現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)課件

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

湖南大學電氣與信息工程學院王輝現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)第2章現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)第2章現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)第2章現(xiàn)場總線技術(shù)2.1

網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)2.3現(xiàn)場總線通信模型2.4基金會現(xiàn)場總線2.5PROFIBUS現(xiàn)場總線2.6CAN總線2.2

開放式系統(tǒng)互連參考模型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)第2章現(xiàn)場總線技術(shù)2.1網(wǎng)絡(luò)通信現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線一、概述一項研究課題PROFIBUS是PROcessFIeldBus（過程現(xiàn)場總線）的縮寫。PROFIBUS的標準規(guī)范作為一個研究課題（1987—1990）得到了德國政府的大力支持和資助，由12家組織（公司）和5家德國研究所共同開發(fā)研究。這12家公司是：ABB、AEG、Bosch、Honeywell、Kloechner-Moeller、Landis-Gyr、PhonenixContact、Rheinmetall、RMP、Sauter-Cumulus、Schleicher、Siemens。德國國家標準1989年發(fā)布了第一個PROFIBUS的草案，作為德國國家標準DIN19245的第1部分和第2部分，它被定義為PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification）。1993年發(fā)布了被定義為PROFIBUS-DP（DecentralizedPeripherials）的第3部分?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線一、概述一項研現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線歐洲標準

1993年CENELEC成立了一個工作組，來制定和發(fā)展歐洲的現(xiàn)場總線標準。工作組進行了充分的技術(shù)論證和市場調(diào)研，經(jīng)過1995年和1996年的兩輪投票，在1996年12月發(fā)布了歐洲現(xiàn)場總線的標準EN50170。當時EN50170包括PROFIBUS（FMS、DP）、P-NET和WorldFIP。在1998年P(guān)ROFIBUS-PA也納入了EN50170中。國際標準現(xiàn)場總線IEC61158標準更是個經(jīng)過激烈戰(zhàn)斗后的產(chǎn)物。在IEC61158中，PROFIBUS（包括DP和PA，沒有FMS）成為第3種標準現(xiàn)場總線。后來又對IEC61158進行的補充中，PROFIBUS補充得最多，主要是對DP在原有的V0的基礎(chǔ)上增加了DP-V1和DP-V2，更重要的是PROFINET成為了第10種現(xiàn)場總線標準?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線歐洲標準國際標現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線最成功的現(xiàn)場總線到目前為止，超過50萬個PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，近1600萬個各種PROFIBUS設(shè)備穩(wěn)定運行在工業(yè)現(xiàn)場；250多個制造和供應(yīng)商提供2000多種PROFIBUS產(chǎn)品。同時，PROFIBUS形成了世界范圍內(nèi)的支持網(wǎng)絡(luò)，1989年在德國成立了PROFIBUS用戶組織（PNO），目前在23個國家有地區(qū)性的RPAs（RegionalPROFIBUSAssociations），在15個國家有近30個PCCs（PROFIBUSCompetencyCentres），所有這些機構(gòu)都可以為廣大的用戶提供技術(shù)培訓、咨詢和交流等方面的技術(shù)支持?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線最成功的現(xiàn)場總現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線二、ProfiBus技術(shù)特點Porfibus支持主從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。主站具有對總線的控制權(quán)，可主動發(fā)送信息。對多主站系統(tǒng)來說，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點可在一個事先規(guī)定的時間內(nèi)擁有總線控制權(quán)，共事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長時間。按Profibus的通信規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行方向進行傳遞。主站在得到控制權(quán)時，可以按主—從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實現(xiàn)點對點通信。主站可采取對所有站點廣播,或有選擇地向一組站點廣播?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線二、Profi現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線用一根串行的數(shù)字總線替代傳統(tǒng)的并行24V信號和4...20mA模擬信號通過一根雙芯屏蔽電纜連接中央控制器和現(xiàn)場設(shè)備同樣適用于防爆環(huán)境和有安全要求的應(yīng)用：一個系統(tǒng)適合于不同的應(yīng)用數(shù)據(jù)和電源通過同一根電纜傳輸（PA）

對于所有的設(shè)備，只需要一個通用的組態(tài)和工程工具

連接不同廠商的設(shè)備

開放的、不依賴于廠商的現(xiàn)場總線，并符合IEC61158國際標準現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線用一根串行的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線三、PROFIBUS組成部分PROFIBUS-DP:用于傳感器和執(zhí)行器級的高速數(shù)據(jù)傳輸，它以DIN19245的第一部分為基礎(chǔ)，根據(jù)其所需要達到的目標對通信功能加以擴充，DP的傳輸速率最高可達12Mbit/s，一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)，主站、從站間采用循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸方式工作。PROFIBUS-PA具有本質(zhì)安全特性，它實現(xiàn)了IEC61158-2規(guī)定的通信規(guī)程。PROFIBUS-PA是PROFIBUS的過程自動化解決方案，PA將自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備，如壓力、溫度和液位變送器等連接起來，代替了4-20mA模擬信號傳輸技術(shù)。因此，PA尤其適用于石油、化工、冶金等行業(yè)的過程自動化控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線三、PROFI現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線PROFIBUS-FMS:解決車間一級通用性通信任務(wù)，F(xiàn)MS提供大量的通信服務(wù)，用以完成以中等傳輸速率進行的循環(huán)和非循環(huán)的通信任務(wù)。由于它是完成控制器和智能現(xiàn)場設(shè)備之間的通信以及控制器之間的信息交換，因此它考慮的主要是系統(tǒng)的功能而不是系統(tǒng)響應(yīng)時間，應(yīng)用過程通常要求的是隨機的信息交換(如改變設(shè)定參數(shù)等)。可用于大范圍和復(fù)雜的通信系統(tǒng)。PROFIBUS簇現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線PROFIBU現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線二、PROFIBUS的通信模型和協(xié)議類型

PROFIBUS通信模型參照了ISO/OSI參考模型的第1層（物理層）和第2層（數(shù)據(jù)鏈路層），其中FMS還采用了第7層（應(yīng)用層）,另外增加了用戶層。大大簡化了協(xié)議結(jié)構(gòu)，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，符合工業(yè)自動化實時性高、數(shù)據(jù)量小等特點的要求。PROFIBUS－DP和PROFIBUS－FMS的第1層和第2層相同，PROFIBUS-FMS有第7層，PROFIBUS－DP無第7層。PROFIBUS－PA有第1層和第2層，但與DP/FMS有區(qū)別，無第7層?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線二、PROFI現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線相互關(guān)系FMS、DP和PA的數(shù)據(jù)鏈路層是完全相同的，即它們的數(shù)據(jù)通訊基本協(xié)議是相同的，所以它們可以存在于同一個網(wǎng)絡(luò)中；DP和FMS的物理層均使用RS485/FO（FiberOptic）,所以他們可以使用同一根電纜進行各自的通訊；雖然PA的物理層使用MBP（IEC61158-2）（ManchestercodeBusPowered）技術(shù)，但由于PA也使用DP-V0的基本報文協(xié)議，所以DP和PA可以互相通訊；因為FMS的第7層規(guī)范只適合于FMS裝置，所以FMS不能和DP、PA交換數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線相互關(guān)系現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線

Profibus信道：邏輯信道與物理信道現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線Profib現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線通信關(guān)系現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線通信關(guān)系現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線通信關(guān)系結(jié)構(gòu)每個獨立的、局部的信道可以分別定義，一個信道的所有參數(shù)列于通信關(guān)系表（ＣＲＬ）中。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線通信關(guān)系結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線二、PROFIBUS的數(shù)據(jù)傳輸和拓撲結(jié)構(gòu)

PROFIBUS物理層協(xié)議提供三種數(shù)據(jù)傳輸標準光纖用于DP和FMSIEC61158-2

用于PARS485

用于DP和FMS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線二、PROFI現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線1用于DP和FMS的RS-485傳輸技術(shù)Profibus最常用的傳輸技術(shù)采用屏蔽雙絞電纜連接（符合EIARS-485標準)總線段的兩端各有一個終端器傳輸速率從9.6kbit/s到12Mbit/s可選（與傳輸距離有關(guān)）每段32個站（無中繼器）或127個站（帶中繼器）采用9針D型插頭連接器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線1用于DP和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線RS-485總線段的結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線RS-485總現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線傳輸序列半雙工、異步、無間隙同步NRZ（不歸零）編碼1個字符禎=1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個奇偶校驗位、1個停止位二進制“1”對應(yīng)于RXD/TXD-P線上的正電位，而在RXD/TXD-N線上為負電位各報文之間的空閑（idle）狀態(tài)對應(yīng)于二進制的“1”信號A號線對應(yīng)于RXD/TXD-N信號，而B號線對應(yīng)于RXD/TXD-P信號B導(dǎo)線二進制信號A導(dǎo)線1011010現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線傳輸序列B導(dǎo)線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線傳輸電纜最大長度與波特率有關(guān)，速率越高，距離越短總線上的所有設(shè)備（站點）都要采用相同的傳輸速率A型電纜（0.34mm)和B型電纜(0.22mm)總線連接國際性的PROFIBUS標準EN50170推薦使用9針D型連接器用于總線站與總線的相互連接（9針頭）。D型連接器的插座與總線站相連接，而D型連接器的插頭端與總線電纜相連接?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線傳輸電纜總線連現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線總線站與總線的連接采用9針D型連接器。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線總線站與總線的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線總線終端器根據(jù)EIARS-485標準，在數(shù)據(jù)線A和B兩端均加接總線終端器終端器包括1個下拉電阻和1個上拉電阻空閑狀態(tài)（idle)：終端電阻保證了總線上確定的空閑電位可以由跳接器或開關(guān)來啟動現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線總線終端器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線

拓撲結(jié)構(gòu)RS485的屏蔽/接地現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線拓撲結(jié)構(gòu)RS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線2.用于PA的IEC61158-2傳輸技術(shù)(1)數(shù)據(jù)IEC1158-2的傳輸技術(shù)用于PROFIBUS-PA，能滿足化工和石油化工業(yè)的要求。它可保持其本征安全性，并通過總線對現(xiàn)場設(shè)備供電。(2)IEC1158-2是一種位同步協(xié)議，通常稱為H1。(3)IEC1158-2技術(shù)用于PROFIBUS-PA，技術(shù)特征：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線2.用于PA的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線傳輸電纜采用屏蔽/非屏蔽雙絞線4種電纜類型總線長度：200-1900米PA的總線連接現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線傳輸電纜PA現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線拓撲結(jié)構(gòu)樹型結(jié)構(gòu)是典型的現(xiàn)場安裝技術(shù)，現(xiàn)場分配器負責連接現(xiàn)場設(shè)備與主干總線，所有連接在現(xiàn)場總線上的設(shè)備通過現(xiàn)場分配器進行并行切換。PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA樹型結(jié)構(gòu)PROFIBUS-DP終端電阻終端電阻DP/PA耦合器（Exi）控制器供電設(shè)備（Exi）多路分配器現(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備控制室現(xiàn)場現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線拓撲結(jié)構(gòu)樹型結(jié)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線總線型結(jié)構(gòu)：提供了與供電電路安裝類似的沿現(xiàn)場總線電纜的連接點，現(xiàn)場總線電纜可通過現(xiàn)場設(shè)備連接成回路，其分支線也可連接一個或多個現(xiàn)場設(shè)備。終端電阻總線型結(jié)構(gòu)終端電阻PROFIBUS-DPPROFIBUS-PADP/PA耦合器（Exi）控制器供電設(shè)備（Exi）控制室現(xiàn)場現(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線總線型結(jié)構(gòu)：提現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線樹型與總線型的組合結(jié)構(gòu)：基于IEC61158-2傳輸技術(shù)總線段與基于RS485傳輸技術(shù)總線段可以通過DP/PA耦合器或鏈接器相連，耦合器使RS485信號和IEC61158-2信號相適配。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線樹型與總線型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2.5PROFIBUS總線PROFIUSDPS7400ControllerSystembusIndustrialEthernet/FastEthernetDP/PA-LinkGasAnalyserFlowPressureTemperaturepH,C,O2ValvePositionerLevelPROFIBUSPAPROFIBUSPA

耦合器DP/PAcoupler的主要作用：1.實現(xiàn)物理層的轉(zhuǎn)換2.通過總線向現(xiàn)場儀表供電3.安全柵功能：實現(xiàn)危險區(qū)與安全區(qū)的電氣隔離鏈接器Link的主要作用：1.控制著過程儀