第十章 现场总线Word文档下载推荐.docx
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现场总线是应用在生产现场,在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信系统,也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。
它在制造业、石化系统、交通、楼宇等方面的自动化系统中,得到广泛的应用。
现场总线是将专用微处理器置入传统的测量控制仪表,使它们各自都有了数字计算和数字通信能力,或者称为有数字通信能力的智能仪表。
在此基础上,采用可进行简单连接的双绞线等作为总线,把多个具有数字通信能力的智能测量控制仪表连接成网络系统,按公开、规范的通信协议,在位于现场的多个微机化测量控制仪表(设备)之间,以及现场仪表与远程监测与控制计算机之间实现数据传输与信息交换,形成各种适应实际需要的自动控制系统。
也可以说,是将单个分散的测量控制设备变成网络节点,以现场总线为纽带,把他们连接成可以相互沟通信息,共同完成自控任务的网络系统与控制系统。
现场总线是自控系统与设备具有了通信能力,把它们连接成网络系统,加入到信息网络的行列,沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系,为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。
现场总线控制系统既是一个开放通信网络,又是一种全分布控制系统。
它作为智能设备的联系纽带,把挂接在总线上,作为网络节点的智能设备连接为网络系统,并进一步构成自动化系统,实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及管控一体化的综合自动化功能。
这是一项为智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。
现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向。
现场总线的出现,导致目前生产的自动化仪表集散控制系统(DCS)、可编程控制器(PLC)在产品的体系结构、功能结构方面发生较大变革,自动化仪表制造厂家面临更新换代的又一次挑战,传统的模拟仪表将逐步让位于具备数字通信功能的智能仪表,出现了可集检测温度、压力、流量于一身的多变量变送器,出现了带控制模块亦具备有故障信息的执行器,由此将大大改变现有的仪表设备维护管理状况。
现场总线是低带宽的底层控制网络,可以与因特网(Internet)、企业内部网(Intranet)相连,且位于生产控制和网络结构的底层,因而也成为底层网(Infranet)。
现场总线作为网络系统最显著的特征是具有开放、统一的通信协议,肩负着生产运行一线测量控制的特殊任务。
图2-10-1企业网络信息集成系统结构示意图
图2-10-1中的现场控制层网段H1、H2,即为底层控制网络。
它们与工程现场设备直接连接,一方面将现场测量控制设备互联为通信网络,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、上层管理网的连接和信息共享。
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相关的现场设备,沟通了生产过程现场级控制设备之间,以及与更高控制管理层次之间的联系。
现场总线网络集成自动化系统应该是开放的,可以由不同设备制造商提供的遵从相同通信协议(IEC62258)的各种测量控制设备共同组成。
1.1.3现场总线系统
由现场总线组成的网络集成式全分布控制系统,统称为现场总线控制系统FCS。
这是继基地式仪表控制系统、单元组合式模拟仪表控制系统、数字仪表控制系统、集散控制系统(DCS)后的新一代控制系统。
DCS系统中,过程控制用计算机是数字系统,但测量变送仪表一般是模拟仪表,可以整个系统是一种模拟数字混合系统,可以实现装置级、车间级的集散控制和优化控制。
但DCS系统由于生产厂商不是采用统一标准,各厂家产品自成系统,不同厂商产品不能互联在一起,难以实现互换和互操作,更难达到信息共享。
现场总线系统突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷,把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案,即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备通过现场总线网络连成系统,把控制功能彻底下放到现场,依靠现场智能设备本身便可以实现基本控制功能。
伴随着控制系统结构与测控仪表的更新换代,系统的功能、性能也在不断完善与发展。
现场总线系统得益于仪表微机化以及设备的通信功能。
把微处理器置于现场自控设备,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,同时丰富控制信息的内容,为实现其远程传送创造了条件。
在现场总线系统中,借助设备的计算、通信能力,在现场就可以进行许多复杂计算,形成真正分散在现场的完整控制系统,提高控制系统运行的可靠性,还可以借助现场总线网段,以及与之有通信关系的网段,实现异地远程自动控制。
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,便于操作人员更好更深入地了解生产现场和自控设备运行状况。
1.2现场总线的特点
1.2.1现场总线实现了彻底的分散控制
传统的模拟控制系统采用一对一的设备连接,按控制回路、检测回路,分别进行连接。
也就是说,位于现场的各类变送器、检测仪表、各类执行机构、调节阀、开关、电机等,和位于控制市内的盘装仪表或DCS系统中监控站内的输入输出接口之间,均为一对一的物理连接。
现场总线系统采用了智能现场设备,能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块,各类输入输出模块置入现场设备,再加上现场设备具有通信能力,现场的测量变送仪表可以与调节阀等执行机构直接传送信号,因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表而直接在现场完成,实现了彻底的分散控制。
1.2.2现场总线简化了系统结构
由于采用数字信号替代模拟信号,因而可实现一对电线上传输多个信号,见图2-10-2所示。
现场总线同时又为多个设备提供电源,现场设备不再需要模拟/数字,数字/模拟转换部件,简化了系统结构,节省连接电缆和安装费用。
图2-10-2现场总线控制系统与传统控制系统结构的比较
1.2.3现场总线实现了系统的开放性
开放是指相关标准的一致性、公开性,强调对标准的共识与遵从。
一个开放系统是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。
现场总线建立统一的工厂底层网络开放系统。
用户可以按自己的需要和考虑,不限定厂家、机型,把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统,实现自动化领域的开放互联系统。
1.2.4现场总线系统的互可操作性和互用性
互可操作性是指实现互联设备间、系统间的信息传送与沟通,而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备,可实现相互替换。
1.2.5现场总线系统采用数字传输方式,提高传输精度
模拟通信方式是用4~20mA直流模拟信号传送信息拓扑一对一方式,即一对线只能接一台现场仪表,传送方向具有单向性,因此,接受现场设备信息的配线和发给现场设备控制信号的配线是分开的。
混合通信方式是在4~20mA模拟信号上,把现场仪表信息作为数字信号重叠的通信方式,加上模拟通信方式的功能,可以进行现场仪表量程的设定和零点调整的远程设定。
现场仪表进行的自诊断等信息采用专用终端收集。
但是混合通信方式是厂家个别开发的,厂家不同设备之间不能进行信息交换。
混合通信方式实现数字数据的通信,基本上以模拟4~20mA通信为主体,因此混合通信方式的数字数据的通信速度比现场总线通信方式速度低。
现场总线通信方式与模拟通信和混合通信方式不同,是完全的数字信号通信方式。
现场总线通信方式可以进行双向通信,因此于模拟通信方式和混合通信方式不同,可以传送多种数据。
模拟通信方式一对配线只能接一台现场仪表,现场总线通信方式没有这种限制,一根现场总线配线可以连接多台现场仪表。
图2-2-10为一台带阀门定位器的调节阀。
阀上有控制器的输出信号(调节阀位置控制信号)、阀位上限信号、阀位下线信号、阀位开度信号。
模拟通信方式的这台调节阀至少要4根电缆连接,而现场总线只要1根普通双绞线即可替代。
图2-10-3模拟通信方式与现场总线的通信方式相比较
现场总线通信方式推进了国际标准化,确保了相互运用性。
表2-10-1为4~20mA的模拟通信方式、混合通信方式以及现场总线通信方式的比较。
表2-10-1通信方式比较
项目
现场总线
混合
模拟
拓扑式
多种
一对一
传送方式
数字信号
4~20MaDC数字模拟
模拟信号
传送方向
双向
单向(模拟)
双向(数字)
单向
信号种类
多重信号
部分多重信号
单信号
规格
规格化中
每个厂家不同
规格化
现场总线可以消除模拟通信方式中数据传送时产生的误差,提高传送精度,见图2-10-4。
图2-10-4两种通信方式精度的比较
模拟通信方式产生误差的原因有以下3个方面,即现场议表中D/A转换产生误差;
模拟信号传递产生误差;
系统仪表的A/D转换产生误差。
模拟通信方式中,传送装有微处理器的现场仪表数据时,数据进行A/D,D/A转换产生误差。
使用现场总线,可以消除传送时的转换误差。
现场总线采用数字信号传送数据不同于模拟信号传送,不产生因信号传送带来的误差,亦不需要A/D,D/A转换。
现场总线传送消除了模拟通信方式产生的3个误差,从而提高了传送精度。
1.2.6现场总线节省硬件数量与投资,节省安装费用
由于现场总线系统中分散在现场的智能设备,能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能,因而可减少变送器的数量,不再需要单独的调节器、计算单元等,也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线,还可以用工控PC机作为操作站,从而节省了一大笔硬件投资,并可减少控制室的占地面积。
现场总线界限十分简单,一对双绞线或一条电缆通常可挂接多个设备,因而电缆、接线端子、槽盆、槽架的用量大大减少。
当需要增加现场控制设备时,无需增加新的电缆,可就近连接在原有的电缆上,即节省了投资,也减少了设计、安装的工作量。
据有关典型试验工程的测算资料表明,可节约安装费用60%以上。
1.3现场总线国际标准(IEC61158)综述
IEC61158现场总线国际标准,包含8种类型现场总线,分别为:
类型1IEC技术报告(即FFH1);
类型2ControlNet(美国Rockwell公司支持);
类型3Profibus(德国Siemens公司支持);
类型4P-Ner(丹麦ProcessData公司支持);
类型5FFHSE(即原FFH2,美国FisherRosemount公司支持);
类型6SwiftNer(美国波音公司支持);
类型7WorldFip(法国Alstom公司支持);
类型8Interbus(德国PhoenixContact公司支持);
它们各自的特点如下。
(1)类型1现场总线FF类型1现场总线是专门为过程自动化而设计的。
基金会现场总线FF是它的一个子集。
它参照ISO/OSI参考模型采用了其中的物理层、数据链路层和应用层,再加上用户层,形成4层结构。
其特点是:
在应用层上面,增加了一个内容广泛的用户层。
这在其他总线是没有的。
它由两个部分组成,即功能块和设备描述语言。
功能块将控制功能进行了标准封装,如模拟输入、模拟输出、PID控制等。
可根据需要内置于现场设备中,以实现所实现的功能。
设备描述以设备描述语言写成,用以描述设备通信所需的所有信息,并有设备供应商提供。
一旦设备描述上载到主机系统后,设备及所有其他设备就能识别出该设备的所有性能。
由于有了用户层,就可以充分实现设备的互操作性。
(2)类型2ControlNet现场总线ControlNet最早由Rockwell公司于1995年10月提出。
它是一种用于对信息传递有时间苛刻要求、高速确定性的网络。
同时它允许传送形象时间苛求的报文数据。
ControlNet采用一种新的通信模式,即以生产者/客户(Producer/Consumer)模式取代传统的源/目的模式。
它允许网络上的所有节点同时从单个数据源存取相同的数据。
这种模式最主要的特点增强了系统的功能,提高了效率和实现精确的同步。
(3)类型3Profibus现场总线Profibus协议是得到Profibus用户组织PNO的支持。
它有3种兼容类型,即Profibus-FMS、Profibus-DP、和Profibus-PA。
这3种类型均使用单一的总线访问协议,通过ISO/OSI通信模型的第二层实现,包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。
其中FMS主要用于工厂、楼宇自动化中的单元级;
DP主要用在楼宇自动化中,实现自控系统和分散式外部设备I/O及智能现场仪表之间的高速数据通信;
PA则用于过程控制。
DP和FMS用RS485传输,属于高速部分,传送速率在9.6KB/s和12MB/s之间;
PA则采用IEC611582,传输速率为31.25KB/s属于低速部分。
Profibus支持主从模式、纯主站模式、多主多从模式等,主站对总线有控制权,可主动发信息。
对多主站模式,在主站之间按令牌传递决定对总线的控制权,取得控制权的主站,可向从站发送,获取信息,实现点对点通信。
(4)类型4P-Net现场总线P-Net出现于丹麦,主要应用于啤酒、食品、农业和饲养业。
它是带多网络和多端口,允许在几个总线区直接寻址,是一种多网络结构。
该总线协议包括1、2、3、4和7层,并利用信道结构定义用户层。
通信采用虚拟令牌传递方式,总线访问权通过虚拟令牌在主站之间循环传递,即通过主站中的访问计数器和空闲总线位周期计数器,确定令牌的持有者和令牌的时间。
这种基于时间的循环机制,不同于采用实报文传递令牌的方式,节省了主站的处理时间,提高了总线的传输效率,而且它不需要任何总线仲裁的功能。
另外,P-Net不采用专用芯片,它对从站的通信程序仅需几千字节的编码。
因此它结构简单,易于开发和转化。
(5)类型5HSE类型5现场总线即为IEC定义的H2总线,由基金会现场总线FF组织负责开发,并于2003年3月正式公布。
该总线使用框架式以太网技术,传输速率从100Mbps到1Gbps或更高。
HSE完全支持类型1现场总线的各项功能,如功能块和设备描述等。
并允许基于以太网的装置通过一种连接器与H1设备连接。
HSE总线成功的采用CSMA/CD链路控制协议和TCP/IP传输协议,并使用了高速以太网IEEE802.3u标准的最新技术。
(6)类型6SwiftNetSwiftNet是美国SHIPSTAR公司应波音公司的要求制定的,主要用于航空和航天等领域。
该总线是一种结构简单、实时性高的总线,协议仅包括物理层和数据链路层,在协议中没有定义应用层。
物理层传输速率为5Mbps,总线使用TDMA(Slotted-timeDivisionMultipleAccess)槽时间片多种存列方式,提供专用高速、低抖动同步通道和按要求指定的通道。
专用通道适用于自动状态数据的分配或交换;
按要求指定的通道则适用于非调度报文。
(7)类型7WorldFIP现场总线1994年6月,WorldFIP北美部分与ISP合并成为FF以后,WorldFIP的欧洲部分仍保持独立,总部设在法国。
WorldFIP是一种用于自动化系统的现场总线网络协议。
它采用3层通信结构:
物理层、数据链路层和应用层,其目的是提供0级设备(传感器/执行器)和1级设备(PLC/控制器)之间的连接。
WorldFIP由一个集中化的链路活动调度器试问网络,保证时间临界的大容量循环数据通信的确定性。
它具有单一的总线,可用于过程控制及离散控制,而且没有任何网桥或网关,低速与高速部分的衔接用软件的办法来解决。
(8)类型8InterbusInterbus于1984年推出,其主要技术支持者为德国的PhoenixContact。
它是一种串行总线系统,适用于分散输入/输出,以及不同类型控制系统间的数据传输。
协议包括物理层、数据链路层和应用层。
Interbus总线网络可构成主/从式和环路拓扑结构,传输速率为500kbs,采用RS485标准,它的数据链路层采用整体帧协议方式传输循环和非循环数据。
应用层服务只对主站有效,用于实现实时数据交换、VFD支持、变量访问、程序调用和几个相关的服务。
Interbus总线对单主机的远程i/o具有良好的诊断能力。
2开放系统互联参考模型
2.1OSI参考模型的结构
随着计算机工业迅速发展,不断提出计算机互联通信要求,19778年国际标准化组织(ISO)建立了一个“开放系统互连”分技术委员会,起草了“开放系统互联基本参考模型”的建议草案,1983年成为正式国际标准(ISO7498)。
1986年又对该标准进行了进一步的完善和补充。
为实现开放系统互联所建立的分层模型,简称ISO参考模型。
其目的是为一种计算机互联图2-10-5OSI参考模型
提供一个共同的基础和标准框架,并为保持相关保准的一致性和兼容性提供共同的参考。
OSI参考模型提供了概念性和功能性结构。
该模型将开放系统的通信功能划分为7个层次。
各层协议细节的研究是各自独立进行的。
7个层次分别为物理层,数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
OSI参考模型如图2-10-5所示。
2.1.1物理层(第1层)
物理层并不是物理媒体本身,只是开放系统中利用物理媒体实现物理连接的功能描述和执行连接的规程。
物理层提供用于建立、保持和断开物理连接的机械的、电气的、功能的和过程的条件,总之,物理层提供有关同步和比特流在物理媒体上的传输手段,其典型的协议有EIA-232-D等。
2.1.2数据链路层(第2层)
数据链路层用于建立、维持和拆除的协议,实现无差错传输的功能。
在点到点或点到多点的链路上,保证信息的可靠传递。
2.1.3网络层(第3层)
网络层规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议。
它的主要功能是利用数据链路层所提供的相邻节点间的无差错数据传输功能,通过路由选择和中断功能,实现两个系统之间的连接。
2.1.4传输层(第4层)
传输层完成开放系统之间的数据传送控制。
主要功能是开放系统之间数据的收发确认,同时,还用于弥补各种通信网络的质量差异,对经过下3层之后仍然存在的传输差错进行恢复,进一步提高可靠性。
2.1.5会话层(第5层)
会话层依靠传输层以下的通信功能,使数据传送功能在开放系统间有效地进行。
其主要的功能是按照在应用进程之间的约定,安装正确的顺序收、发数据,进行各种形式的对话。
2.1.6表示层(第6层)
表示层的主要功能是把应用层提供的信息变换为能够共同理解的形式,提供字符代码、数据格式、控制信息格式、加密等的统一表示。
表示层仅对应用层信息内容的形式进行变换,而不改变其内容本身。
2.1.7应用层(第7层)
应用层是OSI参考模型的最高层。
其功能是实现应用进程(如用户程序,终端操作员等)之间的信息交换。
同时,还具有一系列业务处理所需要的服务功能。
2.2物理层协议
物理层协议是网络中最底层协议,连接两个物理设备,为链路层提供透明位流传输所必须遵循的规则,有时也称为物理接口。
接口两边的设备,在ISO术语中被叫做DTE(数据终端设备)和DCE(数据通信设备),物理层协议主要提供在DTE和DCE之间接口。
2.2.1物理层4个重要特性
物理层的机械特性规定了物理连接时所使用的可接插连接器的形状尺寸,连接器中引脚的数量与排列情况等。
物理层的电气特性规定了在物理连接器上传输二进制比特流时,线路上信号电平的高低、阻抗及阻抗匹配、传输速率与距离限制。
物理层的功能特性规定了物力接口上各条信号线的功能分配和确切定义。
物理层接口信号线一般分为数据线、控制线、定时线和地线等几类。
物理层的规程特性定义了利用信号线进性二进制比特流传输的一组操作过程,包括各信号线的工作规则和时序。
不同物理接口标准,在以上4个重要特性上都不尽相同。
2.2.2以EIA-232-D(亦称RS232标准)为例
(1)机械特性方面EIA-232-D规定使用一个25根插针(DB-25)的标准连接器,如图2-10-6所示。
它和ISO2110标准一致。
对DB-25连接器的机械尺寸及每根针排列的位置均作了明确的规定。
(2)电气特性EIA-232-D电气连接方式如图2-10-7所示。
非平衡型每个信号用一根导线,所有信号回路共用一根地线。
信号速率限于20kbps之内,电缆长度限于15m之内。
其电性能用±
12V标准脉冲,EIA-232采用负逻辑。
图2-10-6DB-25结构示意图图2-10-7EIA-232-D的电气连接
(3)EIA-232-D功能特性DB-25各条信号线功能分配如图2-10-
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- 第十章 现场总线 第十
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