第16章 现场总线控制系统,自动检测技术及仪表控制系统 第二版,化学工业出版社,Contents,16.1现场控制总线的发展,（1）现场总线的产生 现场总线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、多点和多站的通讯系统。 现场总线的出现和产生是在与传统计算机控制系统相比较的过程中，由其独特的优势所决定的。 现行的DCS系统不能很好地满足系统的开放和互联要求。 用户对现场总线技术的需求。,16.1现场控制总线的发展,（2）现场总线的发展过程 现场总线思想产生于20世纪80年代中期，直到90年代初期才有相应的标准推出，供设计和产品使用。 在现场总线的开发和研究过程中，较为突出的现场总线系统有： HART、 CAN 、 LonWorks ProfiBus、 FF,16.1现场控制总线的发展,（3）底层总线系统 在现场总线发展过程中，一些企业还开发和研制了一些更为专用、比现场总线更为底层的总线系统，如： ControlNet、DeviceNet、ASi,16.1现场控制总线的发展,（4）现场总线控制系统特征 特征： 系统彻底网络化 全分散式的系统结构 现场设备的互操作性 开放式互联网络 技术和标准全开放 优点： 一对N结构、可靠性高、操作性好、综合能力强、统一组态,16.2 主要现场总线,（1）CAN总线系统 CAN（控制器局域网Controller Area Net）是主要用于各种过程或设备监测及控制的一种网络。 从物理结构上看，CAN属于总线型通讯网络。,16.2 主要现场总线,（1）CAN总线系统 基于CAN总线的测控网络典型系统示意,16.2 主要现场总线,（1）CAN总线系统 CAN总线具有的特性： 符合国际标准ISO11898规范的CAN总线规范2.0PART和PARTB； 以多主方式工作； 网络上的节点可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求； 采用非破坏性总线裁决技术，大大地节省了总线冲突裁决的时间； 可以采用点对点、一点对多点及全局广播的方式传送和接受数据； 直接通讯距离最远可达10km（此时速率为5kbps）； 通讯速率最高可达Mbps（此时传输距离最长为m）；,16.2 主要现场总线,（1）CAN总线系统 网络上节点数实际可达个； 采用短帧结构，每帧的有效字节数为； 每帧信息都有CRC检验及其他检错措施； 通讯介质采用双绞线，无特殊要求； 在发生严重故障时，节点具有自动关闭总线的功能； 采用犖犚犣编码和解码方式，并有位填充（插入）技术。,16.2 主要现场总线,（1）CAN总线 CAN网络的通讯及网络协议主要由CAN控制器来完成； CAN控制器包含了所有控制CAN网络通讯的单元和模块； CAN网络采用的是串行通信协议，因此可以非常有效地构成分布式实时过程监测控制系统，具有很高的可靠性。,16.2 主要现场总线,（2）LonWorks总线系统 LON是Local Operating Network的缩写； LonWorks是美国Echelon公司推出的一种功能全面的测控网络；,16.2 主要现场总线,（2）LonWorks总线系统 LonWorks的主要特性： 其基本组成元件的Neuron芯片同时具备通讯和控制功能，且固化了ISO/OSI的全部层通讯协议，以及种常见的I/O控制对象； 网络协议开放，对任何用户平等； 网络拓扑可以自由组合； 可以使用所有已有的网络结构； 改善了网络通讯冲突的CSMA检测方法；,16.2 主要现场总线,（2）LonWorks总线系统 网络通讯采用了面向对象的设计方法； 通讯介质无限制； 通讯帧的有效字节数从到个字节； 通讯速率可达1.25Mbps； 网络上的节点数可达32000个； 直接通讯距离可达27000m。,16.2 主要现场总线,（2）LonWorks总线系统 LonWorks核心单元Neuron芯片功能框图,16.2 主要现场总线,（3）ProfiBus总线系统 ProfiBus（Proces Field Bus）总新系统是德国标准，针对具体应用领域有不同的形式： ProfiBus-FMS：符合德国标准DIN19245 T1+T2和欧洲标准PrEN50170; ProfiBus-DP：符合德国标准DIN19245 T1+T2和欧洲标准PrEN50170; ProfiBus-PA：符合德国标准DIN19245 T4和国际标准IEC1158-2;,16.2 主要现场总线,（3）ProfiBus总线系统 ProfiBus-FMS和 ProfiBus-DP网络协议结构,16.2 主要现场总线,（4）FF总线系统 FF总线系统是现场总线基金会（Fieldbus Foundation）推出的总线系统。 FF总线系统的通讯协议标准是参照国际标准化组织ISO的开放系统互联OSI模型，并对其进行了改造而成的，保留了第层的物理层、第层的数据链路层和第层的应用层，而且对应用层进行了较大的改动，分成了现场总线存取和应用服务两部分。此外，在第层之上还增加了含有功能块的用户层。功能块的引入，使得用户可以摆脱复杂的编程工作，而直接简单地使用功能块对系统及其设备进行组态。这样使得犉犉总线系统标准不仅仅是信号标准和通讯标准，更是一个系统标准，这也FF总线系统标准和其他现场总线系统标准的关键区别,16.2 主要现场总线,（4）FF总线系统 FF总线系统包含低速总线H1和高速总线H2：,16.3 现场总线控制系统,（1）现场总线单元设备 用于过程自动化并构成现场总线控制系统FCS的基本设备有： 变送器 执行器 服务器和网桥 辅助设备 监控设备,16.3 现场总线控制系统,（1）现场总线单元设备 由现场总线仪表单元组成的网络系统有如下结构：,16.3 现场总线控制系统,（2）现场总线控制系统结构 现场总线控制系统FCS是在集散控制系统DCS的思想上，集成了新一代的网络技术而产生的。 FCS将传统的仪表单元微计算机化，并用现场总线网络的方式代替了点对点的传统连接方式，从根本上改变了控制系统的结构和关联方式。,16.3 现场总线控制系统,（2）现场总线控制系统结构 控制系统的典型结构：DDC、DCS、FCS,16.3 现场总线控制系统,（2）现场总线控制系统结构 控制系统的典型结构：DDC、DCS、FCS,16.3 现场总线控制系统,（2）现场总线控制系统结构 控制系统的典型结构：DDC、DCS、FCS,16.3 现场总线控制系统,（2）现场总线控制系统结构 DCS的出现解决了DDC控制过于集中、系统危险性也过于集中的问题； 现场总线控制系统FCS的出现，从根本上解决了控制系统接线的问题，采用双绞线即可将所有的现场总线仪表单元连接在一起。 此外，在FCS中系统的危险性也降到了最低。,16.3 现场总线控制系统,（2）现场总线控制系统结构 基于FF现场总线的典型FCS结构图,16.3 现场总线控制系统,（2）现场总线控制系统结构 基于LonWorks的典型FCS结构图,16.3 现场总线控制系统,（3）现场总线系统集成与扩展 现场总线控制系统FCS是现场通讯网络与控制的集成，其节点是现场仪表单元或现场设备 现场仪表单元如基于现场总线的传感器、变送器、执行器和控制器等； 现场总线的现场设备：只要带有现场总线接口的控制设备均可使用。,16.3 现场总线控制系统,（3）现场总线系统集成与扩展 将网络化处理的现场设备和现场仪表通过现场总线连接起来，实现一定控制作用的系统是现场总线系统集成的过程和目的。较全面的集成系统如：,16.3 现场总线控制系统,（3）现场总线系统集成与扩展 为完成较大控制任务和实现对控制过程的全面管理，还必须将其与上层控制系统有机地结合在一起。这是工业控制系统 发展的需要，也是企业 综合自动化的必然。 右图是基于现场总线系 统和LAN网络实现的现 代控制管理系统的信息 关系。,16.3 现场总线控制系统,（3）现场总线系统集成与扩展 在现场总线控制系统FCS自身集成的基础上，再将上层的管理和协调集成在一起，其控制系统如：,16.3 现场总线控制系统,（3）现场总线系统集成与扩展 计算机集成控制系统实例,16.4 现场总线控制系统发展趋势,（1）控制系统的组织重构 指用于实现各种控制作用的子系统或单元能够根据不同工作的需要，进行重新组织和调整，以适应实际生产的需要和变化。,16.4 现场总线控制系统发展趋势,（1）控制系统的组织重构 如果计算机控制系统实现了组织重构的目的，即可方便地实现如下功能： 提高控制系统的灵活性； 增强控制系统的适应性； 改善控制系统的可靠性； 为系统从事控制任务的协同实现提供了支持平台和条件。,16.4 现场总线控制系统发展趋势,（2）控制系统的工作协调化 计算机支持的协同工作（Computer Supported Collaborative Works，CSCW）是近年来发展极为迅速和备受关注的技术。 控制系统的协调工作包括多种任务目标的群决策、多个部门间的工作协作、信息的共享和管理以及复杂系统多目标的协调控制等。,16.4 现场总线控制系统发展趋势,（2）控制系统的工作协调化 计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS）是企业控制系统进行协调工作的典型应用。 智能交通系统（Intelligent Transportation Systems,ITS）是更大范围内控制系统协调工作的应用。,Thank You !,