《現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)》課件

1、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),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(jiǎn)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(kāi)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),現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),1.1 概述 計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)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(guò)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(guò)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 (Fieldbus Control System

2、,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),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?jī)x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),現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),特點(diǎn),3、執(zhí)行公開(kāi)、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)總線技術(shù),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(kāi)發(fā)式系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),1.1

3、.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(guò)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,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),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FCS 4、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,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),5、通信線供電（如：I2C總線） 6、開(kāi)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

4、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,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),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（Foundation Fieldbus,ff) 應(yīng)用領(lǐng)域以過(guò)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(guò)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,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線,5、WorldFIP總線 應(yīng)用領(lǐng)域：過(guò)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 (Highway A

5、ddressable Remote Transducer) 可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道開(kāi)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,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),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,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),組成,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),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

6、理系統(tǒng)組成,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),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(kāi)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(guò)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,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),2、測(cè)量系統(tǒng),多變量高性能的測(cè)量，使測(cè)量?jī)x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(guò)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(kù) 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

7、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(kù)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議等,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),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(mén)間有相容性、相互支持的群體目標(biāo)，可考慮不同部門(mén)間有交叉的功能性組織 各層間相互通信聯(lián)系,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),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)

8、備），它們匯集的總線是現(xiàn)場(chǎng)總線,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),典型的FCS組成結(jié)構(gòu),現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),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,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),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)總線技術(shù),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：

9、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(kāi)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)總線技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理圖示,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),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(guò)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(jiǎn)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,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線控制模型

10、,1、過(guò)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(guò)程,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),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(jiǎn)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,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),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)

11、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(guò)DDL的實(shí)時(shí)管理來(lái)協(xié)調(diào)的,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),3、應(yīng)用層,專門(mén)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(jiǎn)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(kāi)發(fā)性,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),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,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),1.5.2 企業(yè)信息系統(tǒng)的功能模型,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),1.5.3

12、 企業(yè)信息系統(tǒng)的集成環(huán)境,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),1.6 MAP、TOP與現(xiàn)場(chǎng)總線,1.6.1 定義 MAP：制造自動(dòng)化協(xié)議。Manufacturing Automation Protocol. 用于工業(yè)生產(chǎn)的開(kāi)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（Technical and Protocal) 適合辦公自動(dòng)化協(xié)議。與MAP相互補(bǔ)充與集成,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),1.6.2 TOP/MAP/Fieldbus的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(80年代,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),1.6.3 LAN/Fieldbus（TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ),現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),小結(jié),現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)總

13、線技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),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(yǔ) 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(guò)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,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),2.1.1 總線的基本術(shù)語(yǔ) 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,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),2.1.2 總線操作的基

14、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(kāi) 的操作序列 數(shù)據(jù)傳送：“讀、寫(xiě)”數(shù)據(jù)操作 讀：來(lái)自響應(yīng)者的數(shù)據(jù) 寫(xiě)：向響應(yīng)者寫(xiě)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,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),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,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),2.2 通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介,2.2.1 通信系統(tǒng)的組成,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),2.2節(jié)2.4節(jié)自學(xué),現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),2.5 介質(zhì)訪問(wèn)控制方式,目的：解決同一時(shí)刻多個(gè)設(shè)備爭(zhēng)用傳輸設(shè)備。 方法：1、隨機(jī)訪問(wèn)方式： 常用CSNA/CD爭(zhēng)用總線技術(shù) 2、控制訪問(wèn)方式： 常用令牌總線、令牌環(huán),現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),2.5.1 CSMA/CD （載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè),特點(diǎn)： 監(jiān)聽(tīng)總線狀態(tài)先聽(tīng)后講。介質(zhì)空閑發(fā)送，介質(zhì)忙，等待一段時(shí)間后再試,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),三種CSMA堅(jiān)持退避算法,1、不堅(jiān)