分布式控制系統(tǒng)(DSC)13-第五章(現(xiàn)場總線)-DCS課件-1

分布式控制系統(tǒng)(DSC)13-第五章(現(xiàn)場總線)-DCS課件-1第一頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)第二頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)5.1什么是現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)場總線的核心是總線協(xié)議（實(shí)現(xiàn)開發(fā)和互操作），基礎(chǔ)是智能現(xiàn)場設(shè)備（硬件支持）第三頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)第四頁，共31頁。自動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第五章現(xiàn)場總線技術(shù)第五頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)第六頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)第七頁，共31頁。它表明，測量控制系統(tǒng)從早期基地式模擬儀表只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)、單控制回路的測控功能開始，逐漸發(fā)展到按裝置或過程的多回路、多變量集中監(jiān)控，整個(gè)裝置或車間的優(yōu)化控制，以致實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的控制與管理一體化。每一代更新都帶來能力指數(shù)的躍變，同時(shí)隨著工具與功能開發(fā)的不斷完善，每一代系統(tǒng)的測控能力指數(shù)會(huì)按各自的增長速率不斷升高，為生產(chǎn)過程的控制與管理提供更為完善的服務(wù)，帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。這里，圖4-1中對(duì)能力指數(shù)的描述在數(shù)值上并不精確，不過是一種示意性的表達(dá)而已。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)第八頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)使用現(xiàn)場總線PROFIBUSPA的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢：

與使用傳統(tǒng)的4-20mA模擬信號(hào)系統(tǒng)比較第九頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)5.2幾種有影響的現(xiàn)場總線技術(shù)

自80年代末以來，有幾種現(xiàn)場總線技術(shù)已逐漸形成其影響并在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域顯示了自己的優(yōu)勢。它們具有各自的特點(diǎn)，也顯示了較強(qiáng)的生命力。對(duì)現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)發(fā)揮并將會(huì)繼續(xù)發(fā)揮較大作用。

第十頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)

(1)基金會(huì)現(xiàn)場總線

基金會(huì)現(xiàn)場總線(FF，F(xiàn)oundationFieldbus)是在過程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以美國Fisher—Rosemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的WorldFIP協(xié)議。屈于用戶的壓力，這兩大集團(tuán)于1994年9月合并，成立了現(xiàn)場總線基金會(huì)，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。第十一頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)基金會(huì)現(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率H1的傳輸速率為31.25kbps，通信距離可達(dá)1900m(可加中繼器延長)，可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率可為1Mbps和2．5Mbps兩種，其通信距離分別為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IECll58—2標(biāo)準(zhǔn)。其物理媒介的傳輸信號(hào)采用曼徹斯特編碼。第十二頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的原理：通過選擇電氣設(shè)備電路的各種參數(shù)或采取保護(hù)措施來限制電路的火花放電能量和熱能，使其在正常工作和規(guī)定的故障狀態(tài)下，產(chǎn)生的電火花的熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃周圍環(huán)境的爆炸性混合物，從而實(shí)現(xiàn)了電氣防爆。這種電氣設(shè)備的電路本身就具有防爆性能，也就是從“本質(zhì)”上就是安全的，故稱為本質(zhì)安全型（本安型）。第十三頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)基金會(huì)現(xiàn)場總線的主要技術(shù)內(nèi)容，包括：

FF通信協(xié)議；用于完成開放互連模型中第2～7層通信協(xié)議的通信棧(CommunicationStack)；用于描述設(shè)備特征、參數(shù)、屬性及操作接口的DDL設(shè)備描述語言、設(shè)備描述字典；用于實(shí)現(xiàn)測量、控制、工程量轉(zhuǎn)換等應(yīng)用功能的功能塊、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)；以及構(gòu)筑集成自動(dòng)化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)。第十四頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)基金會(huì)現(xiàn)場總線的構(gòu)成：

第十五頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)基金會(huì)現(xiàn)場總線的通信模型：

第十六頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)

(2)LonWorks

LonWorks是又一具有強(qiáng)勁實(shí)力的現(xiàn)場總線技術(shù)。它是由美國Echelon公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO／OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡化為參數(shù)設(shè)置，其通信速率從300bps至1．5Mbps不等，直接通信距離可達(dá)2700m(78kbps，雙絞線)。支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)了相應(yīng)的本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。

第十七頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)集成芯片中有3個(gè)8位CPU，一個(gè)用于完成開放互連模型中第1和第2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問的控制與處理。第二個(gè)用于完成第3～6層的功能，稱為網(wǎng)絡(luò)處理器，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量的尋址、處理、背景診斷、路徑選擇、軟件計(jì)時(shí)、網(wǎng)絡(luò)管理，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信控制，收發(fā)數(shù)據(jù)包等。第三個(gè)是應(yīng)用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶代碼。芯片中還具有存儲(chǔ)信息緩沖區(qū)，以實(shí)現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。

LonWorks技術(shù)所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為Neuron的神經(jīng)元芯片中而得以實(shí)現(xiàn)。第十八頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)(3)PROFIBUS

PROFIBUS是德國國家標(biāo)準(zhǔn)DINl9245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。由PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA組成了PROFIBUS系列。DP型用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，PROFIBUS-FMS適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。而PA型則是用于過程自動(dòng)化的總線類型，它遵從IECll58—2標(biāo)準(zhǔn)。第十九頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)該項(xiàng)技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。FMS還采用了應(yīng)用層。傳輸速率為9，6kbps～12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時(shí)為lOOm，1．5Mhps時(shí)為400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜。最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)?？蓪?shí)現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。第二十頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)

(4)CAN

CAN是控制局域網(wǎng)絡(luò)(ControlAreaNetwork)的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)。CAN協(xié)議也是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層。信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線。通信速率最高可達(dá)1Mbps／40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km／5kbps?？蓲旖釉O(shè)備數(shù)最多可達(dá)110個(gè)。

CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。第二十一頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)

(5)HART

HART是HighwayAddressableRemoteTransducer的縮寫。最早由Rosemount公司開發(fā)并得到八十多家著名儀表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會(huì)。這種被稱為可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場競爭能力，得到了較快發(fā)展。

第二十二頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)它規(guī)定了一系列命令，按命令方式工作。它有三類命令：第一類稱為通用命令，這是所有設(shè)備都理解、執(zhí)行的命令；第二類稱為一般行為命令，所提供的功能可以在許多現(xiàn)場設(shè)備(盡管不是全部)中實(shí)現(xiàn)，這類命令包括最常用的現(xiàn)場設(shè)備的功能庫；第三類稱為特殊設(shè)備命令，以便在某些設(shè)備中實(shí)現(xiàn)特殊功能，這類命令既可以在基金會(huì)中開放使用，又可以為開發(fā)此命令的公司所獨(dú)有。在一個(gè)現(xiàn)場設(shè)備中通?？砂l(fā)現(xiàn)同時(shí)存在這三類命令。

第二十三頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)5.3

CAN節(jié)點(diǎn)的分層結(jié)構(gòu)

第二十四頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)第二十五頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技術(shù)數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應(yīng)答場和幀結(jié)束。數(shù)據(jù)場長度可為0。CAN2.0A數(shù)據(jù)幀的組成如圖所示。

第二十六頁，共31頁。第五章現(xiàn)場總線技