現(xiàn)場總線及其應用技術ppt課件教學教材

現(xiàn)場總線及其應用技術ppt課件參考書目1.李正軍.《現(xiàn)場總線及其應用技術》機械工業(yè)出版社，20052.陽憲惠.《現(xiàn)場總線技術及其應用》清華大學出版社，19983.甘永梅.《現(xiàn)場總線技術及其應用》機械工業(yè)出版社，20004.楊寧.《集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線》北航出版社，20015.鄔寬明.《現(xiàn)場總線技術應用選編》北航出版社，20012023/1/132參考書目2023/1/133要求及考試上課認真做筆記認真完成課后作業(yè)平時成績 30％實驗成績60%平時表現(xiàn)及作業(yè)40%期末筆試 70％2023/1/134第一講現(xiàn)場總線概述1.1現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀和發(fā)展現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點、多站的通信網(wǎng)絡。IEC對現(xiàn)場總線的定義

現(xiàn)場總線是一種應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設備之間、現(xiàn)場設備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術。涉及智能儀表、控制、計算機、數(shù)據(jù)通信技術2023/1/1361.1.1現(xiàn)場總線的產(chǎn)生

---控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢第一代：氣動信號控制系統(tǒng)(50年代之前)第二代：電動模擬信號控制系統(tǒng)(50年代至今),4－20mA的模擬量標準信號。第三代：計算機集中控制系統(tǒng)(70年代)第四代：集散式分布控制系統(tǒng)(80年代)2023/1/137第五代：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)

突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡的局限，采用了基于公開化、標準化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；把DCS的集中與分散相結合的集散系統(tǒng)結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線系統(tǒng)最顯著的特征。

1.1.1現(xiàn)場總線的產(chǎn)生

---控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢2023/1/138傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)

2023/1/139DCS與FCS2023/1/1310微處理器技術的迅猛發(fā)展和廣泛應用，使儀表和現(xiàn)場控制設備在性能和功能上有顯著的提高；對系統(tǒng)維護管理、測試和監(jiān)視需求的日益增加；控制領域在控制精度、可操作性、可維護性、可移植性等方面的要求。1.1.1現(xiàn)場總線的產(chǎn)生---產(chǎn)生背景2023/1/1311現(xiàn)場通信網(wǎng)絡

用于過程及制造自動化的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表互連的通信網(wǎng)絡現(xiàn)場設備互連

現(xiàn)場設備或儀表指傳感器、變送器和執(zhí)行器等。這些設備通過一對傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等互操作性

對不同廠商不同品牌的現(xiàn)場設備統(tǒng)一組態(tài)，構成所需要的控制回路，并且具備相互操作的功能1.1.2現(xiàn)場總線的本質(zhì)2023/1/1312分散功能塊

FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構成虛擬控制站 例如：流量變送器不僅具有流量信號變換、補償和累加輸入模塊，而且有PID控制和運算功能塊。調(diào)節(jié)閥的基本功能是信號驅(qū)動和執(zhí)行，還內(nèi)含輸出特性補償模塊，或PID控制和運算模塊，甚至閥門特性自檢驗和自診斷功能。1.1.2現(xiàn)場總線的本質(zhì)2023/1/1313通信線供電

允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上獲取能量，對于要求本征安全的低功耗現(xiàn)場儀表，可采用這種供電方式開放式互連網(wǎng)絡

既可與同層網(wǎng)絡互連，也可以與不同層網(wǎng)絡互連，還可以實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的共享1.1.2現(xiàn)場總線的本質(zhì)2023/1/13141.1.3現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

---現(xiàn)場總線的結構特點由于采用智能現(xiàn)場設備，能夠把DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現(xiàn)場設備中，在現(xiàn)場直接完成采集和控制。由于不需要其他的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，且一對電線能傳輸多個信號，因而簡化了系統(tǒng)結構，節(jié)約了設備及安裝維護費用。2023/1/13152023/1/13161.1.3現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

---FCS與DCS的詳細對比結構

FCS:一對多：一對傳輸線接多臺儀表，雙向傳輸多個信號

DCS:一對一：一對傳輸線接一臺儀表，單向傳輸一個信號2023/1/13171.1.3現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

---FCS與DCS的詳細對比可靠性

FCS:可靠性好：數(shù)字信號傳輸抗干擾能力強，精度高；

DCS:可靠性差：模擬信號傳輸不僅精度低，而且容易受干擾2023/1/13181.1.3現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

---FCS與DCS的詳細對比失控狀態(tài)

FCS:操作員在控制室既可以了解現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表的工作狀況，也能對設備進行參數(shù)調(diào)整，還可以預測或?qū)ふ夜收?，使設備始終處于操作員的遠程監(jiān)視與可控狀態(tài)之中； DCS:操作員在控制室既不能了解模擬儀表的工作狀態(tài)，也不能對其進行參數(shù)調(diào)整，更不能預測故障，導致操作員對儀表處于“失控”狀態(tài)2023/1/13191.1.3現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

---FCS與DCS的詳細對比互換性

FCS:用戶可以自由選擇不同制造商提供的性能價格比最優(yōu)的現(xiàn)場設備和儀表，并將不同品牌的儀表互連； DCS:盡管模擬儀表統(tǒng)一了信號標準(4-20mADC)，可大部分參數(shù)仍由制造廠自定，致使不同品牌的儀表互換難度較大2023/1/13201.1.3現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

---FCS與DCS的詳細對比儀表

FCS:智能儀表，除了具有模擬儀表的檢測、變換、補償?shù)裙δ芡?，還具有數(shù)字通信能力，并且具有控制和運算的能力； DCS:模擬儀表只具有檢測、變換、補償?shù)裙δ芸刂?/p>

FCS:控制功能分散在各個智能儀表中； DCS:所有控制功能集中在控制站中2023/1/1321IFixPrimaryServerIFixSecondaryServerABBOPCServeriFixOPCClientIFixClient1IFixClient2Gateway3NICAC800MAC800MAC800MMISERPABBAC800MiFIX典型ABB的AC800M系統(tǒng)組成2023/1/1322PlantNetwork/IntranetFirewall

Client/serverNetworkThirdpartyapplicationserverWorkplacesEnterpriseOptimization

SuiteMobile

Operator

ConnectivityServerControlNetwork

RedundantEngineeringWorkplaceApplicationServerAspectServerThirdpartycontrollers,serversetcSerial,OPCorfieldbusFieldBusFieldBusAC800MHIAC800MAC800M2023/1/1323系統(tǒng)的開放性

通信協(xié)議公開，各不同廠家的設備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換互可操作性與互用性現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性系統(tǒng)結構的高度分散性對現(xiàn)場環(huán)境的適應性1.1.3現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

---現(xiàn)場總線的技術特點2023/1/1324節(jié)省硬件數(shù)量與投資節(jié)省安裝費用節(jié)約維護開銷用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性1.1.3現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

---現(xiàn)場總線的優(yōu)點2023/1/13251.1.4現(xiàn)場總線標準的制定1984年，IEC開始起草現(xiàn)場總線標準；1993-1998年，制定IEC61158的現(xiàn)場總線物理層規(guī)范、鏈路服務定義及協(xié)議規(guī)范、應用層服務定義及協(xié)議規(guī)范1999年，修改IEC61158技術規(guī)范，形成8種類型新標準2000年，修改后的IEC61158最終獲得通過2023/1/1326新標準采用8種類型Type1IEC61158(FF的H1)Type2ControlNet(美國Rockwell公司)Type3PROFIBUS(德國Siemens公司)Type4P-Net(丹麥ProcessData公司)Type5FFHSE(Fisher-Rosemount公司)Type6SwiftBet(美國波音公司)Type7WorldFIP(法國Alstom公司)Type8INTERBUS(德國PhoenixContact公司)2023/1/13271.1.5現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀多種總線共存 世界市場對各種現(xiàn)場總線的需求：過程自動化：15%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP)醫(yī)藥領域：18%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP)加工制造：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet)交通運輸：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet)航空，國防：34%(PROFIBUS-FMS,LonWorks,ControlNet,DeviceNet)其它，如樓宇自動化，農(nóng)業(yè)等2023/1/13281.1.5現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀每種總線各有其應用領域每種總線各有其國際組織每種總線均有其支持背景設備制造商參加多個總線組織多種總線均作為國家和地區(qū)的標準協(xié)調(diào)共存工業(yè)以太網(wǎng)引入工業(yè)領域2023/1/13291.1.6現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的實現(xiàn)制定標準時參照OSI七層協(xié)議標準；大多采用第1層(物理層)、第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)和第7層(應用層)，并增加第8層用戶層。

物理層：定義了信號的編碼與傳送方式、傳送介質(zhì)、接口的電氣及機械特性、信號傳輸速率等。 現(xiàn)場總線有兩種編碼方式：Manchester和NRZ，前者同步性好，但頻帶利用率低，后者剛好相反。前者采用基帶傳輸，后者采用頻帶傳輸。調(diào)制方式主要有CPFSK和COFSK。傳輸介質(zhì)主要有：有線電纜、光纖和無線介質(zhì)。2023/1/13301.1.6現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層

分為兩個子層：介質(zhì)訪問控制層(MAC)和邏輯鏈路控制層(LLC)。MAC對傳輸介質(zhì)傳送的信號進行發(fā)送和接收控制；LLC對數(shù)據(jù)鏈進行控制，保證數(shù)據(jù)傳送到指定的設備上?，F(xiàn)場總線上的設備可以是主站，也可以是從站。

MAC層的三種協(xié)議：集中式輪詢協(xié)議、令牌總線協(xié)議和總線仲裁協(xié)議。應用層

分為兩子層：應用服務層(FMS)，用于為用戶提供服務；現(xiàn)場總線存取層(FAS)，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的連接。2023/1/13311.1.6現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的實現(xiàn)用戶層 定義了從現(xiàn)場裝置中讀寫信息和向網(wǎng)絡中其他裝置分派信息的方法，即規(guī)定了供用戶組態(tài)的標準“功能模塊”。2023/1/13321.1.7現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢自動化系統(tǒng)和設備將朝著現(xiàn)場總線體系結構方向發(fā)展；在未來數(shù)年內(nèi)幾大總線標準共存，甚至在一個系統(tǒng)內(nèi)幾種標準的設備通過路由網(wǎng)關互連實現(xiàn)信息共享；我國在這一領域剛剛起步。2023/1/13331.1.7現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢具有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線技術：智能儀表與網(wǎng)絡設備開發(fā)的軟硬件技術；組態(tài)技術、包括網(wǎng)絡拓撲結構、網(wǎng)絡設備、網(wǎng)絡互連等；網(wǎng)絡管理技術，包括網(wǎng)絡管理軟件、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)操作與傳輸；人機接口、軟件技術；現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成技術2023/1/13341.2.1企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)的層次結構1.2.2現(xiàn)場總線的作用1.2.3現(xiàn)場總線與上層網(wǎng)絡的互聯(lián)1.2.4現(xiàn)場總線網(wǎng)絡集成應考慮的因素1.2企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)2023/1/1335現(xiàn)場總線網(wǎng)絡直接面向生產(chǎn)過程，因此要求很高的實時性、可靠性、數(shù)據(jù)完整性和可用性；因此一般只包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層；要完成與上層工廠信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和傳遞；統(tǒng)一的企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)應具有三層結構，從底向上依次是：過程控制層(PCS)、制造執(zhí)行層(MES)、企業(yè)資源規(guī)劃層(ERP)1.2.1企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)的層次結構2023/1/13361.2.1企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)的層次結構現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡工業(yè)局域網(wǎng)企業(yè)網(wǎng)Internet過程控制層PCS制造執(zhí)行層MES企業(yè)資源規(guī)劃層ERP2023/1/1337工廠中的控制網(wǎng)絡系統(tǒng)典型結構簡化的CIMS網(wǎng)絡體系結構傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)基于現(xiàn)場總線的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)2023/1/1338簡化的CIMS網(wǎng)絡體系結構2023/1/1339傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)2023/1/1340基于現(xiàn)場總線的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)2023/1/1341資源規(guī)劃層(ERP)以太網(wǎng)段制造執(zhí)行層(MES)以太網(wǎng)段現(xiàn)場控制層(FCS)Internet控制網(wǎng)絡各功能層次的網(wǎng)絡類型2023/1/13421.2.1企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)的層次結構過程控制層

依照現(xiàn)場總線的協(xié)議標準，智能設備采用功能塊的結構，通過組態(tài)設計，完成數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、溫度壓力補償、PID控制等功能。智能轉(zhuǎn)換模塊對傳統(tǒng)檢測儀表的電流電壓進行數(shù)字轉(zhuǎn)換和補償。過程控制層的拓撲結構

環(huán)形網(wǎng)：時延確定性好，重載時網(wǎng)絡效率高； 總線網(wǎng)：成本低，時延不確定，重載時效率低； 樹形網(wǎng)：可擴張性好，頻帶較寬，但節(jié)點間通信不便； 令牌總線網(wǎng)：物理上是總線網(wǎng)，邏輯上是令牌網(wǎng)。2023/1/13431.2.1企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)的層次結構制造執(zhí)行層

從現(xiàn)場設備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運行參數(shù)的監(jiān)測、報警和趨勢分析等功能，還包括控制組態(tài)的設計和下裝。 通過總線接口轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)現(xiàn)場總線網(wǎng)段和以太網(wǎng)段的連接。2023/1/13441.2.1企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)的層次結構企業(yè)資源規(guī)劃層 在分布式網(wǎng)絡環(huán)境下構建一個安全的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。 首先將中間監(jiān)控層的數(shù)據(jù)庫中的信息轉(zhuǎn)入上層關系數(shù)據(jù)庫中，使遠程用戶能通過瀏覽器查詢網(wǎng)絡運行狀態(tài)，對生產(chǎn)過程進行實時的遠程監(jiān)控； 對數(shù)據(jù)進行進一步的分析和整理，為相關的各種管理、經(jīng)營決策提供支持，實現(xiàn)管控一體化。2023/1/13451.2.1企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)的層次結構現(xiàn)場總線與數(shù)據(jù)局域網(wǎng)的區(qū)別用途不同

現(xiàn)場總線主要用于對生產(chǎn)、生活設備的控制； 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡主要用于通信、辦公，提供文字、聲音和圖像等數(shù)據(jù)信息。技術要求不同

現(xiàn)場總線要求具備高度的實時性、安全性和可靠性，網(wǎng)絡接口盡可能簡單，成本盡量降低，數(shù)據(jù)量一般較??； 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡則需要大批量數(shù)據(jù)傳輸和處理。2023/1/1346現(xiàn)場總線與管理信息網(wǎng)絡的特性比較特性現(xiàn)場總線管理信息網(wǎng)絡監(jiān)視與控制能力強弱可靠性與故障容限高高實時響應快中信息報文長度短長OSI相容性低中、高體系結構與協(xié)議復雜性低中、高通信功能級別中級大范圍通信速率低、中高抗干擾能力強中2023/1/1347第一種方式：采用專用網(wǎng)關完成不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，把現(xiàn)場總線網(wǎng)段或DCS網(wǎng)段連接到以太網(wǎng)上。第二種方式：將現(xiàn)場總線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)卡都置入工業(yè)PC機插槽上，在PC機內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。第三種方式：將Web服務器直接置入PLC或現(xiàn)場總線設備內(nèi)，借助Web服務器和通用瀏覽工具實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的動態(tài)交互。1.2.2現(xiàn)場總線與上層網(wǎng)絡的互聯(lián)2023/1/1348采用專用網(wǎng)關2023/1/1349將現(xiàn)場總線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)卡都置入工業(yè)PC機插槽上2023/1/1350控制網(wǎng)絡的特點適應工業(yè)控制應用環(huán)境，要求實時性強，可靠性高，安全性好；網(wǎng)絡傳輸?shù)氖箿y控數(shù)據(jù)及其相關信息，短幀，傳輸速率低標準支持(國際、國家、地區(qū)、企業(yè)標準)網(wǎng)絡結構

介質(zhì)、拓撲結構、節(jié)點數(shù)等網(wǎng)絡性能

傳輸速率、時間同步準確度、訪問控制方式等測控系統(tǒng)應用考慮市場及其他因素1.2.4現(xiàn)場總線網(wǎng)絡集成應考慮的因素2023/1/13511.3現(xiàn)場總線簡介基金會現(xiàn)場總線(FF)PROFIBUSLonWorksCANHARTDeviceNet2023/1/13521.3.1基金會現(xiàn)場總線(FF)前身為以Fisher-Rousemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等公司的ISP協(xié)議，以及以Honeywell為首的WorldFIP協(xié)議，合并后成立現(xiàn)場總線基金會；以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層，并增加用戶層；分低速H1(31.25Kbps,距離1900m)和高速H2(1Mbps,750m和2.5Mbps,500m)兩種通信速率；介質(zhì)支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，傳輸信號采用曼徹斯特編碼2023/1/13531.3.2PROFIBUS德國國家標準和歐洲標準；參考模型也是ISO/OSI模型；由PROFIBUS-DP、-FMS和-PA組成；

PROFIBUS-DP型用于分散外設間的高速傳輸，適用于加工自動化領域的應用；

PROFIBUS-FMS為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、PLC等一般自動化；

PROFIBUS-PA用于過程自動化。傳輸速率為9.6Kbps-12Mbps，最大傳輸距離為9.6Kbps時1200m，1.5Mbps時200m，可用中級器延長至10km，傳輸介質(zhì)為雙絞線、光纜。2023/1/13541.3.3LonWorks由美國Echelon公司和Motorola、