集散控制系统及现场总线 教学课件 作者 张岳第6章.ppt

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1、第6章现场总线技术与应用6.1现场总线的基本概念6.2现场总线的结构与特点6.3常用的现场总线6.4现场总线控制系统的组态6.5现场总线系统的应用实例6.1现场总线的基本概念根据国际电工委员会IEC(InternationalElectrotechnicalCommision)标准和现场基金会FF(FieldbusFoundation)的定义，现场总线的概念一般为：一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的底层通信总线。现场总线是90年代在国际上兴起的新一代全分布式控制系统的核心技术。作为未来工业自动化主流的现场总线控制

2、系统(FieldbusControlSystem,FCS)有如下优点：(1)全数字化(2)全分布(3)双向传输(4)自诊断(5)节省布线及控制室空间(6)多功能仪表(7)开放性(8)互操作性(9)智能化与自治性6.2现场总线的结构与特点6.2.1现场总线的结构根据国际电工委员会标准和现场基金会的定义，现场总线的结构特点主要体现在以下几方面。1.现场通信网络图6-1中的现场控制层网络有FF现场总线低速网段H1、高速网段HSE和LonWorks现场总线。2.现场设备互联现场设备或现场仪表是指变送器、执行器、服务器、网桥、辅助设备以及监控设备等。这些设备

3、通过一对传输线互联(如图6-1所示)。3.互操作性现场设备互连是基本要求，只有实现互连操作，用户才能自由地集成FCS。图6-1现场总线连接示意图4.分散功能块FCS摒弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。如图6-2所示。5.通信线供电FCS允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表，与其配套的还有安全栅。6.开放式互联网络现场总线为开放式互联网络，既与同层网络互联，又可以与不同层网络互联。开放式互联网络还体现在网络数据库共享。现场总线的结构(续)图6

4、-2FCS中的分散功能块6.2.2现场总线的技术优势现场总线技术是以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的一门综合技术。FCS与传统的集散型控制系统(DCS)相比较，主要有以下技术优势：1.数字式通信方式取代设备级的模拟量(如4~20mA，0~5V等信号)和开关量信号。2.实现车间级与设备级的数字化网络通信，是工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化革命。3.在自控系统与设备中加入工厂信息网络，使之成为企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。4.在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现

5、场级与车间级信息集成的技术基础。6.3常用的现场总线现场总线技术产生于20世纪80年代，目前主要的现场总线有：控制局域网络(ControllerAreaNetwork，CAN)局域操作网络(LocalOperatingFieldBus，LonWorks)过程现场总线(ProcessFieldBus，PROFIBUS)HART协议(HART)等6.3.1基金会现场总线FF基金会现场总线FF是为了迎合自动化系统，特别是过程自动化系统在功能、适应条件与技术上的需要而专门设计的。FF协议标准是由现场总线基金会组织开发的。基金会现场总线FF是国际公认的惟一不

6、附属于某企业的、公正的、非商业化的国际标准化组织，其宗旨是制定单一的国际现场总线标准，无专利许可要求，任何人均可使用。下面就FF现场总线的主要特性进行说明。1.基金会现场总线以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。其模型结构如图6-3所示。2.基金会现场总线初期分为低速H1和高速H2两种通信速率。H1为用于过程自动化的低速总线。当其传输速率为31.25kbit/s时，通信距离为200~1900m(取决于传输介质)，可支持总线供电和本质安全防爆环境；H2为用制造自动化的

7、高速总线，当其传输速率为1.0Mbit/s时，传输距离为750m；当传输速率为2.5Mbit/s时，传输距离为500m。FF现场总线的主要特性图6-3FF通信模型3.基金会现场总线网络拓扑结构有两种：单网段拓扑结构和桥式网络拓扑结构。H1支持点对点连接、总线形、菊花链形或树形拓扑结构；HSE支持总线形拓扑结构。图6-4所示为基于FF(包括H1和HSE)控制系统的网络拓扑结构。4.基金会现场总线支持双绞线、同轴电缆、光缆和无线等传输介质，目前，应用最广的是前两种，其传输信号采用曼切斯特编码。5.基金会现场总线采用可变长帧结构，每帧的有效节数为0～25

8、1个。FF现场总线的主要特性(续)图6-4基于FF控制系统的网络拓扑结构6.3.2CAN总线CAN全称是Controlle