控制仪表及装置第八章

1、南阳理工学院第八章第八章 现场总线控制系统现场总线控制系统南阳理工学院第一节第一节 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南阳理工学院现场总线是以测量控制设备作为现场总线是以测量控制设备作为网络节点网络节点，以双绞线，以双绞线等传输介质作为等传输介质作为纽带纽带，把位于生产现场、具备了数字计算，把位于生产现场、具备了数字计算和数字通信能力的测量控制设备连接成和数字通信能力的测量控制设备连接成网络系统网络系统，按照，按照公公开、规范的网络协议开、规范的网络协议，在多个测量控制设备之间、以及

2、现，在多个测量控制设备之间、以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，场设备与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成适应各种应用需要的自动控制系统。形成适应各种应用需要的自动控制系统。南阳理工学院l随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于是出现数与信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。l生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如生产现场各处的参数通过

3、统一的模拟信号，如0.020.020.1MPa0.1MPa的气压信号，的气压信号，0 010mA10mA、4 420mA20mA的直流电流信号，的直流电流信号，1 15V5V直流直流电压信号电压信号等，送往集中控制室。等，送往集中控制室。南阳理工学院l 由于模拟信号的传递需要一对一的物理连由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度的开销、难度都较大，信号传输的抗干扰的开销、难度都较大，信号传输的抗干扰能力也较差，人们开始寻求用数字信号取能力也较差，人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，出现了代模拟信号，出现了直接数字控制系统直接数

4、字控制系统 DDCDDC（Direct Digit Control) Direct Digit Control) 。南阳理工学院 直接数字控制系统直接数字控制系统（Direct Digital ControlDirect Digital Control，DDCDDC）就是用一台计算机通过测量元件变送器对生产就是用一台计算机通过测量元件变送器对生产过程中的多个被控参数进行巡回检测；检测结果与过程中的多个被控参数进行巡回检测；检测结果与给定值进行比较，再按给定值进行比较，再按PIDPID控制规律或其他直接数字控制规律或其他直接数字控制算法进行运算；然后将运算结果变换成执行机控制算法进行运算；然后将

5、运算结果变换成执行机构能够接受的控制量，输出到执行机构对生产过程构能够接受的控制量，输出到执行机构对生产过程进行控制，使被控参数按设定值曲线变化或稳定在进行控制，使被控参数按设定值曲线变化或稳定在给定值上。给定值上。优点：优点：经济、灵活性好、可靠性高。经济、灵活性好、可靠性高。缺点：缺点：危险集中危险集中 DDC系统系统南阳理工学院DDC系统的结构框图系统的结构框图南阳理工学院l集散控制系统集散控制系统DCSDCS（distributed control systemdistributed control system） 但是，在但是，在DCSDCS系统形成的过程中，由于受计算机系系统形成的

6、过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的各厂家的产品自成系统；不同厂家的设备不能互连在一起，产品自成系统；不同厂家的设备不能互连在一起，难以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的难以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难。网络系统存在很多困难。南阳理工学院l现场总线控制系统现场总线控制系统FCS(fieldbus control system)l新型的现场总线控制系统则新型的现场总线控制系统则突破了突破了DCSDCS系统中通信由专用网络系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷的封闭系统来实现所造成的缺

7、陷，把基于封闭、专用的解决，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能。网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能。l同时把同时把DCSDCS集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，分布式结构，把控制功能彻底下放到现场把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。备本身便可实

8、现基本控制功能。南阳理工学院l智能仪表为现场总线的出现奠定了基础智能仪表为现场总线的出现奠定了基础l19831983年，年，HoneywellHoneywell推出了智能化仪表推出了智能化仪表SmarSmar变送器，这变送器，这些带有微处理器芯片的仪表除了在原有模拟仪表的基础上些带有微处理器芯片的仪表除了在原有模拟仪表的基础上增加了复杂的计算功能之外，还在输出的增加了复杂的计算功能之外，还在输出的4 420mA20mA直流信号直流信号上上迭加了数字信号，使现场与控制室之间的连接由模拟信迭加了数字信号，使现场与控制室之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号。号过渡到了数字信号。 l现场总线之所以具有

9、较高的测控能力指数，一是得益于仪现场总线之所以具有较高的测控能力指数，一是得益于仪表的表的微机化微机化，二是得益于设备的，二是得益于设备的通信功能通信功能。l把把微处理器置入现场自控设备微处理器置入现场自控设备、使设备具有数字计算和数、使设备具有数字计算和数字通信能力，一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，字通信能力，一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制信息的内容，实现其远程传送创造了条件。同时为丰富控制信息的内容，实现其远程传送创造了条件。南阳理工学院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南阳理工学院 南阳理工学院 南阳理工学院

10、 南阳理工学院I.SI.SI.SI.SI.S 本安情况下：现场总线多块仪表共用一块安全栅本安情况下：现场总线多块仪表共用一块安全栅本安情况下：本安情况下：DCSDCS每块仪表均配一块安全栅每块仪表均配一块安全栅南阳理工学院FCSDCSI/O CPU.AIAOPIDAIAIAOPIDPID南阳理工学院I/O CPU.FCSDCSFCSFCS信息是双向的信息是双向的DCSDCS信息是单向的信息是单向的南阳理工学院南阳理工学院南阳理工学院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、互可互操作与互用性：现场

11、设备间的信息沟通、互可操作及不同厂家设备的相互替换。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、信息处理与功能自治性：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。控制功能在现场仪表中完成。 南阳理工学院 高度分散性：构成一种全分散性的控制系统结构。高度分散性：构成一种全分散性的控制系统结构。 环境适应性：支持各种传输介质、两线制和本环境适应性：支持各种传输介质、两线制和本安防爆。安防爆。 丰富的现场信息和智能化提高了设备诊断、维护、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，节省开管理能力，减少卡件、机柜、端子、线缆，节省开

12、支，提高了可靠性。支，提高了可靠性。 现场总线技术特点现场总线技术特点南阳理工学院DCSI/O CPU.DCSDCS简化简化。南阳理工学院I/O CPU.下装下装。南阳理工学院I/O CPU.南阳理工学院FCSDCSFCSDCSFCSFCS下装下装DCSFCSDCSFCSDCS南阳理工学院I/O CPU.AIAOPIDAIAOPID下装下装南阳理工学院I/O CPU.FCSDCS只有只有PVPV,SP,量程量程,变送器特性变送器特性所受压力所受压力,仪表健康状况仪表健康状况就地显示就地显示.南阳理工学院只有只有PVDCSPV（good&normal, alarm)南阳理工学院FCSDCSFCS

13、FCS可以在线对仪表进行校验，量程修改，仪表调零等工作而不必将表拆下。可以在线对仪表进行校验，量程修改，仪表调零等工作而不必将表拆下。南阳理工学院DCS。停车检修停车检修怀疑损坏怀疑损坏FCS南阳理工学院FCSDCS南阳理工学院南阳理工学院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比其它29%22%13%9%9%4%3%3%8%南阳理工学院工程费用工程费用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

14、%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南阳理工学院几点说明几点说明现场总线技术是现场总线技术是DCSDCS技术的继承和发展，而不是对技术的继承和发展，而不是对DCSDCS的否定或取代。工业上已出现的否定或取代。工业上已出现DCSDCS与现场总线系统混合与现场总线系统混合使用的控制系统。使用的控制系统。 。 现场总线的优点主要是仪表的智能化、网络化、控制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，而不单单是节省的分散化等先进技术所带来的好处，而不单单是节省电缆。电缆。 现场总线不能解决企业自动

15、化的所有问题，例如现场总线不能解决企业自动化的所有问题，例如ESDESD、MESMES、ERPERP等等，而是作为底层网络与其它自动化装置等等，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动化。一起更好地实现企业综合自动化。 南阳理工学院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 IEC 的几个技术委员会负的几个技术委员会负责。责。IEC TC65 IEC TC65 制订了用于工业控制系统的制订了用于工业控制系统的IEC IEC 6115861158。目前流行的目前流行的PROFIBUSPROFIBUS、FFFF等现场总线也纳入等现场总线也纳入了了I

16、ECIEC标准。标准。IEC TC17BIEC TC17B制订了用于低压开关和电气控制装置的制订了用于低压开关和电气控制装置的IEC 62026IEC 62026。广为使用的广为使用的DEVICENETDEVICENET、AS-IAS-I等总线也等总线也纳入了纳入了IECIEC标准。标准。现场总线标准的制订工作起步很早，各大集团公司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，意见不一，经多年争论，20002000年颁布了涵盖多种规年颁布了涵盖多种规范的总线标准，范的总线标准，20032003年扩展为年扩展为1010种类型的现场总线。种类型的现场总线。 南阳理工学院 IEC

17、 61158 IEC 61158 的标准现场总线的标准现场总线 Type1Type1：IEC 61158 IEC 61158 技术报告技术报告。 Type2Type2：ControlNetControlNet，得到得到CICI组织的支持。组织的支持。 Type3Type3：ProfibusProfibus，得到得到PNOPNO组织的支持。组织的支持。 Type4Type4：P - NETP - 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。 Type5Type5：FF - HSEFF - HSE，由由FFFF组织制定。组织制定。 Type6Type6：SwiftnetSwiftn

18、et，得到美国波音公司的支持。得到美国波音公司的支持。 Type7Type7：WorldFIPWorldFIP，属欧洲标准属欧洲标准EN50170EN50170。 Type8Type8：InterbusInterbus，得到得到Interbus ClubInterbus Club支持支持。 Type9Type9：FF FF H1 H1，由由FFFF组织制定。组织制定。 Type10Type10：ProfinetProfinet，得到得到PNOPNO组织的组织的支持支持。南阳理工学院南阳理工学院南阳理工学院南阳理工学院南阳理工学院南阳理工学院南阳理工学院南阳理工学院南阳理工学院南阳理工学院南阳理

19、工学院南阳理工学院）南阳理工学院 由上可知由上可知, , IEC 61158IEC 61158标准考虑到各种不同的需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图发展，开求，一些大公司和集团也能以此为基础再图发展，开拓市场。拓市场。 实际上，目前在工业自动化领域使用较多的是实际上，目前在工业自动化领域使用较多的是FFFF、PROFIBUSPROFIBUS、ControlNet ControlNet 和和 InterbusInterbus，以及未被纳以及未被纳入入6115861158标准的一些现场总线。标准的一些现场总线。 从从20012001年开始，现场技术发展的重点已不是去追年

20、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求统一标准；而是集中在如何合理应用, , 发现并解决发现并解决问题问题, ,切实地推动切实地推动FCSFCS的实际应用。同时在推广应用过的实际应用。同时在推广应用过程中确定不同现场总线的适用场合、性能价格比等程中确定不同现场总线的适用场合、性能价格比等, ,以实现优化设计。以实现优化设计。南阳理工学院 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 /SC65CIEC TC65 /SC65C的两个工作组又研究制定了新的现的两个工作组又研究制定了新的现场总线标准场总线标准 611

21、58 61158 和实时以太网标准和实时以太网标准61784 -261784 -2。 新版本总线标准新版本总线标准 是以是以20032003版本为基础版本为基础，加入实加入实时以太网解决方案。它共包含时以太网解决方案。它共包含1414类技术。类技术。 IEC 61158 IEC 61158新标准于新标准于20072007年公布。我国具有自主年公布。我国具有自主知识产权的知识产权的EPAEPA标准被列为标准被列为61158 61158 Type14Type14。南阳理工学院第二节第二节 几种流行的现场总线几种流行的现场总线- Foundation Fieldbus- Profibus（Proce

22、ss Fieldbus）- LonWorks（Local Operating Networks）- CAN（Control Area Network）- HART（Highway Addressable Remote Transducer）南阳理工学院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-H1FF-H1传输速率传输速率32.2532.25Kbps,Kbps,直接通信距离达直接通信距离达1900 1900 m 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

23、理任务。等控制与信息处理任务。 FF-H1FF-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( (LASLASlink active link active schedulerscheduler) ) 控制控制, , 以确保信息传递的及时性。以确保信息传递的及时性。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。 南阳理工学院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

24、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,FF-HSE,在上层与在上层与H1H1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/IPTCP/IP协议，协议，HSEHSE充分利用现有以太网技术，它满足了最终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解用户对互操作性、低成本和高速现场总线解决方案的要求。决方案的要求。 HSEHSE支持支持H1H1的所有功能，而且其功能模块中还的所有功能，而且其功能模块中还包

25、括新的应用于离散和包括新的应用于离散和I/OI/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)IEC 61131)编程。编程。 南阳理工学院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物理层规定物理连接性能物理层规定物理连接性能, ,符合符合IEC61158-2IEC61158-2标准，通标准，通信栈控制报文在现场总线的传输。链路层通过信栈控制报文在现场总线的传输。链路层通过LASLAS来来管理对总线的访问，管理对

26、总线的访问，FASFAS为报文规范子层提供服务，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。后者为用户层提供服务和报文格式。 南阳理工学院 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F

27、MS相似。相似。 南阳理工学院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总线总线南阳理工学院ProfibusProfibus总线的特点总线的特点ProfibusProfibus包括包括Profibus-DPProfibus-DP、-FMS-FMS、-PA-PA，传输传输速率速率9.69.6Kbps12Mbps,Kbps12Mbps,相应通信距离为相应通信距离为1200 1200 100100m,m,可实现总线供电和本质安全防爆可实现总线供电

28、和本质安全防爆( (PA)PA)。 Profibus-DPProfibus-DP用于现场控制器与分散用于现场控制器与分散I/OI/O之间之间的数据通信；的数据通信； Profibus-FMS Profibus-FMS 用来解决车间用来解决车间级通信任务，此层将被级通信任务，此层将被EthernetEthernet取代；取代；ProfibusProfibus PAPA用于过程自动化用于过程自动化, , 可连现场变可连现场变送器送器、执行器。执行器。 南阳理工学院ProfibusProfibus总线的特点总线的特点ProfibusProfibus采取主站之间的令牌传递方式和主采取主站之间的令牌传递

29、方式和主从站之间的主、从通信方式。从站之间的主、从通信方式。 Profibus-DPProfibus-DP允许构成单主站或多主站系统。允许构成单主站或多主站系统。 ProfibusProfibus行规行规 ( (用户接口用户接口) ) 可使不同厂商生产可使不同厂商生产的零部件互换使用的零部件互换使用, , 从而保证各家厂商的现从而保证各家厂商的现场设备的互换性和互操作性。场设备的互换性和互操作性。PA PA 行规包括各行规包括各种设备功能种设备功能、行为的必要规范以及描述各类设行为的必要规范以及描述各类设备组态信息的数据单。备组态信息的数据单。南阳理工学院ProfibusProfibus总线协

30、议芯片已形成系列总线协议芯片已形成系列, , 有多种有多种集成芯片可供使用集成芯片可供使用, , 以满足不同需要，构成以满足不同需要，构成复杂程度各异的复杂程度各异的ProfibusProfibus总线。总线。SiemensSiemens公司的公司的 SPM2SPM2单片可用来构成简单的单片可用来构成简单的DPDP从站从站, , ASPC2ASPC2可构成可构成DPDP主站主站, , SIM1SIM1与与SPC4SPC4可可实现实现PAPA的功能。的功能。Profibus总线的特点总线的特点南阳理工学院应用行规应用行规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

31、（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DPDP采用采用RS-485RS-485通信标准，通信标准，PAPA采用采用IEC IEC 61158-2(61158-2(MBP)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-V0V2DP-V0V2。应用行规说明各种设备的功能和行为，有通。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。用和专用应用行规。 Profibus总线的通信模型总线的通信模型南阳理工学院通信协

32、议通信协议有有DP-V0、 DP-V1 和和DP-V0三种版本三种版本 ：DPDP-V0V0 提供提供DPDP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。 DPDP-V1V1 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、 从从站间的非循环数据交换功能站间的非循环数据交换功能, , 用于参数赋值用于参数赋值、操作操作、现场设备的可视化和报警处理等现场设备的可视化和报警处理等。 DPDP-V2 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

33、功能, , 通过发布通过发布( (生生产产) )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。 南阳理工学院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个从站南阳理工学院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、从通信方式。从通信方式。令牌传递令牌传递南阳理工学院Publisher (z.B. Li

34、chtgitter)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南阳理工学院PROFIBUS-DPMasterClass1PROFIBUS-DP1 类主站类主站发布者发布者(e.

35、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南阳理工学院通过通过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。演示演示南阳理工学院LonWorksLonWorks

36、总线的特点总线的特点LonWorksLonWorks采用采用OSI OSI 的全部的全部7 7层通信规范，传输层通信规范，传输速率速率300300bpsbps1.5Mbps,1.5Mbps,通信距离为通信距离为2700 2700 m 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。 南阳理工学院LonWorksLonWorks总线的特点总线的特点神经元

37、节点结构图神经元节点结构图MC143150/20Neuron芯片芯片EEPROM/ROM(仅对MC143150)I/O电路电路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南阳理工学院LonWorks LonWorks 使用开放式通信协议使用开放式通信协议 LonTalk, LonTalk, 是直接面向对象的网络协议是直接面向对象的网络协议, , 它发送的报文它发送的报文都是很短的数据，可靠性、实时性较高。都是很短的数据，可靠性、实时性较高。LonWorks LonWorks 采用的编程语言采用的编程语言 Neuron C Neuron C 是转为是转为神经元芯片所设计神经元芯片所

38、设计, , 它删除了标准它删除了标准C C中一些中一些不需要的功能不需要的功能, , 增加了用于网络操作的语句增加了用于网络操作的语句和内部函数。和内部函数。LonWorksLonWorks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, ,其功能为其功能为网络安装、网络维护和网络监控。网络安装、网络维护和网络监控。南阳理工学院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

39、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CSMACSMA协议，网络层管理网络地址分配，传输层管协议，网络层管理网络地址分配，传输层管理报文执行顺序理报文执行顺序, , 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。 南阳理工学院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

40、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南阳理工学院HARTHART总线的特点总线的特点HARTHART使用使用OSIOSI参考模型的第参考模型的第1 1、2 2、7 7三层三层, , 传传输速率较低输速率较低，一般为一般为12001200bpsbps，新版本新版本6.06.0已已提高到提高到96009600bpsbps，通信距离可达通信距离可达3000 3000 m m。 HARTHART总线采用基于总线采用基于Bell 202 Bell 202 通信标准的通信

41、标准的FSKFSK技术，在技术，在420420mAmA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因此能同时传送模拟和数字信号而不相互干扰。不相互干扰。 HARTHART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它能实现总线供电和本质安全防爆。本质安全防爆。 南阳理工学院HART总线的通信模型总线的通信模型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

42、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 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HARTHART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，HARTHART也采用设备描述语言。也采用设备描述语言。 南阳理工学院基本主设备基本主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

43、主设备HARTHART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。 南阳理工学院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-H1FF-H1、Profibus-PAProfibus-PA、HARTHART 三种总线可三种总线可用于过程控制用于过程控制 ( (总线供电和本安防爆总线供电和本安

44、防爆) )。从发展。从发展趋势看，趋势看，EPAEPA（Ethernet for Plant Automation）实实时以太网时以太网有良好的应用前景。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) ) 构成就地控构成就地控制回路的只有制回路的只有FF-H1FF-H1总线，因其功能模块具有总线，因其功能模块具有变送、调节、计算、报警、故障诊断等功能。变送、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南阳理工学院现场设备比较分散、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

45、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)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。方案。FCS的应用场合的应用场合南阳理工学院EthernetEthernet的特点的特点以太网

46、是以太网是IEEE 802.3IEEE 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) 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： 1010BASE - 5 (BASE - 5 (粗缆，粗缆，1010Mbps)Mbps)； 1010BASE - 2 (BASE - 2 (细缆，细缆，1010Mbps)Mbps)； 10BASE-T10BASE-T、F(F(双绞线双绞线、光纤，光纤，1010MbpsMbps) )；100BASE-X(100B

47、ASE-X(双绞线双绞线、光纤光纤, , 100100Mbps)Mbps)；1000BASE-T(1000BASE-T(双绞线，双绞线，10001000Mbps) Mbps) 1000BASE-X (1000BASE-X (光纤，光纤，10001000Mbps) Mbps) 第三节第三节 实时工业以太网实时工业以太网南阳理工学院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EthernetEthernet的的应用开发。应用开发。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

48、格只有有ProfibusProfibus、FFFF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InternetInternet连接连接, , 能实现办公自能实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接。动化网络与工业控制网络的无缝连接。南阳理工学院Ethe

49、rnetEthernet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, 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, , 限制通限制通信负荷以及采用交换式集线器和全双工通信信负荷以及采用交换式集线器和全双工通信, , 使碰撞机率大大降低使碰撞机率大大降低。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

50、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。南阳理工学院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( (或利用或利用通信电缆中的另一对双绞线通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, , 应尽力研制低功耗的设备。应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

51、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, TCP/IP, 而没而没有工业控制现场设备通信所需的高层协议，应当有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，以满建立完整的、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足开放系统互操作的要求

52、。南阳理工学院EthernetEthernet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 on Ethernet) (PI, Siemens等)lModbus IDA (Modbus Interface for Distributed Automation) (IDA，Schneider Au

53、tomation等)lEtherCAT (Ethernet Control Automation Techlnology) (ETG, Beckhoff)lEPA (Ethernet for Plant Automation)南阳理工学院EPA的进展的进展EPA=EPA=以太网（物理层链路层）以太网（物理层链路层） TCP / IP 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20012001年年1111月成立课题攻关小组月成立课题攻关小组 ( (浙大中控、中浙大中控、中科院沈阳所、清华大学等组成科院沈阳所、清华大学等组成) )。经过一年半时间的攻关基本解决了：

54、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：EPAEPA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、基于以太网的软软PLCPLC、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WebWeb的的现场设备诊断、维护软件等。现场设备诊断、维护软件等。

55、南阳理工学院20032003 年年 9 9月，月，IEC/SC65/WG1 IEC/SC65/WG1 西班牙马德里会议上，西班牙马德里会议上，浙大中控代表中国汇报了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 WG 1111、1212、1313 工作组会议上工作组会议上, ,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讲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。座得到了与会专家的高度重视。SC65 SC65 建议将六个实时工业以太网协议提案建议将六个实时工业以太网协议提案 ( (EPAEPA, ,

56、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EPAEPA国家标准国家标准用于工业测量与控制系统的用于工业测量与控制系统的EPAEPA系统结构和

57、通信标准系统结构和通信标准。2004.052004.05国家标准化国家标准化技术委员会技术委员会TCTC 124 124通过了对此标准的评审。通过了对此标准的评审。南阳理工学院基于基于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网到底网到底南阳理工学院第四节第四节 现场总线控制系统现场总线控制系统现场仪

58、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

59、场仪表之间数据交换软件( (DDEDDE、OPCOPC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。南阳理工学院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南阳理工学院通信软件通信软件DDEDDE ( (Dinamic data exchange) )：动态数据交换动态数据交换基于消息机制，用于控制系统实时数据通信。基于消息机制，用于

60、控制系统实时数据通信。 当当数据量大时，效率较低。微软公司已停止发展数据量大时，效率较低。微软公司已停止发展 DDEDDE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DDEDDE。OPC (OPC (OLE for Process Control) )： 用于过程用于过程控制的控制的OLEOLE以以Active XActive X、COMCOM& &DCOMDCOM、XMLXML及及. .NETNET技术技术为基础为基础。 OPCOPC是一个是一个开放的开放的软件软件接口规范，用于接口规范，用于客户程序和服务器之间的数据通信客户程序和服务器之间的数