儀表與裝置 第09章

1、9. 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng),Fieldbus Control System，F(xiàn)CS,現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)興起于90年代，它采用現(xiàn)場(chǎng)總線作為系統(tǒng)的底層控制網(wǎng)絡(luò)，溝通生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)儀表、控制設(shè)備及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系，相互間可以直接進(jìn)行數(shù)字通信，通常我們把FCS稱為第五代控制系統(tǒng)。,50年代之前的氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)稱作第一代 單元組合儀表為基礎(chǔ)的常規(guī)儀表控制系統(tǒng)稱為第二代 集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)稱為第三代 第四代控制系統(tǒng)是指70年代中期以后發(fā)展起來的DCS,作為新一代控制系統(tǒng)： 一 方 面：FCS突破了DCS采用專用通信網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于開放式、標(biāo)準(zhǔn)化的通信技術(shù)，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷； 另一

2、方面：FCS進(jìn)一步變革了DCS中“集散”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，形成了全分布式系統(tǒng)構(gòu)架，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)。,需要提醒的是，DCS以其成熟的發(fā)展、完備的功能及廣泛的應(yīng)用，在目前的工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)仍然扮演著極其重要的角色。,9.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的概述,a.包含CPU b.能直接數(shù)字通信 c.具有很強(qiáng)的功能,例如，智能化變送器除了具有常規(guī)意義上的信號(hào)測(cè)量和變送功能以外，往往它還具有自診斷、報(bào)警、在線標(biāo)定甚至PID運(yùn)算等功能,定 義,現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。 它的關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通訊。,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)體系,9.1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)

3、構(gòu)特點(diǎn),DCS實(shí)際上是“半分散”、“半數(shù)字”的系統(tǒng) FCS采用的是一個(gè)完全分散的控制方式,(1) 全數(shù)字化通信,(2) 開放型的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),(3) 互可操作性與互用性,(4) 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化,(5) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性,(6) 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性,9.1.3 現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特征,9.1.4 現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化概況,基本情況現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在歷經(jīng)了群雄并起，分散割據(jù)的初始階段后，盡管已有一定范圍的磋商合并，但由于行業(yè)與地域發(fā)展等歷史原因，加上各公司和企業(yè)集團(tuán)受自身利益的驅(qū)使，致使現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)工作進(jìn)展緩慢，至今尚未形成完整統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。,1999年形成了一個(gè)由8個(gè)類型組成的IEC61158

4、現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),IEC 61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)只是一種模式， 8種類型都是平等的,各組織按照IEC技術(shù)報(bào)告Type1的框架組織各自的行規(guī)，但不改變各組織專有的行規(guī)（Profile） 。,IEC標(biāo)準(zhǔn)的其中Type2Type8需要對(duì)Type1提供接口，而標(biāo)準(zhǔn)本身不要求Type2Type8之內(nèi)提供接口，用戶在應(yīng)用各類型時(shí)仍可使用各自的行規(guī)，其目的就是為了保護(hù)各自的利益。,以上8種總線采用完全不同的通信協(xié)議！,IEC 61158 Type1現(xiàn)場(chǎng)總線,IEC 61158 Type1是IEC推薦的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),物理層,功 能物理層提供機(jī)械、電氣、功能性和規(guī)程性功能,傳輸介質(zhì)有雙

5、絞線、同軸電纜、光纖和無線傳輸,傳輸速率為31.25kbps 主要用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí) 它能夠通過總線為現(xiàn)場(chǎng)儀表供電，并支持帶總錢供電設(shè)備的本質(zhì)安全。,H2總線主要面向過程控制級(jí)、遠(yuǎn)程I/O和其它高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，其傳輸速率為1Mbps、2.5Mbps和100Mbps。,數(shù)據(jù)鏈路層 應(yīng)用層,數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)鏈路活動(dòng)調(diào)度，數(shù)據(jù)的接收發(fā)送，活動(dòng)狀態(tài)的響應(yīng)，總線上各設(shè)備間的鏈路時(shí)間同步等。 總線訪問控制采用鏈路活動(dòng)調(diào)度器LAS方式，LAS擁有總線上所有設(shè)備的清單，由它來掌管總線段上各設(shè)備對(duì)總線的操作。,應(yīng)用層主要提供通信功能、特殊功能以及管理控制功能。,FMS 提供對(duì)象字典OD服務(wù)、變量訪問服務(wù)和事件服務(wù)

6、等。,用戶層,標(biāo)準(zhǔn)功能塊FB 裝置描述DD功能,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定32種功能塊，現(xiàn)場(chǎng)裝置使用這些功能塊完成控制策略。,DD功能包括描述裝置通信所需的所有信息，并且與主站無關(guān)，所以可使現(xiàn)場(chǎng)裝置實(shí)現(xiàn)真正的互操作性,FF是Type1的一個(gè)子集。,IEC 61158 Type5現(xiàn)場(chǎng)總線,Type 5現(xiàn)場(chǎng)總線即為IEC定義的H2總線 由現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(Fieldbus Foundation，F(xiàn)F)組織負(fù)責(zé)開發(fā)，并于1998年決定全面采用已廣泛應(yīng)用于IT產(chǎn)業(yè)的高速以太網(wǎng)HSE（High Speed Ethernet）標(biāo)準(zhǔn)。,HSE使用框架式以太網(wǎng)技術(shù)，傳輸速率可達(dá)100Mbps或以更高的速度運(yùn)行。HSE完全支持Ty

7、pel 現(xiàn)場(chǎng)總線的各項(xiàng)功能，諸如功能塊和裝置描述語言等，Hl和HSE可通過網(wǎng)橋互連。連接到H1上的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備無須主系統(tǒng)的干予，可以與系統(tǒng)中連接在H1總線（包括其它H1總線）上所有其它現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行對(duì)等層直接通信。 HSE總線成功地采用CSMA/CD鏈路控制協(xié)議和TCP/IP傳輸協(xié)議，并使用了高速以太網(wǎng)IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的最新技術(shù)。 HSE的推出也標(biāo)志著Ethernet技術(shù)開始全面進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。,H1和H2是在過程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的現(xiàn)場(chǎng)總線。,IEC 61158 Type3現(xiàn)場(chǎng)總線,德國(guó)西門子公司是Profibus產(chǎn)品的主要供應(yīng)商,IEC 61158 Type3現(xiàn)場(chǎng)

8、總線,Profibus總線構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致可分為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、車間級(jí)和工廠級(jí)三層： 現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)采用ProfibusDP/-PA現(xiàn)場(chǎng)總線 車間一級(jí)采用ProfibusFMS總線 工廠一級(jí)使用Industrial Ethernet,8種現(xiàn)場(chǎng)總線的簡(jiǎn)單比較,主要應(yīng)用于啤酒、食品、農(nóng)業(yè)和飼養(yǎng)業(yè)等,主要用于航空和航天等領(lǐng)域,9.2 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線,按照基金會(huì)總線組織的定義：,FF總線是一種全數(shù)字的、串行的、雙向傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，是一種能連接現(xiàn)場(chǎng)各種傳感器、控制器、執(zhí)行單元的信號(hào)傳輸系統(tǒng)。,FF總線最根本的特點(diǎn)是專門針對(duì)工業(yè)過程自動(dòng)化而開發(fā)的，在滿足要求苛刻的使用環(huán)境、本質(zhì)安全、總線供電等方面都有完善的措施。 F

9、F采用了標(biāo)準(zhǔn)功能塊和DDL設(shè)備描述技術(shù)，確保不同廠家的產(chǎn)品有良好的互換性和互操作性。為此，有人稱FF總線為專門為過程控制設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線。,在起初的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中：FF分為低速H1總線和高速H2總線,9.2.1 FF總線的通信模型,FMS(Fieldbus Message Specification)：總線報(bào)文規(guī)范 FAS(Fieldbus Access Sublayer)：總線訪問子層 FDA(Field Device Access)：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備訪問,H1通信模型,物理層采用了IEC61158-2的協(xié)議規(guī)范。,數(shù)據(jù)鏈路層DLL規(guī)定如何在設(shè)備間共享網(wǎng)絡(luò)和調(diào)度通信，支持面向連接和非連接的數(shù)據(jù)通信，通過鏈

10、路活動(dòng)調(diào)度器LAS來管理現(xiàn)場(chǎng)總線的訪問。,應(yīng)用層則規(guī)定了在設(shè)備間交換數(shù)據(jù)、命令、事件信息以及請(qǐng)求應(yīng)答中的信息格式。分為： 總線報(bào)文規(guī)范子層FMS 總線訪問子層FAS,用戶層則用于組成用戶所需要的應(yīng)用程序，如規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的功能快、設(shè)備描述，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理等。(功能塊應(yīng)用進(jìn)程只使用FMS，并不直接訪問FAS，F(xiàn)AS負(fù)責(zé)把FMS映射到DLL。),9.2.3 H1總線協(xié)議,9.2.3.1 物理層,H1總統(tǒng)物理層采用曼徹斯特編碼技術(shù)，將數(shù)據(jù)編碼加載到直流電壓或電流上形成物理信號(hào)，該信號(hào)被稱為“同步串行信號(hào)”，是因?yàn)樵诖袛?shù)據(jù)流中包含了同步時(shí)鐘信息，數(shù)據(jù)與時(shí)鐘信號(hào)混合形成現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)。 現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)接

11、收器把在一個(gè)時(shí)鐘周期Tc中間的：正跳變作為邏輯“0” 負(fù)跳變作為邏輯“1”,物理層編碼,物理層,前 導(dǎo) 碼：一個(gè)8位的數(shù)字信號(hào)10101010 收信端利用該信號(hào)同步其內(nèi)部時(shí)鐘,起始界定碼：標(biāo)明了現(xiàn)場(chǎng)總線信息的起點(diǎn)，其長(zhǎng)度為8個(gè)時(shí)鐘周期。,結(jié)束界定碼：標(biāo)明了現(xiàn)場(chǎng)總線信息的終止，其長(zhǎng)度為8個(gè)時(shí)鐘周期。,定界碼：由“0”、“1”、“N+”、“N”按規(guī)定的順序組成 “N+”在整個(gè)時(shí)鐘周期都保持高電平 “N”在整個(gè)時(shí)鐘周期都保持低電平。,接收設(shè)備用起始定界碼找到現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文的起點(diǎn)，在找到起始定界碼后，接收設(shè)備接收數(shù)據(jù)直至收到結(jié)束定界碼為止。,物理層信號(hào),9.2.3.2 通信棧,（1）數(shù)據(jù)鏈路層,(a)

12、DLL最主要的功能是對(duì)總線訪問的調(diào)度 (b) 通過LAS來管理總線的訪問，每個(gè)總線段上有一個(gè)LAS (c) LAS擁有總線上所有設(shè)備的清單，由它來掌管總各設(shè)備對(duì)總線的操作 (d) 總線段上的其它通信設(shè)備只有得到LAS的許可，才能向總線上傳輸數(shù)據(jù),(1)數(shù)據(jù)鏈路層 DLL,FF定義了三種設(shè)備類型： 可成為L(zhǎng)AS的鏈路主設(shè)備 不可成為L(zhǎng)AS的基本設(shè)備： 只能接收令牌并做出響應(yīng)(最基本的功能 ) 網(wǎng)橋 ：需要對(duì)它下游總線段的數(shù)據(jù)鏈路時(shí)間和應(yīng)用時(shí)鐘進(jìn)行再分配 因而它屬于鏈路主設(shè)備。,在同一時(shí)刻只能有一個(gè)鏈路主設(shè)備成為鏈路活動(dòng)調(diào)度器LAS，沒有成為L(zhǎng)AS的鏈路主設(shè)備起著后備LAS的作用。,H1的通信,H

13、1的通信：受調(diào)度/周期性通信(Scheduled/Cyclic) 非調(diào)度/非周期性通信(Unscheduled/Acyclic),過程說明：LAS中有一張預(yù)定的調(diào)度時(shí)刻表 LAS按預(yù)定時(shí)刻表周期性依次發(fā)起的通信活動(dòng) LAS 向該設(shè)備發(fā)出一個(gè)強(qiáng)制性數(shù)據(jù)CD 一旦收到CD，該設(shè)備將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)布到現(xiàn)場(chǎng)總線上的所有設(shè)備 這批數(shù)據(jù)被所有組態(tài)為“接收方”(subscriber)的設(shè)備接受。,這種受調(diào)度通信一般用于在設(shè)備間周期性地傳送測(cè)量和控制數(shù)據(jù) 優(yōu)先級(jí)最高 其它操作只在受調(diào)度傳輸之間進(jìn)行。,H1的通信,H1的通信：受調(diào)度/周期性通信(Scheduled/Cyclic) 非調(diào)度/非周期性通信(Uns

14、cheduled/Acyclic),非調(diào)度通信通常用來傳輸組態(tài)信息、診斷/維護(hù)信息、報(bào)警事件等內(nèi)容。,過程說明：非調(diào)度通信在預(yù)定調(diào)度時(shí)間表之外的時(shí)間進(jìn)行 LAS按活動(dòng)表發(fā)布一個(gè)傳輸令牌PT給一個(gè)設(shè)備 得到這個(gè)令牌的設(shè)備就被允許發(fā)送信息 直到它發(fā)送完畢或到“最大令牌持有時(shí)間”為止 LAS活動(dòng)表記錄了所有響應(yīng)PT的設(shè)備清單,LAS除了CD的調(diào)度和令牌傳遞之外，還負(fù)責(zé)活動(dòng)表的維護(hù)和數(shù)據(jù)鏈路的時(shí)間同步(P.154),(2)現(xiàn)場(chǎng)總線訪問子層 FAS,FAS處于現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范FMS和數(shù)據(jù)鏈路層DLL之間，其作用是使用數(shù)據(jù)鏈路層的調(diào)度和非調(diào)度特點(diǎn)，為FMS和應(yīng)用進(jìn)程提供報(bào)文傳遞服務(wù)。,FAS的協(xié)議機(jī)制可以

15、劃分為三層： FAS服務(wù)協(xié)議機(jī)制 應(yīng)用關(guān)系協(xié)議機(jī)制 DLL映射協(xié)議機(jī)制,FAS 服務(wù)協(xié)議機(jī)制,FAS服務(wù)協(xié)議機(jī)制： 是FMS和應(yīng)用關(guān)系端點(diǎn)之間的接口 負(fù)責(zé)把服務(wù)用戶發(fā)來的信息轉(zhuǎn)換為FAS的內(nèi)部協(xié)議格式 根據(jù)應(yīng)用關(guān)系端點(diǎn)參數(shù)，為該服務(wù)選擇合適的應(yīng)用關(guān)系協(xié)議機(jī)制 反之，根據(jù)應(yīng)用關(guān)系端點(diǎn)的特征參數(shù)，把FAS的內(nèi)部協(xié)議格式轉(zhuǎn)換成用戶可接受的格式，并傳送給上層。,應(yīng)用關(guān)系協(xié)議機(jī)制,它包括三種服務(wù)類型：客戶/服務(wù)器 報(bào)告分發(fā) 發(fā)布/接收 它們的區(qū)別主要在于FAS如何應(yīng)用數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行報(bào)文傳輸。,客戶/服務(wù)器類型：設(shè)備間排隊(duì)、非調(diào)度、用戶觸發(fā)、一對(duì)一的通信 主要用于如設(shè)定值改變、整定參數(shù)的上/下載等 報(bào)文是

16、按優(yōu)先級(jí)及先后次序進(jìn)行傳輸?shù)摹?當(dāng)一臺(tái)設(shè)備從LAS 收到一個(gè)傳輸令牌PT時(shí)，它可以發(fā)送一請(qǐng)求報(bào)文給現(xiàn)場(chǎng)總線上的另一臺(tái)設(shè)備，請(qǐng)求者稱為“客戶”，被請(qǐng)求者稱為“服務(wù)器”。待服務(wù)器收到PT后，向客戶端發(fā)送相應(yīng)的響應(yīng)。,報(bào)告分發(fā)類型：是排隊(duì)的、非調(diào)度的、用戶觸發(fā)的、一對(duì)多的通信，主要用于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備發(fā)送報(bào)警信息給操作員站。,當(dāng)一臺(tái)設(shè)備從LAS 收到一個(gè)傳輸令牌PT時(shí)，它可以把報(bào)文發(fā)送給由該VCR定義的一個(gè)“組地址”，這個(gè)“組地址”包含了所有要接收該報(bào)文的設(shè)備。,發(fā)布方/接收方類型：是指緩沖式的、一對(duì)多的通信。當(dāng)設(shè)備收到強(qiáng)制數(shù)據(jù)CD以后，它可以向現(xiàn)場(chǎng)總線上的所有設(shè)備“發(fā)布”或廣播它的報(bào)文，常用于周期性的

17、、受調(diào)度的輸入/輸出信號(hào)，如過程變量的測(cè)量值、控制結(jié)果的輸出值等。,DLL 映射協(xié)議機(jī)制,數(shù)據(jù)鏈路層映射協(xié)議機(jī)制是對(duì)下層即數(shù)據(jù)鏈路層的接口。它將來自應(yīng)用關(guān)系協(xié)議機(jī)制的FAS內(nèi)部協(xié)議格式轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)鍵路層DLL可接受的服務(wù)格式，并送給DLL，反之亦然。,(3)現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范 FMS,現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范層FMS是應(yīng)用層中的另一個(gè)子層，它描述了用戶應(yīng)用所需要的通信服務(wù)、信息格式和建立報(bào)文所必需的協(xié)議行為等，F(xiàn)MS定義了相應(yīng)的FMS通信服務(wù)，用戶應(yīng)用可采用標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文格式集在現(xiàn)場(chǎng)總線上相互發(fā)送報(bào)文。,FMS把對(duì)象描述收集在一起，形成對(duì)象字典OD。應(yīng)用進(jìn)程中的網(wǎng)絡(luò)可視對(duì)象和相應(yīng)的OD在FMS中稱為虛擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)

18、備VFD。由通信伙伴看來，虛擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備VFD是一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和行為的抽象模型，它用于遠(yuǎn)距離查看對(duì)象字典中定義過的本地設(shè)備的數(shù)據(jù)。,9.2.3.3 用戶層,基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線在應(yīng)用層之上增加了一個(gè)內(nèi)容廣泛的用戶層，它定義了標(biāo)準(zhǔn)的基于模塊的用戶應(yīng)用，從而使得設(shè)備與系統(tǒng)的集成與互操作更加易于實(shí)現(xiàn)。用戶層由功能塊和設(shè)備描述語言兩個(gè)重要的部分組成。 P.156,9.2.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜驮O(shè)備連接,FF現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔容^靈活，通常包括點(diǎn)到點(diǎn)型拓?fù)?、總線型拓?fù)?、菊花鏈型拓?fù)?、樹型拓?fù)湟约斑@多種拓?fù)浣M合在一起構(gòu)成的混會(huì)型結(jié)構(gòu)。其中，總線線型和樹型拓?fù)湓诠こ讨惺褂幂^多。,在總線型結(jié)構(gòu)中，支線長(zhǎng)度一般小于l20

19、米。它適應(yīng)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備物理分布比較分散、設(shè)備密度較低的應(yīng)用場(chǎng)合，分支上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的拆裝對(duì)其它設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生影響。,在樹型結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)場(chǎng)總線上的設(shè)備都是被獨(dú)立連接到公共的接線盒、端子、儀表板或1O卡。它適應(yīng)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備局部比較集中的應(yīng)用場(chǎng)合。,9.2.4.1 H1總線的連接,需要注意的問題（P.158）： （1）在H1主干總線的兩端要各安裝一個(gè)終端器。 （2）每個(gè)H1總線段上：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備32個(gè)，LAS一個(gè)。 （3）總線長(zhǎng)度等于主干總線的長(zhǎng)度加上所有分支總線的長(zhǎng)度，可以采用中繼器擴(kuò)展。 （4）通信速度不同或傳輸介質(zhì)不同的網(wǎng)段之間需要采用網(wǎng)橋連接。,現(xiàn)場(chǎng)總線電纜,9.2.4.2 HSE的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? 主設(shè)備(Ho

20、st Device) 一般指安裝有網(wǎng)卡和組態(tài)軟件、具有通信功能的計(jì)算機(jī)類設(shè)備。 HSE現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(HSE Field Device) 本身支持TCP/IP的通信協(xié)議。 HSE連接設(shè)備(HSE Linking Device) 實(shí)現(xiàn)H1與HSE的協(xié)議轉(zhuǎn)換，把H1連接到HSE上。 I/O網(wǎng)關(guān)(I/O Gateway) 把非FF的I/O裝置連接到HSE上。,從HSE設(shè)備連接示意圖上可以看出，基于以太網(wǎng)的高速總線可以把各種HSE設(shè)備連接在一起，組成任意復(fù)雜的Internet。但用于過程自動(dòng)化的HSE總線系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中不宜過分的復(fù)雜，一般以比較清晰的12個(gè)層次為宜。HSE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以充分利用基于COTS(

21、Commercial off-the-shelf，指低成本商業(yè)化的普通計(jì)算機(jī)硬件這一范疇)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如HUB、網(wǎng)橋、路由器、防火墻等。,9.3 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線,9.3.1 PROSIBUS總線的技術(shù)特征 9.3.1.1 協(xié)議結(jié)構(gòu),PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一，DP和PA的完美結(jié)合使得PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線在結(jié)構(gòu)和性能上優(yōu)越于其它現(xiàn)場(chǎng)總線。PROFIBUS既適合于自動(dòng)化系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)I/O單元的通訊，也可用于可以直接連接帶有接口的變送器、執(zhí)行器、傳動(dòng)裝置和其它現(xiàn)場(chǎng)儀表及設(shè)備，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集和監(jiān)控，并且用一對(duì)雙絞線替代了傳統(tǒng)的大量的傳輸電纜，大量節(jié)

22、省了電纜的費(fèi)用，也相應(yīng)節(jié)省了施工調(diào)試以及系統(tǒng)投運(yùn)后的維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用。,Profibus包括3個(gè)相互兼容的部分，各部分的協(xié)議結(jié)構(gòu)參見圖9-18,9.3.1.2 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),(1) RS485傳輸技術(shù),RS-485傳輸用于PROFIBUSDP/FMS，總線電纜在EN50170標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定為A型雙絞銅芯電纜，其最大允許的長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)傳輸速率是直接相關(guān)的。RS-485傳輸技術(shù)的基本特征、A型導(dǎo)線的特性參數(shù)以及傳輸速率與總線長(zhǎng)度的關(guān)系分別如P.334表9.3、9.4、9.5所示。,使用EN50170標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A型電纜，需要在總線的2個(gè)終結(jié)端匹配終端電阻。,標(biāo)準(zhǔn)的總線連接器用一個(gè)開關(guān)來控制終端電阻，總線頭尾

23、都需要一個(gè)永遠(yuǎn)有源的總線連接器(開關(guān)合上)，連接中間站點(diǎn)的總線連接器的開關(guān)斷開,按照EN50170標(biāo)準(zhǔn)，PROFIBUS的總線連接器是9針SUB D型插頭，每個(gè)站點(diǎn)必須保證提供VP (5V)和GND到針腳5和6，這樣總線可以用終端電阻終止。因總線通過總線連接器連接，因此一個(gè)站點(diǎn)的故障不會(huì)影響到總線上其它站點(diǎn)，在總線上增加或減少站點(diǎn)也不會(huì)影響其它站點(diǎn)的操作。 上圖為有進(jìn)入和引出數(shù)據(jù)線，并集成終端電阻的9針連接器示意圖。,(2) IEC11582傳輸技術(shù),數(shù)據(jù)IEC611582的傳輸技術(shù)用于PROFIBUSPA，是一種位同步協(xié)議，它可保持其本質(zhì)安全性，并通過總線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電，能滿足石油、化工工業(yè)

24、的應(yīng)用要求。,IEC611582傳輸技術(shù)的主要特性有：,數(shù)據(jù)傳輸數(shù)字式，位同步，曼徹斯特編碼； 數(shù)據(jù)信號(hào)通過9mA對(duì)基本電流（約10mA）的調(diào)制 傳輸速率31.25kbps，電壓式； 數(shù)據(jù)可靠性前同步信號(hào),采用起始和終止限定符避免誤差； 電纜雙絞線，屏蔽式或非屏蔽式； 遠(yuǎn)程電源供電可選附件，通過數(shù)據(jù)線供電； 防爆功能能進(jìn)行本質(zhì)及非本質(zhì)安全操作； 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)線型、樹型或兩者相結(jié)合，總線電纜的兩端各有一個(gè)無源終端器； 站點(diǎn)數(shù)每段最多32個(gè)站點(diǎn)，總數(shù)最多為126個(gè)站點(diǎn)； 中繼器最多可擴(kuò)展至4臺(tái)。,DP/PA的連接,PA總線段與DP總線段通過耦合裝置相連，耦合器使RS485信號(hào)和IEC1158-2信號(hào)相

25、適配。 每段通常配一個(gè)電源裝置，電源裝置經(jīng)耦合器和PA總線為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供電源，這種供電方式可以限制IEC1158-2總線段上的電流和電壓。 如果需要外接電源設(shè)備，必須用適當(dāng)?shù)母綦x裝置，將總線供電設(shè)備與外接電源設(shè)備連接在本質(zhì)安全總線上。,(3) 光纖傳輸技術(shù),PROFIBUS系統(tǒng)要橋接更長(zhǎng)的距離或在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用時(shí)，可使用光纖導(dǎo)體（塑料和玻璃）傳輸。光鏈路插頭可以實(shí)現(xiàn)RS485信號(hào)和光纖導(dǎo)體信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，價(jià)格低廉的塑料纖維導(dǎo)體適用于50米以內(nèi)的信號(hào)傳輸，玻璃纖維導(dǎo)體供距離小于1公里情況下使用。為此，用戶可十分方便地在PROFIBUS系統(tǒng)同時(shí)使用RS485傳輸技術(shù)和光纖傳輸技術(shù)。,9.

26、4 幾個(gè)具體問題的分析,9.4.1 FCS與DCS的比較,FCS是在DCS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，F(xiàn)CS順應(yīng)了自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展潮流，這已是業(yè)內(nèi)人士的基本共識(shí)。 FCS在開放性、控制分散等諸多方面都優(yōu)于傳統(tǒng)DCS，代表著自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向與潮流。 DCS則代表傳統(tǒng)與成熟，DCS以其成熟的發(fā)展、完備的功能及廣泛的應(yīng)用而占居著一個(gè)尚不可完全替代的地位。,影響FCS發(fā)展、制約FCS應(yīng)用的原因主要有三方面： P.179, 技術(shù)原因 商務(wù)原因 用戶原因,9.4.2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的比較,現(xiàn)場(chǎng)總線是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制室系統(tǒng)之間的一種全數(shù)字化、雙向、多分支結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的

27、發(fā)展會(huì)從各個(gè)方面影響現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展。 但是，二者在基本功能、信號(hào)傳輸要求和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上均有所不同。,(1) 基本功能,計(jì)算機(jī)通信的基本功能：可靠地傳遞信息。 現(xiàn)場(chǎng)總線的功能則是包括了更多的內(nèi)容： 高效、低成本地實(shí)現(xiàn)儀表及自控設(shè)備間的全數(shù)字化通信，以體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性 解決現(xiàn)場(chǎng)裝置的總線供電問題，實(shí)現(xiàn)性現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)安全規(guī)范，以體現(xiàn)其安全性； 解決現(xiàn)場(chǎng)總線的環(huán)境適應(yīng)性問題，如電磁干擾、環(huán)境溫度、適度、振動(dòng)等因素，以體現(xiàn)其可靠性； 現(xiàn)場(chǎng)儀表及現(xiàn)場(chǎng)控制裝置要盡可能地就地處理信息，不要將信息過多地在網(wǎng)絡(luò)上往返傳遞，以體現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)信息處理現(xiàn)場(chǎng)化。,（2）信號(hào)傳輸要求,二者在速度要求上是一致的，但現(xiàn)場(chǎng)總線不僅要求傳輸速度快，還要求響應(yīng)快，即需要滿足控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。 一般通信系統(tǒng)也會(huì)有實(shí)時(shí)性的要求，但這是一種“軟”的要求，即只要大部分時(shí)間滿足要求就行了。過程控制對(duì)實(shí)時(shí)性的要求是“硬”的，因?yàn)樗婕鞍踩?，必須在任何時(shí)間都及時(shí)響應(yīng)，不允許有不確定性。,現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)時(shí)性主要體現(xiàn)在響應(yīng)時(shí)間和循環(huán)周期二個(gè)方面：,響應(yīng)時(shí)間是指系統(tǒng)發(fā)生特殊請(qǐng)求或發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，儀表將信息傳輸?shù)街骺卦O(shè)備或其它現(xiàn)場(chǎng)儀表所需的時(shí)間。這往往需要涉及：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的中斷和處理能力，傳輸時(shí)間，