計算機測控系統(tǒng)之現(xiàn)場總線控制技術(ppt 39頁).ppt

1、計算機測控系統(tǒng),李江全,石河子大學機電學院電氣工程系 2009年11月, 現(xiàn)場總線控制技術,現(xiàn)場總線概述,按照IEC和現(xiàn)場總線基金會FF的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和各類自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡。 現(xiàn)場總線是一種用于智能化現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的開放式、數(shù)字化、雙向串行、多節(jié)點的通信總線。采用現(xiàn)場總線技術可實現(xiàn)一種具有開放式、數(shù)字化和網(wǎng)絡化結構的新型計算機控制系統(tǒng)，即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ield Control System）。通俗地說，F(xiàn)CS將構成自動化系統(tǒng)的各種傳感器、執(zhí)行機構及控制器通過現(xiàn)場控制網(wǎng)絡聯(lián)系起來，通過網(wǎng)絡上的信息傳輸完成傳統(tǒng)系統(tǒng)中需要硬件

2、連接才能傳遞的信號，并完成各設備的協(xié)調(diào)，實現(xiàn)自動化控制。,現(xiàn)場總線的產(chǎn)生,現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和各類自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多節(jié)點、多分支結構的通信網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)既是一個開放的通信網(wǎng)絡，又是一個全分布式的控制系統(tǒng)。它作為智能設備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上作為網(wǎng)絡節(jié)點的智能設備連接為網(wǎng)絡系統(tǒng)，并進一步構成自動化控制信息系統(tǒng)，具有基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化等綜合自動化功能。因此，現(xiàn)場總線技術綜合了智能傳感器、自動控制、計算機、數(shù)字通信、網(wǎng)絡技術等方面的內(nèi)容。,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結構,一個按現(xiàn)場總線技術構造的計算機監(jiān)控系統(tǒng)如圖8-1所示?，F(xiàn)場

3、總線系統(tǒng)有兩個主要部分組成：一是現(xiàn)場智能設備，二是系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)?，F(xiàn)場智能設備由微處理器以及外圍電路構成；現(xiàn)場總線系統(tǒng)使用最多的傳輸介質(zhì)是雙絞線。,現(xiàn)場總線的體系結構特點,1現(xiàn)場通信網(wǎng)絡 用于過程及制造自動化的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場辦公儀表互連的通信網(wǎng)絡。 現(xiàn)場總線是生產(chǎn)過程控制的底層控制網(wǎng)絡，它們與生產(chǎn)過程現(xiàn)場設備直接連接，一方面將現(xiàn)場測量控制設備互連為通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)不同網(wǎng)段、不同現(xiàn)場通信設備間的信息共享；同時又將現(xiàn)場運行的各種信息傳送到遠離現(xiàn)場的控制器，并進一步實現(xiàn)與操作終端、上層控制管理網(wǎng)絡的連接和信息共享。在把一個現(xiàn)場設備的運行參數(shù)、狀態(tài)以及故障信息等送往控制室的同時，又將各種控制、維護、組態(tài)

4、命令，乃至現(xiàn)場設備的工作電源等送往各相關的現(xiàn)場設備，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場級控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。,2現(xiàn)場設備互連 現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器、執(zhí)行器、服務器和網(wǎng)橋、輔助設備、監(jiān)控設備等。這些設備通過一對傳輸線互連。傳輸線可使用雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等，也可以無線傳輸。,3系統(tǒng)的開放性 現(xiàn)場總線為開放式互連網(wǎng)絡，既可與同層網(wǎng)絡互連，也可與不同層網(wǎng)絡互連。開放式互連網(wǎng)絡還體現(xiàn)在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫共享，通過網(wǎng)絡對現(xiàn)場設備和功能模塊統(tǒng)一組態(tài)，使不同廠家的網(wǎng)絡及設備融為一體，構成統(tǒng)一的FCS。,3系統(tǒng)的開放性 在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，將傳感器測量、補償計算、工

5、程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設備中完成，現(xiàn)場設備既可完成自動控制的基本功能，又可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。廢棄了集散控制系統(tǒng)的輸入輸出單元和控制站，把集散控制系統(tǒng)控制站的功能分散地分配到現(xiàn)場設備。 例如，通過采用現(xiàn)場總線技術，一個流量變送器不僅具有流量信號的變換、補償和累加等功能，而且還有PID控制或其他高級控制的功能，也就是說，現(xiàn)場總線技術真正將信號的采集、處理、控制、驅(qū)動等功能放在了現(xiàn)場，用戶可靈活選用各種功能模塊構成所需控制系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了分散控制。,5互操作性 由于現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表的種類繁多，沒有任何一家制造商可以提供一個工廠所需的全部設備，所以互相連接不同制造商的產(chǎn)品是不可避免的。

6、用戶或開發(fā)者并不希望為選用不同制造商的產(chǎn)品而在硬件和軟件上付出太多的代價，而是希望將屬于不同制造商的同時其性能價格比最高的產(chǎn)品集成在一起，并實現(xiàn)“即接即用”。所謂“互操作性”不僅僅是指屬于不同制造商的產(chǎn)品之間能夠相互傳送數(shù)據(jù)，更為重要的是這些設備能夠”理解”所接收數(shù)據(jù)的含義，并做出正確的響應。當然，用戶還希望能對不同的設備進行統(tǒng)一組態(tài)，構成所需的控制系統(tǒng)。只有這樣才能真正將現(xiàn)場設備集成。,6通信線供電 在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，本身就要求連接線盡可能的少，因此，最好采用通信線供電方式，即允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上獲取能量。 現(xiàn)場總線是專為現(xiàn)場環(huán)境而設計的，可支持多種通信線路媒介，具有較強的抗干擾能

7、力，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求。這種供電方式可用于本質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場儀表。,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)點,1）一對N結構 所謂1對N結構是指1對傳輸線，連N臺現(xiàn)場設備，雙向傳輸多個信號。由于一對雙絞線或一條電纜上可掛接多個設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。這種結構使得接線簡單、工程周期短、安裝費用低、維護容易。當需要增加現(xiàn)場控制設備時，無需增加新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，減少了現(xiàn)場接線，既節(jié)省了投資，也減少了設計、安裝工作量。,2）節(jié)省硬件與投資 由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場的智能設備能直接執(zhí)行多種檢測、控制、報警和計算等功能，因而可減

8、少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的調(diào)節(jié)器、計算單元等，也不再需要集散控制系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉換、隔離等功能單元及其復雜接線，還可以用于工控PC機作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，并可減少控制室的占地面積。,3）準確性和可靠性高 現(xiàn)場總線設備的智能化、數(shù)字化以及設備間數(shù)字信號傳輸，使系統(tǒng)具有很高的抗干擾能力，極大地提高了系統(tǒng)的測控精度。同時，由于系統(tǒng)的結構簡化，設備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。,4）狀態(tài)可控 由于現(xiàn)場設備具有了一定的智能性，不僅能夠提供測量參數(shù)的信息，還能提供自身工作狀態(tài)的信息。操作員在控制室內(nèi)既可了解現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表的工作狀況

9、，也能對其進行多次調(diào)整，還可預測或?qū)ふ夜收?，系統(tǒng)始終處于操作員的遠程監(jiān)視與控制之下，提高了系統(tǒng)的可靠性、可控性和可維護性。,5）互換性強 用戶可以自由地選擇不同制造商所提供的性能價格比最優(yōu)的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表，并可將不同品牌的儀表互連。即使某臺儀表出現(xiàn)故障，換上其它品牌的同類儀表可照常工作，實現(xiàn)“即接即用”。使系統(tǒng)集成變得更加方便、快捷，也使得用戶擁有更大的集成自主權。,6）互操作性好 用戶可把不同制造廠家的現(xiàn)場儀表或設備集成在一起，進行統(tǒng)一組態(tài)，構成所需的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場儀表或設備間可以方便地進行相互通信、溝通和操作控制。用戶不必為集成不同品牌的產(chǎn)品而在硬件或軟件上花費額外的力氣，或增加額外投

10、資。,7）具有綜合功能 現(xiàn)場儀表既有檢測、變換和補償功能，又有控制和運算功能，實現(xiàn)了一表多用，不僅方便了用戶，也降低了成本。,8）可實現(xiàn)分散控制 由于控制站功能分散在現(xiàn)場儀表中，通過現(xiàn)場儀表構成的控制回路，實現(xiàn)了徹底的分散控制，提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。,9）可實現(xiàn)統(tǒng)一組態(tài) 由于現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表都引入了功能塊的概念，所有制造廠家都使用相同的功能塊，并統(tǒng)一組態(tài)方法。這樣就使組態(tài)過程變得非常簡單、輕松，不會因為現(xiàn)場設備或儀表種類不同，而有新的組態(tài)方法。,10）開放性好 現(xiàn)場總線為開放式互連網(wǎng)絡，所有技術和標準均是公開的，所有制造商都必須遵循。這樣，用戶可以自由集成不同制造商的通信網(wǎng)絡，

11、既可與同層網(wǎng)絡互連，也可與上層或下層網(wǎng)絡互連。另外，用戶可方便地共享網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫。,現(xiàn)場總線標準,1FF 現(xiàn)場總線基金會FIT（Foundation Field Bus）是惟一不附屬于任何企業(yè)的非商業(yè)性的國際標準化組織。其宗旨是制定單一的國際現(xiàn)場總線標準。FF標準具有以下特點：根據(jù)ISO/OSI的模型共設有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。除此之外，還增加了用戶層。其中，物理層分為兩種：H1為低速總線，主要用于過程自動化。波特率為31.25kb/s，最大傳輸距離為1900m，提供總線供電和本質(zhì)安全型；H2為高速總線，主要用于制造自動化，波特率為1Mb/s（750m）或2.5 Mb/s（500m）。其物

12、理傳輸介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜、光纖和無線等。,2PROFIBUS 過程現(xiàn)場總線PROFIBUS是德國標準。1991年在DINI9245中公布了此標準。PROFIBUS有幾種改進型，分別用于不同的場合。其中，PROFIBUS-PA用于過程自動化，通過總線供電，提供本質(zhì)安全，可用于危險防爆區(qū)域。PROFIBUS-FMS用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等一般自動化領域。PROFIBUS-DP用于加工自動化。PROFIBUS的協(xié)議是開放的，可以由第三方來生產(chǎn)PROFIBUS的產(chǎn)品。PROFIBUS的傳輸速率為9.6kb/s12Mb/s，最大傳輸距離在9.6kb/s時為1000m，1.5Mb

13、/s時為200m。其傳輸介質(zhì)為雙絞線、光纜，最多可掛接127個站點。,3LonWorks LonWorks現(xiàn)場總線技術是近幾年異軍突起的一種現(xiàn)場總線技術標準，由美國Echelon公司開發(fā)，簡稱LON。LON真正做到了開放性、互操作性、多通信介質(zhì)、多數(shù)據(jù)傳輸速率、多網(wǎng)絡結構、多網(wǎng)絡拓撲。LON的一個突出特點是提供了一整套從硬件到軟件的完整技術。其核心技術Neuron芯片，固化了LONTalk通信協(xié)議，而該通信協(xié)議完全支持ISO的OSI七層協(xié)議。通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信設計簡化為參數(shù)設置，其通信速率從300b/s至15Mb/s不等，直接通信距離可達到2700m（78kb/s），支持雙絞線、同軸電纜、

14、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，被譽為通用控制網(wǎng)絡。,4HART HART（Highway addressable Remote Transducer）協(xié)議為可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路通信協(xié)議。它最早由Rosemount公司開發(fā)并得到80多家著名儀表公司的支持和加盟，于1963年成立了HART通信基金會。HART通信模型由3層組成：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。物理層采用FSK技術在420mA模擬信號上迭加一個頻率信號。數(shù)據(jù)傳輸速率為1200bit/s，邏輯“0”的信號頻率為2200Hz，邏輯“1”的信號傳輸頻率為1200Hz，最大傳輸距離3000m。它是輸入模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉變過程中

15、的過渡性產(chǎn)品，因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭力，得到了較快發(fā)展。,CAN總線測控技術,CAN總線是控制器局域網(wǎng)（Control Area Network）總線的簡稱，最早是德國BOSCH公司從20世紀80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。由于其本身的特點，其應用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領域發(fā)展。由于其高性能、高可靠性及獨特的設計，CAN已成為國際標準化組織ISO11898標準，被公認為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。,CAN總線的技術特點,1）通信距離遠。C

16、AN通信速率最高可達1Mbps/40m，直接通信距離最遠可達10km（速率小于5Kbps）。傳輸介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，具有較強的抗干擾能力。 2）CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其它節(jié)點發(fā)送信息，而無主、從之分，通信方式靈活且無需節(jié)點信息。利用這一特點，可方便地構成多機備用系統(tǒng)。,3）CAN采用非破壞性總線優(yōu)先級仲裁技術，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡上發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)發(fā)送信息。CAN是按節(jié)點類型分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實際要求，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在134s內(nèi)得到傳輸。 4）CAN支持四類報文幀：數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀、超載幀。采用短幀結構，每幀有效字節(jié)數(shù)為8個。這樣傳輸時間短，受干擾的概率低，且具有較好的檢錯效果。,5）CAN采用循環(huán)冗余校驗CRC（Cyclic Redundancy Check）及其它檢錯措施，保證了極低的信息出錯率。 6）CAN節(jié)點具有自動關閉功能，當節(jié)點錯誤嚴重的情況下，則自動切斷與總線的聯(lián)系，這樣不影響總線正常工作。 7）CAN上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前最多為110個；報文標識符可達2032種（CAN2.0A），而擴展標準（CAN2.0B）的報文標識符幾乎不受限制。 8）CAN擁有豐富廉價的