《现场总线技术综述》PPT课件.ppt

现场总线技术综述 现场总线 Fieldbus 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 多变量 多点 多站的通信网络 企业资源规划层制造执行层过程控制层 一 企业网络信息集成系统 一 企业网络信息集成系统 系统设备室 监控室 厂房 在家或在路上 办公室 图1 2 现场总线与上层网络的互联 采用专用网关将现场总线网卡和以太网卡置入同一台PCWEB服务器置入PLC或现场控制设备内 现场总线与局域网的区别 现场总线主要用于对生产 生活设备的控制 一般局域网用于办公 多媒体通信不同技术特点 控制网 高度实时性 安全性 可靠性 数据传输量小 局域网相反现场总线为全数字通信 具有开放式 全分布 互操作等特点具有越来越紧密联系 80年代末 90年代初国际上发展形成的 用于过程自动化 制造自动化 楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络 它作为工厂数字通信网络的基础 沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系 它不仅是一个基层网络 而且还是一种开放式 新型全分布控制系统 这项以智能传感 控制 计算机 数字通讯等技术为主要内容的综合技术 已经受到世界范围的关注 成为自动化技术发展的热点 并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革 国际上许多实力 有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发 现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层 作为工厂设备级基础通讯网络 要求具有协议简单 容错能力强 安全性好 成本低的特点 具有一定的时间确定性和较高的实时性要求 还具有网络负载稳定 多数为短帧传送 信息交换频繁等特点 由于上述特点 现场总线系统从网络结构到通讯技术 都具有不同上层高速数据通信网的特色 二 现场总线的技术特点 一般把现场总线系统称为第五代控制系统 也称作FCS 现场总线控制系统 人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代 把4 20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代 把数字计算机集中式控制系统称为第三代 而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代 现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统 一方面 突破了DCS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 另一方面把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 把控制功能彻底下放到现场 可以说 开放性 分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征 现场总线技术在历经了群雄并起 分散割据的初始阶段后 尽管已有一定范围的磋商合并 但至今尚未形成完整统一的国际标准 其中有较强实力和影响的有 FoundationFieldbus FF LonWorks Profibus HART CAN Dupline等 它们具有各自的特色 在不同应用领域形成了自己的优势 本课程将在简要描述现场总线技术特点的基础 紧扣系统的可靠性 实用性等 介绍现场总线网络结构 体系结构等关键技术及目前较为流行的几种有实力的现场总线技术的现状 1 系统的开放性 开放系统是指通信协议公开 各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换 现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统 这里的开放是指对相关标准的一致 公开性 强调对标准的共识与遵从 一个开放系统 它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连 一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的 开放系统把系统集成的权利交给了用户 用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统 2 互可操作性与互用性 这里的互可操作性 是指实现互连设备间 系统间的信息传送与沟通 可实行点对点 一点对多点的数字通信 而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用 3 现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量 补偿计算 工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成 仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能 并可随时诊断设备的运行状态 4 系统结构的高度分散性 由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能 使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构 从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系 简化了系统结构 提高了可靠性 5 对现场环境的适应性 工作在现场设备前端 作为工厂网络底层的现场总线 是专为在现场环境工作而设计的 它可支持双绞线 同轴电缆 光缆 射频 红外线 电力线等 具有较强的抗干扰能力 能采用两线制实现送电与通信 并可满足本质安全防爆要求等 现场总线的优点 由于现场总线的以上特点 特别是现场总线系统结构的简化 使控制系统的设计 安装 投运到正常生产运行及其检修维护 都体现出优越性 1 节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在设备前端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 不再需要单独的控制器 计算单元等 也不再需要DCS系统的信号调理 转换 隔离技术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 由于控制设备的减少 还可减少控制室的占地面积 2 节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单 由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备 因而电缆 端子 槽盒 桥架的用量大大减少 连线设计与接头校对的工作量也大大减少 当需要增加现场控制设备时 无需增设新的电缆 可就近连接在原有的电缆上 既节省了投资 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 可节约安装费用60 以上 3 节省维护开销 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力 并通过数字通讯将相关诊断维护信息送往控制室 用户可以查询所有设备的运行 诊断维护信息 以便早期分析故障原因并快速排除 缩短了维护停工时间 同时由于系统结构简化 连线简单而减少了维护工作量 4 用户具有高度的系统集成主动权 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统 避免因选择了某一品牌的产品被 框死 了设备的选择范围 不会为系统集成中不兼容的协议 接口而一筹莫展 使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中 5 提高了系统的准确性与可靠性 由于现场总线设备的智能化 数字化 与模拟信号相比 它从根本上提高了测量与控制的准确度 减少了传送误差 同时 由于系统的结构简化 设备与连线减少 现场仪表内部功能加强 减少了信号的往返传输 提高了系统的工作可靠性 此外 由于它的设备标准化和功能模块化 因而还具有设计简单 易于重构等优点 回顾 现场总线 Fieldbus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 多变量 多点 多站的通信网络 企业网络信息集成系统企业资源规划层 制造执行层 过程控制层现场总线与局域网的区别1 应用环境不同2 不同技术特点现场总线与上层网络的互联1 2 3 回顾 80年代末 90年代初国际上发展形成的 用于过程自动化 制造自动化 楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络 它作为工厂数字通信网络的基础 沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系 第五代控制系统 1 2 3 4 5 现场总线技术特点1 系统的开放性2 互可操作性与互用性3 现场设备的智能化与功能自治性4 系统结构的高度分散性5 对现场环境的适应性优点 1 节省硬件数量与投资2 节省安装费用3 节省维护开销4 用户具有高度的系统集成主动权5 提高了系统的准确性与可靠性 三 现场总线网络的实现 现场总线的基础是数字通信 通信则必须有协议 从这个意义上说 现场总线就是一个定义了硬件借口和通信协议的标准 ISOOSI 7层现场总线多数采用了1 2 7层 并增设用户层 现场总线网络的实现 1 物理层 定义信号的编码与传送方式 传送介质 接口的电气及机械特性 信号传输速率等 2 数据链路层 加强物理层传输原始比特的功能 使之对网络上层显现出一条无错线路 3 应用层 为用户应用提供接口 功能是进行现场设备数据的传送及现场总线变量的访问 4 用户层 定义了从现场装置中读 写信息和向网络中其他装置分派信息的方法 即规定了供用户组态的标准 功能模块 特性描述 参数设定 相互连接的方法一致 四 现场总线的现状 1 多种总线共存现场总线国际标准IEC61158中采用了8种类型 FF的H1 ControlNet ProfiBus P Net FF的HSE SwiftNet WorldFIP INTERBUS 四 现场总线的现状 市场还有其他一些现场总线 据统计世界市场对各种现场总线的需求的实际额为 过程自动化15 FF PROFIBUS PA WorldFIP 医药领域18 FF PROFIBUS PA WorldFIP 加工制造15 交通运输15 PROFIBUS DP DeviceNet 航空 国防34 PROFIBUS FMS LonWorks DeviceNet ControlNet 农业 未统计 P NET CAN PROFIBUS PA DP DeviceNet ControlNet 楼宇 未统计 LonWorks PROFIBUS PA DP DeviceNet 2 各种总线各有其应用领域3 各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标准7 协调共存8 工业以太网引入工业领域 五 现场总线技术展望与发展趋势 1 发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题 国际上现场总线的研究 开发 使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢 走上开放发展的征程 2 具有发展前景的现场总线技术有 智能仪表与网络设备开发的软硬件技术 组态技术 包括网络拓扑结构 网络设备 网段互连等 网络管理技术 网络管理软件 网络数据操作与传输 人机接口 软件技术 现场总线系统集成技术 3 自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前 这一发展趋势是肯定的 4 在从现在起的未来10年内 可能出现几大总线标准共存 甚至在一个现场总线系统内 几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面 5 在连续过程自动化领域内 今后10年内 FF PROFIBUS PA总线将成为主流发展趋势 LonWorks将成为有力的竞争对手 HART作为过渡性产品也能有一定的市场 这3种技术是从这一领域的工业需求出发 其用户层的各种功能是专业连续过程设计的 而且充分考虑到连续工业的使用环境 如支持总线供电 可满足本质安全防爆要求等 四 典型现场总线简介 1 基金会现场总线基金会现场总线 即FoudationFieldbus 简称FF 这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术 其前身是以美国Fisher Rousemount公司为首 联合Foxboro 横河 ABB 西门子等80家公司制订ISP协议和以Honeywell公司为首 联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议 屈于用户的压力 这两大集团于1994年9月合并 成立了现场总线基金会 致力于开发出国际上统一的现场总线协议 它以ISO OSI开放系统互连模型为基础 取其物理层 数据链路层 应用层为FF通信模型的相应层次 并在应用层上增加了用户层 基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率 H1的传输速率为31 25Kbps 通信距离可达1900m 可加中继器延长 可支持总线供电 支持本质安全防爆环境 H2的传输速率为1Mbps和2 5Mbps两种 其通信距离为750m和500m 物理传输介质可支持比绞线 光缆和无线发射 协议符合IEC1158 2标准 其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码 每位发送数据的中心位置或是正跳变 或是负跳变 正跳变代表0 负跳变代表1 从而使串行数据位流中具有足够的定位信息 以保持发送双方的时间同步 接收方既可根据跳变的极性来判断数据的 1 0 状态 也可根据数据的中心位置精确定位 为满足用户需要 Honeywell Ronan等公司已开发出可完成物理层和部分数据链路层协议的专用芯片 许多仪表公司已开发出符合FF协议的产品 1总线已通过 测试和 测试 完成了由13个不同厂商提供设备而组成的FF现场总线工厂试验系统 2总线标准也已经形成 1996年10月 在芝加哥举行的ISA96展览会上 由现场总线基金会组织实施 向世界展示了来自40多家厂商的70多种符合FF协议的产品 并将这些分布在不同楼层展览大厅不同展台上的FF展品 用醒目的橙红色电缆 互连为七段现场总线演示系统 各展台现场设备之间可实地进行现场互操作 展现了基金会现场总线的成就与技术实力 2 CANCAN是控制网络ControlAreaNetwork的简称 最早由德国BOSCH公司推出 用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信 其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准 得到了Motorola Intel Philips Siemens NEC等公司的支持 已广泛应用在离散控制领域 CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的 不过 其模型结构只有3层 只取OSI底层的物理层 数据链路层和顶上层的应用层 其信号传输介质为双绞线 通信速率最高可达1Mbps 40m 直接传输距离最远可达10km 5kbps 可挂接设备最多可达110个 CAN的信号传输采用短帧结构 每一帧的有效字节数为8个 因而传输时间短 受干扰的概率低 当节点严重错误时 具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系 使总线上的其它节点及其通信不受影响 具有较强的抗干扰能力 CAN支持多主方式工作 网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息 支持点对点 一点对多点和全局广播方式接收 发送数据 它采用总线仲裁技术 当出现几个节点同时在网络上传输信息时 优先级高的节点可继续传输数据 而优先级低的节点则主动停止发送 从而避免了总线冲突 已有多家公司开发生产了符合CAN协议的通信芯片 如Intel公司的82527 Motorola公司MC68HC908AZ60Z Philips公司的SJA1000等 还有插在PC机上的CAN总线接口卡 具有接口简单 编程方便 开发系统价格便宜等优点 3 DeviceNet Devicenet是90年代中期发展起来的一种基于CAN ControllerAreaNetwork 技术的通信网络 最初由美国Rockwell公司开发应用 Devicenet是一种低成本的通讯总线 它将工业设备 如 限位开关 光电传感器 阀组 马达启动器 过程传感器 条形码读取器 变频驱动器 面板显示器和操作员接口 连接到网络 从而消除了昂贵的硬接线成本 直接互连性改善了设备间的通讯 并同时提供了相当重要的设备级诊断功能 这是通过硬接线I O接口很难实现的 DeviceNet Devicenet是一个开放的网络标准 规范和协议都是开放的 供货商将设备连接到系统时 无需为硬件 软件或授权付费 任何对DeviceNet技术感兴趣的组织或个人都可以从开放式DeciceNet供货商协会 ODVA 获得DeviceNet规范 并可以加入ODVA 参加对DeviceNet规范进行增补的技术工作组 Devicenet的许多特性沿袭于CAN 4 LonWorksLonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术 它是由美国Ecelon公司推出并由它们与摩托罗拉 东芝公司共同倡导 于1990年正式公布而形成的 它采用了ISO OSI模型的全部七层通讯协议 采用了面向对象的设计方法 通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置 通讯速率从300bps至1 5Mbps不等 直接通信距离可达到2700m 78kbps 双绞线 支持双绞线 同轴电缆 光纤 射频 红外线 电源线等多种通信介质 并开发相应的本安防爆产品 被誉为通用控制网络 LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的芯片中并得以实现 集成芯片中有3个8位CPU 一个用于完成开放互连模型中第1 2层的功能 称为媒体访问控制处理器 实现介质访问的控制与处理 第二个用于完成第3 6层的功能 称为网络处理器 进行网络变量处理的寻址 处理 背景诊断 函数路径选择 软件计量 网络管理 并负责网络通信控制 收发数据包等 第三个是应用处理器 执行操作系统服务与用户代码 芯片中还具有存储信息缓冲区 以实现CPU之间的信息传递 并作为网络缓冲区和应用缓冲区 如Motorola公司生产的神经元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM LonWorks技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本 每片价格约5 9美元 而芯片的低成本又返过来促进了LonWorks技术的推广应 形成了良好循环 据Ecelon公司的有关资料 到1996年7月 已生产出500万片神经元芯片 LonWorks公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonWorks技术和神经元芯片 开发自己的应用产品 据称目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技术 1000多家公司已经推出了LonWorks产品 并进一步组织起LonWork互操作协会 开发推广LonWorks技术与产品 它被广泛应用在楼宇自动化 家庭自动化 保安系统 办公设备 运输设备 工业过程控制等行业 为支持LonWorks与其它协议和网络之间的互连与互操作 该公司正在开发各种网关 以便将LonWorks与以太网 FF Modbus DeviceNet Profibus Serplex等互连为系统 另外 在开发智能通信接口 智能传感器方面 LonWorks神经元芯片也具有独特的优势 LonWorks技术已经被美国暖通工程师协会ASRE定为建筑自动化协议BACnet的一个标准 根据刚刚收到的消息 美国消费电子制造商协会已经通过决议 以LonWorks技术为基础制定了EIA 709标准 这样 LonWorks已经建立了一套从协议开发 芯片设计 芯片制造 控制模块开发制造 OEM控制产品 最终控制产品 分销 系统集成等一系列完整的开发 制造 推广 应用体系结构 吸引了数万家企业参与到这项工作中来 这对于一种技术的推广 应用有很大的促进作用 回顾 ISOOSI 7层1 2 7层 并增设用户层 现场总线现状 1 2 3 4 5 6 7 8现场总线国际标准IEC61158 FF的H1 ControlNet ProfiBus P Net FF的HSE SwiftNet WorldFIP INTERBUS 回顾 典型现场总线简介 FF 基金会现场总线 即FoudationFieldbusISP WordFIP物理层 数据链路层 应用层 用户层 H1 31 25Kbps 1900m 可支持总线供电 可支持本质安全H2 1Mbps 2 5Mbps 750m 500m 传输信号采用曼彻斯特编码 CAN 控制网络ControlAreaNetwork最早应用于汽车行业 现广泛应用在离散控制领域物理层 数据链路层 应用层1Mbps 40m 最远可达10km 5kbps 可挂接设备最多可达110个短帧结构 具有自动关闭功能 具有较强的抗干扰能力 支持多主方式通信芯片 回顾 典型现场总线简介 DeviceNet 基于CAN它将工业设备限位开关 光电传感器 阀组 马达启动器 过程传感器 条形码读取器 变频驱动器 面板显示器等设备级诊断功能LonWorks Ecelon公司 层结构从300bps至1 5Mbps 直接通信距离可达到2700m 78kbps 双绞线 支持本安防爆LonTalk协议 Neuron芯片 3个8位CPU 媒体访问控制处理器 网络处理器 应用处理器美国暖通工程师协会ASRE定为建筑自动化协议BACnet的一个标准 美国消费电子制造商协会 EIA 709标准 5 ProfibusProfibus是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准prEN50170的现场总线 ISO OSI模型也是它的参考模型 由Profibus Dp Profibus FMS Profibus PA组成了Profibus系列 DP型用于分散外设间的高速传输 适合于加工自动化领域的应用 FMS意为现场信息规范 适用于纺织 楼宇自动化 可编程控制器 低压开关等一般自动化 而PA型则是用于过程自动化的总线类型 它遵从IEC1158 2标准 该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司 研究所共同推出的 它采用了OSI模型的物理层 数据链路层 由这两部分形成了其标准第一部分的子集 DP型隐去了3 7层 而增加了直接数据连接拟合作为用户接口 FMS型只隐去第3 6层 采用了应用层 作为标准的第二部分 PA型的标准目前还处于制定过程之中 其传输技术遵从IEC1158 2 1 标准 可实现总线供电与本质安全防爆 Porfibus支持主 从系统 纯主站系统 多主多从混合系统等几种传输方式 主站具有对总线的控制权 可主动发送信息 对多主站系统来说 主站之间采用令牌方式传递信息 得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权 并事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间 按Profibus的通信规范 令牌在主站之间按地址编号顺序 沿上行方向进行传递 主站在得到控制权时 可以按主 从方式 向从站发送或索取信息 实现点对点通信 主站可采取对所有站点广播 不要求应答 或有选择地向一组站点广播 Profibus的传输速率为9 6K 12Mbps 最大传输距离为1200m 1 5Mbps时为400m 可用中继器延长至10km 其传输介质可以是双绞线 也可以是光缆 最多可挂接127个站点 6 HARTHART是HighwayAddressableRemoteTransduer的缩写 最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持 于1993年成立了HART通信基金会 这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议 其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信 属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品 因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力 得到了较好的发展 HART通信模型由3层组成 物理层 数据链路层和应用层 物理层采用FSK FrequencyShiftKeying 技术在4 20mA模拟信号上迭加一个频率信号 频率信号采用Bell202国际标准 数据传输速率为1200bps 逻辑 0 的信号频率为2200Hz 逻辑 1 的信号传输频率为1200Hz 数据链路层用于按HART通信协议规则建立HART信息格式 其信息构成包括开头码 显示终端与现场设备地址 字节数 现场设备状态与通信状态 数据 奇偶校验等 其数据字节结构为1个起始位 8个数据位 1个奇偶校验位 1个终止位 应用层的作用在于使HART指令付诸实现 即把通信状态转换成相应的信息 它规定了一系列命令 按命令方式工作 它有3类命令 第一类称为通用命令 这是所有设备理解 执行的命令 第二类称为一般行为命令 它所提供的功能可以在许多现场设备 尽管不是全部 中实现 这类命令包括最常用的现场设备的功能库 第三类称为特殊设备命令 以便在某些设备中实现特殊功能 这类命既可以在基金会中开放使用 又可以为开发此命令的公司所独有 在一个现场设备中通常可发现同时存在这3类命令 HART支持点对点主从应答方式和多点广播方式 按应答应方式工作时的数据更新速率为2 3次 按广播方式工作时的数据更新速率为3 4次 它还可支持两个通信主设备 总线上可挂设备数多达15个 每个现场设备可有256个变量 每个信息最大可含4个变量 最大传输距离3000m HART采用统一的设备描述语言DDL 现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性 由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典 主设备运用DDL技术 来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口 但由于这种模拟数字混信号制 导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片 HART能利用总线供电 可满足本安防爆要求 7 其他 INTERBUS 德国Phoenix 汽车 烟草 仓储等行业 1 2 7 INTERBUSCLUBCC LINK 日本三菱 汽车等行业 符合亚洲人思维 CLPAControlNet 美国Rockwell 交通运输 汽车 冶金 石油化工等行业 控制网国际组织CIWorldFIP P Net SwiftNet AS i FF时间分布确定的通信用户层 功能块 控制功能分布到现场设备用于互操作的DD与行规文件高速数据通信总线为HSE SlowSpeedH1 HighSpeedHSE LinkDevice SlowSpeedH1 FoundationFieldbus PROFIBUS简单 快速通信机制通信冗余支持 高速DP 用于互操作的GSD与行规文件FISCO认证标准用于IS标准设计高速数据总线支持RS485或F O技术 GenericDiagram PROFIBUSFIELDBUS CAN DeviceNet SDS ASI bus Interbus S FF PROFIBUSPA WorldFIP P Net LON ControlNet FastFF HighspeedPROFIBUS ControlNet TCPIP EthernetFastFF Sensors simpleswitchesetc 各总线应用层分析 FoundationFieldbus标准H1用于过程自动化仪表HSE用于高速通信设备ProfibusPA DP标准PA用于过程自动化仪表DP用于高速通信设备LonWorks 工厂电气设备LVMCC INSUM2gatewaytoDP MODBUS MV HVMCC ABB过程自动化总线市场定位 支持 您选择的现场总线协议统一的编程体系广泛自由的产品选择系统全局数据一致性资产优化管理完善的网络结构 YourfieldbusVantagePoint 现场总线策略 FieldIT 全方位的标准总线智能设备 Pressure Flow Level Temperature Positioners Actuators Valves Controllers Recorders FieldIT 设备总览 HART PROFIBUSPA PROFIBUSDP FIELDBUSFOUNDATION Temperature TF02 202 Temperature TF12 212 Flow MagXE XM Vortex Swirl V A UltraSonic MassMeter1210 TRIOMASS Pressure P DP 600 T AF800MultivariableMV2000T Positioner TZID Fcomp PH TB82PH Actuator RemoteI O S900 Ex HandTerminalHTT04 ModulatingContrac Pressure P DP 600 T Flow Flow COPAXE XM Vortex Swirl TRIOMASS Pressure P DP 600 T AF800MultivariableMV2000TLevel MultiBarrier MB204Positioner TZID F COPAXE XM MAGXE Vortex Swirl TRIOMASS Controllers Recorders Protronic Digitric PointMaster LineMaster Actuatorson off Contracmodulating Ontrac RemoteI O S900 Ex MultiBarrier MB204 Configurationtools PCbased SMARTVISION Configurationtool Configurationtool PCbased SMARTVISION PCbased SMARTVISION Positioner TZID F Configurationtool AC800Fcontrolbuilder SMARTVISION Multi variableMV2000T Temperature TF12 202 标准ProfiBus设备组态GSD文件模板技术 ABB现场总线技术 Profibus PA Profibus DP DigiTool Controller DigiVis DevicespecificDatainGSD Files 使用GSD files组态 导入设备GSD文件 选择设备使用的功能块及模块进行I O编辑 对照手册选择输入 输出 诊测变量 设备非周期参数的设定 标准ProfiBus设备的组态 PROFIBUS在线设备诊测 查询扫描新设备 远程设定设备地址 显示总线扫描周期 现场总线与设备的诊测 ProfiBus设备在线参数设定 传感器参数定义 传感器功能块参数定义 传感器仿真功能定义 ProfiBus组态摸板技术 提供标准用户参数对话框提供标准用户操作面板 摸板技术支持大量第3方设备形成标准摸板库 模板技术支持所有标准ProfiBus设备 2 多种设备配套组态工具软件 tool1 Standalonetooln 用户必须熟悉使用各自工具软件不能实现流程化工作无一致的质量保证 3 大量信息传输 OptimizeIT EngineerIT OperateIT ControlIT 现场设备FieldIT 组态参数设定在线调试 操作监控信号报警处理 过程变量值时间同步功能变量状态信息 大量数据交换复杂的编程要求 解决方案 FDT DTM EngineerIT DTMDeviceTypeManager Theuserinterfaceisthesameforalldevicesforallsuppliersforallprotocols FDTFieldDeviceTool 对照 MS Office环境 Printer驱动 MicrosoftWindowsNovellNetware ProfibusFoundationFieldbus Device驱动 目前CBF已支持FDT DTM组态 FieldDeviceTool CBF 减少项目整体费用 基于总线技术带来的优势 设计 安装 调试 工厂运行 传统4 20mA 14 26 53 7 总成本 11 17 3 44 现场总线 25 Saving 100 调试阶段 使用远程操作进行设备测试与维护 安装阶段 简单的布线与机柜设计 设计阶段P ID流程图设计简化简化设计文档 工厂运行节省大量电源及EExi隔离器节省大量控制柜车间及电缆费用 75 Source McDermottEngineering 数据通信技术基础与网络互联 数据通信技术 基本概念 1 总线的基本术语 1 总线 传输信号或信息的公共路径 是遵循同一技术规范的连接与操作方式 总线段 一组设备通过总线连接在一起 2 总线主设备 BusMaster 命令者 3 总线从设备 BusSlaver 基本设备 4 控制信号 三种类型 控制连在总线上的设备 改变总线操作的方式 表明地址和数据的含义 5 总线协议 管理主从设备使用总线的一套规则 PROTOCOL 2 总线操作的基本内容 1 总线操作 命令者与响应者之间的 连接 数据传送 脱开 2 总线传送 命令者与响应者之间的数据传递 读 写 操作 3 通信请求 某一设备向另一设备发出的请求信号 4 寻址 命令者与一个或多个从设备建立起连接的操作方式 物理寻址 逻辑寻址 广播寻址 5 总线仲裁 解决冲突 裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备 6 总线定时 总线操作用 定时 信号进行同步 用于指明总线上的数据和地址在什么时刻是有效的 7 出错检测 8 容错 通信系统的组成 通信系统是传输信息所需的一切设备的综合信息源 信息接收者 发送设备 接收设备 传输介质单向数字通信系统 信息源 编码 调制 传输介质 解调 译码 接收者 数据编码 码元是传输数据的基本单位 二元码 数据编码是指通信系统中以何种物理信号的方式来表达数据 模拟数据编码 用模拟信号的幅度 频率 相位表达数据 数字数据编码 用高低电平的矩形脉冲信号表达数据基带传输 采用数字数据 在基本不改变数据信号频率的情况下 直接传输数据信号的传输方式单极性码 双极性码归零码 非归零码差分码 用电平的变化与否在代表 1 和 0 回顾 PROFIBUS SIMENSDp FMS PA 可支持总线供电 可支持本质安全 1 2 79 6K 12Mbps 1200m 1 5Mbps时为400m 127个站点 主 从系统 纯主站系统 多主多从混合系统令牌HART HighwayAddressableRemoteTransduer Rosemout1 2 7过渡形 FSK FrequencyShiftKeying 4 20mA模拟信号上迭加一个频率信号15个站点 最大传输距离3000m 可支持总线供电 可满足本安防爆 其他 INTERBUS CC LINK ControlNet WorldFIP P Net SwiftNet AS i 减少项目整体费用 回顾 基于总线技术带来的优势 设计 安装 调试 工厂运行 传统4 20mA 14 26 53 7 总成本 11 17 3 44 现场总线 25 Saving 100 调试阶段 使用远程操作进行设备测试与维护 安装阶段 简单的布线与机柜设计 设计阶段P ID流程图设计简化简化设计文档 工厂运行节省大量电源及EExi隔离器节省大量控制柜车间及电缆费用 75 Source McDermottEngineering 回顾 基本概念1 总线的基本术语总线 总线主设备 总线从设备 控制信号 总线协议2 总线操作的基本内容总线操作 总线传送 通信请求 寻址 总线仲裁 总线定时 出错检测 容错通信系统的组成信息源 编码 调制 传输介质 解调 译码 接收者数据编码 指通信系统中以何种物理信号的方式来表达数据 码元是传输数据的基本单位 二元码 模拟数据编码 数字数据编码基带传输 单极性码 双极性码 归零码 非归零码 差分码 数据编码 曼彻斯特编码基带信号编码内置时钟信号 可自同步每位 比特 传输时间为等间隔时间段 传输时 时间段前半部分传输反码 后半部分传输原码 通信系统的性能指标 1 有效性指标 传输速率 频带利用率 协议效率 通信效率2 可靠性指标 误码率3 信道频率特性4 介质带宽5 信道容量 某种传输介质单位时间内所能传输的最大比特数6 信噪比 局域网及其拓扑结构 将地理位置不同且具有独立功能的多个计算机系统 通过通信设备和线路将它们连接起来 有功能完善的网络软件 网络协议 信息交换方式 控制程序和网络操作系统 实现网络资源 硬件 软件 信息 的共享 这样的系统称为计算机网络 一个互连的自主的计算机设备集合体 拓扑结构是指网络中节点的连接形式 局域网及其拓扑结构 网络结构 可分为星形 总线形 环形 树形等结构 星形网络结构 总线形网络结构 环形网络结构 树形网络结构 网络传输介质 传输介质是通信网络传输信息的物理媒介 也称为 通信媒体 点对点连接时 一条传输链路两端连接两个通信节点 发送设备通过适当硬件接口 编码和信号变换等 把信号 模拟或数字的 注入到传输介质中去 接收设备则以相反的过程从另一端取出信号 广播方式连接时 同一条传输链路上连接了多台通信设备 任何一台设备发送的信号都可能被别的设备所接收 用于DCS计算机局域网的主要传输介质有 双绞线 同轴电缆和光纤双绞线 由两根绝缘铜导线组成 一对线作为一条通信链路 通常 一定数量的这样的双绞线捆成一电缆 外面包着硬的保护性护套 单个双绞线的两个导线绞扭 可减少双绞线之间的电磁干扰 RJ45接口 单段最大传输距离100米 网络传输介质 双绞线常见的有3类线 5类线和超5类线 以及最新的6类线 前者线径细而后者线径粗 型号如下 1 三类线 用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输 2 五类线 该类电缆增加了绕线密度 外套一种高质量的绝缘材料 用于语音传输和最高传输速率为10Mbps的数据传输 是最常用的以太网电缆 3 超五类线 超5类具有衰减小 串扰少 并且性能得到很大提高 超5类线主要用于千兆位以太网1000Mbps 4 六类线 它提供2倍于超五类的带宽 六类布线的传输性能远远高于超五类标准 最适用于传输速率高于1Gbps的应用 同轴电缆 分内 外两个导体组成 外导体 是一个空心圆柱形导体 它包裹着一个内心线导体 两者之间是绝缘材料 同轴电缆的这种结构 使它具有高带宽和极好的噪声抑制特性 网络传输介质 基带同轴电缆 如50 同轴电缆 用于基带传输 宽带同轴电缆 如75 电视天线电缆 用于宽带传输 从外形和性能上说 又分为粗缆和细缆 同轴电缆的数据传输速率 传输距离 可支持的节点数 抗干扰等性能优于双绞线 成本也高于双绞线 但低于光纤 单段最大距离 细缆185米 粗缆500米接口 细缆 T型头 粗缆 AUI 网络传输介质 光纤 即光导纤维的简称 由内外两种折射率不同的材料构成 内层折射率高 外层折射率低 通过光的全反射进行传输 有多模光纤与单模光纤之分 光收发器 将光信号转成电信号 光端机 光端盒 一个连接光缆线路和尾纤的盒子 单模 多模光纤单模光纤仅能传输一个模式 而多模光纤能传输多个模式 单段最大距离 单模 传输4000多米 1000 2000米 介质访问控制技术 各个站通过网络传送信息的基本关系 就是源 发送 站将信息送上网络 然后目的 接收 站从网络读取信息 为了迅速正确地实现这些对网络的存取访问过程 要有合理的存取控制方法 为解决同一时间多个设备争用传输介质则需要介质访问技术常用的方法有 轮询 Poll 令牌传送 TokenPassing 带有碰撞检测的载波侦听多重访问 CSMA CD 1 轮询 Poll 它是由主站向其他站逐个查询 根据查询到站的应答信息 确定该站是否要发信 并确定是否让其发信 这一站发送我按信息后通知主站 再继续查询 适用于集中控制的网络 星形网 树形网 总线网 在DCS中称为1对N的控制方式 2 令牌传送 TokenPassing 采用令牌传送技术的有环形网或在逻辑序列上将节点连接成环的总线网 通信响应时间具有确定性 实时性好 系统总的信息吞吐量大 令牌传送为N对N通信中最好的 2 令牌传送 TokenPassing 工作原理 环上有一个称为令牌的信息包沿环中各节点依次传送 该令牌有空 忙两个状态 在网络启动时 由指定节点产生一个空令牌送到网上传送 对要传送信息的节点 都要在令牌传到自己并判断为空时 才能把令牌置成忙 并发送含有数据 源地址 目的地址 检错码的信息包 然后发送到网上 目的站读取该信息包后 仍然转发该包 再回到发送站时 才撤消该包 并把令牌置成空 并将它传给下一节点 如果令牌丢失或信息包在环上无限制循环 则由指定的监视节点向网中注入一个新令牌或将信息包撤消 3 碰撞检测的载波侦听多重访问 CSMA CD 网络上的各个站共享一条传输线 就有可能发生传输线上的信息 碰撞 这种竞争必须用一定策略消解 首先是载波侦听多重访问 即 先听后讲 先进行侦听 判断空闲发送数据 然后等待应答信号 但仍然有可能发生碰撞 那么还需要加上 边听边说 CD 即在发数据的同时 继续对线路进行侦听 当发现听和说的内容不一致时 立即停止发送数据 而改发堵塞信号 等待一定时间后 再重复一边上述过程 竞争发送 广播式传输 载波侦听 碰撞检测 等待时机 再试发送 特点 优点 算法简单 成本低 可靠性高 负荷轻时延迟少 而总吞吐量也较好 负荷重时也能工作 缺点 通信延迟不确定 为检测碰撞 要求在总线上任何位置 各站发出信号的幅度差别不能大 这在有时会增加技术难度适合突发性通信 以太网 Ethernet 常用 计算机网络构成 主机 HOST 可带终端 节点通信链路节点与通信链路统称为通信子网主机 终端等统称为资源子网 计算机局域网 计算机网络按照覆盖地域范围的不同分为 广域网 远程网 数公里以上局域网 局部网 几米至几千米 分布式多处理机 几米以内 回顾 曼彻斯特编码通信系统的性能指标 有效性指标 可靠性指标 信道频率特性 介质带宽 信道容量 信噪比局域网将地理位置不同且具有独立功能的多个计算机系统 通过通信设备和线路将它们连接起来 有功能完善的网络软件 网络协议 信息交换方式 控制程序和网络操作系统 实现网络资源 硬件 软件 信息 的共享 这样的系统称为计算机网络 局域网拓扑结构网络传输介质 点对点 广播方式 双绞线 同轴电缆 光纤 回顾 介质访问控制技术轮询 Poll 令牌传送 TokenPassing 带有碰撞检测的载波侦听多重访问 CSMA CD 计算机网络构成通信子网资源子网计算机局域网广域网 远程网 局域网 局部网 分布式多处理机 几米以内 现场控制网络 现场总线又称现场控制网络 特殊计算机网络 是用于完成自动化任务的网络 特殊性表现在 设备类型 具有计算及通信能力的测控设备 性能较低信息类型 信息量低 传输速率低 数据帧短 实时性高 可靠性高网络执行任务 连接现场测控装置工作环境 现场控制网络的实时性 现场控制网络不同于通用计算机网络的最大特点在于实时性要求 即网络需要现场通讯实时性的要求 在确定的时限内完成信息的传送 这里所说的 确定 的时限是指 无论在何种情况下 信息传送都能在这个时限内完成 而这个时限则是根据被控制过程的实时性要求确定的 同步通信和异步通信 1 异步通信 每次传送一个字符 5 8比特 每个字符前面加1位起始位 0 后面加1位校验位和1 2位停止位 1 不传送字符时连续传送 1 接受器根据 1 到 0 的跳变识别起始位 确定有新的字符发送时 启动定时器 2 同步通信 同步通信是比异步通信更有效的通信方式 在字符之间不加起始位 校验位和停止位等 而成块 数据祯 的传送字符或比特流 单工通信和双工通信 1 单工通信 数据只能沿单一方向进行发送或接收 为了保证数据正确接收提供是否重发的信息 还要有一个反向的应答信号 2 双工通信半双工通信 数据可沿两个方向交替传送 但同一时刻只能沿一个方向传送 两个方向的应答信号使用同一信道 因此要有控制信号流向的设备 RS485 全双工通信 在两个方向上的数据和应答信号均可同时传输 有四条独立的信道 RS422 B A B A B A 数据 应答 应答 应答 数据 数据 a b c 数据传送中的差错控制 例如 发送端码元序列 C 01001101011接收端码元序列 R 01100110001错误码元序列 E C R 00101011010 1 表示错误 0 表示正确 突发错误的特点 某一码元出错与其前后码元有相关性 往往使错误成串密集的产生 成串的突发错误中第一个错误位到最后一个错误位之间的长度 中间可以有不错的位 称为突发长度 采取屏蔽措施 选择合理的调制方法 如调相 提高信噪比等 可以大大降低但不能完全消除差错 目前一般通讯电路中 传输率为600 2400bps之间 误码率为10 4 10 6 高速传输的误码率为10 2 10 4 对DCS系统的传输 误码率要求低于10 9 数据通信中为实现无差错传送而使用的技术称为差错控制 应用抗干扰码和纠错 差错噪声 白噪声 分子热运动引起 随机错误 冲击噪声 电磁干扰引起 突发错误 1 抗干扰编码的基本思想 人们交谈时 有时并没有听懂对方讲话的每个字 每个名 但是却能够懂得对方讲话的含义 因为语言中的字与字 名与名之间存在着相关性和规律性 抗干扰编码就是基于这种思想 使原来不带规律性或规律性不强的信息序列I 变换为带上规律性或使其规律性加强的序列C 接收端在接收时 可利用这种规律性进行检验 解码 从而发现错误 告诉发送端重发 或自行纠正错误 在具体编码时 就是在原始序列I的后面 以一定的规则加入一些冗余码元 加入的冗余码元称监督码元或校验码元 因此 用抗干扰编码的方法提高数据传输系统的可靠性是以牺牲有效性作代价的 检错码 指能检查出差错的码 纠错码 不仅能发现差错而且能自动纠正差错的码 2 差错控制的基本方式 1 自动纠错 方式 发送端发送能够纠错的码 接收端收到这些码后 通过纠错码译码器不仅能自动的发现错误 而且能自动的纠正传输中的错误 然后再把已纠正的数据 或信息 送给接收端 称为前向纠错 简称FEC 优点 不需贮存和反馈信道 能用于单向通信 适合不延迟实时通信系统 缺点 编码必须与信道的噪声干扰情况紧密对应 要求附加的监督码元多 传输效率低 解码设备复杂 2 检错重发 方式 发送端发送能检测差错的码 接收端检验传输中有无差错产生 并把检验结果经反馈信道送回到发送端 发送端根据反馈信息把接收端认为有错信息再次发送 直到接收端判定无错为止 称为反馈重发纠错 简称ARQ 优点 比自动纠错能力强 编码与信道的噪声干扰情况无关 要求附加的监督码元少 传输效率低 解码设备简单 缺点 需贮存器和反馈信道 只能用于双向通信 有时需要多次重发 实时性不强 而且不论错误多少 一有错就要反馈重发 效率低 3 自动纠错与检错重发结合的混合纠错方式 3 检错码 纠错码 2 循环冗余码 计算机网络和DCS中主要应用的抗干扰码 A 线性码 r个校验码元的每一个都是该码字中某些信息码元的模2和 即按照线性关系相加 这样组成的长度为n k r的码 称为线性码 表示为 n k 例如 7 3 三个信息码元C6C5C4 四个校验码元C3C2C1C0 可按以下线性关系求得C3 C6 C4C2 C6 C5 C4C1 C6 C5一致检验方程组C0 C5 C4封闭性 许用码字对应位模2相加 仍为许用码字 3 检错码 纠错码 B 循环码 n k 线性码 V V0 V1 V2 VN 1 各位循环右移 仍为许用码字 码多项式V x 把码字V的各位看作是一个多项式的系数 而X的幂次指出每一系数在码字中所处的位置 即 V x Vn 1xn 1 Vn 2xn 2 V0可以证明存在g x 在 n k 循环码中 每个码多项式C x 都是g x 的倍式 而每个为g x 倍式且次数小于或等于 n 1 的多项式 必是一个码多项式 生成多项式g x V x m x g x 3 检错码 纠错码 系统码 每一个码字的前K位为信息位 后面n k位为校验位C 系统循环码的生成 用m个数据位对应的码多项式乘以x的 n k 次幂后 再除以生成多项式g x 模2运算 把所得余式对应的码字和数据码接在一起 例 m 101 g x 1 x x x则 m x 1 x 乘以x 得到x x 除以g x 得余式 x 1 及码多项式V X x x x 1V 1010011 2 4 6 4 6 4 3 4 2 3 检错码 纠错码 D 循环码检错 发送端把码字发送出去 接受端把收到的信息所对应的码多项式除以同一个生成多项式 若能整除则无差错 n k 循环码可以检查出 全部单错 全部双错 全部奇数个错全部不大于r位的突发错 r n k 1 2 100 的r 1位突发错 1 2 100 的多于r 1位突发错 r 1 r 3 检错码 纠错码 D 循环码检错 常用循环冗余玛的生成多项式 CRC 12 X X X X X 1CRC 16 X X X 1CRC CCITT X X X 1DCS常用16位的CRC码 12 11 3 2 16 15 2 16 12 5 例 不同编码位数发送天气预报的纠错情况从表中可知 情形1用1个bit表示两种状态 没有冗余状态 因此没有任何检 纠错能力 情形2用2个bit表示两种状态11 晴 00 雨 常把11 00称为许用码字 还有两种不被使用的状态01 10称为禁用码字 当许用码字错一位 就变成禁用码字 因此可以判断有一位错了 但还是不知道到底哪位错了 情形3用3个bit表示两个许用码字111 晴 000 雨 因此还有6个禁用码字 此时当发生一位错码时 例如111错成110 不仅可以检测错误 而且根据最大似然法可以纠正错误 当发生两位错码时 例如000错成101 仍然可以检测出有错误 多路复用技术 多路复用技术