《現(xiàn)場總線技術》PPT課件.ppt

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現(xiàn)場總線技術 第一章現(xiàn)場總線概述 1 1現(xiàn)場總線簡介自動化領域的計算機局域網(wǎng) 是企業(yè)的底層數(shù)字通信網(wǎng)絡 是連接微機化儀表的開放系統(tǒng) 現(xiàn)場總線不僅僅是總線技術 更是一個系統(tǒng)技術 1 1概述計算機技術實現(xiàn)過程控制 智能傳感器的發(fā)展 數(shù)字信號對模擬信號的取代 形成了一種先進的工業(yè)測控技術 現(xiàn)場總線 Fieldbus 現(xiàn)場總線是連接工業(yè)過程現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)之間的全數(shù)字化 雙向和多站點的串行通信網(wǎng)絡 從各類變送器 傳感器 人 機接口裝置中獲取信息 通過控制器向執(zhí)行器傳送信息 構成現(xiàn)場總線系統(tǒng)FCS FieldbusControlSystem 1 1 1什么是現(xiàn)場總線 定義 應用在生產(chǎn)現(xiàn)場 在計算機控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多點數(shù)字通信的系統(tǒng) 特點 1 傳統(tǒng)測量儀器儀表微機化 具有數(shù)字計算 通信能力2 可用雙絞線作為總線 連接現(xiàn)場儀器儀表成網(wǎng)絡系統(tǒng) 特點 3 執(zhí)行公開 規(guī)范的通信協(xié)議4 現(xiàn)場儀表 控制設備與遠程監(jiān)控計算機之間 實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸 信息交換 形成各種適應實際需要的自動控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的其它特點 1 全數(shù)字化通信2 1對N結構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 開發(fā)式系統(tǒng) 1 1 2現(xiàn)場總線的體系結構 1 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場或生產(chǎn)設備 用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表互聯(lián)的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡 2 現(xiàn)場設備互聯(lián)現(xiàn)場設備指變送器 執(zhí)行器 服務器 網(wǎng)橋和輔助設備及監(jiān)控設備 3 互操作性不同廠家的現(xiàn)場設備的交互操作與互換 實現(xiàn)即接即用 用戶能自由集成FCS4 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)場儀表 構成虛擬控制站 統(tǒng)一組態(tài) 對所需控制系統(tǒng)實現(xiàn)徹底的分散控制 5 通信線供電 如 I2C總線 6 開放式互聯(lián)網(wǎng)絡既可以與同層網(wǎng)絡互聯(lián) 又可與不同層網(wǎng)絡互聯(lián) 統(tǒng)一組態(tài) 使不同廠家網(wǎng)絡及設備融為一體 構成統(tǒng)一的FCS 1 1 3幾種有影響的現(xiàn)場總線 1 基金會現(xiàn)場總線 FoundationFieldbus ff 應用領域以過程自動化為主2 Profibus總線應用領域 制造業(yè)自動化 過程自動化 電力 樓宇 鐵路交通3 LonWorks總線應用領域 樓宇4 CAN總線應用領域 汽車 機器人 液壓系統(tǒng)等 幾種有影響的現(xiàn)場總線 5 WorldFIP總線應用領域 過程自動化 制造業(yè)自動化 電力 樓宇等6 P NET總線應用領域 石化 能源 交通 輕工 建筑 環(huán)保和制造業(yè)等 7 HART HighwayAddressableRemoteTransducer 可尋址遠程傳感器高速通道開放協(xié)議特點 在模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字通信 1 1 4現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS 一 FCS的組成組成特點 采用智能現(xiàn)場設備 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)場設備 直接在現(xiàn)場完成應用現(xiàn)場設備的通信能力 現(xiàn)場的測量變送儀表與執(zhí)行機構直接傳送信號實現(xiàn)了徹底的分散控制 組成 FCS組成 數(shù)字信號代替模擬信號 1對N通信 通信電纜又對設備提供電源 現(xiàn)場設備以外不再需要A D D A轉換部件 FCS由控制系統(tǒng)軟件 測量系統(tǒng) 網(wǎng)絡系統(tǒng)和管理系統(tǒng)組成 1 控制系統(tǒng)軟件 包括監(jiān)控組態(tài)軟件 維護軟件 仿真軟件和設備管理軟件等步驟 1 選擇開發(fā)組態(tài)軟件 控制操作人機接口軟件 2 組態(tài)軟件 完成功能塊間的連接 3 選定功能參數(shù) 進行網(wǎng)絡組態(tài) 4 在網(wǎng)絡運行過程中對系統(tǒng)實時采集 處理數(shù)據(jù) 優(yōu)化控制 邏輯控制 監(jiān)控 顯示 輸出報表等 2 測量系統(tǒng) 多變量高性能的測量 使測量儀表具有計算能力等更多功能3 設備管理系統(tǒng)提供自身及過程的診斷 管理 設備運行狀態(tài)和廠家提供的設備制造等信息4 計算機服務模式客戶 服務器模式5 數(shù)據(jù)庫有組織的 動態(tài)的存儲大量有關數(shù)據(jù)與應用程序6 網(wǎng)絡系統(tǒng)的硬件與軟件硬件含 系統(tǒng)管理主機 服務器 網(wǎng)關 協(xié)議轉換器 計算機及底層智能儀表軟件含 網(wǎng)絡操作軟件 服務器操作軟件 應用軟件數(shù)據(jù)庫 通信協(xié)議 網(wǎng)絡管理協(xié)議等 二 FCS的體系結構 1 現(xiàn)場總線與局域網(wǎng)連接 實現(xiàn)了新的結構體系 具有 決策自上而下 對下層充分授權 下層有靈活性 主動決策各部門間有相容性 相互支持的群體目標 可考慮不同部門間有交叉的功能性組織各層間相互通信聯(lián)系 2 新體系結構2 包含 三層結構 底層 設備層中間層 生產(chǎn)管理層上層 工廠管理層兩層網(wǎng)絡 底層 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡層中間層 局域網(wǎng)絡層最底層是現(xiàn)場測量設備和執(zhí)行機構 包括DCS PLC和I O設備 它們匯集的總線是現(xiàn)場總線 典型的FCS組成結構 三 現(xiàn)場總線設備 現(xiàn)場總線設備的類型可以是現(xiàn)場總線基金會制定的幾種類型中的任意一種 每種類型的物理設備都具有通信能力 5種設備類型 1 臨時設備工作在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡上 用于對網(wǎng)絡組態(tài)和排除設備故障2 靜態(tài)塊現(xiàn)場設備是一種包含功能塊應用進程的現(xiàn)場設備 所有的功能塊在靜態(tài)下被確定 5種設備類型 3 動態(tài)塊現(xiàn)場設備有靜態(tài)塊現(xiàn)場設備同樣的特性 但具有對功能塊動態(tài)安裝和刪除的能力4 接口設備執(zhí)行現(xiàn)場設備之間的接口功能5 顯示設備 現(xiàn)場總線設備管理 現(xiàn)場總線設備管理的3個因素 1 包含智能多參數(shù)變送器和具有預維護 診斷的智能現(xiàn)場設備2 開放的通信協(xié)議3 現(xiàn)場總線設備管理軟件具有 完成設備整定 組態(tài) 診斷 預測維護 檢測 向維護人員提供有效精確的維護報告 現(xiàn)場總線設備管理圖示 四 現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡的體系結構 現(xiàn)場總線的本質(zhì) 是一種控制網(wǎng)絡 直接面向生產(chǎn)過程 與Internet等信息網(wǎng)絡不同 要求 很高的實時性 可靠性 數(shù)據(jù)完整性和可用性 特點 1 對標準網(wǎng)絡協(xié)議進行簡化 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 綜合自動化 統(tǒng)一的現(xiàn)場總線控制模型 1 過程控制層PCS將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和智能儀器 設備互聯(lián)的實時控制通信網(wǎng) 遵循OSI通信協(xié)議 2 制造執(zhí)行層MES從現(xiàn)場設備中獲取數(shù)據(jù) 完成各種控制 運行參數(shù)監(jiān)控 報警和趨勢分析3 企業(yè)資源規(guī)劃層ERP在分布式網(wǎng)絡環(huán)境下構建安全的遠程監(jiān)控系統(tǒng) 遠程用戶可實時查詢 監(jiān)控現(xiàn)場生產(chǎn)過程 1 5 5通信模型與協(xié)議 現(xiàn)場總線為滿足實時性的要求將ISO SIO參考模型七層結構簡化為三層體系結構 應用層 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層 五 通信模型與協(xié)議 1 物理層 定義了網(wǎng)絡信道與連接方式 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)鏈路層 DDL DDL定義了一系列服務于應用層的功能和向下與物理層的服務 提供了媒體存取控制功能 信息傳輸?shù)牟铄e檢驗 DDL是現(xiàn)場總線的核心 所有連接到同一物理通道上的應用進程 都是通過DDL的實時管理來協(xié)調(diào)的 3 應用層 專門為工業(yè)自動化領域現(xiàn)場裝置的控制和具體應用而設計 為用戶提供一系列的服務 簡化或?qū)崿F(xiàn)分布式控制系統(tǒng)中應用進程之間的通信 同時為分布式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)提供了應用接口的操作標準 實現(xiàn)了系統(tǒng)的開發(fā)性 1 5以現(xiàn)場總線為基礎的企業(yè)信息系統(tǒng) 1 5 1企業(yè)信息系統(tǒng)的組成 1 5 2企業(yè)信息系統(tǒng)的功能模型 1 5 3企業(yè)信息系統(tǒng)的集成環(huán)境 1 6MAP TOP與現(xiàn)場總線 1 6 1定義MAP 制造自動化協(xié)議 ManufacturingAutomationProtocol 用于工業(yè)生產(chǎn)的開放式標準通信系統(tǒng) 用于制造自動化的局域網(wǎng)協(xié)議TOP TechnicalandProtocal 適合辦公自動化協(xié)議 與MAP相互補充與集成 1 6 2TOP MAP Fieldbus的網(wǎng)絡結構 80年代 1 6 3LAN Fieldbus TCP IP協(xié)議為基礎 小結 第2章網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)通信基礎 2 1總線的基本概念2 1 1總線的基本術語總線 遵循同一技術規(guī)范的連接與操作方式 傳輸信息或信號的公共路徑 總線段 一組設備通過總線連接在一起總線主設備 可以在總線上發(fā)起信息傳輸?shù)脑O備總線從設備 只能掛接在總線上 對總線信息接收 查詢的設備 2 1 1總線的基本術語1 控制連接在總線上的設備控制信號 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 管理主從設備使用總線的一套規(guī)則報文 報文分組 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 2 1 2總線操作的基本內(nèi)容總線操作 總線上命令者與響應者間的連接數(shù)據(jù)傳送脫開的操作序列數(shù)據(jù)傳送 讀 寫 數(shù)據(jù)操作讀 來自響應者的數(shù)據(jù)寫 向響應者寫數(shù)據(jù)通信請求物理尋址 特定位置的從設備尋址邏輯尋址 指定存儲器單元的通用區(qū)廣播尋址 用于選擇多個響應者 2 1 2總線操作的基本內(nèi)容 總線仲裁總線定時 用定時信號進行同步 指明數(shù)據(jù) 地址信號什么時候有效出錯檢測容錯 重新分配地址 隔離故障多段總線操作 多段互連 2 2通信系統(tǒng)簡介 2 2 1通信系統(tǒng)的組成 2 2節(jié) 2 4節(jié)自學 2 5介質(zhì)訪問控制方式 目的 解決同一時刻多個設備爭用傳輸設備 方法 1 隨機訪問方式 常用CSNA CD爭用總線技術2 控制訪問方式 常用令牌總線 令牌環(huán) 2 5 1CSMA CD 載波監(jiān)聽多路訪問 沖突檢測 特點 監(jiān)聽總線狀態(tài) 先聽后講 介質(zhì)空閑發(fā)送 介質(zhì)忙 等待一段時間后再試 三種CSMA堅持退避算法 1 不堅持CSMA 介質(zhì)空閑 則發(fā)送 否則等待隨機時間 重試 2 1 堅持CSMA 介質(zhì)空閑 則發(fā)送 介質(zhì)忙 繼續(xù)監(jiān)聽 直到介質(zhì)空閑 立即發(fā)送 3 P 堅持CSMA 介質(zhì)空閑 以P的概率 隨機算法 發(fā)送 介質(zhì)忙 繼續(xù)監(jiān)聽 直到介質(zhì)空閑 立即發(fā)送 2 5 2令牌訪問控制方式 基本方式 按一定順序在各站點傳遞令牌 誰得到令牌 誰才有發(fā)報權 兩種令牌方式 1 令牌環(huán)方式 2 令牌傳遞總線方式 網(wǎng)上各工作站按一定順序形成邏輯環(huán) 首尾相連