备安全栅安全栅现场仪表现场仪表HART总线的网络结构总线的网络结构现场仪表现场仪表现场仪表现场仪表副主设备副主设备HART至少需要一个主设备和一个现场仪表；至少需要一个主设备和一个现场仪表； 现现场仪表和副主设备均为并联，连接点可置于网络场仪表和副主设备均为并联，连接点可置于网络的任意位置；的任意位置； 网络工作时，现场仪表可被更换，网络工作时，现场仪表可被更换，副主设备也可被连到网上。副主设备也可被连到网上。 小结小结上述几种现场总线均可构成现场控制系统上述几种现场总线均可构成现场控制系统, 但但只有只有 FF-H1、Profibus-PA、HART 三种总线三种总线可用于过程控制可用于过

30、程控制 (总线供电和本安防爆总线供电和本安防爆)。从发。从发展趋势看，展趋势看，EPA有良好的应用前景。有良好的应用前景。能用现场仪表能用现场仪表(变送器、执行器变送器、执行器) 构成就地控制构成就地控制回路的只有回路的只有FF-H1总线，因其功能模块具有变总线，因其功能模块具有变送、调节、计算、报警、故障诊断等功能。送、调节、计算、报警、故障诊断等功能。适用于过程控制的现场总线适用于过程控制的现场总线现场总线的选择现场总线的选择从性能和成本综合考虑、是否要求由现场仪表从性能和成本综合考虑、是否要求由现场仪表实现就地控制以及控制设备来源实现就地控制以及控制设备来源(欧洲或欧洲或美日美日)。现场

31、设备比较分散、需要就地控制。这是使用现场设备比较分散、需要就地控制。这是使用现场总线技术的关键，因为其优势是可节省大现场总线技术的关键，因为其优势是可节省大量现场布线开支，系统易于维护。量现场布线开支，系统易于维护。系统对信息集成有较高的要求。在底层使用现系统对信息集成有较高的要求。在底层使用现场总线技术可将大量现场数据集成到管理层，场总线技术可将大量现场数据集成到管理层，为管理系统为管理系统(CIMS)提供底层数据。提供底层数据。在实时性要求高的场合，应使用较高的数据传在实时性要求高的场合，应使用较高的数据传输率。根据防爆要求选用相应等级的总线供电输率。根据防爆要求选用相应等级的总线供电方案

32、。方案。FCS的应用场合的应用场合Ethernet的特点的特点以太网是以太网是IEEE 802.3支持的局域网标准，它支持的局域网标准，它只定义了物理层和数据链路层只定义了物理层和数据链路层, 其上是网络其上是网络层和传输层层和传输层(TCP/IP) 。以太网传输介质与速率分别为：以太网传输介质与速率分别为： 10BASE - 5 (粗缆，粗缆，10Mbps)； 10BASE - 2 (细缆，细缆，10Mbps)； 10BASE-T、F(双绞线双绞线、光纤，光纤，10Mbps)；100BASE-X(双绞线双绞线、光纤光纤, 100Mbps)；1000BASE-T(双绞线，双绞线，1000Mbp

33、s) 1000BASE-X (光纤，光纤，1000Mbps) 第三节第三节 实时工业以太网实时工业以太网以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术术, 几乎所有的编程语言都支持几乎所有的编程语言都支持Ethernet的应的应用开发。用开发。以太网的硬件产品价格低廉以太网的硬件产品价格低廉,其网卡的价格只其网卡的价格只有有Profibus、FF等现场总线的十分之一。等现场总线的十分之一。人们对以太网的设计、应用积累了许多经验人们对以太网的设计、应用积累了许多经验,软硬件资源丰富，技术十分成熟。软硬件资源丰富，技术十分成熟。工业界对以太网的发展予以高度重视，工业

34、界对以太网的发展予以高度重视， 并给并给以大量的以大量的 技术投入，保证了以太网技术的持技术投入，保证了以太网技术的持续向前发展。续向前发展。以太网易于与以太网易于与Internet连接连接, 能实现办公自动能实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接。化网络与工业控制网络的无缝连接。Ethernet用于工控网要解决的关键技术用于工控网要解决的关键技术通信的实时性即确定性通信的实时性即确定性。 以太网采用介质控制以太网采用介质控制方式为方式为CSMA/CD, 在网络负荷较重时在网络负荷较重时, 将影响数将影响数据的传输效率。可通过提高通信速率据的传输效率。可通过提高通信速率, 限制通信限制通信

35、负荷以及采用交换式集线器和全双工通信负荷以及采用交换式集线器和全双工通信, 使碰使碰撞机率大大降低撞机率大大降低。通信的稳定性和可靠性。通信的稳定性和可靠性。以太网所用的接插件、以太网所用的接插件、集线器集线器、交换机交换机、电缆等是为办公室应用而设计电缆等是为办公室应用而设计的的，不符合工业现场恶劣环境的要求。应设计用不符合工业现场恶劣环境的要求。应设计用于工业现场、抗干扰性能好的产品。于工业现场、抗干扰性能好的产品。总线供电和本质安全防爆问题。总线供电和本质安全防爆问题。目前以太网设目前以太网设备功耗都比较大备功耗都比较大, 只能采用非总线供电只能采用非总线供电(或利用通或利用通信电缆中的

36、另一对双绞线信电缆中的另一对双绞线)和隔离防爆的方法和隔离防爆的方法, 应应尽力研制低功耗的设备。尽力研制低功耗的设备。网络的安全性问题。网络的安全性问题。 以太网有可能受到病毒、以太网有可能受到病毒、黑客的入侵与非法操作的威胁黑客的入侵与非法操作的威胁，应采用网络隔离应采用网络隔离方法将控制网络与外部信息网分开，同时可采取方法将控制网络与外部信息网分开，同时可采取用户密码、防火墙等多种安全措施。用户密码、防火墙等多种安全措施。通信的一致性和互可操作性。通信的一致性和互可操作性。以太网只定义了以太网只定义了物理层物理层、数据链路层以及其上的数据链路层以及其上的 TCP/IP, 而没有而没有工业

37、控制现场设备通信所需的高层协议，应当建工业控制现场设备通信所需的高层协议，应当建立完整的、有效的应用层与用户层规范，以满足立完整的、有效的应用层与用户层规范，以满足开放系统互操作的要求开放系统互操作的要求。FTP,SMTP,HTTPEthernet用于工控网络的几种技术方案用于工控网络的几种技术方案lEthernet/IP (the ControlNet /DeviceNet objects on TCP/IP) (CI, Rockwell Automation等)lFF HSE (High Speed Ethernet) (FF, Emerson等)lProfinet (Profibus o

38、n Ethernet) (PI, Siemens等)lModbus IDA (Modbus Interface for Distributed Automation) (IDA，Schneider Automation等)lEtherCAT (Ethernet Control Automation Techlnology) (ETG, Beckhoff)lEPA (Ethernet for Plant Automation)EPA的进展的进展EPA=以太网（物理层链路层）以太网（物理层链路层） TCP / IP ( (网络层传输层）应用层用户层网络层传输层）应用层用户层2001年年11月成立课

39、题攻关小组月成立课题攻关小组 ( (浙大中控、浙大中控、中科院沈阳所、清华大学等组成中科院沈阳所、清华大学等组成) )。经过一年半时间的攻关基本解决了：以太网实经过一年半时间的攻关基本解决了：以太网实时通信、总线供电、可靠性与抗干扰、远距离时通信、总线供电、可靠性与抗干扰、远距离传输传输、网络安全以及控制系统体系结构等难题。网络安全以及控制系统体系结构等难题。开发了基于以太网的现场控制设备：开发了基于以太网的现场控制设备：EPA的通的通信模块、变送器、现场控制器、电动执行机构、信模块、变送器、现场控制器、电动执行机构、能实现总线供电的集线器样机、基于以太网的能实现总线供电的集线器样机、基于以太

40、网的软软PLC、现场设备管理与组态软件、基于现场设备管理与组态软件、基于Web的现场设备诊断、维护软件等。的现场设备诊断、维护软件等。20032003 年年 9 9月，月，IEC/SC65/WG1 西班牙马德里会议西班牙马德里会议上，浙大中控代表中国汇报了上，浙大中控代表中国汇报了 EPAEPA 工作情况，工作情况，0404年年1 1月，在法国召开的月，在法国召开的WG 11、12、13 工作组工作组会议会议上上, ,中国代表团作了中国代表团作了EPAEPA技术及其安全策略的专题技术及其安全策略的专题讲座得到了与会专家的高度重视。讲座得到了与会专家的高度重视。SC65 建议将六个实时工业以太网

41、协议提案建议将六个实时工业以太网协议提案 ( (EPAEPA, , EtherCATEtherCAT, ,Modbus TCPModbus TCP等等) )以以 PASPAS( ( PubliclyPublicly AvaiAvai- - labllable e Specification)Specification)规范形式发布规范形式发布。0505年年5 5月加月加拿大会议正式列为国际标准第拿大会议正式列为国际标准第1414类型类型CPFCPF 1414。0707年将成为第四版年将成为第四版6115861158标准的标准的Type 14Type 14。起草起草EPA国家标准国家标准用于工业

42、测量与控制系统的用于工业测量与控制系统的EPA系统结构和通信系统结构和通信标准标准。2004.05国家标准化国家标准化技术委员会技术委员会TC 124通过了对通过了对此标准的评审。此标准的评审。基于基于Ethernet的工控网络结构的工控网络结构操作员站操作员站过程Ethernet(EPA)交换机交换机控制层控制层工程师站工程师站通用Ethernet现场层现场层网络网络服务器服务器互联网互联网服务器服务器通用Ethernet管理管理计算机计算机管理管理计算机计算机质量,财务,设备,供销管理Intranet/Internet管理层管理层e网到底网到底第四节第四节 现场总线控制系统现场总线控制系统

43、现场仪表：现场仪表：具有标准通信接口的智能变送、控制、具有标准通信接口的智能变送、控制、显示、执行仪表。显示、执行仪表。现场总线控制系统的组成现场总线控制系统的组成现场总线现场总线控制网络包括现场测控仪表、通信设备、控制网络包括现场测控仪表、通信设备、电缆、上位计算机以及通信和组态软件。电缆、上位计算机以及通信和组态软件。上位监控计算机：上位监控计算机：符合工业标准，具有通信接口符合工业标准，具有通信接口(或网卡或网卡)、操作系统的工业控制计算机。、操作系统的工业控制计算机。通信设备和软件：通信设备和软件：通信转换装置、网卡及监控界通信转换装置、网卡及监控界面与现场仪表之间数据交换软件面与现场

44、仪表之间数据交换软件(DDE、OPC等等)。用户组态软件：用户组态软件：制作监控界面，实现显示、操作、制作监控界面，实现显示、操作、报警、制表、打印等功能。报警、制表、打印等功能。通信接口卡通信接口卡监控计算机监控计算机 不同子网不同子网其它网络其它网络 路由器路由器 网关网关现场仪表现场仪表用户应用软件用户应用软件网络通信软件网络通信软件现场总线控制系统示意图现场总线控制系统示意图通信软件通信软件DDE (Dinamic data exchange)：动态数据交换基动态数据交换基于消息机制，用于控制系统实时数据通信。于消息机制，用于控制系统实时数据通信。 当数当数据量大时，效率较低。微软公司

45、已停止发展据量大时，效率较低。微软公司已停止发展 DDE技术，但仍给予支持。技术，但仍给予支持。 目前大多数监控软件也支目前大多数监控软件也支持持DDE。OPC (OLE for Process Control)： 用于过程控制用于过程控制的的OLE以以Active X、COM&DCOM、XML及及.NET技术技术为基础为基础。 OPC是一个是一个开放的开放的软件软件接口规范，接口规范，用于客户程序和服务器之间的数据通信用于客户程序和服务器之间的数据通信。 OPC 使使监控软件能高效、稳定地对硬件设备进行监控软件能高效、稳定地对硬件设备进行存取操作存取操作, 系统应用软件之间也可灵活地进行信息

46、系统应用软件之间也可灵活地进行信息交换。交换。.设备设备B设备设备A设备设备N应用软件应用软件X.应用软件应用软件Z驱动程序驱动程序 传统应用系统体系结构传统应用系统体系结构 基于基于OPC技术的应用系统体系结构技术的应用系统体系结构.OPC服务器服务器设备设备BOPC服务器服务器设备设备AOPC服务器服务器设备设备N应用软件应用软件XOPC接口接口.应用软件应用软件ZOPC接口接口OPC客户客户监控组态软件监控组态软件 监控组态软件是面向监控和数据采集监控组态软件是面向监控和数据采集(SCADA)的软的软件平台工具件平台工具，主要用来构建人机图形界面，功能多样，主要用来构建人机图形界面，功能

47、多样,使用灵活使用灵活。它具有数据采集、实时监控、实时数据库、。它具有数据采集、实时监控、实时数据库、通信及联网、开放数据接口等功能，并广泛支持各种通信及联网、开放数据接口等功能，并广泛支持各种I/O设备设备。 知名的监控组态软件在国际上有知名的监控组态软件在国际上有Wonderware公司公司的的 Intouch、Intellution公司的公司的iFix、西门子公司西门子公司的的WinCC、NI公司公司的的LabView、Iconics公司公司的的Genesis等等等等。Into uch是在上世纪是在上世纪80年代末推出的年代末推出的第一个商品化第一个商品化组态软件。组态软件。 国内有三维

48、国内有三维科技股份有限公司的力控软件科技股份有限公司的力控软件、北京北京亚控亚控科技发展科技发展有限公司的有限公司的组态王组态王、北京昆仑通态自动化软件北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的科技有限公司的MCGS等。等。基于基于FF总线的控制系统总线的控制系统 Delta V 系统开放、模块结构、配置灵活、扩展方便系统开放、模块结构、配置灵活、扩展方便。选用选用不同的不同的I/O卡卡, 可连接符合总线标准的多种现场设备。可连接符合总线标准的多种现场设备。硬件安装简单、快捷硬件安装简单、快捷。采用即插即用技术，可带电采用即插即用技术，可带电插拔，维护方便。插拔，维护方便。本安本安I/O卡卡、集成隔

49、离安全栅集成隔离安全栅、IOIO卡件的每个通道均卡件的每个通道均与现场隔离，系统可靠性高。与现场隔离，系统可靠性高。软件功能丰富、多样软件功能丰富、多样。具有资源管理器、图形界面具有资源管理器、图形界面设计、先进控制软件、数据库管理和设备管理系统。设计、先进控制软件、数据库管理和设备管理系统。拖放式、图形组态拖放式、图形组态( (IEC61131IEC61131控制语言标准控制语言标准) )方式方式使得系统组态易于实现使得系统组态易于实现。支持支持OPCOPC标准，标准，Delta V可方便地与厂内局域网连接可方便地与厂内局域网连接。现场总线控制系统实例现场总线控制系统实例系统结构系统结构:系

50、统包括工作站系统包括工作站、通信网络通信网络、控制器及控制器及I/O卡件卡件, 支支持持FF、HSE、Profibus、HART等总线，可等总线，可冗余配置冗余配置。Delta VDelta V控制器控制器支持多种现场总线，冗余配置，通信速率为支持多种现场总线，冗余配置，通信速率为100M，可带电插拔，系统能自动识别。可带电插拔，系统能自动识别。I/OI/O卡件卡件支持支持输入输出卡件输入输出卡件 RTD TC AI PI MV AO DI DO RTD TC AI PI MV AO DI DO SOESOE支持各种总线协议的数据接口卡支持各种总线协议的数据接口卡：Serial Card Se

51、rial Card 串口卡串口卡Fieldbus Card Fieldbus Card 现场总线卡件现场总线卡件Hart AI/AOHart AI/AO卡卡PROFIBUS DPPROFIBUS DP接口卡接口卡As-i As-i 协议接口卡协议接口卡DeviceNet DeviceNet 卡卡HSEHSE高速总线接口卡等高速总线接口卡等软件包软件包资源管理器资源管理器(Explorer)：系统组态的基本浏览工具，允系统组态的基本浏览工具，允许访问视图中的任一项，并可以拖放的方式进行操作。许访问视图中的任一项，并可以拖放的方式进行操作。控制工作室控制工作室(Control Studio)：提供

52、图形化界面，创建提供图形化界面，创建和修改控制策略，在线浏览和调试。和修改控制策略，在线浏览和调试。图形工作室图形工作室(Graphics Studio)：使用图形、文字、数使用图形、文字、数字和动态显示工具，创建高分辨率的实时过程图形。字和动态显示工具，创建高分辨率的实时过程图形。设备管理系统设备管理系统(AMS)：在线对设备进行组态、标定和在线对设备进行组态、标定和远程故障诊断。远程故障诊断。先进控制软件先进控制软件： 模糊控制、神经网络控制、预测控制、模糊控制、神经网络控制、预测控制、回路整定、仿真软件等。回路整定、仿真软件等。预先设计的组态策略库AMSAMS用于仪表和调节阀的设备管理系

53、统用于仪表和调节阀的设备管理系统基于基于FFFF和和HartHart的仪表数据服务器的仪表数据服务器内置内置AMSAMS 、单工作站、单工作站AMSAMS、分布式分布式AMSAMS、资源管理器资源管理器控制工作室控制工作室图形工作室图形工作室设备管理系统设备管理系统l控制模块编辑控制模块编辑l轻松拖放组态方式轻松拖放组态方式l每个单项均可直接编辑每个单项均可直接编辑l内置批量控制软件和现场内置批量控制软件和现场总线功能总线功能l直接轻松存档直接轻松存档l类似Windows资源管理器l单一窗口管理整个系统资源l系统组态的调度室l系统资源分配办公室Delta V控制系统应用实例控制系统应用实例 (

54、甲醇装置甲醇装置)2对冗余的MD控制器H1PLCPROFIBUS DPMODBUSPLCRemote I/O 上海焦化有限公司甲醇及一氧化碳装置，AI、AO、DI、DO共700多点，控制回路100多个。1台工程师站4台操作员站12台FF在上海赛科在上海赛科90万吨万吨/年烯工程中的应年烯工程中的应用用赛科乙烯工程的十套生产装置、公用工程及辅助设赛科乙烯工程的十套生产装置、公用工程及辅助设施投入商业化运行，标志着在现代化大型石化联合施投入商业化运行，标志着在现代化大型石化联合工厂大规模采用工厂大规模采用FF现场总线控制技术获得了成功。现场总线控制技术获得了成功。全厂自控系统包括：全厂自控系统包括

55、：DCS/FCS、SIS、火灾和可燃火灾和可燃气体检测系统气体检测系统FGS、仪表和电气设备管理系统仪表和电气设备管理系统AMS和和EMS、在线分析仪管理系统在线分析仪管理系统ADAQ、转动设备管转动设备管理系统理系统MMS、先进过程控制先进过程控制APC、在线优化在线优化OPT、操作培训仿真系统操作培训仿真系统OTS、闭路电视系统闭路电视系统CCTV等。等。现场仪表设备总共现场仪表设备总共54025台，其中台，其中FF设备设备14375台台； 总回路数总回路数48200个，总位个，总位号号168,000个；个； FF网段网段2473个个，平均每个网段上挂平均每个网段上挂5.8台台FF设备；设

56、备； 现场接线箱现场接线箱5300个。个。赛科现场总线网段赛科现场总线网段( (Segment)Segment)设计设计现场总线段的设计应考虑网段总的电流负载、电缆现场总线段的设计应考虑网段总的电流负载、电缆型号、总线干线长度、总线支线长度、电压降和现型号、总线干线长度、总线支线长度、电压降和现场设备数量等。场设备数量等。每个总线网段上最多安装每个总线网段上最多安装12台台FF现场总线设备。现场总线设备。工程设计时按安装工程设计时按安装9台考虑台考虑，现平均现平均5.85.8台，台， 以后尚以后尚可增加可增加3 3台。台。每根总线电缆长度（干线加各支线总长度之和）不每根总线电缆长度（干线加各支

57、线总长度之和）不应超过应超过1200米。总线上设备总数为米。总线上设备总数为 1-12，单根，单根支线长度不应超过支线长度不应超过120m。支线电缆长度应尽量短。支线电缆长度应尽量短。总线网段电源模块：电源隔离器和电源调整器冗余总线网段电源模块：电源隔离器和电源调整器冗余配置配置。电源调整器的作用是保证电源调整器的作用是保证FF总线上的频率信总线上的频率信号（号（31.25Kbps)不被电源短路。不被电源短路。每个网段有两个终端器每个网段有两个终端器，分别接在该网段的两端分别接在该网段的两端，一一个在个在FF电源模块中电源模块中，另一个在专用端子块箱内另一个在专用端子块箱内。终端终端器将器将电

58、流信号电流信号转换成转换成电压信号电压信号，消除信号反射干扰。消除信号反射干扰。规定采用规定采用MTL公司提供的增安型公司提供的增安型EEx e接线箱接线箱。仪仪表和接线箱与总线电缆连接使用表和接线箱与总线电缆连接使用防爆电缆密封接头防爆电缆密封接头。用有短路保护作用的用有短路保护作用的FF专用端子块与各专用端子块与各FF设备连接。设备连接。为限制一个现场总线网段上的通信量，一个总线网为限制一个现场总线网段上的通信量，一个总线网段设计不应超过段设计不应超过2个控制回路。个控制回路。PID控制功能块：标准的单控制功能块：标准的单PID控制回路，控制回路，PID功能功能块设置在调节阀定位器上。对于

59、串级控制回路，主块设置在调节阀定位器上。对于串级控制回路，主回路控制回路控制PID功能块在功能块在DCS控制器执行，副回路控控制器执行，副回路控制制PID功能块在调节阀定位器上。功能块在调节阀定位器上。基于基于PROFIBUS总线的控制系统总线的控制系统PCS-7 PCS-7是体现了是体现了Siemens全集成自动化概念的过程控全集成自动化概念的过程控制系统制系统，表现在统一的数据管理、通信和软件。表现在统一的数据管理、通信和软件。PCS-7采用标准的采用标准的 SIMATIC部件部件(S7/M7/C7控制器、控制器、PC、HMI、DP、PA部件等部件等)进行配置进行配置，同时模块化同时模块化

60、的结构保证了系统的灵活性和统一性。的结构保证了系统的灵活性和统一性。PCS-7具有标准接口具有标准接口，允许非允许非Siemens的部件与系统的部件与系统方便地连接方便地连接，而不必使用价贵的专用接口而不必使用价贵的专用接口(开放性开放性)。完善的人机接口和编程功能。完善的人机接口和编程功能。WinCC和工具软件提和工具软件提供了完成监控界面、编程、模拟、维护等功能。供了完成监控界面、编程、模拟、维护等功能。现场控制级使用现场控制级使用Profibus-DP、PA及及AS-I等总线，上等总线，上层使用以太网。层使用以太网。EngineeringStation ESIndustrial Ethe