现场总线概述.ppt
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1、现场总线技术,王鑫国,2,联系方式,邮箱: 手机: 13951640475 办公室:机电学科楼D312,3,参考书,教材:李正军,现场总线及其应用技术,机械工业出版社,2005 阳宪惠,现场总线技术及其应用(第2版),清华大学出版社, 2008,4,课程要求及考核方式,课程性质:专业选修课 课时:24学时 成绩评定方式:平时30%+考试70%,5,教学内容及学时分配(江浦),第1章 现场总线概述(2学时) 第3章 串行通信接口技术(1学时) 第4章 CAN总线(5学时) 第5章 LonWorks现场总线(6学时) 第6章 PROFIBUS现场总线(5学时) 第7章 基金会现场总线FF(3学时
2、) 实验(2学时),6,教学内容及学时分配(浦江),第1章 现场总线概述(2学时) 第3章 串行通信接口技术(1学时) 第4章 CAN总线(5学时) 第5章 LonWorks现场总线(6学时) 第6章 PROFIBUS现场总线(4学时) 第7章 基金会现场总线FF(2学时) 实验(4学时),7,第1章 现场总线概述,1.1 现场总线的现状与发展 1.2 基于现场总线的企业网络信息集成系统 1.3 现场总线简介,8,1.1 现场总线的现状与发展,现场总线的基本概念 现场总线的产生 现场总线的本质 现场总线的特点和优点 现场总线标准的制定 现场总线的现状 现场总线网络的实现 现场总线的发展趋势,9
3、,现场总线的基本概念,什么是现场总线技术? 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多站的通信网络。 IEC规范中对现场总线的描述:现场总线是一种应用于生产现场,在现场控制设备之间、现场设备与监控装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。 现场总线的先进性和重要性 是当今自动化领域发展的热点之一 不仅是一个基层网络,而且还是一种开放式、新型全分布式的控制系统,10,什么是现场总线控制系统? 由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点而形成的网络 以现场总线作为通信连接的纽带 完成测量控制任务的网络系统、控制系统,1
4、1,现场总线控制系统,12,控制系统的五个发展阶段 (1)初级控制系统 时间:20世纪50年代以前;特点:所用的设备主要是安装在生产现场、具有简单测控功能的基地式仪表。此阶段的控制系统均简单。 (2)模拟仪表控制系统 时间:60年代至70年代后期;特点:以电子管、晶体管、集成电路为核心的气动和电动单元组合式仪表两大系列,它们分别以压缩空气和直流电源作为动力,在仪表内部实行电压并联传输,外部实行电流串联传输 (采用4-20mA的模拟信号标准),以减小传输过程的干扰。,1.1.1 现场总线的产生,13,基于调节器的单回路自动控制,14,(3)集中式数字控制系统(DDC) 时间:80年代初;特点:用
5、数字计算机代替控制室内的仪表来完成控制系统功能。 (4)集散控制系统(DCS) 组成:由现场控制站、以及多台计算机构成; 在DCS系统中,测量仪表、变送器一般为模拟仪表,控制器为数字式,因而它又是一种模拟数字混合系统。 各厂家的产品互换与互操作有一定的局限性。,15,变送器,DCS,调节阀,DCS传统控制方式,16,基于DCS的自动控制系统,17,(5)现场总线控制系统(FCS) 特点:把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案,通过现场总线控制系统把DCS的集散系统结构变成了新型全分布式系统结构,把控制功能彻底下放到现场,是继DCS后的又一代控制系统。,18,现场总线设备,
6、19,FCS与DCS的比较,FCS,DCS,I/O CPU.,FCS控制在现场中完成,DCS控制在控制站中完成,FCS,DCS,20,FCS是网络化、全分布式控制系统,21,不同类型控制系统的结构比较,22,现场总线的产生背景,传统的DCS结构缺欠,需要一种新型系统体系结构; 智能变送器等智能现场设备发展的必然结果; CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)综合自动化发展的迫切需要。 将是继DCS后的又一代控制系统,23,1.1.2 现场总线的本质,现场通信网络 现场设备互联 互操作性 分散功能块 通信线供电 开放式互连网络,24,1.1.3
7、 现场总线的特点和优点,DCS:一对一的物理连接 FCS:总线连接 FCS简化了系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件 FCS与DCS结构比较,现场总线的结构特点,25,26,表1-1 FCS与DCS的详细对比 系统结构 可靠性 失控状态 互换性 仪表功能 控制方式,27,现场总线的技术特点,系统的开放性 通信协议公开 互操作性与互换性 现场设备的智能性与功能自治性 系统结构的高度分散性 对现场环境的适应性,28,现场总线的优点,节省硬件数量与投资 节省安装费用 节省维护开销 用户具有高度的系统集成主动权 提高了系统的准确性和可靠性,29,FCS,DCS,FCS,D
8、CS,FCS,FCS,下装,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,DCS,DCS,Classic I/O,Digital Busses,Foxboro,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,下装,DCS,FCS,DCS,FCS,DCS,DCS现场控制机柜,Foxboro,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,下装,DCS,FCS,DCS,FCS,DCS,256 I/O,DCS控制机柜接线端子,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,下装,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,DCS,DCS,256 I/O,256 I/O,机柜内部对比,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,下装,DC
9、S,FCS,DCS,FCS,DCS,256 I/O,256 I/O,DCS现场布线,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS,下装,DCS,FCS,DCS,FCS,DCS,FCS现场布线,35,现场总线系统的劣势,在现场总线系统中,网络成为控制系统不可缺少的组成部分之一。 网络通信中数据包的传输延迟、通信系统的瞬时错误和数据包丢失,发送与到达次序的不一致等,都会破坏传统控制系统原本具有的确定性。 如何使控制网络满足控制系统对通信实时性、确定性的要求,是现场总线系统在设计和运行中应该关注的重要问题。,36,现场总线的适用场合,现场设备与主控制器之间的通讯距离长 现场被控设备高度分散 系统对底层设备
10、有信息集成要求 系统对底层设备有较高的远程诊断、故障报警及参数化要求 对现场环境适应性要求高,37,1.1.4 现场总线标准的制定,IEC的现场总线标准 用于工业控制系统的IEC61158现场总线标准 用于低压开关设备与控制设备、控制器与电气设备接口的IEC62026标准 ISO的现场总线标准 用于道路车辆数字信息交换的现场总线标准ISO11898,38,IEC61158采用以下8种现场总线: 类型1:IEC61158技术报告 (即低速FF H1) 类型2:ControlNet (美国Rockwell 公司) 类型3:PROFIBUS (德国Siemens公司) 类型4:P-Net (丹麦Pr
11、ocess Data公司) 类型5:FF HSE (高速FF,美国Fisher- Rosemount公司) 类型6:Swift Net (美国波音Boeing) 类型7:World FIP (法国Alstom公司) 类型8:Interbus (德国Phoenix Contact公司),IEC61158标准,39,IEC62026标准,IEC62026 - (IEC17B Committee),2000年1月 IEC62026 1 一般要求 IEC62026 2 AS-i ( Siemens) IEC62026 3 DeviceNet (Rockwell, Omron) IEC62026 4 L
12、ontalk IEC62026 5 SDS (Honeywell) IEC62026 6 SMCB IEC62026 7 Interbus, 转入IEC61158 *,40,ISO 11898标准,国际标准化组织为现场总线制定的标准是TC22,其中影响最大的为ISO 11898.1993,即道路车辆数字信息交换高速通信的控制器局域网络(CAN)。 ISO 11898对CAN只规定了模型的第1、2层,即物理层和数据链路层。应用层的协议可以由不同用户、企业、组织定义,比如DeviceNet就部分沿用了CAN的物理层和数据链路层,自己增加了对应用层的规定。,41,1.1.5 现场总线的现状,1、多种
13、总线共存 2、各种总线各有其应用领域 3、每种总线各有其国际组织 4、每种总线均有其支持背景 5、设备制造商参加多个总线组织 6、多种总线均作为国家和地区标准 7、协调共存 8、工业以太网引入工业领域,42,1.1.6 现场总线网络的实现,现场总线的基础是数字通信,通信必须有协议 现场总线=硬件接口+通信协议 大多支持OSI的1、2、7层,有的增加第8层用户层 1、物理层 2、数据链路层 分为两个子层:MAC、LLC;MAC有三种协议:轮询协议、令牌总线协议、总线仲裁协议 3、应用层(为用户应用提供接口) 4、用户层(提供功能模块),43,1.1.7 现场总线技术的发展趋势,发展现场总线技术已
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