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現場總線技術 現場總線特點及總線標準總線網絡結構與通信規(guī)范幾種流行的現場總線現場總線控制系統(tǒng) 什么是現場總線 現場總線特點及總線標準 現場總線的產生和發(fā)展 現場總線將分散的有通信能力的測量控制設備作為網絡節(jié)點 連接成能相互溝通信息 共同完成自控任務的網絡 FCS是第5代控制系統(tǒng) 現場總線技術特點 開放性 現場總線的一致性 公開性 互操作與互用性 現場設備間的信息溝通 互可操作及不同廠家設備的相互替換 功能自治性 傳感測量 補償計算 信息處理與控制功能在現場儀表中完成 高度分散性 構成一種全分散性的控制系統(tǒng)結構 環(huán)境適應性 支持各種傳輸介質 兩線制和本安防爆 現場總線標準 IEC61158的標準現場總線 現確認包括Profinet在內的共10種類型 且在2007年之前不再增加 規(guī)范共4600多頁 總線網絡結構與互連規(guī)范 網絡結構 介質訪問策略 MAC 幾種流行的現場總線 FoundationFieldbus Profibus ProcessFieldbus LonWorks LocalOperatingNetworks CAN ControlAreaNetwork HART HighwayAddressableRemoteTTransducer IndustryEthernet Modbus RS 485等 FF總線的特點 FoundationFieldbus FF總線的通信模型 FF H1 用戶層 應用程序 現場總線報文規(guī)范子層FMS現場總線訪問子層FAS 數據鏈路層 物理層 用戶層 物理層 通信棧 7 21 6543 物理層規(guī)定物理連接性能 符合IEC61158 2標準 通信棧控制報文在現場總線的傳輸 鏈路層通過LAS來管理對總線的訪問 FAS為報文規(guī)范子層提供服務 后者為用戶層提供服務和報文格式 FF HSE 用戶層 FDA IEEE802 2 應用層 物理層 物理層符合IEEE802 3u標準 數據鏈路層符合IEEE802 2規(guī)范 TCP UDP IP IEEE802 3u 傳輸層 網絡層 數據鏈路層 網絡層協議是IPV 4標準 傳輸層TCP是面向連接的協議 UDP是無連接協議 FDA的作用與H1的FMS相似 FF總線的網絡結構 操作站 交換機 其它總線網絡 HSE鏈接設備 網關 H1總線 HSE鏈接設備 路由器 HSE子網 HSE現場設備 H1總線 Profibus Profibus總線的特點 Profibus總線的通信模型 用戶層 數據鏈路層 物理層 物理層規(guī)定物理特性 采用RS 485通信標準 數據鏈路層MAC描述總線訪問方式 FLC為總線鏈路控制 應用層FMS規(guī)定應用協議 低層接口LLI則協調不同的通信關系 用戶層規(guī)定了應用功能 模型分層 FMS DP PA FMS行規(guī) DP行規(guī) PA行規(guī) FMS 應用層 LLI 未用 未用 FLC MAC IEC接口 IEC61158 2 物理連接 電氣特性 介質 RS 485 Profibus總線的網絡結構 操作員站 Profibus DP PLC 監(jiān)控層 工程師站 Profibus FSM或Ethernet 現場層 Profibus PA DP PA耦合器 LonWorks LonWorks總線的特點 MC143150 20Neuron芯片 EEPROM ROM 僅對MC143150 I O電路 Lon收發(fā)器 檢測控制裝置 網絡介質 LonWorks總線的通信模型 數據表示 作用 標準網絡變量類型 LON提供的服務 表示層 數據鏈路層 物理層 OSI模型 應用層 會話層 傳輸層 網絡層 網絡應用 網絡變量外部幀傳輸 遠程傳送控制 請求 響應 認證 端對端可靠傳輸 應答 非應答 認證 傳輸分組 地址 路由 幀傳輸 介質訪問 數據解碼 CRC糾錯 優(yōu)先級 電氣連接 介質 電氣接口 物理層支持多種介質 鏈路層的介質訪問控制采用改進的CSMA協議 網絡層管理網絡地址分配 傳輸層管理報文執(zhí)行順序 會話層提供傳輸的請求 響應機制 表示 應用層提供網絡變量等服務 LonWorks總線的網絡結構 監(jiān)控計算機 78Kbps雙絞線 路由器 1 25Mbps雙絞線主干通道 10Kbps電力線 網關 其它總線網絡 現場節(jié)點 現場節(jié)點 現場節(jié)點 路由器 現場節(jié)點 現場節(jié)點 HART HART總線的特點 HART總線的通信模型 HRAT命令 內容 數據鏈路層 物理層 模型分層 應用層 HART通信協議規(guī)則 電氣特性 介質 物理層規(guī)定了信號傳輸方式 電氣特性 介質等 數據鏈路層定義了HART通信協議規(guī)則 包括信息格式及信息的接收與發(fā)送處理 應用層規(guī)定了三類HART命令 通用命令 普通應用命令和專用命令 為解決不同廠家設備的互換性及互操作問題 HART也采用設備描述語言 基本主設備 安全柵 現場儀表 HART總線的網絡結構 現場儀表 現場儀表 副主設備 IndustryEthernet Ethernet的特點 Ethernet用于工控網要解決的關鍵技術 FTP SMTP HTTP Ethernet用于工控網絡的幾種技術方案 Ethernet IP theControlNet DeviceNetobjectsonTCP IP CI FFHSE HighSpeedEthernet FF Profinet ProfibusonEthernet PI IDA InterfaceforDistributedAutomation SA ModbusTCP ModbusProtocolonTCP IP EPA EthernetforPlantAutomation EPA的進展 基于Ethernet的工控網絡結構 操作員站 過程Ethernet EPA 交換機 控制層 工程師站 通用Ethernet 現場層 網絡服務器 互聯網服務器 通用Ethernet 管理計算機 管理計算機 質量 財務 設備 供銷管理 Intranet Internet 管理層 e網到底 小結 適用于過程控制的現場總線 現場總線的選擇 FCS的應用場合 現場總線控制系統(tǒng) 現場儀表 具有標準通信接口的智能變送 控制 顯示 執(zhí)行儀表 現場總線控制系統(tǒng)的組成 現場總線控制網絡包括現場測控儀表 通信設備 電纜 上位計算機以及通信和組態(tài)軟件 上位監(jiān)控計算機 符合工業(yè)標準 具有通信接口 或網卡 操作系統(tǒng)的工業(yè)控制計算機 通信設備和軟件 通信轉換裝置 網卡及監(jiān)控界面與現場儀表之間數據交換軟件 DDE OPC等 用戶組態(tài)軟件 制作監(jiān)控界面 實現顯示 操作 報警 制表 打印等功能 通信接口卡 監(jiān)控計算機 不同子網 其它網絡 路由器 網關 現場儀表 用戶應用軟件網絡通信軟件 傳感器 執(zhí)行器 現場總線控制系統(tǒng)示意圖 通信軟件 DDE Dinamicdataexchange 動態(tài)數據交換基于消息機制 用于控制系統(tǒng)實時數據通信 當數據量大時 效率較低 微軟公司已停止發(fā)展DDE技術 但仍給予支持 目前大多數監(jiān)控軟件也支持DDE OPC OLEforProcessControl 用于過程控制的OLE以ActiveX COM DCOM XML及 NET技術為基礎 OPC是一個開放的軟件接口規(guī)范 用于客戶程序和服務器之間的數據通信 OPC使監(jiān)控軟件能高效 穩(wěn)定地對硬件設備進行存取操作 系統(tǒng)應用軟件之間也可靈活地進行信息交換 組態(tài)軟件應具有如下功能 工控組態(tài)軟件常使用INTOUCH iFIX 組態(tài)王 坤瑞等 組態(tài)王運行 組態(tài)王開發(fā) 現場總線控制系統(tǒng)實例 基于RS 485總線的控制系統(tǒng) MODBUS 系統(tǒng)結構 應用實例 能源計量和管理 RS485 232 主臺控制器 數據從臺 數據主臺 RS485 RS485 流量計 變送器 流量演算表 變送器 熱能計量表 以屏蔽雙絞線為介質 采用無線通信方式 使用單位 上海石化 寶鋼集團 浦東機場 金茂大廈等上海同欣自動化儀表儀表有限公司 Tel 021 35052390 基于EPA的控制系統(tǒng) ERP工作站 ERP工作站 服務器 操作站 工程師站 數據庫服務器 MES工作站 網絡管理器 分散I O控制站 網關 變送器 執(zhí)行器 現場控制器 互聯網 管理層 監(jiān)控層 現場設備層 EPA現場設備層 FF等其他現場總線 網絡管理器 變送器 執(zhí)行器 現場控制器 EPA現場設備層 變送器 執(zhí)行器 現場控制器 其他網段 系統(tǒng)結構 冗余 光纖或屏蔽雙絞線中繼器 光纖或屏蔽雙絞線中繼器 光纖或屏蔽雙絞線中繼器 光纖或屏蔽雙絞線中繼器 HUB或交換機 區(qū)域現場控制站 HUB或交換機 執(zhí)行機構 變送器 區(qū)域現場控制站 HUB或交換機 執(zhí)行機構 變送器 操作站 控制站 控制室 現場控制區(qū)域 現場控制區(qū)域 EPA監(jiān)控層環(huán)狀網絡主干 EPA現場設備層網段 實施方案 EPA監(jiān)控層網絡 采用10M 100M或更高速率的以太網 由光纖或屏蔽雙絞線組成的環(huán)網 可冗余 現場設備分布較廣 光纖環(huán)網可提高可靠性 分布相對集中 用屏蔽雙絞線 降低成本 數據通信采用EPA標準通信協議 EPA現場設備層網絡 采用10M以太網 介質一般為屏蔽雙絞 在設備間距離較遠的情況下可使用光纖 可冗余或不冗余 EPA在過程控制系統(tǒng)應用實例 ECS控制系統(tǒng) 操作站 工程師站 控制區(qū)域1 控制區(qū)域2 控制區(qū)域3 EPA監(jiān)控層 EPA EPA 4 20mA 1 碳化塔 4 20mA 冷卻 1 碳化塔 冷卻 1 碳化塔 冷卻 EPA EPA 4 20mA EPA EPA EPA 4 20mA EPA EPA EPA現場設備層 EPA現場控制器 EPA現場控制器 EPA現場控制器 使用單位 杭州龍山化工有限公司浙大中控技術有限公司 Tel 0571 88851888 PCS 7控制系統(tǒng) 功能特點 EngineeringStationES IndustrialEthernet FastEthernet OSserver 1 6 Ethernet PROFIUSDP S7417Controller ET200MRemoteI O SIWAREXWeighing ET200MRemoteI O DP PA Link PROFIBUSDP S7416S7414Controller DP PA Link PROFIBUSDP S7416S7414Controller PROFIBUSPA 系統(tǒng)結構 通過總線連接遠程I O PROFIUSDP ET200MRemoteI O SIWAREXWeighing Systembus IndustrialEthernet FastEthernet ET200MRemoteI O DigitalI OsCountersAnalogueI OsincludingHARTProtocol SpecialmodulesforWeighingBatchingPIDLoopControlPositioningetc 遠程I Os的集成是實現工廠自動化的必要條件 1 能夠處理以下信號 pressureswitches temperatureswitches levelswitches flowswitches etc 2 能夠操作 開關閥 螺紋閥3 能集成模擬I Os和特殊模塊 weighing batching PIDloopcontrolPROFIBUS支持HART協議 保護了用戶投資發(fā)展趨勢是把遠程I Os放在危險區(qū) ET200iS 通過GSD GSE文件實現互操作 S7400Controller 連接驅動設備和執(zhí)行器 PROFIUSDP VariablespeeddrivesSIMOVERTMASTERDRIVESMICROMASTER MotormanagementSIMOCODE Systembus IndustrialEthernet FastEthernet Motor 集成驅動設備例如變頻器 馬達驅動的抽水泵和鼓風機etc 電動執(zhí)行器對于一個工廠的完整自動化是必須的 PROFIBUS對執(zhí)行器和驅動設備提供綜合性的診斷 過載 馬達溫度 耗電監(jiān)控 接地錯誤 扭矩監(jiān)控 運行時間通過GSD文件實現互操作 S7400Controller 電動執(zhí)行器 SIPOS Pump 連接現場操作面板 PROFIUSDP Systembus IndustrialEthernet FastEthernet 用于現場顯示和操作 Textdisplaystolocaldisplayofinformation PushButtonPanelsforlocaloperation Operatorpanelsandbarcodereadersforhazardousareasarealsoavailable通過GSD文件實現互操作 S7400Controller OP37 OP7 TD17 PP17 PROFIUSDP S7400Controller Systembus IndustrialEthernet FastEthernet DP PA Link GasAnalyser Flow Pressure Temperature pH C O2 ValvePositioner Level PROFIBUSPA PROFIBUSPA 耦合器coupler的主要作用 1 實現物理層的轉換2 通過總線向現場儀表供電3 安全柵功能 實現危險區(qū)與安全區(qū)的電氣隔離鏈接器Link的主要作用 1 控制著過程儀表與主控制器之間的數據通信工作 它肩負著主設備和從設備的雙重身份 2 作為主設備 它控制著內部總線的正常工作 作為從設備 它又擔負著與上一層總線的通信任務 通過Profibus PA連接現場儀表 可連接現場儀表的數量 PROFIBUS DP to12MBit s DP PA Link PROFIBUS PA SIMATICS7 24V max 10DP 分支 CPU max 123Link DP分支 max 5耦合器 Link Max 9 30 儀表 耦合器 Ex 非 Ex 區(qū) 每臺儀表12mA max 30現場儀表 Link DP PA Link 24V 110mA 400mA 危險區(qū) DP PA耦合器提供可用的電壓PROFIBUSPA設備的最小工作電壓是9V典型的PA總線電阻值是44 km電纜長度的計算遵循Ohm slawPROFIBUSPA的最大長度包括所有分支的長度 1900m 每個DP PA Link能夠連接最大5個PA耦合器 在安全區(qū)建議2個PA耦合器 PROFIUS DP DP PA Link 安全區(qū) 560m 危險1區(qū) 680m危險0區(qū) 790m PROFIBUSPA長度 PROFIBUSPA DP PA Couplersiaibsafearea Profibus PA總線長度 基于Profibus總線控制系統(tǒng)應用實例 DP PA Link ET200MRemoteI O IndustrialEthernet FSM S7400Controller PROFIUSDP S7400Controller EngineeringStationES OperatorStationOS PROFIBUSPA 吳涇化工廠醋酸車間尾氣回收系統(tǒng) AI AO DI DO共300多點 控制回路30個 Tel 021 64343040 整套裝置100萬 可節(jié)省安裝費用50 以上 DeltaV現場總線控制系統(tǒng) 功能特點 系統(tǒng)結構 端子塊 控制網絡 現場接線 I O接口 控制器 系統(tǒng)電源 I O卡件 DeltaV控制器 I O卡件 輸入輸出卡件RTDTCAIPIMVAODIDOSOE支持各種總線協議的數據接口卡SerialCard串口卡FieldbusCard現場總線卡件HartAIHart協議輸入卡HartAOHart協議輸出卡PROFIBUSDP接口卡As i協議接口卡DeviceNet卡HSE高速總線接口卡冗余卡件本安型卡件 軟件包 資源管理器 Explorer 系統(tǒng)組態(tài)的基本瀏覽工具 允許訪問視圖中的任一項 并可以拖放的方式進行操作 類似Windows資源管理器布局和操作方式單一窗口管理整個系統(tǒng)資源系統(tǒng)組態(tài)的調度室系統(tǒng)資源分配辦公室 自動顯示硬件配置控制器自動分配地址I O模塊自動識別 控制工作室 ControlStudio 提供圖形化界面 創(chuàng)建和修改控制策略 在線瀏覽和調試 圖形工作室 GraphicsStudio 使用圖形 文字 數字和動態(tài)顯示工具 創(chuàng)建高分辨率的實時過程圖形 輕松拖放組態(tài)方式各種圖形模板 用戶可以自制模板使用照片 三維圖像 聲音等各種多媒體 設備管理系統(tǒng) AMS 在線對設備進行組態(tài) 標定和遠程故障診斷 AMS是用于儀表和調節(jié)閥管理的設備管理系統(tǒng)基于FF和Hart的儀表數據服務器通用數據庫和界面及使用方法內置于AMS 單工作站AMS 分布式AMS OPCServerAMSAMS的主要功能 組態(tài) Configuration 標定輔助 CalibrationManagement 診斷和監(jiān)視 DiagnosticsandMonitoring 自動文檔 AutomatedDocumentation 先進控制軟件 模糊控制 神經網絡控制 預測控制 回路整定 仿真軟件等 傳統(tǒng)的先進過程控制 DeltaV的先進過程控制 容易執(zhí)行 維護和調整內置于DeltaV擴展并改進了過程控制的方法 置于DCS系統(tǒng)之上需要大量的咨詢 執(zhí)行服務被某些廠家捆綁 與其它系統(tǒng)的集成 共享過程管理站提高工廠管理的統(tǒng)一性為開發(fā)專業(yè)的用戶應用提供基礎 采用串行通信接口 采用OPC技術 DeltaV OPCServer OPCClient Product OPCServerOPCMirrorDeltaVWebServerOPCpagerOPCAlarmsandEventsServer DeltaVOPCServer與其它DCSOPCServer之間數據交換拖放組態(tài)方式可最多有50個工作OPCServer 最多250