现场总线profibus介绍200904ppt课件

1 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 现场总线控制系统（现场总线控制系统（ FCS)在火电厂在火电厂 应用的研究应用的研究 自动化技术研究中心 2 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 主 要 内 容 现场总线技术的基本概念 现场总线控制系统的发展 和现场总线国际标准 适用于过程控制领域的典 型 FCS简介及应用 现场总线控制系统在火电 厂的应用 现场总线控制系统现场总线控制系统 （ FCS） 3 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 现场总线技术的基本概念现场总线技术的基本概念 现场总线的产生及定义 现场总线的核心和基础 现场总线的应用领域 现场总线通信协议模型 4 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 现场总线的产生及定义 工业控制领域不断提高的需求：范围、规模、性能 控制、管理和决策结合，信息量和实时性要求提高 4C技术（ Computer、 Control、 Communucation、 CRT）的高速发展 国际电工委员会 IEC61158对现场总线定义： 安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自 动控制装置之间的数字式、串行、多点的数据总线 称为现场总线。 现场总线是自动化发展的必然产物 5 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 现场总线的核心和基础 不同类型的总线，其核心是不同的 “ 总线协议 ”。协议的 本质是 “ 标准 ”。 总线协议技术是系统的，有完整的硬件和软件支持，能够 形成系统和产品。 总线协议的标准化是实现开放、互操的前提。 现场总线的核心总线协议现场总线的核心总线协议 现场总线的基础智能现场装置现场总线的基础智能现场装置 遵循统一的总线协议，实现双向数字通信。 具有多种智能化功能，增加现场级的信息处理和控 制能力。具有丰富的状态、诊断、参数信息。 6 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 现场总线控制系统的应用领域 FCS应用的三大典型领域应用的三大典型领域 (1) 制造制造 :典型是汽车制造，自动化生产线机器人的典型是汽车制造，自动化生产线机器人的 离散操作。由离散操作。由 PLC发展到发展到 FCS (2) 物业：楼宇自动化，节点多达物业：楼宇自动化，节点多达 32,385，无主从，无主从 ，各节点对等，但节点间传递信息量较低，各节点对等，但节点间传递信息量较低 (3) 过程控制：石化、发电等，模拟量监控技术复过程控制：石化、发电等，模拟量监控技术复 杂、安全性高。由杂、安全性高。由 DCS发展到发展到 FCS 7 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 现场总线控制系统的应用领域 不同领域对不同领域对 FCS的要求不同的要求不同 (1) 模拟连续类：模拟连续类： 基本测控对象流量、温度、料位、基本测控对象流量、温度、料位、 压力等变化缓慢，不要求快速响应时间，但要求复杂压力等变化缓慢，不要求快速响应时间，但要求复杂 的模拟量处理能力。防爆的本安性能。如从仪表行业的模拟量处理能力。防爆的本安性能。如从仪表行业 发展起来的发展起来的 FF标准标准 H1总线总线 。 (2) 数字分立动作类：数字分立动作类： 需有快速巡回检测和快速控制的需有快速巡回检测和快速控制的 能力能力 ，快速响应时间。如从 PLC发展的 Profibus-DP (3) 大数量节点大阵列类：以上大数量节点大阵列类：以上 2类节点不超过类节点不超过 300， 此类节点要在此类节点要在 30 000以上，完全分散。以上，完全分散。 8 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 现场总线通信协议模型 协议分层： 大多数网络软件按分层结构组织。网络体系结构是 指划分层次、每层功能、层间接口及相同层次通信 的协议。 ISO7498标准的 OSI分层模型： ISO OSI标准 用于信息技术和邮电通信的国际标准化组织（ ISO） 制定的开放系统互连（ OSI） 七层参考模型 第一层： 物理层 第二层： 数据链路层 第三层： 网络层 第四层： 传送层 第五层： 会话层 第六层： 表示层 第七层： 应用层 9 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 现场总线通信协议模型 现场总线通信协议模型： 在 ISO OSI模型的基础进行简化，并增添面向 用户的第 8层用户层 10 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 现场总线通信协议模型 物理层： 提供机械、电气、功能性和规程性的位流传输 通信速率通信速率 32.25kb/s、 1Mb/s、 2.5Mb/s、 12Mb/s等等 现场总线段的现场装置数现场总线段的现场装置数 现场总线的导线媒体和长度：双绞线、同轴电缆、光纤现场总线的导线媒体和长度：双绞线、同轴电缆、光纤 数据链路层： 提供媒体送取控制和逻辑链路控制 通信通信 “ 交通管理交通管理 ” ：令牌、主从、非调度：令牌、主从、非调度 /非周期通信非周期通信 收收 /发帧管理：对帧信号的控制，检验传输差错（海明码发帧管理：对帧信号的控制，检验传输差错（海明码 等）等） 实现通信的实时性、确定性和优先级管理实现通信的实时性、确定性和优先级管理 11 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 现场总线通信协议模型现场总线通信协议模型 应用层： 提供应用、应用管理和系统管理的分布式信息服务 主要有通信功能、特殊功能以及管理控制功能主要有通信功能、特殊功能以及管理控制功能 用户层： 提供现场智能装置控制功能和互操作性 标准功能块（标准功能块（ FB）：）： 为现场智能装置提供的为现场智能装置提供的 AI、 AO、 PID等等 装置描述（装置描述（ DD）：）： 类似于装置的驱动软件，允许不同厂商的类似于装置的驱动软件，允许不同厂商的 装置连在同一现场总线实现互操。有装置连在同一现场总线实现互操。有 EDDL和 FDT/DTM两大两大 类描述方法。目前这两种标准有统一的议向。类描述方法。目前这两种标准有统一的议向。 12 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 现场总线控制系统的发展和现场现场总线控制系统的发展和现场 总线的国际标准总线的国际标准 现场总线的国际发展概况和趋势 IEC国际标准的 16类型现场总线 13 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 现场总线的国际发展概况和趋势现场总线的国际发展概况和趋势 现场总线的标准化进程 漫长的国际标准制定过程（漫长的国际标准制定过程（ 16年），已产生了妥协和年），已产生了妥协和 折衷性质的折衷性质的 IEC61158现场总线国际标准，现场总线国际标准， 2000年包含年包含 了了 8种类型的现场总线。到种类型的现场总线。到 2007年年 11月增加到月增加到 16类，类， 其中包括中国自主研发的其中包括中国自主研发的 EPA现场总线标准。现场总线标准。 国际著名现场总线组织 1. 基金会现场总线基金会现场总线 FF： 美国公司为主的国际性组织美国公司为主的国际性组织 2. Profibus组织：德国和欧洲国公司为主的国际性组织组织：德国和欧洲国公司为主的国际性组织 3. WorldFIP组织：法国、北美等国公司为主的国际性组组织：法国、北美等国公司为主的国际性组 织织 4. ControlNet组织：由组织：由 ROCKWELL公司牵头的国际性组织公司牵头的国际性组织 14 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 适用于过程控制的适用于过程控制的 FCS简介及应用简介及应用 适用于电厂过程控制的现场总线 基金会（ FF） 现场总线 Profibus现场总线及应用 15 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI Profibus现场总线控制系统 Profibus现场总线技术是由离散控制 (PLC)发展而 来。是 IEC61158现场总线国际标准中的第 3类。 Profibus技术规范 ， 在 2006年 10月经国家标准化管 委会审查通过，成为我国第一个现场总线国家标准 ： GB/T 20540-2006 Profibus产品 ， 全球有超过 250家公司生产 1500多 种产品。 16 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI Profibus现场总线控制系统 通信模型： 物理层 DP、 FMS为 RS 485传输， 9.6k 12Mb/s PA为 IEC61158-2传输，总线供电， 31.25kb/s 数据链路层 采用一致的总线存取协议：令牌和主从 令牌：主站与主站之间通信 主从：主站与从站之间通信 用户层 实现不同厂家设备的互换和互操性， 通用站描述文件 (GSD) 电子设备数据文件（ EDDL或 FDT/DTM） 17 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI Profibus现场总线控制系统 拓扑结构 18 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI Profibus现场总线控制系统 主站主站 分为二类 (1) 一类主站 (DPM1)： 能 主动地、周期性地与其所组态的 从站进行数据交换，被动地与二类主站通信。如 PLC、控制站 (2) 二类主站 (DPM2):监控主站，可非周期地与其他主站、自 己的从站通信，如编程器、操作员站等。 从站从站 是输入、输出信息采集和发送的外围设备，被动 地与主站通信。如通信接口卡、变送器、阀门驱动器、电机 控制单元、检测仪表等。 19 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI Profibus现场总线控制系统 Profibus通信机制通信机制 循环周期数据通信 :用于实时性数据通信，包括用于实时性数据通信，包括 过程过程 I/O和标准状态字。对于和标准状态字。对于 32站系统主站与每个站系统主站与每个 从站通信量为从站通信量为 512bit输入和输入和 512 bit输出，在输出，在 12Mbps速率下的周期为速率下的周期为 1ms。 非循环周期数据通信 :具有较低的通信优先级，具有较低的通信优先级， 用于非实时数据通信。设备的详细状态、诊断、参用于非实时数据通信。设备的详细状态、诊断、参 数化、检验数据。可在多个循环通信周期中传输。数化、检验数据。可在多个循环通信周期中传输。 扩展诊断的扩展诊断的 DP-V1标准比标准比 DP-V0所采集的信息更多、所采集的信息更多、 更深入。更深入。 20 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI Profibus现场总线控制系统 主站和从 站网络结 构 主站通 信单元 主站 -仪表、执行机构 21 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI Profibus现场总线控制系统 22 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 电站控制系统的特殊性 FCS在电厂应用研究的进展 玉环电厂水处理 FCS简介 现场总线控制系统在电厂的应用现场总线控制系统在电厂的应用 23 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 电站控制系统的特殊性电站控制系统的特殊性 对电站运行可靠性的特殊要求 对新技术、新装置既渴望又保守的矛盾态度。 电站 I/O特点 测点密集、现场装置密集、设备立体布置。厂域远小 于石油、化工企业 。 控制功能和控制策略的复杂性 火电厂自动化监控的六大系统（ DAS、 FSSS、 MCS、 SCS、 DEH、 ECS）； 机炉协调控制涉及设备、信息 量大；汽机控制、 SOE要求 ms级响应速度； 24 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI FCS在电厂应用研究的进展在电厂应用研究的进展 国外电厂 FCS的应用 国内电厂 FCS的工程应用 25 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 国外电厂国外电厂 FCS的应用的应用 Profibus现场总线系统在德国电厂应用 电厂名称： Niederaussem（ 尼德豪森） 容量： 1012MW， 超临界，压力 27.0MPa 控制系统： DCS与 FCS相结合 DCS控制器实现逻辑运算 、控制策略。变送器、执行器等采用现场总线设备。 现场总线设备：变送器 :HART协议 气动阀门 (电磁阀 ):Profibus-DP 气动阀门定位器： Probibus-PA 电机起动开关设备： Profibus-DP 仪表诊断和管理： PDM软件 26 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI OT OT OT OT/ET OT/DT OSES DS APF AP FUM AP FUM-F APT AP Add FEM external network webserver terminal bus Plant bus PROFIBUS-DP M MCCPositioner AS-interface DP/AS-i Link HART-MUX HART-Bus 国外电厂国外电厂 FCS应用的现状应用的现状 27 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 国外电厂国外电厂 FCS应用的现状应用的现状 冗余 DP总线连接的 现场总线阀门 28 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 国外电厂国外电厂 FCS应用的现状应用的现状 现场总线气动电磁阀 29 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 国外电厂国外电厂 FCS应用的现状应用的现状 DP智能电机控制和保护单元 多种控制方式：正 /反转 、星 /三角起动 、 变极 起 动 保护功能：过流保护、过 热保护； 控制和状态信息：启、停 状态，电流、温度； 诊断信息：硬件、线圈、 传感器诊断； 30 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 国内电厂国内电厂 FCS工程应用工程应用 连云港新海电厂 200MW机组，采用了 Profibus-DP接口 的 SIPOS电动调节阀； 江阴夏港电厂 330MW机组及其脱硫、辅助车间的 400V电 动机采用了 Profibus-DP接口的电机控制和保护单元 (SIMOCODE),共 346台； 华能巢湖电厂水处理控制系统、深能源河源电厂水处 理控制系统均采用了 Profibus现场总线控制系统，并 已投入运行； 海门电厂海水脱硫控制系统采用 Profibus和 FF现场总 线的网络、设备和仪表。 国内电厂局部应用现场总线技术 31 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 玉环电厂玉环电厂 FCS工程应用研究和实施工程应用研究和实施 是国内电厂完整的现场总线控制系统 控制器： PLC（ 高性能冗余 CPU系统） 现场总线： Profibus-DP、 Profibus-PA 现场总线仪表： DP超声波液位计、 PA压力 /差压变送器 、 PA磁翻板液位计 现场总线设备： DP气动电磁阀 (阀岛 )、 DP智能电机控 制和保护单元 (SIMOCODE) 、 DP变频器 信息和管理软件：自主开发中文界面的诊断和管理软 件对仪表进行远程诊断、参数设定等； PDM软件对变送 器、 CIMOCODE进行远程参数化、调试等。 32 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 玉环电厂水处理玉环电厂水处理 FCS网络结构网络结构 33 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 玉环电厂水处理玉环电厂水处理 FCS工程应用工程应用 中文界面的诊断信息和设备管理窗口中文界面的诊断信息和设备管理窗口 变送器窗口 超声波液位计窗口 应用 FCS的核心是现场设备信息的利用 34 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 玉环电厂水处理玉环电厂水处理 FCS工程应用工程应用 操作员站的现场总线设备信息画面 35 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 玉环电厂水处理玉环电厂水处理 FCS工程应用工程应用 操作员站的现场总线设备信息画面 36 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 华能玉环电厂水网控制室 37 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 补给水控制系统 主机柜 1面 动力柜 1面 通讯箱 5面 电磁阀箱 8面 废水处理控制系统 通讯箱 2面 电磁阀箱 4面 控制站（ PLC）机柜。除冗余 PLC、通信接口模件外没有常 规 I/O卡件。 38 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 就地通信箱包含： 光电链路器 OLM DP二合一单元 Y-Link DP/PA耦合单元 24V直流电源 华能玉环电厂水网控制系统 39 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 40 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI Profibus-DP接口 的超声波液位计 华能玉环电厂 水网控制系统 41 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 火电厂应用火电厂应用 FCS将带来自动化技术革命将带来自动化技术革命 n 现场总线的技术优越性现场总线的技术优越性 突破信号传统的突破信号传统的 “点对点点对点 ”传输，带来丰富的现场状态、传输，带来丰富的现场状态、 诊断信息，以及远程参数调整、校正功能诊断信息，以及远程参数调整、校正功能 ； 促进信息管理、设备管理、优化控制软件的开放、发展促进信息管理、设备管理、优化控制软件的开放、发展 和应用；和应用； 电厂控制、管理自动化实现革命化发展，建立真正的电厂控制、管理自动化实现革命化发展，建立真正的 “ 数字化电厂数字化电厂 ”。 n 现场总线产生的新理念现场总线产生的新理念 网络设计，是系统设计的重点网络设计，是系统设计的重点 ； 需要设计仪表、设备的地理位置，电缆桥架的走向，需要设计仪表、设备的地理位置，电缆桥架的走向， 是优化通讯支路设计，仪表连接设计的条件；是优化通讯支路设计，仪表连接设计的条件； 42 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 火电厂应用火电厂应用 FCS将带来自动化技术革命将带来自动化技术革命 n 现场总线产生的新理念现场总线产生的新理念 安装、接线的数量减少，但安装工艺的要求有提高；安装、接线的数量减少，但安装工艺的要求有提高； 仪表、设备的状态能够在集控室监视，就地工作减少，但仪表、设备的状态能够在集控室监视，就地工作减少，但 技术要求提高。技术要求提高。 43 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 电站现场总线控制系统电站现场总线控制系统 FCS165 44 西安热工研究院西安热工研究院 TPRI 电站现场总线控制系统电站现场总线控制系统 FCS165 n FCS165d的特点的特点 FCS165系统的最显著特点是实现了系统的最显著特点是实现了 D