现场总线技术精品文稿.ppt
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1、现场总线技术现场总线技术第1页,本讲稿共44页主要内容主要内容p现场总线简介、特点与优点p数据通信基础与网络互联p主要现场总线的介绍p现场总线的典型应用p现场总线控制系统 p现场总线与工业以太网的互连技术 p现场总线发展趋势现场总线技术第2页,本讲稿共44页1 现场总线定义现场总线定义2 控制系统的发展趋势控制系统的发展趋势3 现场总线的产生背景现场总线的产生背景4 现场总线的本质现场总线的本质5 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点6 现场总线标准的制定现场总线标准的制定7 现场总线的现状现场总线的现状8 现场总线网络的实现现场总线网络的实现9 现场总线的发展趋势现场总线的发展趋势现场总
2、线概述 现场总线的现状和发展第3页,本讲稿共44页1 现场总线定义现场总线定义p现场总线现场总线现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之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、间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。多变量、多点、多站的通信网络。pIEC对现场总线的定义对现场总线的定义现场总线是一种应用于生产现场,在现场设备之间、现场总线是一种应用于生产现场,在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。数字通信的技术。p涉及智能仪表、控制
3、、计算机、数据通信技术涉及智能仪表、控制、计算机、数据通信技术现场总线概述第4页,本讲稿共44页2 控制系统的发展趋势控制系统的发展趋势p第一代:气动信号控制系统第一代:气动信号控制系统(50年代之前年代之前)p第二代:电动模拟信号控制系统第二代:电动模拟信号控制系统(50年代至今年代至今),420mA的模拟量标准信号。的模拟量标准信号。p第三代:计算机集中控制系统第三代:计算机集中控制系统(70年代年代)p第四代:集散式分布控制系统第四代:集散式分布控制系统(80年代年代)p第五代:现场总线控制系统第五代:现场总线控制系统(FCS)l突破了突破了DCS系统采用通信专用网络的局限,采用了基于公
4、开化、标系统采用通信专用网络的局限,采用了基于公开化、标准化的解决方案,克服了封闭系统所造成的缺陷;准化的解决方案,克服了封闭系统所造成的缺陷;l 把把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构,变成了新型全分布式结构,的集中与分散相结合的集散系统结构,变成了新型全分布式结构,把控制功能彻底下放到现场。把控制功能彻底下放到现场。l 开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。现场总线概述第5页,本讲稿共44页p微处理器技术的迅猛发展和广泛应用,使仪表和现场控微处理器技术的迅猛发展和广泛应用,使仪表和现场控制设备在性能和功能上有显著的提高;
5、制设备在性能和功能上有显著的提高;p对系统维护管理、测试和监视需求的日益增加;对系统维护管理、测试和监视需求的日益增加;p控制领域在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等控制领域在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面的要求。方面的要求。3 现场总线的产生背景现场总线的产生背景现场总线概述第6页,本讲稿共44页1.现场通信网络现场通信网络用于过程及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的用于过程及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络通信网络2.现场设备互连现场设备互连现场设备或仪表指传感器、变送器和执行器等。这现场设备或仪表指传感器、变送器和执行器等。这些设备通过一对传输线互连,传
6、输线可以使用双绞些设备通过一对传输线互连,传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等线、同轴电缆、光纤和电源线等3.互操作性互操作性对不同厂商不同品牌的现场设备统一组态,构成所需对不同厂商不同品牌的现场设备统一组态,构成所需要的控制回路,并且具备相互操作的功能要的控制回路,并且具备相互操作的功能4 现场总线的本质现场总线概述第7页,本讲稿共44页4.分散功能块分散功能块FCS废弃了废弃了DCS的输入的输入/输出单元和控制站,把输出单元和控制站,把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表,从而构成控制站的功能块分散地分配给现场仪表,从而构成虚拟控制站虚拟控制站例:流量变送器不仅具有流量信号变
7、换、补偿和累加输入模块,而例:流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输入模块,而且有且有PID控制和运算功能块。控制和运算功能块。调节阀的基本功能是信号驱动和执行,还内含输出特性补调节阀的基本功能是信号驱动和执行,还内含输出特性补偿模块,或偿模块,或PID控制和运算模块,甚至阀门特性自检验和自控制和运算模块,甚至阀门特性自检验和自诊断功能。诊断功能。4 现场总线的本质现场总线概述第8页,本讲稿共44页5.通信线供电通信线供电允许现场仪表直接从通信线上获取能量,对于要允许现场仪表直接从通信线上获取能量,对于要求本征安全的低功耗现场仪表,可采用这种供电求本征安全的低功耗现场仪表,可采用这种供电
8、方式方式6.开放式互连网络开放式互连网络既可与同层网络互连,也可以与不同层网络互连,既可与同层网络互连,也可以与不同层网络互连,还可以实现网络数据库的共享还可以实现网络数据库的共享4 现场总线的本质现场总线概述第9页,本讲稿共44页5 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点结构特点结构特点p由于采用智能现场设备,能够把由于采用智能现场设备,能够把DCS系统中处于控制系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备中,室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备中,在现场直接完成采集和控制。在现场直接完成采集和控制。p由于不需要其他的模数转换器件,且一对电线能传输多由于不需要其他的模数转换器
9、件,且一对电线能传输多个信号,因而简化了系统结构,节约了设备及安装维护个信号,因而简化了系统结构,节约了设备及安装维护费用。费用。现场总线概述第10页,本讲稿共44页5 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点FCS与与DCS的对比的对比现场总线概述第11页,本讲稿共44页5 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点FCS与与DCS的对比的对比现场总线概述1.结构结构FCS:一对多:一对传输线接多台仪表,双向传输多个信号一对多:一对传输线接多台仪表,双向传输多个信号DCS:一对一:一对传输线接一台仪表,单向传输一个信号一对一:一对传输线接一台仪表,单向传输一个信号2.可靠性可靠性FCS:可靠性
10、好:数字信号传输抗干扰能力强,精度高;可靠性好:数字信号传输抗干扰能力强,精度高;DCS:可靠性差:模拟信号传输不仅精度低,而且容易受干扰可靠性差:模拟信号传输不仅精度低,而且容易受干扰3.失控状态失控状态FCS:操作员在控制室既可以了解现场设备或现场仪表的工作状况,也能对设操作员在控制室既可以了解现场设备或现场仪表的工作状况,也能对设备进行参数调整,还可以预测或寻找故障,使设备始终处于操作员的远程监备进行参数调整,还可以预测或寻找故障,使设备始终处于操作员的远程监视与可控状态之中;视与可控状态之中;DCS:操作员在控制室既不能了解模拟仪表的工作状态,也不能对其进行操作员在控制室既不能了解模拟
11、仪表的工作状态,也不能对其进行参数调整,更不能预测故障,导致操作员对仪表处于参数调整,更不能预测故障,导致操作员对仪表处于“失控失控”状态状态第12页,本讲稿共44页5 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点FCS与与DCS的对比的对比现场总线概述4.互换性FCS:用户可以自由选择不同制造商提供的性能价格比最优的现场设备和仪表,并将不同品牌的仪表互连;DCS:尽管模拟仪表统一了信号标准(4-20mA DC),可大部分参数仍由制造厂自定,致使不同品牌的仪表互换难度较大5.仪表FCS:智能仪表,除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外,还具有数字通信能力,并且具有控制和运算的能力;DCS:模拟
12、仪表只具有检测、变换、补偿等功能6.控制FCS:控制功能分散在各个智能仪表中;DCS:所有控制功能集中在控制站中第13页,本讲稿共44页p系统的开放性系统的开放性通信协议公开,各不同厂家的设备之间可进行互连通信协议公开,各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换并实现信息交换p互可操作性与互用性互可操作性与互用性p现场设备的智能化与功能自治性现场设备的智能化与功能自治性p系统结构的高度分散性系统结构的高度分散性p对现场环境的适应性对现场环境的适应性5 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点技术特点技术特点现场总线概述第14页,本讲稿共44页p节省硬件数量与投资节省硬件数量与投资p节省安装费
13、用节省安装费用p节约维护开销节约维护开销p用户具有高度的系统集成主动权用户具有高度的系统集成主动权p提高了系统的准确性与可靠性提高了系统的准确性与可靠性5 现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点优点优点现场总线概述第15页,本讲稿共44页6 现场总线标准的制定现场总线标准的制定p1984年,年,IEC/TC65开始起草现场总线标准;开始起草现场总线标准;p1993-1998年,制定年,制定IEC61158的现场总线物理层规的现场总线物理层规范、链路服务定义及协议规范、应用层服务定义及协范、链路服务定义及协议规范、应用层服务定义及协议规范议规范p1999年,修改年,修改IEC61158技术规范
14、,形成技术规范,形成8种类型新标准种类型新标准p2000年,修改后的年,修改后的IEC61158最终获得通过最终获得通过现场总线概述第16页,本讲稿共44页1999年标准采用年标准采用8种类型种类型pType1 IEC61158(FF的H1)pType2 ControlNet(美国Rockwell公司)pType3 PROFIBUS(德国Siemens公司)pType4 P-Net(丹麦Process Data公司)pType5 FF HSE(Fisher-Rosemount公司)pType6 SwiftBet(美国波音公司)pType7 WorldFIP(法国Alstom公司)pType8
15、INTERBUS(德国Phoenix Contact公司)现场总线概述2003年新增:FF FMS和PROFINET第17页,本讲稿共44页pIEC TC17有有4种现场总线:种现场总线:AS-I(执行器传感器接口执行器传感器接口),Siemens公司;公司;DeviceNet,Rockwell公司;公司;SDS(Smart Distributed System)灵巧式分散系统,灵巧式分散系统,Honeywell公司;公司;Seriplex(串联多路控制总线串联多路控制总线)pISO 11898 与与 ISO 11519制定的标准:制定的标准:CAN ISO 11898(1Mbps)CAN I
16、SO 11519(125kbps)CAN 德国德国Robert Bosch公司公司6 现场总线标准的制定现场总线标准的制定第18页,本讲稿共44页7 现场总线的现状1.多种总线共存世界市场对各种现场总线的需求:l过程自动化:15%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP)l医药领域:18%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP)l加工制造:15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet)l交通运输:15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet)l航空,国防:34%(PROFIBUS-FMS,LonWorks,ControlNet,DeviceNet)l其它,如楼宇自
17、动化,农业等2.每种总线各有其应用领域 现场总线概述第19页,本讲稿共44页7 现场总线的现状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的标准7.协调共存8.工业以太网引入工业领域 现场总线概述第20页,本讲稿共44页8 现场总线网络的实现p 制定标准时参照制定标准时参照OSI七层协议标准七层协议标准p 大多采用第大多采用第1层层(物理层物理层)、第、第2层层(数据链路层数据链路层)和和第第7层层(应用层应用层),并增加第,并增加第8层用户层。层用户层。p 物理层:定义了信号的编码与传送方式、传送介物理层:定义了信号的编码与传
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