《集散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線》第6章-FCS現(xiàn)場總線

第五章現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS概述FCS的現(xiàn)場總線工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)1.FCS概述現(xiàn)場總線：用于過程自動化和制造自動化最低層的現(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設(shè)備互連的通訊網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)： 通訊協(xié)議控制協(xié)議 通訊技術(shù)控制技術(shù)現(xiàn)場總線特點適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，要求實時性強，可靠性高，平安性好。多為短幀傳送，通信的傳輸速率相對較低。減少了接線與安裝傳統(tǒng)的4-20mA儀表接線方式,4-20mAISISISIS多臺設(shè)備可以共用一個本安柵，一對接線ISFieldbusFF機構(gòu)現(xiàn)場總線組織現(xiàn)場總線基金會〔FieldbusFoundation〕LonMark協(xié)會,Profibus協(xié)會，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會IEA〔IndustrialEthernetAssociation〕，工業(yè)自動化開放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟IAONA〔IndustrialAutomationOpenNetworkAlliance〕SocietyofAutomotiveEngineers〔SAE〕制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織IECISO現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化工作2000年初宣布，IEC現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)子集有八種：IEC61158；ControlNet；Profibus；P-Net；HSE； NewcomerSwiftNet；WorldFIP；Interbus-S其他標(biāo)準(zhǔn)最早成為國際標(biāo)準(zhǔn)的是CAN，它屬于ISO標(biāo)準(zhǔn)：ISO11898其它有實力、有開展前景的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)；LonWorks；Modbus；藍牙、無線局域網(wǎng)；消費電子總線CEBus；光總線等；〔過渡型總線HART〕全分布、網(wǎng)絡(luò)集成式控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)是企業(yè)的底層網(wǎng)絡(luò)2FCS的現(xiàn)場總線FF(FoundationFieldBus)ModBusPROFIBUS(ProcessFieldBus)LON(LocalOperatingNetwork)CAN(ControlAreaNetwork)HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)FFFF規(guī)定了兩類標(biāo)準(zhǔn) H1：低速現(xiàn)場總線 傳輸：31.25Kbit/s,1900m H2：高速現(xiàn)場總線 傳輸：1Mbit/s,750m 2Mbit/s,500m傳輸信號：曼徹斯特編碼ModBus通信協(xié)議Modbus協(xié)議是應(yīng)用于控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)〔例如以太網(wǎng)〕和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進行集中監(jiān)控。ModBus標(biāo)準(zhǔn)的Modbus口是使用RS-232C兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗?？刂破髂苤苯踊蚪?jīng)由Modem組網(wǎng)。控制器通信使用主—從技術(shù)，即僅主設(shè)備能初始化傳輸〔查詢〕。其它設(shè)備〔從設(shè)備〕根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反響。典型的主設(shè)備：主機和可編程儀表。典型的從設(shè)備：可編程控制器。ModBus主設(shè)備可單獨和從設(shè)備通信，也能以播送方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨通信，從設(shè)備返回消息作為回應(yīng)，如果是以播送方式查詢的，那么不作任何回應(yīng)。Modbus協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式：設(shè)備〔或播送〕地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、錯誤檢測域。從設(shè)備回應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生錯誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立錯誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。Modbus消息幀起始位設(shè)備地址功能代碼數(shù)據(jù)CRC校驗結(jié)束符T1-T2-T3-T48Bit8Bitn個8Bit16BitT1-T2-T3-T4RTU消息幀起始位設(shè)備地址功能代碼數(shù)據(jù)LRC校驗結(jié)束符1個字符2個字符2個字符n個字符2個字符2個字符ASCII消息幀

LRC是將消息中的8Bit的字節(jié)連續(xù)累加，丟棄了進位PROFIBUSPROFIBUS是作為德國國標(biāo)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。PROFIBUS協(xié)議的三個主要局部PROFIBUSDP〔DistributedI/Os〕PROFIBUSPA(ProcessAutomation)PROFIBUSFMS(FieldbusMessageSpecification〕PROFIBUS適用于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。〔Siemens〕LonWorksLON可用于工業(yè)、交通、樓宇等領(lǐng)域。LON總線采用LonTalk通信協(xié)議，參照了OSI的全部7層，并用芯片固化了協(xié)議的全部內(nèi)容。LON總線所采用的一系列技術(shù)總稱為LonWorks。埃施朗Echelon開發(fā)LonWorks分布式測控網(wǎng)絡(luò)介紹LonWorks技術(shù)是美國Echelon公司九十年代中期推出的一種用于自動控制領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以神經(jīng)元芯片〔NeuronChip)為核心，由與OSI七層參考模型兼容的LonWorks協(xié)議組成分布式智能控制網(wǎng)絡(luò)的根底，使用事件驅(qū)動方式運行，從而實現(xiàn)了真正的分布式控制。LonWorks技術(shù)具有真正的分布性、開放性、互操作性，適應(yīng)性。它已經(jīng)被工業(yè)界廣泛接受，成為控制網(wǎng)絡(luò)的實際主流標(biāo)準(zhǔn)之一，使得基于LonWorks平臺開發(fā)的系統(tǒng)已經(jīng)使用在各種應(yīng)用領(lǐng)域的控制系統(tǒng)。CAN一個簡易的兩線差動式串行總線系統(tǒng)，CAN總線可以在噪聲強大的環(huán)境下運作，并到達高度的數(shù)據(jù)完整性，開放式架構(gòu)以及可由使用者自行定義的傳輸媒介，使它擁有高度的靈活性。能夠在短距離(40米)進行高速(1Mbits/s)數(shù)據(jù)傳輸，以及在高達10,000米的距離下進行低速(5kbits)傳輸，多主控端的CAN總線擁有高度的容錯能力與超強的檢錯功能。CAN應(yīng)用CAN是由德國Bosch公司所開發(fā)，原本面向汽車電子化市場而設(shè)計，直至今日，汽車電子化市場仍是它主要的應(yīng)用范圍，但它也是理想的一般工業(yè)用總線。CAN參照了OSI的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，并用ASIC固化了這2層協(xié)議。CAN總線應(yīng)用層的功能由與其連接的微處理器來實現(xiàn)。CAN的特點CAN不采用節(jié)點地址編碼，而是對報文編碼，節(jié)點通過報文濾波決定是否與其有關(guān)，即接受或發(fā)送相應(yīng)的報文。CAN采用多主工作方式，節(jié)點不分主從。CAN總線節(jié)點報文分成不同的優(yōu)先級，滿足不同的實時需求。CAN總線采用總線仲裁技術(shù)，保證優(yōu)先級高的節(jié)點實時傳輸報文。CAN的專用集成電路通信控制器：PhilipsSJA1000〔CAN2.0B〕，Intel82526〔2.0A〕，Intel82527〔2.0B〕帶微處理器的通信控制器 Intel8XC196CA／CB Philps8XC592HARTHART采用4-20mA模擬信號疊加FSK數(shù)字信號的混合傳輸方式，是一種過渡總線。HART總線參照了OSI的物理層、鏈路層和應(yīng)用層。采用總線型的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。3.工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)源于普通以太網(wǎng)。推進其應(yīng)用的國際組織： IEA〔IndustrialEthernetAssociation〕 IAONA〔IndustrialAutomation NetworkAlliance〕工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢可滿足控制系統(tǒng)各個層次的要求，利于管控一體化。設(shè)備本錢下降。用戶擁有本錢下降。〔維護〕易與Internet集成。廣泛的開發(fā)技術(shù)支持。大量的現(xiàn)有軟件資源。以太網(wǎng)的優(yōu)勢高速10M/s、100M/s及更快比其它媒介處理更多信息普遍認知很多書籍很多經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員很多可選的媒介銅線光纖短距離無線長距離無線ADSL連接性撥號連接性多協(xié)議HSE其它在美國Austin的以太網(wǎng)技術(shù)人員比全球范圍內(nèi)的現(xiàn)場總線技術(shù)人員還多HSE將用在哪里？網(wǎng)關(guān)操作臺鏈路設(shè)備流量計算機控制器設(shè)備效勞器條形碼讀碼器單回路調(diào)節(jié)器無紙記錄儀本機面板報警器票證打印機稱重儀PLCs遠程I/O罐區(qū)測量系統(tǒng)燃燒爐管理系統(tǒng)壓縮機控制透平控制腐蝕監(jiān)測緊急停車系統(tǒng)(ESD)集成火焰和氣體系統(tǒng)集成色譜儀發(fā)電裝置控制泄漏檢測紙幅掃描儀振動監(jiān)測管壁厚度監(jiān)測開放的IP和以太網(wǎng)SCADA結(jié)構(gòu)FFHSE設(shè)備和以太網(wǎng)電臺中央控制室主站計算機以太網(wǎng)電臺FFH1儀表互操作的以太網(wǎng)HSE僅以太網(wǎng)和TCP/IP缺乏以實現(xiàn)互操作是標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層和用戶層在控制器層的互操作性成套單元的集成完全冗余雙網(wǎng)卡的操作站冗余的雙端口鏈路設(shè)備冗余的單一端口鏈路設(shè)備主交換機從交換機單個雙端口的鏈路設(shè)備混合模式弱鏈條損失完整性不支持狀態(tài)傳播不同的數(shù)據(jù)類型和對象結(jié)構(gòu)基金會HSE鏈路設(shè)備控制器網(wǎng)關(guān)設(shè)備VSDVSDVSD工業(yè)以太網(wǎng)面臨的問題通信實時性環(huán)境適應(yīng)性與可靠性〔結(jié)構(gòu)、連接器〕總線供電〔5類線中的空閑線，10-36V〕本質(zhì)平安〔防爆平安柵〕非確定性問題的解決措施提高通信速率控制網(wǎng)絡(luò)負荷〔負荷<30%實時〕網(wǎng)絡(luò)分段技術(shù)〔以太網(wǎng)交換機〕提供適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的元件 〔密封、鞏固、抗震、鎖緊、控溫〕工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)展望未來的IO設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)效勞器。FF:“HSE是具有控制功能的Internet，它適合于那些想把全球各處工廠連接起來的公司，通過適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)平安保障，工程師和操作員可以解決地球另一端的故障和緊急情況?！爆F(xiàn)場總線技術(shù)的開展趨勢1.注重系統(tǒng)的開放性 封閉、自成一體的系統(tǒng)定會消亡2.注重應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備間的互操作性 早期的總線技術(shù)多注重在通信協(xié)議上，而近年來其技術(shù)開展逐漸轉(zhuǎn)向應(yīng)用與用戶層的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如設(shè)備描述、標(biāo)準(zhǔn)功能塊等。應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備間的互連不只要完成數(shù)據(jù)通信，還要構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)，形成測量控制應(yīng)用系統(tǒng)，而應(yīng)用與用戶層標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)備間的互可操作性直接相關(guān)。設(shè)備間的互操作依靠應(yīng)用層協(xié)議CAN是封裝在芯片中的通信協(xié)議；485只是物理層的電氣接口標(biāo)準(zhǔn)，由它們構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)還需借助另外的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號的傳輸、數(shù)據(jù)理解現(xiàn)場總線技術(shù)的開展趨勢〔續(xù)〕3.注重控制網(wǎng)絡(luò)與公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合HSE；Profinet；連接modbus的透明工廠；第3代的Lonworks等。各種控制網(wǎng)絡(luò)都在向數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)掛靠4.注重使測控設(shè)備具備網(wǎng)絡(luò)瀏覽功能具有網(wǎng)絡(luò)瀏覽功能的PLC；具有網(wǎng)絡(luò)瀏覽功能的遠程數(shù)據(jù)終端借助通用瀏覽器工具得到專用設(shè)備的數(shù)據(jù)信息控制設(shè)備走向開放的窗口?，F(xiàn)