DCS与现场总线技术-第7章

DCS与现场总线技术_第7章第一页，共41页。PROFIBUS三个系列总线提供了一个从传感器/执行器到区域控制器及管理层的透明通信网络，如图所示:图7-2从传感器/执行器到区域控制器的透明通信网络EthernetTCP/IPCNCPC/VME第二页，共41页。二、FROFIBUS协议结构对于PROFIBUS的三个兼容部分：Profibus-DP、Profibus-FMS和Profibus-PA，因为针对不同的工业过程而设计，协议结构的各层定义有所不同，如图7-3所示。FMSDPPAIEC接口IEC61158-2RS-485/光纤DP扩展功能DP行规PA行规FMS设备行规未使用现场总线数据链路现场总线信息规范物理层(1)数据链路层(2)应用层(7)用户层(3)-(6)图7-3PROFIBUS三个兼容部分协议第三页，共41页。三、PROFIBUS数据传输技术针对工业自动化实际控制系统的需要，PROFIBUS提供了三种数据传输技术，即：用于DP／FMS的RS485传输技术、用于PA的IEC1158-2传输技术和光纤传输技术。1.用于DP／FMS的RS485传输技术（1）RS485传输技术的基本特征传输速率：9.6Kbit/s~12Mbit/s。通信介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件。网络拓扑：线性总线，两端配备有源的总线终端电阻。站点数：每分段32个站（不带中继器），可扩展到126个站（带中继器）。插头连接：9针D型插头。（2）RS485传输设备安装要点全部设备均与总线连接。每个分段上最多可接32个站，每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。两个总线终端电阻必须永远有电源。第四页，共41页。当分段上站数超过32个时，必须使用中继器用以连接各总线段。串联的中继器一般不超过3个，如图7-5所示。需要注意的是，中继站没有站地址，但被计算在每段的站数中。站12中继器中继器3606189903031传输距离及速率。系统在高电磁发射环境运行时，应使用带屏蔽的电缆，屏蔽可提高电磁兼容性。图7-4RS485分段连接结构第五页，共41页。2.用于PA的IEC1158-2传输技术IEC1158-2的传输技术用于PROFIBUS-PA，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持本征安全性，通过总线对现场设备供电。（1）IEC1158-2传输技术特性数据传输：数字式、曼彻斯特编码，采用前同步信号、起始和终止限定符提高数据传输准确性。传输速率：31.25Kbit/s。通信介质：屏蔽式或非屏蔽式双绞线。远程电源供电：每段只有一个电源作为供电装置。防爆性：能进行本征及非本征安全操作。（2）RS485传输与IEC1158-2传输技术的连接

PROFIBUS-DPPROFIBUS-PARS485或光纤最大12Mbit/sIEC1158-231.25Kbit/s段间藕合器图7-5段间藕合器连接结构第六页，共41页。3.光纤传输技术在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤传输技术，利用光纤导体增加高速传输的距离。PROFIBUS总线的三种传输技术在系统的集成过程中，可根据实际控制需要，灵活选择和配置于一个系统中。如图7-7：S7-400控制器RS485光纤OLMOLM中继器PROFIBUSDP从节点PROFIBUSDP光纤节点…图7-6三种传输技术在同一个系统中的集成方式第七页，共41页。四、PROFIBUS三个系列总线的通信特性1.PROFIBUS-DP（1）传输特点通常情况下采用标准的RS485传输技术，在长距离或强电磁干扰环境下，可采用光纤传输技术，波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。各主站之间令牌传送，主站与从站间为主-从传送，总线上最多站点（主、从设备）数为126；可实现总线网或环网。通信距离：在1.5Mbit/s的通信速率下，通过中继器PROFIBUS-DP总线通信距离可以达到200m。无通信速率要求下，最远可延长到90km。（2）

PROFIBUS-DP总线可集成的设备集成远程I/O；集成执行器和驱动；集成操作面板；集成PID回路控制器；集成AS-I总线。第八页，共41页。集成案例如图所示：……DP/AS-I转换器OP37PID控制器远程I/O驱动控制器PROFIBUS-DP图7-7PROFIBUS-DP可集成的设备第九页，共41页。2.PROFIBUS-PA（1）传输特点基于扩展的PROFIBUS-DP协议和IEC61158-2传输技术。增加和去除总线站点，不会影响到其它站，对所有设备只需一套组态和监测工具。仅用一根双绞线进行数据通信、控制和供电。在潜在的爆炸危险区可使用防爆型"本征安全"或"非本征安全"。通过读取仪器仪表的维护和诊断信息，减少故障和停机时间。

（2）PROFIBUS-PA设备行规：行规保证不同厂商生产的设备具有相同的通信功能。

3.PROFIBUS-FMS（1）PROFIBUS-FMS通信对象与对象字典（2）PROFIBUS-FMS行规第十页，共41页。五、PROFIBUS总线的应用设计1.PROFIBUS控制系统的构成1)一类主站：PC、PLC或可做一类主站的控制器，由它们完成总线通信控制与管理

2)二类主站：操作员工作站、编程器、操作员接口等，完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。

3)从站可作为从站的设备2.项目配置过程确定与其它控制系统的接口方式；2)PROFIBUS控制系统的配置；3)确定主/从站功能和数量；4)确定系统传输协议和现场设备；5)选择PROFIBUS控制器；6)综合评估。第十一页，共41页。3.系统评价对现场总线控制系统及仪表的评价主要包括下列几项：控制功能分配是否合理，是否达到危险分散和节省硬件的目的。适当的冗余措施，使可靠性达到和高于DCS系统。对传统信号设备和系统的兼容性。是否通过互可操作性测试，是否具备管理能力。现场总线仪表的性能。第十二页，共41页。图7-8PCS7系统结构4.PROFIBUS总线的典型应用案例一：PROFIBUS总线在西门子PCS7控制系统中的应用100M/s光纤环网,工业以太网操作员站PROFIBUS-DPPROFIBUS-DPoppPROFIBUSPAPROFIBUSPA工程师站控制室管理机冗余多服务器办公以太网耦合器耦合器远程I/O控制器电源线电源线HSE远程I/O第十三页，共41页。案例二：PROFIBUS总线在卷烟厂控制生产线的应用图7-9系统网络结构OSM交换机工业以太网

S7-400控制器MP370PROFIBUS-PAPROFIBUS-DP耦合器分布式I/O站DP站…………第十四页，共41页。调节阀测温仪…………

DP/PA耦合器终端电阻PROFIBUSPA终端电阻

图7-10现场仪表连接图第十五页，共41页。7.2基金会现场总线一、FFH1总线的通信模型及相互关系FF总线的通信模型图7-11FF模型内部结构第十六页，共41页。2.协议数据的构成与层次图7-12协议数据的构成第十七页，共41页。二、FFH1总线的物理层1.FFH1总线的传输介质H1低速总线支持多种传输介质，如双绞线、同轴电缆、光缆、无线通信介质等，目前应用较为广泛的是前两种。2.FFH1总线拓扑结构低速现场总线FFH1支持点对点连接、总线型、菊花链型、树型拓扑结构图7-13FFH1网络拓扑结构图第十八页，共41页。三、数据通信链路

基金会总线的数据链路层主要控制数据报文在现场总线上的传输，通过链路活动调度器上确定的集中式总线调度程序，管理对现场总线的访问。1.通信设备类型根据总线上设备的通信能力，基金会现场总线把通信设备分为三类，链路主设备、基本设备和网桥。如图7-14所示：第十九页，共41页。2.链路活动调度权的竞争与转交一个总线段上可以连接多种通信设备，也可以挂接多个链路主设备，但一个总线段上某个时刻只能有一个链路主设备成为链路活动调度器LAS，没有成为LAS的链路主设备起着后备LAS的作用。当作为链路活动调度器的主设备发生故障或因其他原因失去链路活动调度能力时，系统自动将链路活动调度权转交给本网段的其他主设备。图7-15H1总线网段中LAS转交第二十页，共41页。

图7-16FF用户应用模块四、用户应用模块与设备描述

1.用户应用模块功能块资源块转换器模块通信栈物理层功能块第二十一页，共41页。2.FF的设备描述资源AIPID温度流量通用参数功能块参数转换块参数厂商参数资源块转换模块功能块FF基金会规范定义制造商定义图7-17FF设备描述的分层第二十二页，共41页。五、FFHSE高速以太网1.HSE与现场设备的连接。如图7-20所示，是HSE的网络系统连接结构。图7-18HSE与现场设备的连接PL第二十三页，共41页。2.HSE与H1的区别图7-19FFHSE与FFH1总线的混合通信系统

PL

PLPLPLP链接设备链接设备链接设备交换机H1H1H1H1H1H1HSEHSEHSEPlantPlantPlant……Plant……PLPlantPlantPLC第二十四页，共41页。六、基金会现场总线控制系统的设计及应用FF控制系统设计的基本步骤1）系统规划2）H1总线设计和设备选型3）系统的组态编程2.应用实例下面给出一个FF现场总线用于水位和温度控制的简例，系统结构如图7-22所示。

图7-20FF现场总线用于水位和温度控制工作站管理以太网交换机…………人机界面监控DFI302终端电阻终端电阻H1H1HSE水位控制对象温度控制对象第二十五页，共41页。7.3CAN总线一、CAN总线通信特点1.支持多种通信介质2.短帧传送结构3.依据优先权的多主站访问方式4.基于优先权的无破坏性仲裁技术5.借助接收滤波的多地址帧传送6.较强的错误控制及错误重发功能7.CAN总线多负载能力CAN(ControllerAreaNetwork)总线是控制器局域网的简称，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。是德国Bosch公司在上个世纪八十年代为解决现代汽车中众多测量控制部件之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线。第二十六页，共41页。图7-21CAN通信模块的分层结构二、CAN总线协议模型参照ISO/OSI标准模型，CAN分为数据链路层和物理层。而数据链路层又包括逻辑链路控制子层和媒体访问控制子层。CAN的通信参考模型及各层功能如图7-23所示。第二十七页，共41页。图7-22CAN总线与节点的电气连接四、CAN总线通信中的几个问题三、CAN总线电气连接特性1.发送器与接收器2.错误类型第二十八页，共41页。图7-23汽车内CAN总线基本结构五、CAN总线的应用案例：CAN总线在汽车上的应用自动变速箱发动机ABS系统安全气囊中央控制器车灯控制电动座椅控制自动变速箱中央门锁控制仪表显示……网关……高速CAN总线低速CAN总线第二十九页，共41页。7.4ControlNet总线一、ControlNet概述ControlNet现场总线基于改进的CAN总线技术，是由美国罗克韦尔公司推出的面向控制层的实时性现场总线，又称其为控制层现场总线。二、ControlNet通信特性1.通信模式：ControlNet以生产者/消费者模式取代了传统的源/目的模式。2.虚拟令牌技术：虚拟令牌又名隐性令牌，ControlNet采用虚拟令牌访问机制。网络上不存在专门起令牌作用的帧，令牌隐含在普通数据帧中。

3.通信的时间分片方法：ControlNet针对控制网络数据传输类型的需要，设计了通信调度的时间分片方法。使它既可以满足对时间有严格要求的控制数据的传输需要，例如I/O刷新、PLC之间的数据传递等，又可满足信息量大、对时间没有苛求的数据与程序的传输，

第三十页，共41页。三、ControlNet主要性能指标ControlNet的网络系统特性主要有：1.确定性的、可重复的控制网络通信，适合离散控制和过程控制；2.同一链路上允许多个控制器同时并存；3.支持输入数据和端到端信息的多路发送；4.可选的介质冗余和本征安全；5.网络上节点居于对等地位，可以从任意节点实现网络存取；6.同一链路上满足I/O数据、实时互锁、端到端报文传输和编程/组态信息等应用的多样的通信要求；7.安装和维护简单。第三十一页，共41页。四、ControlNet总线的应用案例：ControlNet总线在循环流化床锅炉控制系统中的应用图7-24控制系统结构

操作员站操作员站操作员站网络打印机工程师站冗余服务器锅炉控制站工作控制站电气控制站ControlNetControlNetControlNetControlNet第三十二页，共41页。7.5DeviceNet总线一、DeviceNet概述DeviceNet总线主要用于构建底层设备网络，是基于CAN技术的一种开放型通信网络，用于连接底层现场设备，通常也称其为设备层现场总线。

DeviceNet协议是一个简单、廉价而且高效的协议，许多PLC和仪表生产厂商都开发了DeviceNet产品。可通过DeviceNet连接的设备包括从简单的挡光板到复杂真空泵各类测控设备，DeviceNet一个网络连接实例：DeviceNetPLC图7-25DeviceNet网络连接第三十三页，共41页。DeviceNet的主要特点：1.DeviceNet上的节点不分主从，网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上其他节点发起通信。2.采用CAN的非破坏性总线逐位仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息时优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点不受影响，继续传输数据，节省了总线仲裁时间。3.各网络节点嵌人CAN通信控制器芯片，其网络通信的物理信号和媒体访问控制完全遵循CAN协议。4.DeviceNet在CAN技术的基础上，增加了面向对象、基于连接的通信技术。5.提供了请求——应答和快速I/O数据通信两种通信方式。6.设备网上可以容纳多达64个节点地址，每个节点支持的I/O数量没有限制。7.传输速度随网络长度变化。支持125Kbit/s，250Kbit/s和500Kbit/s三种通信速率。8.采用短帧结构，传输时间短，抗干扰能力强。9.数据包0～8字节，每帧报文都有CRC校验及其他检错措施。10.支持设备的热插拔，无需网络断电。支持总线供电与单独供电。并采取了接线出错保护和过载保护等保护措施。第三十四页，共41页。二、DeviceNet的网络拓扑结构节点节点节点节点节点节点节点节点节点节点节点节点终端电阻终端电阻干线电缆DeviceNet设备网所采用的典型拓扑结构是总线拓扑。采用总线分支连接方式。粗缆多用作主干总线，细缆多用于分支连线。DeviceNet网络拓扑结构如图7-30所示。图7-26DeviceNet网络拓扑结构第三十五页，共41页。三、Devi