授课讲义(研究生课程现代电力系统现场总线控制).pdf

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1、I 研究生课程“现代电力系统现场总线控制”授课报告学科：授 课 教 师：电气工程李文华 目录现场总线技术研究概况及发展趋势总线技术在电力系统的应用与发展 1.12.91.1.11.2.31.3.51.4.51.5.72.1.92.2.9现场总线的产生现场总线的国际标准现场总线的国家标准和行业标准几种流行的现场总线简介现场总线的发展趋势工业现场总线技术工业以太网技术第页现场总线是技术 计算机、通信、控制 的融合。简单地概括现场总线技术的特点：信号传输全数字、控制功能全分散、标准统一全开放。现场总线是低带宽的底层控制网络，以此为纽带，进一步构造了新型的、开放的自动化系统。它可与因特网以及企业内联网

2、相连，且位于生产控制和网络结构的底层，因而又称之为底层网，也称为基础网。年，现场总线的概念得到正式提出。国际电工委员会（）对现场总线（）的定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串行、多节点的数字通信网络。现场总线与工厂现场设备直接连接，一方面将现场测量控制设备互连为通信网络，实现不同网段、不同现场通信设备间的信息共享；同时又将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，并进一步实现与操作终端、上层控制管理网络的连接和信息共享。在把一个现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送往控制室的同时，又将各种控制、维护、组态命令，乃至现场设备的工作电源等送往各

3、相关的现场设备，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。世纪年代，过程控制的体系结构是基于的模拟标准信号，出现了模拟式电子仪表与电动单元组合的自动控制系统。后来到了世纪年代，人们在测量、模拟和逻辑控制领域率先使用了电子数字计算机，从而产生了集中式数字控制（又称直接数字控制，），简称集中控制。集中控制以一台控制器为中心，通过扩展的 接口实现各个传感器、执行器之间的通信。当然控制器最早采用个人计算机或通用的工业控制计算机，后来随着可编程序 逻辑 控制器（），以及使用单片机作为控制器。其扩展的接口模板按所适用总线分成不同的系列，从最初的总线、总线到后来被广泛采用的总线和等。

4、集中控制在控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低、易受干扰的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。它的主要缺点是对控制器要求很高，并且一旦控制器瘫痪，会导致整个系统不能工作。集散控制系统，又称为分散控制系统，最早出现于世纪年代后期，在世纪年代以后占据主导地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，把上位机控制站用于集中监视管理，而把若干台下位机下放到现场实现分布式控制，上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传13C()(Internet)(Intranet)(Infranet)1984IECInternationalElectrotechnical

5、 CommissionFieldbus2060420 mA2070Direct DigitalControlDDCIOProgrammable Logic ControlPLCI/OS100PCSTDMultibus(Distributed Control System DCS)2070208011.1 现场总线技术研究概况及发展趋势现场总线的产生第页递。因此，这种分布式的控制系统克服了集中控制对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。但是，它也有自身难以克服的缺点。首先，不同的制造商为达到垄断经营的目的而对其控制通信网络采用各自专用的封闭形式，不同制造商的之间以及与上层、信息网络之间难以实现网络

6、互连和信息共享。其次，的控制站仍然是集中的，现场信号的检测、传输和控制还是采用的模拟信号，并没有彻底做到分散控制、集中管理。采用的是普通商业网络的通信协议和网络结构，在解决工业控制系统的可靠性方面没有做出实质性的改进，布线复杂，费用高。因此总体来讲，是一种封闭专用的、不具有可互操作性的、不彻底的分布式控制系统。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放性、低成本的迫切要求。现场总线技术的开发始于世纪年代。随着微处理器与计算机功能的不断增强、价格急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，信息沟通联络的范围不断扩大。而处于企业生产过程基层的测控自动化系统，由于仍在通过开关、阀门、传感测量仪表间

7、的一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或者只能采用某种自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”，严重制约了其本身的发展。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场控制系统（）。现场总线是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术的产物。它把微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制信息的内容、实现其远程传送创造了条件。在现场总线的环境下，借助现场总线网段以及与之有通信连接的其他网段，可以实现异

8、地远程自动控制，如操作远在数十万米之外的电气开关等。现场总线设备与传统自控设备相比，拓宽了信息内容，提供传统仪表所不能提供的如阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态。对比集中控制、集散控制、现场总线控制，由于现场总线强调遵循公开统一的技术标准，因而有条件实现设备的互操作性和互换性。即用户可以把不同厂家、不同品牌的产品集成在同一个系统内，并可在同功能的产品之间进行相互替换，使用户具有了自控设备选择、集成的主动权。现场总线可采用多种途径传输数字信号，如用普通电缆、双绞线、光导纤维、红外线，甚至电力传输线等，因而可因地制宜，就地取材，构成控制

9、网络。一般在由两根普通导线制成的双绞线上，可挂接几十台自控设备，与传统的设备间一对一的接线方式相比，可节省大量线缆、槽架、连接件，同时由于所有的连线都变得简单明了，系统设计、安装、维护的工作量也随之大大减少。另外，现场总线还支持总线供电，即两根导线在为多台自控设备传送数字信号的同时，还为这些设备传送工作电源。现场总线作为通信网络，与传输声音、图像、文字的网络不同，它所传输的是通断电源、开关阀门的指令与数据，直接关系到处于运行操作过程之中的设备、人身的安全，2DCSDCSIntranetInternetDCS420 mADCSDCS2080FCS第页要求信号在有粉尘、噪声、电磁干扰等较为恶劣的环

10、境下能够准确、及时地发送和接收，同时还具有节点分散、报文简短等特征。以现场总线技术为基础构造的现场总线控制系统，在系统结构上发生了较大变化，其显著特征是通过网络信号的传送联络，可由单个节点或多个网络节点共同完成所要求的自动化功能。由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。国际标准化组织、北美、欧洲等许多国家的仪表控制领域，陆续制定了现场总线标准。由于行业、地域、经济利益等多种原因，目前在不同领域形成多个颇具影响力的总线标准。由于标准化对现场总线的发展至关重要，因此几乎每一种现场总线都是有标准的，只不过有的只

11、是国家标准，有的是某一地区或某个洲的标准。目前，国际电工委员会（）和国际标准化组织（）分别在进行国际现场总线的标准化工作，两者也互不协调统一。有几个技术委员会分别制定了自己的现场总线标准。用于工业控制系统的标准国际电工委员会 测量和控制的数字数据通信分技术委员会与美国仪表学会联合制定了工业控制系统用现场总线国际标准，即标准。标准是制定时间最长、投票次数最多、意见分歧最大的国际标准之一。标准从年开始起草，经过年的努力和有关各方的协商妥协，直到年月，采用包括种类型现场总线的才得以投票通过和确定。随着技术应用的不断发展，总线标准得到丰富和完善。年月，经过修订，第版正式通过，增加了类共有种类型现场总线

12、分别是：类型：；类型：和（美国罗克韦尔自动化公司支持）；类型：（德国西门子公司支持）；类型：（丹麦公司支持）；类型：（即原，美国公司支持）；类型：（美国波音公司支持）；类型：（法国公司支持）；类型：（德国公司支持）；类型：类型：。为了便于标准的应用，又制订了作为解释和补充，为工业控制3International Electro-technical CommissionsIECISOIEC(1)IEC61158IEC SC65C(Instrument Society ofAmericaISA)IEC61158IEC61158IEC61158198416200018IEC6115820034IEC

13、6115832101TS611582ControlNetEthernet/IP3Profibus4PNETProcess Data5FFHSEFFH2FisherRosemount6Swift-Net7WorldFIPAlstom8InterbusPhoenix9FF H1;10ProfinetIEC61784IEC617841.21IEC现场总线的国际标准的现场总线标准第页系统的连续和断续制造用现场总线行规设置，涉及个协议簇，即、。目前，第版即将修订完成，近日推出。用于低压开关设备与控制设备、控制器与电气设备接口的标准国际电工委员会 低压开关和控制设备分技术委员会制定的低压开关设备和控制设备

14、控制器设备接口系列标准汇集了多种现场总线，它的各部分如下：总则；执行器传感器接口德国西门子公司支持；设备网，即美国罗克韦尔自动化、日本公司支持；美国公司支持，现已取消；智能分散系统美国公司支持；串行多路控制总线，即美国公司支持；，目前已转入标准德国公司支持。标准实质上只容纳了种总线，分别是、。为现场总线制定的标准影响最大的是针对总线（德国公司支持）：（高速应用，通信速率），即道路车辆数字信息交换高速通信的控制器局域网络，年制定，、年进行了修订。对只规定了模型的第、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，如部分沿用了的物理层和数据链路层，而增加了对应用层的规定。（低

15、速应用，通信速率），即道路车辆低速系列数据通讯。总的来看，目前国际上公认的现场总线可以归类为三个标准族：用于工业控制系统的标准；用于低压开关设备和控制设备 控制器电气设备接口的标准；用于道路车辆数字信息交换的现场总线标准和。（现场总线维护工作组）和（实时以太网工作组）共同研究起草现场总线国际标准（第版）和与相配套的实时以太网应用行规国际标准两个国际标准的（）。根据计划，（第版）和，均将于年作为国际标准（，）正式出版。届时，实时以太网公共可用规范47FFControlNetProfibusP-NetSwiftNetWorldFIPInterbusIEC611584(2)IEC62026IECSC

16、17BIEC62026IEC620261IEC620262(AS-i)()IEC620263DeviceNet(OMRON)IEC620264Lontalk(Echelon)IEC620265(SDS)(Honeywell)IEC620266SMCB(Honeywell)IEC620267InterbusIEC61158(Phoenix)IEC620264AS-IDeviceNetSDSSMCBISOCANBosch(1)ISO118981Mbps(CAN)199320032004ISO11898CANl2DeviceNetCAN(2)ISO11519125kbps(CAN)1)IEC6115

17、82)IEC620263)ISO11898ISO11519IEC/SC65C/MT9WG11IEC611584IEC61158IEC61784-2CDVCommitteeDraft with Vote IEC/SC65C IEC 611584IEC61784-22007International Standard ISPAS2ISO3国际标准化组织的现场总线标准现场总线国际标准的最新进展第页将作废。中国具有自主知识产权的用于工业自动化的实时以太网通信标准（）会被列入（第版）中的第类型，并列为中的第应用行规簇（，）。低压开关设备和控制设备 控制器设备接口（）；等同采用。包括：低压开关设备和控制设

18、备 控制器设备接口（）第部分：总则；（等同采用：）。低压开关设备和控制设备 控制器设备接口（）第部分：执行器传感器接口（）；（等同采用：）。低压开关设备和控制设备 控制器设备接口（）第部分：；（等同采用：）。规范（等同采用）。测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线（等同采用，后随其变化进行修订）。低压电器通信规约。该标准规定了低压电器产品的通信规约，用于现场总线系统的通信。采用该标准的低压电器可直接或通过通信适配器与、等现场总线系统通信。现场总线技术自从世纪年代后期诞生以来，经历了多年的发展，国际上出现了一些有代表性的现场总线标准和系列产品，较流行的有：基金会现场总线（）在现场总线标准的

19、制订过程中，出现过多种企业集团或组织，通过不断的竞争，到年，在国际上基本上形成了两大阵营：一个以公司为首，联合、横河、西门子等家公司制订了可互操作系统协议；另一个以公司为首，联合欧洲家公司制订了。这两大阵营于年合并，成立现场总线基金会，致力于开发国际上统一的现场总线协议。基金会现场总线的体系结构参照参考模型的第、层协议，即物理层、数据链路层和应用层，另外增加了用户层。总线分低速总线和高速总线两种。为用于过程控制的低速总线，传输速率为，传输距离分别为、和四种，可挂接个节点。物理5EPA Ethernet For Plant AutomationIEC 61158414IEC61784-214Co

20、mmonProfileFamily14CPF14(1)GB/T 18858-2002 CDIIEC 620261)GB/T 18858.1-2002 CDI1IEC 62026-120002)GB/T 18858.2-2002 CDI2AS-iIEC 62026-220003)GB/T 18858.3-2002 CDI3DeviceNetIEC 62026-32000 (2)GB/T 20540-2006 PROFIBUSIEC 61158 TYPE 3(3)JB/T 10308-2001 IEC 61158(4)JB/T 10542-2006 ModbusDeviceNetProfibus-

21、PD208020(1)Foundation Field busFF1994FisherRosemountFoxboroABB(Siemens)80(Interoperable System ProtocolISP)Honeywell150World FIP1994ISOOSI127H1HSEH131.25kbits200m400m1200m1900m2321.31.4现场总线的国家标准和行业标准几种流行的现场总线简介第页传输介质可支持双绞线、同轴电缆和光纤，协议符合标准，可支持总线供电和本质安全防爆。高速总线的传输速率可为，甚至更高，大量使用了以太网技术。过程现场总线过程现场总线是作为德国国家

22、标准和欧洲国家标准的现场总线标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。有三种类型，即分散化的外围设备、现场总线报文规范、过程自动化。它采用参考模型的物理层、数据链路层。分散化的外围设备型隐去了第层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口；现场总线报文规范型则只隐去第至第层，采用了应用层。过程自动化型的数据传输沿用的协议，只是在应用层中增加了描述现场设备行为的行规。其最大传输速率为，传输距离分别为和，传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接个节点，可支持本质安全。控制器局域网（）控制器局域网最早是由德国公司推出的，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。结构模型取

23、参考模型的第、层协议，即物理层、数据链路层和应用层。通信速率最高为，通信距离最远为。物理传输介质可支持双绞线，最多可挂接个节点，可支持本质安全。采用短帧报文，抗干扰能力强、可靠性高。由于成本较低，的应用范围非常广泛，从自动化电子领域的汽车发动机控制部件、传感器、抗滑系统到工业自动化、建筑物环境控制、机床、电梯控制、医疗设备等领域都得到应用。设备网（）最早由罗克韦尔自动化（）公司于年提出。它是一种开放式的通信网络。它将工业设备如光电开关、操作员终端、电动机起动器、变频器和条形码读入器等连接到网络。这种网络虽然是工业控制的最底层网络，通信速率不高，传输数据量不大，但它采用了数据网络通信的新技术，如

24、遵循控制及信息协议，具有低成本、高效率、高可靠性的特点。遵从参考模型，它的网络结构分为三层，即物理层、数据链路层和应用层，物理层下面还定义了传输介质。其中物理层和数据链路层均采用的协议。传输介质可支持双绞线，最多可挂接个节点。三种可选数据传输速率：、和，分别对应的传输距离是、和。支持设备的热插拔，可带电更换网络节点，符合本质安全要求。通讯协议由公司开发，是当今主流现场总线协议之一，主要由施6IEC61158HSE100Mbits(2)(Process Field BusProfibus)ProfibusProfibusDP(Decentralized Periphery)ProfibusFMS

25、(Fieldbus Message Specification)Profibus-PA(Process Automation)ISOOSI(DP)37(FMS)36(PA)Profibus-DP12Mbits100m400m127(3)ControllerArea NetworkCANBoschCANISOOSIl271Mbits10000 ml10CANCAN(4)Device NetDeviceNetRockwell Automation1994(CIP)DeviceNetISOOSICAN64125kbits250kbits500kbits500m250m100m(5)ModbusMod

26、busModicon第页耐德公司支持。通过此协议，集控设备相互之间、集控设备经由网络（如以太网）和其他设备之间可以通讯，已经成为一通用工业标准。通过它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业控制网络，进行集中监控等。该协议有以下特点：物理接口符合规范，能组成主从访问的单主控制网络，即仅一节点（主节点）能初始化传输（查询），其它从节点根据主节点查询提供的数据作出相应反应。通过简单的通讯报文完成对从节点的读写操作。当主节点轮询，即逐一访问从节点时，要求从节点返回一个应答信息，主节点也可以对网段上所有从节点进行广播通讯。通讯协议有种消息帧格式：和帧格式。制定了消息域格局和内容的公共格式。当在网络上通信时

27、，此协议决定了每个控制器须要知道它们的节点地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用协议发出。是由美国公司推出并由它们与、东芝公司共同倡导，于年正式公布而形成的。它采用了模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通讯速率从至不等，直接通信距离可达到、双绞线，开发出支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，可支持总线供电和本质安全，被誉为通用控制网络。被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。技术所采用的协议被封装在称之为的芯片中并得以

28、实现。内含三个位微处理器：一个负责介质访问控制，另一个负责网络处理，再一个负责应用处理。现存的现场总线国际标准与于年开始制订现场总线标准时的初衷制定单一的现场总线国际标准是相背的。工业自动化技术应用于各行各业，要求也千变万化，使用一种现场总线技术也很难满足所有行业的技术要求。因此，在今后很长一段时间内，现场总线将呈现以下的发展趋势：多种总线彼此协调共存。现场总线国际标准中采用的种类型，以及其他一些现场总线，如、等，将会在各自实力雄厚的大公司支持下，在今后一段时间内共同发展，并相互竞争取长补短；大多数的现场总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，并成立相应的国际组织，力图在制造商和用户中扩大影响，

29、以取得更多方面的支持，同时也显示其技术是开放的。公司利益与总线的发展息息相关，如以德国西门子公司为主要支持，7EIA-485Modbus2ASCIIRTUModbusModbus(6)Lon WorksLon WorksEchelonMotorola1990ISO/OSI300bps15Mbps2700 m(78 kbps)Lon WorksLon TalkNeuron8IEC1984(1)IEC6115810ModbusLonworks(2)Profibus1.5 现场总线的发展趋势第页以美国罗克韦尔自动化公司为主要背景，以法国施耐德公司为主要支持。为了加强自己的竞争能力，很多总线都争取成为

30、国家或者地区的标准。每种总线都力图在一定应用领域中取得良好的业绩，并进一步根据需要向其他应用领域拓展，以扩张其势力范围。比如、适用于加工制造业；、适用于楼宇、交通运输、农业等领域；、适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域。以太网的引入成为新的热点。以太网在没有任何标准化组织支持的情况下，正在工业自动化和过程控制市场上迅速增长，几乎所有远程 接口技术的供货商均提供一个支持传输控制协议网际协议的以太网接口，如西门子、罗克韦尔自动化、等公司。8DeviceNetModbus(3)DeviceNetProfibus-DPDeviceNet Profibus-FMS LonworksFFPro

31、fibus-PA(4)IO(Transfer Control ProtocolInternet ProtocolTCPIP)Echelon第页随着信息通信技术的飞速发展，工业自动化和楼宇自动化技术有了极大的提高、新产品层出不穷，这些技术的发展近年来已快速地渗入到低压电器、工业过程控制等领域，使得低压电器等领域智能化和可通信技术也得到了快速地发展。总线系统是一个数字化通信系统，总线技术的应用将给低压配电和控制系统带来一场新的革命。可通信低压电器可以安装在带总线系统的智能化开关柜内，也可以安装在被控制设备现场，通过总线与上位机连接进行实时数据交换并使系统具有四遥功能。通过现场总线与上位机连接起来，

32、从而大大节省主回路电缆和二次控制线。它将为低压电器和低压成套控制设备带来“革命性”的变化。总线系统不仅可以保证目前工业控制对数字通信的要求，而且也使它与或互连构成多层次的复杂网络成为可能。当今自动化技术的发展以现场总线技术的发展为特征，以采用某种现场总线的智能低压电器功能的发展为主要内容。工业现场总线技术在低压电器中的应用越来越广泛，一方面新一代低压电器元件都具有内置或外置的通信接口，能与工业现场总线相连接；另一方面嵌入现场总线系统的低压配电和控制成套装置也逐渐推出，从而嵌入现场总线技术将成为新一代低压电器元件和成套装置的一个重要标志。工业现场总线的发展越来越注重系统的开放性，一方面各总线组织

33、通过设备描述规范设备在网络上的特性，使不同厂商的设备在网络上有相同的表现，可互连互换；另一方面系统提供方便的非标第三方设备的接入，同时支持连接不同的总线，这样可使用户在配置系统时有更大的灵活性。由此系统开放性和支持多总线将是工业现场总线的发展潮流。目前对我国低压电器设备（含成套设备）影响较大的开放式国际现场总线的有、三种。近年来，工业以太网技术发展迅速，这个原来用于领域的标准，在信息网扩展中得到迅速的发展，不断提高的性能和迅速降低的成本是现有任何工业自动化网络无法比拟的，使工业以太网成为当前的技术热点，并有可能成为下一代低压电器设备等通信和控制的主流技术。目前主要的工业以太网协议有：、和9IntranetInternetDeviceNetModbusProfibusITEtherNet-IPProfinetModbus-TCP/IDA22.1 2.2总线技术在电力系统的应用与发展工业现场总线技术工业以太网技术第页等，由于各种工业以太网技术在实时性、开放性，实现的功能上都会有很大的差异，统一的工业以太网协议在相当长一段时间内可能还无法实现。网络的实时性、安全性（在开放的同时防止非法的侵入）和适合工业环境等方面具有很多共性技术，可能将通过合作建立统一的基础，这样有利于工业以太网技术的快速的发展和在低压电器等领域的推广应用。10Foundation Fieldbus HSE