微型计算机控制技术 教学课件 ppt 作者 王洪庆 第10章 现场总线系统

1、1,第10章 现场总线系统,2,10.1 现场总线概述 10.2 现场总线的结构和技术特点 10.3 几种常用现场总线 10.4 现场总线的应用 小结 习题,3,10.1.1 现场总线的概念,10.1.2 现场总线的发展与趋势,4,10.1.1 现场总线的概念,现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为全开放式、全数字化、全分散多点通信的底层控制网络。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简单地说，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。 现场总线控制系统如图10-2所示,5,图10-2 现场总线控制系统,6,10.1.2 现场总线的发展与趋势,现场总线控制系统则突破了DCS系统中通信由

2、专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以将来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备通过现场总线网络连接成系统，实现自动化系统的各种功能。同时现场总线控制系统把DCS集中与分散相结合的集散系统结构变成了新型全分布式系统结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。 现场总线之所以具有较高的测控性能，一是得益于仪表的微机化，二是得益于设备的通信化。把微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，一方面提高了信号的测量，控制和传输精度，另一方面丰富了测控信息的内容，为实现其远程传送创造了条件。,7,10.2.1 现场总线系统的结构,10.2.2 现场总线与计算机控制、DOS系统,8,10.2.1 现场总线系统的结构,现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达等执行设备之间均采用一对一的物理连接这就使得系统在布线、安装、调试等环节需要很多的硬件

3、支出，调试工作复杂，调试周期长，成本增加。 现场总线型智能设备的应用，可将原DCS系统中处于控制室的控制模块、各种输入输出模块置入测控现场，充分利用现场总线设备所具有的数字通信能力，安装于现场的测量变送器直接与阀门等执行机构进行信号传输，因而控制系统可以脱离位于控制室内的主计算机而工作，直接在现场完成测量与控制信号的传递，彻底实现了系统的分散控制。,9,1全数字化 2开放性 3智能化 4互换性 5风险分散性,现场总线系统技术特点：,10,10.2.2 现场总线与计算机控制、DOS系统,现场总线系统将基本控制功能已完全下放到现场。而通过网关，现场总线可以与计算机局域网相连。计算机通过局域网与挂在现场总线上的现场设备进行通信，大大提高了数据的利用率。同时，计算机对现场设备的调度，可实现信号异地远程自动控制，并组成高性能的控制系统，共同完成复杂的控制任务。因此，与计算机控制系统的结合，必将促进现场总线技术的进一步发展。现场总线技术的发展促使了现场总线控制系统FCS的诞生，而且其趋势是在不远的将来，逐步替代现在的集散控制系统DCS。 现场总线技术与传统测控仪表技术上的区别是：现场总线将专用微处

4、理器置入测量控制仪表中，使这些测控仪表各自都具有数字计算、逻辑判断和数字通信能力，采用多种规格的传输导线作为总线介质，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输、信息交换、远程登陆、远程访问，形成满足各种实际需要的自动控制系统。它把系统中各个单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。它给自动化领域带来的变化，就像众多分散的计算机被Internet网络连接在一起，使各个计算机的功能、作用发生重大的变化；现场总线强调自控系统与设备之间的通信能力，并将它们连接成网络系统，加入到信息网络的行列。,11,10.3.1 基金会现场总线,10.3.2 LonWorks,10.3.3 ProfiBus,10.3.4 控制器局域网总线CAN,12,10.3.1 基金会现场总线,基金会现场总线的主要技术内容包括：FF通信协议，用于完成开放互联模型中第2层至第7层通信协议的通信栈，用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL设

5、备描述语言、设备描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块，实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。 基金会现场总线的现场变送、执行仪表内部都具有微处理器，现场设备内部可以装入控制计算模块，只需通过处于现场的变送、执行器之间连接便可组成控制系统,这个意义上的全分布无疑将增强系统的可靠性和系统的组织灵活性。 基金会现场总线的系统是开放的，可由不同制造商生产的测量、控制设备构成。这些设备在产品开发期间通过一致性测试，确保产品与协议规范的一致性。当把不同制造商的产品连接于同一网络系统时，作为网络节点的各设备间应可实现互操作，同时允许不同厂商生产的相同功能设备之间进行相互替换。 基金会现场总线的最大特色就在于它不仅仅是一种总线，而且是个网络系统，,13,10.3.2 LonWorks,LonWorks是又一具有强劲实力的现场总线技术。它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300bps至1.5Mbps不等，直接通信距离可达2700m，支持双绞

6、线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质。 LonWorks技术采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中而得以实现。集成芯片中有3个8位CPU：一个用于完成开放互联模型中第1和第2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理：第二是用完成第36层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。,14,10.3.3 ProfiBus,ProfiBus是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准,由ProfiBus-DP、ProfiBus-FMS、ProfiBus-PA 组成Bus。DP型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范， ProfiBus-FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC1158-2标准

7、。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层，FMS还采用了应用层，传输速率为9.6kbps12Mbps,最大的传输距离在12Mpbs时为100m,1.5Mbps时400m，可用中继器延长至10Km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂127个站点，可实现总线供电与本质安全防爆。,15,10.3.4 控制器局域网总线CAN,CAN(ControI Asea Network)即控制器局域网络。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。 CAN属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下： (1)CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，无需站地址等节点信息。 (2)CAN网络上的节点信息分成不同层次的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134ms内得到传输。 (3)CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息

8、时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。,16,(4)CAN只许通过报文滤波，可实现点对点、一点对多点及全局广播传输方式，无需专门的“调度”。 (5)CAN的直接通信距离10Km（速率5kbps以下），通信速率最高可达1Mbps。 (6)CAN上的节点数取决于总线驱动电路，最多可达110个。 (7)CAN采用短帧结构。每一帧的有效字节数为8个，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 (8)CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。 (9)CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 (10)CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以便总线上其他节点的操作不受影响。,17,10.4.LonWorks在智能小区管理中的应用,1小区智能化网络中心，实现小区内部各类信息服务。 2提供小区与外部网络的通道Internet。 3小区物业管理系统。 4小区安防监控报警系统。 5LonWorks网络集成实验装置。 6家庭安防报警控制系统（防盗、消防报警、家电控制）。 7小区周界防范系统。 8小区电子巡更系统。 9小区可视门禁对讲系统。 10小区智能抄表系统。 11小区一卡通系统。 12小区物业管理系统。,现场总线的应用,18,小结,本章主要介绍现场总线的概念，现场总线的结构和技术特点，几种常用的现场总线，和现场总线的应用。 现场总线控制系统两个显著特点：一是信号传输实现了全数字化；二是实现了控制的彻底分散。现场总线系统是继仪表控制系统、电动单元组合式仪表控制系统、集中式数字控制系统，集散控制系统后的新一代控制系统。,19,习题,10-1 什么是现场总线？简述其优 缺点？ 10-2 现场总线的特点？现场总线 系统与集散控制系统的区别？ 10-3 常用的现场总线有哪几种？,

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