《過程控制與自動化儀表》 教案 19.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

《過程控制與自動化儀表》課程教案NO.19授課班級周次日期任課教師復習提問控制器類型及使用方法學習模塊模塊七計算機過程控制系統(tǒng)學習任務任務2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)授課內容現(xiàn)場控制系統(tǒng)的組建方法課時2教學目標知識目標：1.了解現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)定義及特點；2.了解主要的幾種現(xiàn)場總線標準及應用范圍；3.掌握現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的組成及組建方法。能力目標：1.培養(yǎng)學生現(xiàn)場總線組建能力；2.培養(yǎng)學生解決問題的能力。素質目標：1.培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度、嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L和勇于進取的精神。重點難點重點：現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組建；難點：各種現(xiàn)場總線的標準及適用范圍。授課過程步驟內容方法、資源運用1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)概述多媒體課件2幾種現(xiàn)場總線標準多媒體課件、實例演示3現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)組成多媒體課件、實例演示4現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)構建多媒體課件、實例演示5授課方式講授教學地點實訓室教學資源西門子PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)、投影系統(tǒng)、PPT電子課件

教學時間教學內容注釋5分鐘回顧集散控制相關內容，進行復習提問。80分鐘一、現(xiàn)場控制系統(tǒng)概述1．現(xiàn)場總線的定義現(xiàn)場總線是安裝在生產過程區(qū)域的現(xiàn)場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線。基于現(xiàn)場總線構建的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem，簡稱FCS）。2．現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點（1）結構方面（2）技術方面（3）經濟方面3．現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展二、幾種主要現(xiàn)場總線簡介1．FF現(xiàn)場總線基金會現(xiàn)場總線（FoundationFieldbus，F(xiàn)F）是由國際公認的、唯一不附屬于任何企業(yè)的、非商業(yè)化的國際標準組織——現(xiàn)場總線基金會提出?；饡F(xiàn)場總線分為低速現(xiàn)場總線H1和高速現(xiàn)場總線HSE兩種通信速率。低速現(xiàn)場總線H1的傳輸速率為31.25kbit/s，高速現(xiàn)場總線HSE的傳輸速率為100Mbit/s，H1支持總線供電和本質安全特性。H1最大通信距離為1900m（如果加中繼器可延長至9500m），每個網(wǎng)段最多可直接連接32個節(jié)點。如果加中繼器最多可連接126個節(jié)點。通信媒體為雙絞線、光纜或無線電。FF的H1和HSE分別是IEC61158的標準子集1和5。應用領域以過程自動化為主。2.PROFIBUS現(xiàn)場總線（1）PROFIBUS-FMS主要是用來解決車間級通用性通信任務?？捎糜诖蠓秶蛷碗s的通信?？偩€周期一般小于100ms。（2）PROFIBUS-DP這是一種經過優(yōu)化的高速和便宜的通信總線。它的設計是專門為自動控制系統(tǒng)與分散的I/O設備級之間進行通信使用的?？偩€周期一般小于10ms。（3）PROFIBUS-PA是專門為過程自動化設計的。它可使傳感器和執(zhí)行器接在一根共用的總線上，甚至在本質安全領域也可接上。根據(jù)IEC1158－2標準，PROFIBUS-PA用雙絞線進行總線供電和數(shù)據(jù)通信。PROFIBUS主要用于加工制造自動化、過程自動化和樓宇自動化等行業(yè)。3.ControlNet現(xiàn)場總線（1）網(wǎng)絡帶寬的利用率高采用CTDMA技術，數(shù)據(jù)一旦發(fā)送到網(wǎng)絡，網(wǎng)絡上的其他節(jié)點就可同時接收。因此，與主從式傳輸技術比較，不需要重復發(fā)送同樣的信息到不同的從站，從而減少在網(wǎng)絡上的通信量。（2）同步性好由于在網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)可同時被多個節(jié)點接收，與主從式傳輸方式比較，各節(jié)點可同時接收數(shù)據(jù)。因此，同步性好。（3）實時性好采用在預留時間段的確定時間內周期重復發(fā)送，保證有實時要求的數(shù)據(jù)能夠正確發(fā)送。并且，可根據(jù)實時性要求，設置時間片的大小，進行預留，從而保證實時性。（4）避免數(shù)據(jù)訪問的沖突采用虛擬令牌，只有獲得令牌的節(jié)點可發(fā)送數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)訪問的沖突現(xiàn)象，提高了傳輸效率。（5）高吞吐量傳輸速率5Mbit/s時，網(wǎng)絡刷新速率為2ms。4.CAN總線控制器局域網(wǎng)絡（ControllerAreaNetwork，CAN）總線主要應用于汽車制造、公共交通車輛、機器人、液壓系統(tǒng)、分散型I/O。5.LonWorks總線LonWorks現(xiàn)場總線是美國Echelon公司開發(fā)的現(xiàn)場總線技術。主要應用于工業(yè)控制、樓宇自動化、數(shù)據(jù)采集、SCADA系統(tǒng)等。LonWorks技術的核心是具備通信和控制功能的Neuron（神經元）芯片。它包括一個固化的高級通信協(xié)議LonTalk、三個微處理器、一個多任務操作系統(tǒng)和靈活的輸入/輸出方式。LonTalk協(xié)議提供了OSI參考模型所定義的全部7層協(xié)議，其中1~6層被封裝到Neuron（神經元）的芯片中，只有第七層應用層是根據(jù)應用對象自行定義的。LonWorks技術符合ISO的OSI標準，開放性、互聯(lián)性及互操作性好。不同公司的產品可以相互兼容，系統(tǒng)擴容十分方便。6.DeviceNet總線設備網(wǎng)絡（DeviceNet）總線是基于CAN總線技術的設備級現(xiàn)場總線。它由嵌入CAN通信控制器芯片的設備組成，是用于低壓電器和離散控制領域的現(xiàn)場設備之間通信的現(xiàn)場總線。DeviceNet總線采用總線型網(wǎng)絡拓撲結構，每個網(wǎng)段可連接64個節(jié)點，傳輸速率有l(wèi)25kbit/s、250kbit/s和500kbit/s等。主干線最長為500m，支線為6m。支持總線供電和單獨供電，供電電壓24V。采用基于連接的通信方式，報文的發(fā)送可以是周期或狀態(tài)切換，采用生產者/消費者的網(wǎng)絡模式。通信連接有輸入輸出連接和顯式連接兩種。輸入輸出連接用于對實時性要求較高的輸入輸出數(shù)據(jù)的通信。顯式連接用于組態(tài)數(shù)據(jù)、控制命令等數(shù)據(jù)的通信。7.WorldFIP現(xiàn)場總線分為三級，即過程級、控制級和監(jiān)控級。WorldFIP的協(xié)議結構是由ISO/OSI模型的第一層、第二層和第七層構成。傳輸媒體可以是屏蔽雙絞線或光纖。不同應用領域采用不同的總線速率。過程控制采用31.25kbit/s，制造業(yè)為1Mbit/s，驅動控制為1~2.5Mbit/s。采用總線仲裁器和優(yōu)先級來管理總線上（包括各支線）的各控制站的通信?？蛇M行1對1、1對多點（組）、1對全體等多重通信方式。WorldFIP現(xiàn)場總線適用于過程自動化、制造業(yè)自動化、電力及樓宇自動化等方面。8.HART總線可尋址遠程傳感器總線（HighwayAddressableRemoteTransducer，HART）通信協(xié)議，它是在DC4～20mA模擬信號上疊加頻移鍵控（FrequencyShiftKeying，F(xiàn)SK）數(shù)字信號。既可以傳輸DC4～20mA模擬信號，也可傳輸數(shù)字信號。HART通信基金會（HARTCommunicationFoundation，HCF），約有70多個公司加盟，如Rosemount、Siemens、E+H、Yokogawa等。9.Modbus總線Modbus通信有ASCII和RTU（RemoteTerminalUnit）兩種模式，一個Modbus通信系統(tǒng)中只能選擇其中的一種模式，不允許兩種模式混合使用。采用RTU模式，消息的起始位以至少3.5個字符傳輸時間的停頓開始（一般采用4個），在傳輸完最后一個字符后，有一個至少3.5個字符傳輸時間的停頓來標識結束。一個新的消息可以在此停頓后開始。在接收期間，如果等待接收下一個字符的時間超過1.5個字符傳輸時間，則認為是下一個消息的開始。校驗碼采用CRC-16方式，只對設備地址、功能代碼和數(shù)據(jù)段進行校驗。整個消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸，傳輸速率較ASCII模式高。10.CC-Link總線CC-Link是Control&CommunicationLink（控制與通信鏈路系統(tǒng)）的簡稱。CC-Link是允許在工業(yè)系統(tǒng)中，將控制和信息數(shù)據(jù)同時以10Mbit/s的高速傳輸?shù)默F(xiàn)場總線。作為開放式現(xiàn)場總線，CC-Link是唯一起源于亞洲地區(qū)的總線系統(tǒng)，它的技術特點更適應亞洲人的思維習慣。CC-Link是一個高速、穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡，其最大通信速度可以達到10Mbit/s，最大通信距離可以達到1200m（加中繼器可以達到13.2km）。當CC-Link連接64個站、以10Mbit/s的速度進行通信時，掃描時間不超過4ms。三、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)組成1.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的硬件構成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的硬件主要由測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等部分組成。2.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的軟件現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的軟件包括操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡管理、通信軟件和監(jiān)控組態(tài)軟件等。四、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的組態(tài)以PROFIBUS為例。（大屏幕投影）逐一解說現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)特點及發(fā)展過程，案例分析讓學生加深印象。（大屏幕投影）逐一解說各種現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)特點及應用方向，案例分析讓學生加深印象。（大