第一章_现场总线控制系统

1、共61页第1页共61页第2页第一节 现场总线控制系统概述 现场总线的产生现场总线的产生 从集中控制走向分散控制从集中控制走向分散控制 从从DCS走向走向FCS 从集团协议走向国际标准从集团协议走向国际标准 从国外走向国内从国外走向国内第一节 现场总线控制系统概述共61页第3页现场总线的产生图：传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统图：传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统 第一节 现场总线控制系统概述共61页第4页现场总线技术特点 系统的开放性系统的开放性 互可操作性与互用性互可操作性与互用性 现场设备的智能化与功能自治性现场设备的智能化与功能自治性 系统结构的高度分散性系统结构的

2、高度分散性 对现场环境的适应性对现场环境的适应性第一节 现场总线控制系统概述共61页第5页现场总线技术特点现场总线体系结构现场总线体系结构 第一节 现场总线控制系统概述共61页第6页现场总线的基本内容 现场总线的含义现场总线的含义 通信网络通信网络 互操作性互操作性 分散功能块分散功能块 通信线供电通信线供电 开放式互连网络开放式互连网络第一节 现场总线控制系统概述共61页第7页现场总线的基本内容FCS的分散功能块控制方案的分散功能块控制方案 操作站LAN服务器FTFGAI110差压变送器模拟量输入功能块现场总线PID功能控制块调节阀模拟量输出功能块PID110AO110第一节 现场总线控制系

3、统概述共61页第8页现场总线的基本内容新一代新一代FCS控制器控制器 操作站LAN服务器124H2现场总线现场设备32H1现场总线现场设备32H1现场总线现场设备H1H1H1H1H2网桥第一节 现场总线控制系统概述共61页第9页现场总线的基本内容 现场总线的网络结构现场总线的网络结构 1.现场总线的网络拓扑结构现场总线的网络拓扑结构 环型、总线型、树型环型、总线型、树型 2.现场总线的数据操作方式现场总线的数据操作方式 从现场总线的数据存取、传送、操作方法来从现场总线的数据存取、传送、操作方法来分有三种工作模式：对等分有三种工作模式：对等(Peer to Peer) 、主从、主从(Client

4、/Server C/S)及网络计算机结构及网络计算机结构(Network Computing Archnitecture NCA)第一节 现场总线控制系统概述共61页第10页现场总线的基本内容3.网络扩展与网络互连网络扩展与网络互连 网络扩展与网络互连网络扩展与网络互连 （1）网络扩展）网络扩展 （2）网络互连）网络互连 （3）开放系统互连模型和通信协议）开放系统互连模型和通信协议第一节 现场总线控制系统概述共61页第11页现场总线的基本内容OSI及其几种现场总线开放互连模型的对应关系及其几种现场总线开放互连模型的对应关系 应用层表达层会话层传输层物理层ISO/OSI模型76网络层数据链路层5

5、4321应用层物理层现场总线协议总线接口子层数据链路层用户层物理层FF模型功能块设备描述传送块通信栈物理层Proifbus-DP数据链路层应用层接口物理层Proifbus-FMS数据链路层用户接口隐去第3至第7层隐去第3至第6层应用层信息规范底层接口HART指令Bell202HART模型HART通信规则第一节 现场总线控制系统概述共61页第12页现场总线的基本内容 FCS体系结构体系结构操作站LAN服务器124H2现场总线现场设备32H1现场总线现场设备32H1现场总线现场设备H1H1H1H1H2网桥第一节 现场总线控制系统概述共61页第13页现场总线的基本内容 1151电容式压力变送器的测压

6、原理电容式压力变送器的测压原理 CPU通信接口MNET低速现场总线A/D电容测量电路显示单元3.3V电源线智能压力变送器原理图智能压力变送器原理图 第一节 现场总线控制系统概述共61页第14页现场总线的基本内容1151智能压力仪表具有如下功能智能压力仪表具有如下功能1 1采集差压信号采集差压信号2 2采集温度信号采集温度信号3 3压力信号单位转换压力信号单位转换4 4测压膜片非线性补偿测压膜片非线性补偿5 5压力信号温度补偿压力信号温度补偿6 6流速和流量计算流速和流量计算7 7测量数据越限报警测量数据越限报警8 8自标定自标定9 9零点和满度设定零点和满度设定1010掉电保护掉电保护1111

7、数据通信数据通信1212回路控制回路控制第一节 现场总线控制系统概述共61页第15页现场总线的基本内容 FCS上位机管理软件功能上位机管理软件功能 1系统组态系统组态2数据库组态数据库组态3历史库组态历史库组态 4图形组态图形组态5控制算法组态控制算法组态6数据报表组态数据报表组态7实时数据显示实时数据显示8历史数据显示历史数据显示9图形显示图形显示 10参数列表参数列表11数据打印输出数据打印输出12数据输入及参数修改数据输入及参数修改13控制运算调节控制运算调节14报警处理报警处理15故障处理故障处理 16通信接口通信接口17人机接口人机接口第一节 现场总线控制系统概述共61页第16页第二

8、节 几种常见的现场总线现场总线基金会(FF) Fieldbus Foundation(FF)组织组织 FF现场总线的特点与优势现场总线的特点与优势 设备互操作性、改善过程数据、对进程增加设备互操作性、改善过程数据、对进程增加更多的了解、改善现场安全、更早的预测维护、更多的了解、改善现场安全、更早的预测维护、减少的线缆和安装费用减少的线缆和安装费用第二节 几种常见的现场总线共61页第17页现场总线基金会(FF) FF现场总线主要技术内容现场总线主要技术内容 1基金会现场总线的通信技术基金会现场总线的通信技术 2标准化功能块标准化功能块(FB-Function Block) 3设备描述设备描述(D

9、D-Device Description)与设备描与设备描述语言述语言(DDL-Device Description Language) 4现场总线通信控制器与智能仪表或工业控制计现场总线通信控制器与智能仪表或工业控制计算机之间的接口技术算机之间的接口技术 5系统集成技术系统集成技术 6系统测试技术系统测试技术第二节 几种常见的现场总线共61页第18页现场总线基金会(FF) 基金会现场总线的网络拓扑结构基金会现场总线的网络拓扑结构 H2H1H1H2接线盒网桥总线型点对点树型菊花链型H1H1H1第二节 几种常见的现场总线共61页第19页H1H1、H2H2总线网段的主要特性参数总线网段的主要特性参

10、数低速现场总线低速现场总线H1H1高速现场总线高速现场总线H2H2传输速率传输速率31.25kbi31.25kbit/st/s31.25kbit31.25kbit/s/s31.25kbit31.25kbit/s/s1Mbit/s1Mbit/s1Mbit/s1Mbit/s1Mbit/s1Mbit/s信号类型信号类型电压电压电压电压电压电压电流电流电压电压电压电压拓扑结构拓扑结构总线总线/ /菊菊花花链链/ /树型树型总线总线/ /菊花菊花链链/ /树型树型总线总线/ /菊花菊花链链/ /树型树型总线总线总线总线总线总线通信距离通信距离19001900米米19001900米米19001900米米7

11、50750米米750750米米750750米米分枝长度分枝长度120120米米120120米米120120米米0 00 00 0供电方式供电方式非总线非总线供电供电总线总线供电供电总线总线供电供电总线交流总线交流供电供电非总线供非总线供电电非总线供非总线供电电本质安全本质安全不支持不支持不支持不支持支持支持支持支持不支持不支持支持支持设备数设备数/ /段段2-322-321-121-122-62-62-322-322-322-322-322-32第二节 几种常见的现场总线共61页第20页现场总线基金会(FF) FF现场总线控制系统体系结构现场总线控制系统体系结构 现场总线设备分类现场总线设备分

12、类 FF现场总线控制系统结构现场总线控制系统结构第二节 几种常见的现场总线共61页第21页现场总线基金会(FF)FF现场总线控制系统结构现场总线控制系统结构控制器网桥PLC手持终端总线分析器H1低速现场总线H2高速现场总线（或Ethernet）H1H1H1监控计算机第二节 几种常见的现场总线共61页第22页现场总线基金会(FF) FF现场总线信息原理现场总线信息原理 FF的协议规范建立在的协议规范建立在ISO/OSI层间通信层间通信模型之上，它由模型之上，它由3个主要功能部分组成：物个主要功能部分组成：物理层、通信栈和用户层。理层、通信栈和用户层。第二节 几种常见的现场总线共61页第23页过程

13、现场总线(PROFIBUS) Profibus现场总线包括三种类型的总线现场总线包括三种类型的总线形式：形式：通用自动化通用自动化Profibus-FMS总线、工总线、工业自动化业自动化Profibus-DP总线和过程自动化总线和过程自动化Profibus-PA总线总线，以适应于高速和时间苛，以适应于高速和时间苛求的数据传输或大范围的复杂通信场合。求的数据传输或大范围的复杂通信场合。 第二节 几种常见的现场总线共61页第24页过程现场总线(PROFIBUS)Profibus现场总线的结构现场总线的结构Profibus-FMSProfibus-DP PLC PLC网桥工业PC机工业PC机A C

14、TA C T1 0 M 1 0 0 M1 2 3 41 3 1 4 1 5 1 65 6 7 81 7 1 8 1 9 2 09 1 0 1 1 1 22 1 2 2 2 3 2 4U P L IN K123456789 1 0 1 1 1 21 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4C O LC O LP W RS W IT C H耦合器 传感器执行器 传感器执行器第二节 几种常见的现场总线共61页第25页过程现场总线(PROFIBUS)PROFIBUS系列系列 一般自动化 PROFIBUS-FMS(DIN 19 245 T1+T2) Pr

15、 EN 50170 行业应用规范： 纺织工业、 楼宇自动化、 传动技术、 传感器和执行器、 PLCs可编程控制器、 低压开关设备过程自动化PROFIBUS-PA(DIN 19 245 T4)在起草中符合IEC 1158-2标准的本质安全传输技术加工自动化PROFIBUS-DP(DIN 19 245 T1+T3)Pr EN 50170分散外设间的高速数据传输第二节 几种常见的现场总线共61页第26页过程现场总线(PROFIBUS) PROFIBUS-DP 从站1从站2从站3从站4从站5从站6主站1（1类）主站2（2类）主站3（1类）主站间的逻辑令牌环总线电缆短截线多主站系统多主站系统PROFIB

16、USPROFIBUS系统系统 第二节 几种常见的现场总线共61页第27页过程现场总线(PROFIBUS) PROFIBUS-DP系统由三种类型的设备系统由三种类型的设备组成组成 PROFIBUS-DP系统可以是单主站系统，系统可以是单主站系统，也可以是多主站系统也可以是多主站系统 系统配置的描述系统配置的描述 PROFIBUS-FMS技术特性技术特性第二节 几种常见的现场总线共61页第28页HART可寻址远程传感器数据通路可寻址远程传感器数据通路(HART) 的发展的发展HART协议采用的信号协议采用的信号HART协议把链路上所挂设备分为三类协议把链路上所挂设备分为三类HART协议命令分为三类

17、协议命令分为三类第二节 几种常见的现场总线共61页第29页HART 计算机系统与智能仪器的连接计算机系统与智能仪器的连接 计算机系统HART接口手操器智能仪表智能仪表HART420mA模拟仪表第二节 几种常见的现场总线共61页第30页HARTHART通信协议模型通信协议模型 应用层数据链路层 物理层用 户物理介质 应用层 数据链路层 物理层用 户第二节 几种常见的现场总线共61页第31页控制局域网络(CAN) CAN概述概述 版版 本本发布时间发布时间内内 容容 变变 化化1.01.019851985年年1.11.119871987年年位定时要求重新定义位定时要求重新定义1.21.219901

18、990年年振荡器容错能力提高振荡器容错能力提高2.02.019911991年年Part A,Part A,与与1.21.2版相同版相同Part B,Part B,引入数据帧和远程帧的扩引入数据帧和远程帧的扩展帧结构展帧结构CANCAN协议版本发展协议版本发展 第二节 几种常见的现场总线共61页第32页控制局域网络(CAN) CAN总线系统总线系统 CAN总线系统由总线系统由CAN网络节点、转发网络节点、转发器节点和上位机构成。器节点和上位机构成。 第二节 几种常见的现场总线共61页第33页控制局域网络(CAN) CAN总线系统总线系统 上位机系统转发器1节点节点转发器2节点节点转发器n节点节点

19、一级总线二级总线系统的总体结构系统的总体结构 第二节 几种常见的现场总线共61页第34页控制局域网络(CAN)节点的结构图节点的结构图 微处理器80C592EPROM锁存器CAN驱动器82C250传感器接口传感器AD590电源模块复位芯片+220V-220V二级总线第二节 几种常见的现场总线共61页第35页控制局域网络(CAN)转发器节点结构图转发器节点结构图 微控制器MCS51总线接口82C200+82C250电源模块+220V-220V一级总线总线接口82C200+82C250二级总线第二节 几种常见的现场总线共61页第36页控制局域网络(CAN) CAN控制器控制器 目前应用较广泛、特点

20、较突出的是目前应用较广泛、特点较突出的是Philips公公司的司的SJA1000控制器控制器 上控主设备CAN接口卡监控报警器CAN接口电路智能仪表1#CAN接口电路智能仪表N#CAN接口电路智能开关量板CAN接口电路CAN总线120120CANCAN网络总体设计方案网络总体设计方案 第二节 几种常见的现场总线共61页第37页控制局域网络(CAN)CAN总线模块结构总线模块结构 执行机构灵敏元件人-机接口模块控制器CAN控制器CAN接收发送器RxTx执行机构灵敏元件人-机接口AT89C51SJA1000PCA82C250RxTxCAN总线第二节 几种常见的现场总线共61页第38页控制局域网络(

21、CAN) CAN网络的组网方式网络的组网方式 CAN接口卡监控主机现场传感器现场设备现场传感器现场设备分线盒现场传感器现场设备现场传感器现场设备点对点连接树型连接支脉型连接菊花链型CANCAN网络组网连接方式原理示意图网络组网连接方式原理示意图 第二节 几种常见的现场总线共61页第39页控制局域网络(CAN)CAN总线分布工业测控网络拓扑原理图总线分布工业测控网络拓扑原理图 CAN接口卡CANHCANL中继器CAN模块1CAN模块2CAN模块NCANLCANHSdLRTRTRTRT监控主机第二节 几种常见的现场总线共61页第40页第三节局部操作网络(LonWorks) LonWorks概述 L

22、onWorks的技术核心神经元芯片 LontWorks技术的核心是神经元芯片技术的核心是神经元芯片(Neuron Chip)。该芯片内部装有。该芯片内部装有3个个CPU。 第三节 局部操作网络(LonWorks)共61页第41页神经元芯片 共享存储器共享存储器 通信接口I/O口MAC处理器网络处理器应用处理器网络缓冲器应用缓冲器第三节 局部操作网络(LonWorks)共61页第42页LonWorks节点 以神经元芯片为核心的控制节点以神经元芯片为核心的控制节点传感器和执行器晶振电源I/O调理收发器16k58k ROM神经元芯片3150/3120神经元节点的结构框图神经元节点的结构框图 第三节

23、局部操作网络(LonWorks)共61页第43页LonWorks节点 采用宿主采用宿主(Host Base)结构结构主处理器接口单元神经元芯片收发器复位电路EPROM典型宿主结构框图典型宿主结构框图 第三节 局部操作网络(LonWorks)共61页第44页LonTalk协议的功能 使用使用LONTALK协议的典型控制系统协议的典型控制系统 路由器NodeNodeNode路由器NodeNodeNode路由器NodeNodeNode路由器NodeNodeNodeNodeNodePC机DDEServerNetMakerInstallationToolLonBuilder开发工具箱Power Line

24、 Channel78Kbps Tp ChannelRadio Frequency ChannelLine Power Channel串口LonTalk适配器串口LonTalk适配器第三节 局部操作网络(LonWorks)共61页第45页LonTalk协议的功能层号层号OSIOSI层层目目 的的提供的服务提供的服务7 7应用层应用层标准网络变量类型标准网络变量类型6 6表示层表示层数据解释数据解释网络变量发送网络变量发送5 5会话层会话层远程操作远程操作请求请求应答每件事认证、网络管理应答每件事认证、网络管理4 4传输层传输层端到端的可靠性端到端的可靠性确认和非确认单一广播和多路发送认证排序，确

25、认和非确认单一广播和多路发送认证排序，重复检测重复检测3 3网络层网络层目的寻址目的寻址寻址路由选择寻址路由选择2 2链路层链路层媒体访问和数据包媒体访问和数据包数据包、数据编码、数据包、数据编码、CRCCRC差错检测、差错检测、CSMACSMA冲突冲突避免，选择优先级和冲突检测避免，选择优先级和冲突检测1 1物理层物理层电子设备内部联接电子设备内部联接特定媒体接口和调试方式特定媒体接口和调试方式七层协议中各层的情况七层协议中各层的情况 第三节 局部操作网络(LonWorks)共61页第46页LonWorks收发器与路由器 双绞线收发器双绞线收发器 对双绞线的支持主要有三类收发器：直接驱对双绞

26、线的支持主要有三类收发器：直接驱动、动、RS-485和变压器耦合和变压器耦合 电源线收发器电源线收发器(Link Power Transceiver) 电力线收发器电力线收发器 无线收发器无线收发器 光纤收发器光纤收发器 路由器路由器(Router)第三节 局部操作网络(LonWorks)共61页第47页LonWorks收发器与路由器RTR-10路由器模块构成的路由器框图路由器模块构成的路由器框图 安装按钮电源路由器核心模块A边收发器B边收发器第三节 局部操作网络(LonWorks)共61页第48页专用开发语言Neuron C Neuron C简介简介 Neuron C的一些功能的一些功能第三

27、节 局部操作网络(LonWorks)共61页第49页第四节 现场总线的发展趋势 现场总线的发展不会被计算机通信技术取代 现场总线技术的发展现场总线技术的发展 现场总线的功能现场总线的功能第四节 现场总线发展趋势共61页第50页IEC61158 8种类型现场总线 Type 1IEC 61158技术报告技术报告Type 2ControlNet现场总线现场总线Type 3Profibus 现场总线现场总线Type 4P-Net现场总线现场总线Type 5FF HSE(High Speed Ethernet)Type 6SwiftNet 现场总线现场总线Type 7WorldFIP现场总线现场总线Ty

28、pe 8Interbus 现场总线现场总线第四节 现场总线发展趋势共61页第51页IEC61158 8种类型现场总线IEC推荐的现场总线控制系统结构推荐的现场总线控制系统结构 第四节 现场总线发展趋势共61页第52页IEC61158 8种类型现场总线Type2 ControlNet现场总线体系结构现场总线体系结构 信 息 层自 动 化 和 控 制 层 设 备 层以太网（Ethernet）网络控制网（ControlNETTM）设备网（DeviceNETTM）网络第四节 现场总线发展趋势共61页第53页IEC61158 8种类型现场总线Type3Profibus现场总线体系结构现场总线体系结构 管

29、理级总线循环时间1000ms单元级总线循环时间100ms现场级总线循环时间10ms管理级计算机CNCPV/VEM变送器执行器I/O现场设备VEM/PCPLCPCSPROFIBUS-FMSPROFIBUS-DPPROFIBUS-PA第四节 现场总线发展趋势共61页第54页现场总线应用工程的发展趋势 总线类型总线类型位式总线位式总线(Sensor Bus or Bit-Bus)字节总线字节总线(Device Bus or Byte-Bus)数据流总线数据流总线(Full Function Bus or Block-Bus)典型总线典型总线AS-IDeviceNetFoundation Fieldb

30、us设备识别设备识别否否是是是是诊断、维护信息诊断、维护信息很少很少是是是是设备的遥控组态设备的遥控组态否否是是是是遥控校验遥控校验否否是是是是附加功能附加功能否否是是是是时间同步时间同步否否否否是是现场控制现场控制否否否否是是模拟量测量模拟量测量否否有限制有限制是是自由选择供应商自由选择供应商无设备行规无设备行规是是是是多主机多主机否否限制，增加主机影响巡回时间限制，增加主机影响巡回时间是是网络供电网络供电是是是是是是已存在电缆的使用已存在电缆的使用否否否否是是在危险区域使用在危险区域使用否否否否是是产品类型产品类型简单开关量简单开关量I/O模块模块开关量和模拟量开关量和模拟量I/O模块，适合模块，适合PLC应用或过程控制应用应用或过程控制应用具有功能块的开关量和模拟量具有功能块的开关量和模拟量I/O设备，设备，适合过程控制适合过程控制控制功能块控制功能块否否否否是是设备描述语言设备描述语言否否否否是是价格价格非常低非常低低低高高第四节 现场总线发展趋势共61页第55页第五节 应用系统举例 现场总线Lo