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現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 第一章現(xiàn)場(chǎng)總線概述 1 1現(xiàn)場(chǎng)總線簡介自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng) 是企業(yè)的底層數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò) 是連接微機(jī)化儀表的開放系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總線不僅僅是總線技術(shù) 更是一個(gè)系統(tǒng)技術(shù) 1 1概述計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程控制 智能傳感器的發(fā)展 數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的取代 形成了一種先進(jìn)的工業(yè)測(cè)控技術(shù) 現(xiàn)場(chǎng)總線 Fieldbus 現(xiàn)場(chǎng)總線是連接工業(yè)過程現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制系統(tǒng)之間的全數(shù)字化 雙向和多站點(diǎn)的串行通信網(wǎng)絡(luò) 從各類變送器 傳感器 人 機(jī)接口裝置中獲取信息 通過控制器向執(zhí)行器傳送信息 構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)FCS FieldbusControlSystem 1 1 1什么是現(xiàn)場(chǎng)總線 定義 應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng) 在計(jì)算機(jī)控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng) 特點(diǎn) 1 傳統(tǒng)測(cè)量儀器儀表微機(jī)化 具有數(shù)字計(jì)算 通信能力2 可用雙絞線作為總線 連接現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 特點(diǎn) 3 執(zhí)行公開 規(guī)范的通信協(xié)議4 現(xiàn)場(chǎng)儀表 控制設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸 信息交換 形成各種適應(yīng)實(shí)際需要的自動(dòng)控制系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的其它特點(diǎn) 1 全數(shù)字化通信2 1對(duì)N結(jié)構(gòu)3 可靠性高4 可控狀態(tài)5 互換性6 互操作性7 綜合功能8 分散控制9 統(tǒng)一組態(tài)10 開發(fā)式系統(tǒng) 1 1 2現(xiàn)場(chǎng)總線的體系結(jié)構(gòu) 1 現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或生產(chǎn)設(shè)備 用于過程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互聯(lián)的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò) 2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互聯(lián)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備指變送器 執(zhí)行器 服務(wù)器 網(wǎng)橋和輔助設(shè)備及監(jiān)控設(shè)備 3 互操作性不同廠家的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的交互操作與互換 實(shí)現(xiàn)即接即用 用戶能自由集成FCS4 分散功能塊FCS廢棄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(chǎng)儀表 構(gòu)成虛擬控制站 統(tǒng)一組態(tài) 對(duì)所需控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制 5 通信線供電 如 I2C總線 6 開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián) 又可與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián) 統(tǒng)一組態(tài) 使不同廠家網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體 構(gòu)成統(tǒng)一的FCS 1 1 3幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線 1 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線 FoundationFieldbus ff 應(yīng)用領(lǐng)域以過程自動(dòng)化為主2 Profibus總線應(yīng)用領(lǐng)域 制造業(yè)自動(dòng)化 過程自動(dòng)化 電力 樓宇 鐵路交通3 LonWorks總線應(yīng)用領(lǐng)域 樓宇4 CAN總線應(yīng)用領(lǐng)域 汽車 機(jī)器人 液壓系統(tǒng)等 幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線 5 WorldFIP總線應(yīng)用領(lǐng)域 過程自動(dòng)化 制造業(yè)自動(dòng)化 電力 樓宇等6 P NET總線應(yīng)用領(lǐng)域 石化 能源 交通 輕工 建筑 環(huán)保和制造業(yè)等 7 HART HighwayAddressableRemoteTransducer 可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道開放協(xié)議特點(diǎn) 在模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信 1 1 4現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS 一 FCS的組成組成特點(diǎn) 采用智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 能夠把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊和I O模塊置于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 直接在現(xiàn)場(chǎng)完成應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信能力 現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送儀表與執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號(hào)實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制 組成 FCS組成 數(shù)字信號(hào)代替模擬信號(hào) 1對(duì)N通信 通信電纜又對(duì)設(shè)備提供電源 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以外不再需要A D D A轉(zhuǎn)換部件 FCS由控制系統(tǒng)軟件 測(cè)量系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和管理系統(tǒng)組成 1 控制系統(tǒng)軟件 包括監(jiān)控組態(tài)軟件 維護(hù)軟件 仿真軟件和設(shè)備管理軟件等步驟 1 選擇開發(fā)組態(tài)軟件 控制操作人機(jī)接口軟件 2 組態(tài)軟件 完成功能塊間的連接 3 選定功能參數(shù) 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài) 4 在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集 處理數(shù)據(jù) 優(yōu)化控制 邏輯控制 監(jiān)控 顯示 輸出報(bào)表等 2 測(cè)量系統(tǒng) 多變量高性能的測(cè)量 使測(cè)量儀表具有計(jì)算能力等更多功能3 設(shè)備管理系統(tǒng)提供自身及過程的診斷 管理 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和廠家提供的設(shè)備制造等信息4 計(jì)算機(jī)服務(wù)模式客戶 服務(wù)器模式5 數(shù)據(jù)庫有組織的 動(dòng)態(tài)的存儲(chǔ)大量有關(guān)數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序6 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件與軟件硬件含 系統(tǒng)管理主機(jī) 服務(wù)器 網(wǎng)關(guān) 協(xié)議轉(zhuǎn)換器 計(jì)算機(jī)及底層智能儀表軟件含 網(wǎng)絡(luò)操作軟件 服務(wù)器操作軟件 應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)庫 通信協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議等 二 FCS的體系結(jié)構(gòu) 1 現(xiàn)場(chǎng)總線與局域網(wǎng)連接 實(shí)現(xiàn)了新的結(jié)構(gòu)體系 具有 決策自上而下 對(duì)下層充分授權(quán) 下層有靈活性 主動(dòng)決策各部門間有相容性 相互支持的群體目標(biāo) 可考慮不同部門間有交叉的功能性組織各層間相互通信聯(lián)系 2 新體系結(jié)構(gòu)2 包含 三層結(jié)構(gòu) 底層 設(shè)備層中間層 生產(chǎn)管理層上層 工廠管理層兩層網(wǎng)絡(luò) 底層 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)層中間層 局域網(wǎng)絡(luò)層最底層是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括DCS PLC和I O設(shè)備 它們匯集的總線是現(xiàn)場(chǎng)總線 典型的FCS組成結(jié)構(gòu) 三 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的類型可以是現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)制定的幾種類型中的任意一種 每種類型的物理設(shè)備都具有通信能力 5種設(shè)備類型 1 臨時(shí)設(shè)備工作在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上 用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和排除設(shè)備故障2 靜態(tài)塊現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是一種包含功能塊應(yīng)用進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 所有的功能塊在靜態(tài)下被確定 5種設(shè)備類型 3 動(dòng)態(tài)塊現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有靜態(tài)塊現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備同樣的特性 但具有對(duì)功能塊動(dòng)態(tài)安裝和刪除的能力4 接口設(shè)備執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的接口功能5 顯示設(shè)備 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理的3個(gè)因素 1 包含智能多參數(shù)變送器和具有預(yù)維護(hù) 診斷的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備2 開放的通信協(xié)議3 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理軟件具有 完成設(shè)備整定 組態(tài) 診斷 預(yù)測(cè)維護(hù) 檢測(cè) 向維護(hù)人員提供有效精確的維護(hù)報(bào)告 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理圖示 四 現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì) 是一種控制網(wǎng)絡(luò) 直接面向生產(chǎn)過程 與Internet等信息網(wǎng)絡(luò)不同 要求 很高的實(shí)時(shí)性 可靠性 數(shù)據(jù)完整性和可用性 特點(diǎn) 1 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行簡化 只包括ISO OSI層模型中的三層 物理層 數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層2 完成與上層工廠信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換 傳遞 綜合自動(dòng)化 統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線控制模型 1 過程控制層PCS將自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和智能儀器 設(shè)備互聯(lián)的實(shí)時(shí)控制通信網(wǎng) 遵循OSI通信協(xié)議 2 制造執(zhí)行層MES從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中獲取數(shù)據(jù) 完成各種控制 運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控 報(bào)警和趨勢(shì)分析3 企業(yè)資源規(guī)劃層ERP在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下構(gòu)建安全的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 遠(yuǎn)程用戶可實(shí)時(shí)查詢 監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程 1 5 5通信模型與協(xié)議 現(xiàn)場(chǎng)總線為滿足實(shí)時(shí)性的要求將ISO SIO參考模型七層結(jié)構(gòu)簡化為三層體系結(jié)構(gòu) 應(yīng)用層 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層 五 通信模型與協(xié)議 1 物理層 定義了網(wǎng)絡(luò)信道與連接方式 傳輸媒體 傳輸速率 每條線路連接儀表的數(shù)量 最大傳輸距離 電源等 2 數(shù)據(jù)鏈路層 DDL DDL定義了一系列服務(wù)于應(yīng)用層的功能和向下與物理層的服務(wù) 提供了媒體存取控制功能 信息傳輸?shù)牟铄e(cuò)檢驗(yàn) DDL是現(xiàn)場(chǎng)總線的核心 所有連接到同一物理通道上的應(yīng)用進(jìn)程 都是通過DDL的實(shí)時(shí)管理來協(xié)調(diào)的 3 應(yīng)用層 專門為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)裝置的控制和具體應(yīng)用而設(shè)計(jì) 為用戶提供一系列的服務(wù) 簡化或?qū)崿F(xiàn)分布式控制系統(tǒng)中應(yīng)用進(jìn)程之間的通信 同時(shí)為分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)提供了應(yīng)用接口的操作標(biāo)準(zhǔn) 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的開發(fā)性 1 5以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng) 1 5 1企業(yè)信息系統(tǒng)的組成 1 5 2企業(yè)信息系統(tǒng)的功能模型 1 5 3企業(yè)信息系統(tǒng)的集成環(huán)境 1 6MAP TOP與現(xiàn)場(chǎng)總線 1 6 1定義MAP 制造自動(dòng)化協(xié)議 ManufacturingAutomationProtocol 用于工業(yè)生產(chǎn)的開放式標(biāo)準(zhǔn)通信系統(tǒng) 用于制造自動(dòng)化的局域網(wǎng)協(xié)議TOP TechnicalandProtocal 適合辦公自動(dòng)化協(xié)議 與MAP相互補(bǔ)充與集成 1 6 2TOP MAP Fieldbus的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 80年代 1 6 3LAN Fieldbus TCP IP協(xié)議為基礎(chǔ) 小結(jié) 第2章網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 2 1總線的基本概念2 1 1總線的基本術(shù)語總線 遵循同一技術(shù)規(guī)范的連接與操作方式 傳輸信息或信號(hào)的公共路徑 總線段 一組設(shè)備通過總線連接在一起總線主設(shè)備 可以在總線上發(fā)起信息傳輸?shù)脑O(shè)備總線從設(shè)備 只能掛接在總線上 對(duì)總線信息接收 查詢的設(shè)備 2 1 1總線的基本術(shù)語1 控制連接在總線上的設(shè)備控制信號(hào) 2 改變總線操作方式3 表明地址和數(shù)據(jù)的含義總線協(xié)議 管理主從設(shè)備使用總線的一套規(guī)則報(bào)文 報(bào)文分組 發(fā)送的數(shù)據(jù)與目的地址 源地址 控制信息按一定格式組成的數(shù)據(jù)單元 2 1 2總線操作的基本內(nèi)容總線操作 總線上命令者與響應(yīng)者間的連接數(shù)據(jù)傳送脫開的操作序列數(shù)據(jù)傳送 讀 寫 數(shù)據(jù)操作讀 來自響應(yīng)者的數(shù)據(jù)寫 向響應(yīng)者寫數(shù)據(jù)通信請(qǐng)求物理尋址 特定位置的從設(shè)備尋址邏輯尋址 指定存儲(chǔ)器單元的通用區(qū)廣播尋址 用于選擇多個(gè)響應(yīng)者 2 1 2總線操作的基本內(nèi)容 總線仲裁總線定時(shí) 用定時(shí)信號(hào)進(jìn)行同步 指明數(shù)據(jù) 地址信號(hào)什么時(shí)候有效出錯(cuò)檢測(cè)容錯(cuò) 重新分配地址 隔離故障多段總線操作 多段互連 2 2通信系統(tǒng)簡介 2 2 1通信系統(tǒng)的組成 2 2節(jié) 2 4節(jié)自學(xué) 2 5介質(zhì)訪問控制方式 目的 解決同一時(shí)刻多個(gè)設(shè)備爭用傳輸設(shè)備 方法 1 隨機(jī)訪問方式 常用CSNA CD爭用總線技術(shù)2 控制訪問方式 常用令牌總線 令牌環(huán) 2 5 1CSMA CD 載波監(jiān)聽多路訪問 沖突檢測(cè) 特點(diǎn) 監(jiān)聽總線狀態(tài) 先聽后講 介質(zhì)空閑發(fā)送 介質(zhì)忙 等待一段時(shí)間后再試 三種CSMA堅(jiān)持退避算法 1 不堅(jiān)持CSMA 介質(zhì)空閑 則發(fā)送 否則等待隨機(jī)時(shí)間 重試 2 1 堅(jiān)持CSMA 介質(zhì)空閑 則發(fā)送 介質(zhì)忙 繼續(xù)監(jiān)聽 直到介質(zhì)空閑 立即發(fā)送 3 P 堅(jiān)持CSMA 介質(zhì)空閑 以P的概率 隨機(jī)算法 發(fā)送 介質(zhì)忙 繼續(xù)監(jiān)聽 直到介質(zhì)空閑 立即發(fā)送 2 5 2令牌訪問控制方式 基本方式 按一定順序在各站點(diǎn)傳遞令牌 誰得到令牌 誰才有發(fā)報(bào)權(quán) 兩種令牌方式 1 令牌環(huán)方式 2 令牌傳遞總線方式 網(wǎng)上各工作站按一定順序形成邏輯環(huán) 首尾相連