分布式控制系统(DSC)13-第五章(现场总线)-DCS课件-1课件

1、上次课程内容回顾上次课程内容回顾一一、反馈控制功能反馈控制功能输入信号处理功能报警检验功能回路连接二、二、DCSDCS人机接口人机接口站站什么是人机接口操作员站的基本功能第五章第五章 现场总线技术现场总线技术第五章第五章 现场总线技术现场总线技术5.1什么是现场总线 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。网络。 现场总线的核心是总线协议（实现开发和互操作），基础是智能现场设备（硬

2、件支持）第五章第五章 现场总线技术现场总线技术自动控制系统网络结构第五章第五章 现场总线技术现场总线技术第五章第五章 现场总线技术现场总线技术第五章第五章 现场总线技术现场总线技术它表明，测量控制系统从早期基地式模拟仪表只能实现单点、单控制回路的测控功能开始，逐渐它表明，测量控制系统从早期基地式模拟仪表只能实现单点、单控制回路的测控功能开始，逐渐发展到按装置或过程的多回路、多变量集中监控，整个装置或车间的优化控制，以致实现生产过发展到按装置或过程的多回路、多变量集中监控，整个装置或车间的优化控制，以致实现生产过程的控制与管理一体化。程的控制与管理一体化。每一代更新都带来能力指数的跃变，同时随着

3、工具与功能开发的不断完善，每一代系统的测控能每一代更新都带来能力指数的跃变，同时随着工具与功能开发的不断完善，每一代系统的测控能力指数会按各自的增长速率不断升高，为生产过程的控制与管理提供更为完善的服务，带来更大力指数会按各自的增长速率不断升高，为生产过程的控制与管理提供更为完善的服务，带来更大的经济效益。这里，图的经济效益。这里，图4-14-1中对能力指数的描述在数值上并不精确，不过是一种示意性的表达而中对能力指数的描述在数值上并不精确，不过是一种示意性的表达而已。已。第五章第五章 现场总线技术现场总线技术第五章第五章 现场总线技术现场总线技术 原方案 现方案 备注 系统平台 PLC SIE

4、MES PCS7 传输方式 点对点传统模式 PROFIBUS 开放性 差 好 设备信息与管理 无 有 连接电缆 多 少 安装工作量 大 小 系 统 设 备 费 计 划 165万 实 际 188万 分 析 仪 表 未 列 入 电 缆 桥 架 费 计 划 95万 实 际 18万 安 装 费 用 计 划 68万 实 际 21万 不 包 括 分 析 仪 表 安 装 节 省 投 资 使用现场总线使用现场总线PROFIBUS PA的经济优势：的经济优势：与使用传统的与使用传统的4-20mA模拟信号系统比较模拟信号系统比较第五章第五章 现场总线技术现场总线技术5.2 几种有影响的现场总线技术 自自80年代末

5、以来，有几种现场总年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示了自己的优势。它定的应用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的们具有各自的特点，也显示了较强的生命力。对现场总线技术的发展已经生命力。对现场总线技术的发展已经发挥并将会继续发挥较大作用。发挥并将会继续发挥较大作用。 第五章第五章 现场总线技术现场总线技术 (1)基金会现场总线基金会现场总线 基金会现场总线基金会现场总线(FF(FF，Foundation Fieldbus)Foundation Fieldbus)是在过程自是在过程自动化领域得到广泛支持和具有

6、良好发展前景的技术。动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。 其前身是以美国其前身是以美国FisherRosemountFisherRosemount公司为首，联合公司为首，联合FoxboroFoxboro、横河、横河、ABBABB、西门子等、西门子等8080家公司制订的家公司制订的ISPISP协议协议和以和以HoneywellHoneywell公司为首，联合欧洲等地的公司为首，联合欧洲等地的150150家公司制家公司制订的订的WorldFIPWorldFIP协议。协议。 屈于用户的压力，这两大集团于屈于用户的压力，这两大集团于19941994年年9 9月合并，成立了月合并，成立了现场总

7、线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。协议。第五章第五章 现场总线技术现场总线技术基金会现场总线分低速基金会现场总线分低速H1和高速和高速H2两种通信速率两种通信速率 H1H1的传输速率为的传输速率为31.25kbps31.25kbps，通信距离可达，通信距离可达1900m(1900m(可加可加中继器延长中继器延长) )，可支持总线供电，支持本质安全防爆环，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。境。 H2H2的传输速率可为的传输速率可为1Mbps1Mbps和和2 25Mbps5Mbps两种，其通信距离两种，其通信距离分别为分别为750m

8、750m和和500m500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合和无线发射，协议符合IECll582IECll582标准。标准。 其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。第五章第五章 现场总线技术现场总线技术本质安全型电气设备的原理：本质安全型电气设备的原理： 通过选择电气设备电路的各种参数或采取保护措施来限通过选择电气设备电路的各种参数或采取保护措施来限制电路的火花放电能量和热能，使其在正常工作和规定制电路的火花放电能量和热能，使其在正常工作和规定的故障状态下，产生的电火花的热效应均不能点燃周围的故障状态下，

9、产生的电火花的热效应均不能点燃周围环境的爆炸性混合物，从而实现了电气防爆。环境的爆炸性混合物，从而实现了电气防爆。 这种电气设备的电路本身就具有防爆性能，也就是从这种电气设备的电路本身就具有防爆性能，也就是从“本质本质”上就是安全的，故称为本质安全型（本安型）。上就是安全的，故称为本质安全型（本安型）。第五章第五章 现场总线技术现场总线技术基金会现场总线的主要技术内容，包括：基金会现场总线的主要技术内容，包括： FFFF通信协议；通信协议； 用于完成开放互连模型中第用于完成开放互连模型中第2 27 7层通信协议的通信栈层通信协议的通信栈(Communication Stack)(Communi

10、cation Stack)； 用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDLDDL设备描述设备描述语言、设备描述字典；语言、设备描述字典； 用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块、用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术；实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术； 以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。第五章第五章 现场总线技术现场总线技术 基金会现场总线的构成：基金会现场总线的构成： 第五章第五章 现场总线技术现场总线技术 基金

11、会现场总线的通信模型：基金会现场总线的通信模型： 第五章第五章 现场总线技术现场总线技术 (2) LonWorks LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术。它是由美是又一具有强劲实力的现场总线技术。它是由美国国Echelon公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于，于1990年正式公布而形成的。年正式公布而形成的。 它采用了它采用了ISOOSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从设置，

12、其通信速率从300bps至至15Mbps不等，直接通信距不等，直接通信距离可达离可达2700m(78kbps，双绞线，双绞线)。 支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。用控制网络。 第五章第五章 现场总线技术现场总线技术 集成芯片中有集成芯片中有3个个8位位CPU，一个用于完成开放互连模型中，一个用于完成开放互连模型中第第1和第和第2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介

13、质访问的控制与处理。访问的控制与处理。 第二个用于完成第第二个用于完成第36层的功能，称为网络处理器，进行层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等。、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等。 第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。 Lon

14、Works技术所采用的技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中的神经元芯片中而得以实现。而得以实现。第五章第五章 现场总线技术现场总线技术(3) PROFIBUS PROFIBUSPROFIBUS是德国国家标准是德国国家标准DINl9245DINl9245和欧洲标准和欧洲标准EN50170EN50170的现场总线标准。的现场总线标准。 由由PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP，PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA组成了组成了PROFIBUSPROFIBUS系列。系列。 DPDP型用

15、于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。化领域的应用。 FMSFMS意为现场信息规范，意为现场信息规范，PROFIBUS-FMSPROFIBUS-FMS适用于纺织、楼适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。宇自动化、可编程控制器、低压开关等。 而而PAPA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IECll582IECll582标准。标准。第五章第五章 现场总线技术现场总线技术 该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。司、研究所

16、共同推出的。 它采用了它采用了OSIOSI模型的物理层、数据链路层。模型的物理层、数据链路层。FMSFMS还采用了应用层。还采用了应用层。 传输速率为传输速率为9 9，6kbps6kbps12Mbps12Mbps，最大传输距离，最大传输距离在在12Mbps12Mbps时为时为lOOmlOOm，1 15Mhps5Mhps时为时为400m400m，可用，可用中继器延长至中继器延长至10km10km。其传输介质可以是双绞线。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。最多可挂接，也可以是光缆。最多可挂接127127个站点。可实个站点。可实现总线供电与本质安全防爆。现总线供电与本质安全防爆。第五章第五章 现

17、场总线技术现场总线技术 (4) CAN CAN是控制局域网络是控制局域网络(Control Area Network)的简称，的简称，最早由德国最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准。国际标准组织制订为国际标准。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，只协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，只取取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。信号传输介质为双绞线。通信速率

18、最高可达信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达1Mbps40m，直接传输，直接传输距离最远可达距离最远可达10km5kbps。可挂接设备数最多可达。可挂接设备数最多可达110个。个。 CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传个，因而传输时间短，受干扰的概率低。输时间短，受干扰的概率低。第五章第五章 现场总线技术现场总线技术 (5)HART HART是是Highway Addressable Remote Transducer的缩写。的缩写。 最早由最早由Rosemount公司开发并得到八十多家著名仪表公司开发并得到八十多家著名仪

19、表公司的支持，于公司的支持，于1993年成立了年成立了HART通信基金会。通信基金会。 这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。场竞争能力，得到了较快发展。 第五章第五章 现场总线技术现场总线技术它规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三它规定了一系列命令，按

20、命令方式工作。它有三类命令：类命令： 第一类称为通用命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、这是所有设备都理解、执行的命令；执行的命令； 第二类称为一般行为命令，第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以所提供的功能可以在许多现场设备在许多现场设备(尽管不是全部尽管不是全部)中实现，这类命中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库；令包括最常用的现场设备的功能库； 第三类称为特殊设备命令，第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中以便在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。 在一个现场设备中通常可发现同时