《过程控制与自动化仪表》 教案 19.现场总线控制系统

《过程控制与自动化仪表》课程教案NO.19授课班级周次日期任课教师复习提问控制器类型及使用方法学习模块模块七计算机过程控制系统学习任务任务2现场总线控制系统授课内容现场控制系统的组建方法课时2教学目标知识目标：1.了解现场总线控制系统定义及特点；2.了解主要的几种现场总线标准及应用范围；3.掌握现场总线控制系统的组成及组建方法。能力目标：1.培养学生现场总线组建能力；2.培养学生解决问题的能力。素质目标：1.培养学生实事求是的科学态度、严谨的工作作风和勇于进取的精神。重点难点重点：现场总线系统的组建；难点：各种现场总线的标准及适用范围。授课过程步骤内容方法、资源运用1现场总线控制系统概述多媒体课件2几种现场总线标准多媒体课件、实例演示3现场总线控制系统组成多媒体课件、实例演示4现场总线控制系统构建多媒体课件、实例演示5授课方式讲授教学地点实训室教学资源西门子PROFIBUS现场总线系统、投影系统、PPT电子课件

教学时间教学内容注释5分钟回顾集散控制相关内容，进行复习提问。80分钟一、现场控制系统概述1．现场总线的定义现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。基于现场总线构建的控制系统称为现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，简称FCS）。2．现场总线控制系统的特点（1）结构方面（2）技术方面（3）经济方面3．现场总线控制系统的发展二、几种主要现场总线简介1．FF现场总线基金会现场总线（FoundationFieldbus，FF）是由国际公认的、唯一不附属于任何企业的、非商业化的国际标准组织——现场总线基金会提出。基金会现场总线分为低速现场总线H1和高速现场总线HSE两种通信速率。低速现场总线H1的传输速率为31.25kbit/s，高速现场总线HSE的传输速率为100Mbit/s，H1支持总线供电和本质安全特性。H1最大通信距离为1900m（如果加中继器可延长至9500m），每个网段最多可直接连接32个节点。如果加中继器最多可连接126个节点。通信媒体为双绞线、光缆或无线电。FF的H1和HSE分别是IEC61158的标准子集1和5。应用领域以过程自动化为主。2.PROFIBUS现场总线（1）PROFIBUS-FMS主要是用来解决车间级通用性通信任务。可用于大范围和复杂的通信。总线周期一般小于100ms。（2）PROFIBUS-DP这是一种经过优化的高速和便宜的通信总线。它的设计是专门为自动控制系统与分散的I/O设备级之间进行通信使用的。总线周期一般小于10ms。（3）PROFIBUS-PA是专门为过程自动化设计的。它可使传感器和执行器接在一根共用的总线上，甚至在本质安全领域也可接上。根据IEC1158－2标准，PROFIBUS-PA用双绞线进行总线供电和数据通信。PROFIBUS主要用于加工制造自动化、过程自动化和楼宇自动化等行业。3.ControlNet现场总线（1）网络带宽的利用率高采用CTDMA技术，数据一旦发送到网络，网络上的其他节点就可同时接收。因此，与主从式传输技术比较，不需要重复发送同样的信息到不同的从站，从而减少在网络上的通信量。（2）同步性好由于在网络上的数据可同时被多个节点接收，与主从式传输方式比较，各节点可同时接收数据。因此，同步性好。（3）实时性好采用在预留时间段的确定时间内周期重复发送，保证有实时要求的数据能够正确发送。并且，可根据实时性要求，设置时间片的大小，进行预留，从而保证实时性。（4）避免数据访问的冲突采用虚拟令牌，只有获得令牌的节点可发送数据，避免了数据访问的冲突现象，提高了传输效率。（5）高吞吐量传输速率5Mbit/s时，网络刷新速率为2ms。4.CAN总线控制器局域网络（ControllerAreaNetwork，CAN）总线主要应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型I/O。5.LonWorks总线LonWorks现场总线是美国Echelon公司开发的现场总线技术。主要应用于工业控制、楼宇自动化、数据采集、SCADA系统等。LonWorks技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron（神经元）芯片。它包括一个固化的高级通信协议LonTalk、三个微处理器、一个多任务操作系统和灵活的输入/输出方式。LonTalk协议提供了OSI参考模型所定义的全部7层协议，其中1~6层被封装到Neuron（神经元）的芯片中，只有第七层应用层是根据应用对象自行定义的。LonWorks技术符合ISO的OSI标准，开放性、互联性及互操作性好。不同公司的产品可以相互兼容，系统扩容十分方便。6.DeviceNet总线设备网络（DeviceNet）总线是基于CAN总线技术的设备级现场总线。它由嵌入CAN通信控制器芯片的设备组成，是用于低压电器和离散控制领域的现场设备之间通信的现场总线。DeviceNet总线采用总线型网络拓扑结构，每个网段可连接64个节点，传输速率有l25kbit/s、250kbit/s和500kbit/s等。主干线最长为500m，支线为6m。支持总线供电和单独供电，供电电压24V。采用基于连接的通信方式，报文的发送可以是周期或状态切换，采用生产者/消费者的网络模式。通信连接有输入输出连接和显式连接两种。输入输出连接用于对实时性要求较高的输入输出数据的通信。显式连接用于组态数据、控制命令等数据的通信。7.WorldFIP现场总线分为三级，即过程级、控制级和监控级。WorldFIP的协议结构是由ISO/OSI模型的第一层、第二层和第七层构成。传输媒体可以是屏蔽双绞线或光纤。不同应用领域采用不同的总线速率。过程控制采用31.25kbit/s，制造业为1Mbit/s，驱动控制为1~2.5Mbit/s。采用总线仲裁器和优先级来管理总线上（包括各支线）的各控制站的通信。可进行1对1、1对多点（组）、1对全体等多重通信方式。WorldFIP现场总线适用于过程自动化、制造业自动化、电力及楼宇自动化等方面。8.HART总线可寻址远程传感器总线（HighwayAddressableRemoteTransducer，HART）通信协议，它是在DC4～20mA模拟信号上叠加频移键控（FrequencyShiftKeying，FSK）数字信号。既可以传输DC4～20mA模拟信号，也可传输数字信号。HART通信基金会（HARTCommunicationFoundation，HCF），约有70多个公司加盟，如Rosemount、Siemens、E+H、Yokogawa等。9.Modbus总线Modbus通信有ASCII和RTU（RemoteTerminalUnit）两种模式，一个Modbus通信系统中只能选择其中的一种模式，不允许两种模式混合使用。采用RTU模式，消息的起始位以至少3.5个字符传输时间的停顿开始（一般采用4个），在传输完最后一个字符后，有一个至少3.5个字符传输时间的停顿来标识结束。一个新的消息可以在此停顿后开始。在接收期间，如果等待接收下一个字符的时间超过1.5个字符传输时间，则认为是下一个消息的开始。校验码采用CRC-16方式，只对设备地址、功能代码和数据段进行校验。整个消息帧必须作为一连续的流传输，传输速率较ASCII模式高。10.CC-Link总线CC-Link是Control&CommunicationLink（控制与通信链路系统）的简称。CC-Link是允许在工业系统中，将控制和信息数据同时以10Mbit/s的高速传输的现场总线。作为开放式现场总线，CC-Link是唯一起源于亚洲地区的总线系统，它的技术特点更适应亚洲人的思维习惯。CC-Link是一个高速、稳定的通信网络，其最大通信速度可以达到10Mbit/s，最大通信距离可以达到1200m（加中继器可以达到13.2km）。当CC-Link连接64个站、以10Mbit/s的速度进行通信时，扫描时间不超过4ms。三、现场总线控制系统组成1.现场总线控制系统的硬件构成现场总线控制系统的硬件主要由测量系统、控制系统、管理系统和通信系统等部分组成。2.现场总线控制系统的软件现场总线控制系统的软件包括操作系统、网络管理、通信软件和监控组态软件等。四、现场总线网络的组态以PROFIBUS为例。（大屏幕投影）逐一解说现场总线控制系统特点及发展过程，案例分析让学生加深印象。（大屏幕投影）逐一解说各种现场总线控制系统特点及应用方向，案例分析让学生加深印象。（大