现场总线A4总结1_现场总线总结

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现场总线: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、多站的通信网络。IEC对现场总线的定义:现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。/涉及智能仪表、控制、计算机、数据通信技术。现场总线的特点和优点—结构特点：由于采用智能现场设备，能够把DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备中，在现场直接完成采集和控制。由于不需要其他的模数转换器件，且一对电线能传输多个信号，因而简化了系统结构，节约了设备及安装维护费用。FCS与DCS的对比：1结构：FCS: 一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号。DCS: 一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号。2可靠性：FCS: 可靠性好：数字信号传输抗干扰能力强，精度高；DCS: 可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰。3失控状态：FCS: 操作员在控制室既可以了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处于操作员的远程监视与可控状态之中；DCS:操作员在控制室既不能了解模拟仪表的工作状态，也不能对其进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对仪表处于“失控”状态。4互换性：FCS: 用户可以自由选择不同制造商提供的性能价格比最优的现场设备和仪表，并将不同品牌的仪表互连；DCS:尽管模拟仪表统一了信号标准(4-20mA DC)，可大部分参数仍由制造厂自定，致使不同品牌的仪表互换难度较大。5仪表：FCS: 智能仪表，除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外，还具有数字通信能力，并且具有控制和运算的能力；DCS: 模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能。6控制：FCS: 控制功能分散在各个智能仪表中；DCS: 所有控制功能集中在控制站中。技术特点：系统的开放性：通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。互可操作性与互用性、现场设备的智能化与功能自治性、系统结构的高度分散性、对现场环境的适应性。优点：节省硬件数量与投资、节省安装费用、节约维护开销、用户具有高度的系统集成主动权、提高了系统的准确性与可靠性。现场总线网络的实现：制定标准时参照OSI七层协议标准/大多采用第1层(物理层)、第2层(数据链路层)和第7层(应用层)，并增加第8层用户层。/物理层：定义了信号的编码与传送方式、传送介质、接口的电气及机械特性、信号传输速率等/现场总线有两种编码方式：Manchester和NRZ，前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。前者采用基带传输，后者采用频带传输。传输介质主要有：有线电缆、光纤和无线介质。数据链路层:分为两个子层：介质访问控制层(MAC)和逻辑链路控制层(LLC)。MAC对传输介质传送的信号进行发送和接收控制；LLC对数据链进行控制，保证数据传送到指定的设备上。现场总线上的设备可以是主站，也可以是从站。/MAC层的三种协议：集中式轮询协议、令牌总线协议和总线仲裁协议。应用层:分为两子层：应用服务层(FMS)，用于为用户提供服务；现场总线存取层(FAS)，用于实现数据链路的连接。用户层：定义了从现场装置中读写信息和向网络中其他装置分派信息的方法，即规定了供用户组态的标准“功能模块”。企业网络信息集成系统的层次结构：统一的企业网络信息集成系统应具有三层结构，从底向上依次是：过程控制层(PCS)、制造执行层(MES)、企业资源规划层(ERP)。过程控制层：依照现场总线的协议标准，智能设备采用功能块的结构，通过组态设计，完成数据采集、A/D转换、数字滤波、温度压力补偿、PID控制等功能。智能转换模块对传统检测仪表的电流电压进行数字转换和补偿。过程控制层的拓扑结构：环形网：时延确定性好，重载时网络效率高；总线网：成本低，时延不确定，重载时效率低；树形网：可扩张性好，频带较宽，但节点间通信不便；令牌总线网：物理上是总线网，逻辑上是令牌网。制造执行层：从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋势分析等功能，还包括控制组态的设计和下装。通过总线接口转换器实现现场总线网段和以太网段的连接。企业资源规划层：在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。首先将中间监控层的数据库中的信息转入上层关系数据库中，使远程用户能通过浏览器查询网络运行状态，对生产过程进行实时的远程监控；对数据进行进一步的分析和整理，为相关的各种管理、经营决策提供支持，实现管控一体化。现场总线与数据局域网的区别：用途不同：现场总线主要用于对生产、生活设备的控制；数据网络主要用于通信、办公，提供文字、声音和图像等数据信息。技术要求不同：现场总线要求具备高度的实时性、安全性和可靠性，网络接口尽可能简单，成本尽量降低，数据量一般较小；数据网络则需要大批量数据传输和处理。现场总线与上层网络的互联：第一种方式：采用专用网关完成不同通信协议的转换，把现场总线网段或DCS网段连接到以太网上。第二种方式：将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC机插槽上，在PC机内实现数据交换。第三种方式：将Web服务器直接置入PLC或现场总线设备内，借助Web服务器和通用浏览工具实现数据信息的动态交互。现场总线网络集成应考虑的因素：控制网络的特点（适应工业控制应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好；网络传输的使测控数据及其相关信息，短帧，传输速率低）、标准支持(国际、国家、地区、企业标准)、网络结构（介质、拓扑结构、节点数等）、网络性能（传输速率、时间同步准确度、访问控制方式等）、测控系统应用考虑、市场及其他因素。现场总线简介：基金会现场总线（以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，介质支持双绞线、光缆和无线发射，传输信号采用曼彻斯特编码）。Profibus现场总线（德国国家标准和欧洲标准；参考模型也是ISO/OSI模型；传输介质为双绞线、光缆）。LonWorks（采用ISO/OSI模型的全部七层协议；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频等多种介质；）CAN（是控制器局域网的简称，采用ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层；传输介质为双绞线；采用短帧结构传输，传输时间短，受干扰的概率低；）HART（即可寻址远程传感高速通道。特点是在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的工业过程控制的过渡性产品）。总线与总线段：总线是传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式。一组设备通过总线连接在一起称为总线段。总线的基本概念：总线主设备：可在总线上发起信息传输的设备；总线从设备：不能在总线上主动发起通信，只能挂在总线上，对总线信息进行接收查询；总线协议：管理主、从设备使用总线的规则；总线操作：总线上命令者与响应者之间的“连接-数据传送-脱开”这一操作序列称为一次总线操作。寻址：物理寻址：用于选择某一总线段上某一特定位置的从设备作为响应者；逻辑寻址：选择从设备与位置无关；广播寻址：用于选择多个响应者。总线仲裁：用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。某一时刻只允许某一主设备占有总线，等到它完成总线操作，释放总线占有权后才允许其他总线主设备使用总线。总线定时：总线通过定时信号进行同步。定时信号用于指明总线上的数据和地址在什么时刻是有效的。模拟信号与数字信号：随时间连续变化的信号称为模拟信号，随时间离散变化的信号称为数字信号。码元：时间轴上的一个信号编码单元称为码元。信源、信宿和信道：在数据通信中，通常将数据的发送方称为信源，数据的接收方称为信宿，在信源与信宿之间传输数据的通道称为信道。通信方式：按照字节使用的信道数，数据通信可以分为串行通信和并行通信两种方式。按照数据在传输线路上的传输方向，可分为单工通信、半双工通信和全双工通信三种方式。性能指标：传输速率是衡量数据传输有效性的指标。指通信系统每秒传送的数据量。工业中常用的标准数据信号速率为：9600bps, 500Kbps, 1Mbps, 2.5Mbps, 10Mbps, 100Mbps。比特(bit)率S指单位时间内所传送的二进制序列的位数，单位：bps波特(Baud)率BTRR（TTH = 持有令牌时间；TTR = 目标令牌循环时间；TRR = 实际令牌循环时间）PROFIBUS-DP 定义三种设备类型：DP-1类主设备(DPM1)：中央控制器, 它与分散的 I/O 设备(DP-从)交换数据允许若干个DPM1，典型的设备是 PLC, PC, VME。DP-2 类主设备(DPM2)：组态、监视或工程工具，它被用来设定网络或参数／监视 DP-从设备。DP-从设备：直接连接 I/O 信号的外围设备；典型的设备是输入、输出、驱动器、阀、操作面板等等。DP-信息循环时间的计算：一个八位二进制数（一字节）按 11位传输；电文头和尾由11 个字节或 9 个字节组成；波特率为1.5 M 时，1个位时间＝0.6667 ns(1 个八位二进制数 ＝ 11位时间＝7.3337ns)；波特率为12 M时，1个位时间＝ 0.083 ns(1个八位二进制数＝11个位时间＝ 0.913ns)；在实施中，还要加上约10-20% 的余量。精确的计算规则可以从EN 50170 V.2 获得.现场总线的布线和安装—网络组件主要有：中继器(Repeater)、集线器(Hub)、交换式集线器(Switching Hub)、网桥(Bridge)、路由器(Router)、网关(Gateway)等。此外还有连接器(Connector)、耦合器(Coupler)等。屏蔽线不应多点接地，应集中一点后再接地。本质安全现场总线控制系统的实现有两种办法：使用总线隔离栅或本安电源调整器。以太网在工业自动化领域应用受限的原因：以太网采用CSMA/CD碰撞检测方式，在网络负荷较重(大于40%)时，网络的确定性未能满足工业控制的实时要求；以太网所用的接插件、集线器、交换机和电缆是为办公室应用而设计的，不符合工业控制的实时要求；在工厂环境中，以太网抗干扰能力较差。若用于危险场合，以太网不具备本质安全性能；以太网还不具备通过信号线向现场仪表供电的功能。工业以太网与其他控制网络相比较的优势：工业以太网可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络与控制网络得以统一；设备成本下降；用户拥有成本下降；以太网易于与Internet集成。以太网作为现场总线技术的技术优势：采用以太网作为现场总线，可以保证现场总线技术的可持续性发展；以太网受到广泛的开发技术支持；由于以太网是应用最广泛的计算机网络技术，有广泛的硬件产品可供选择，价格十分低廉；由于以太网已使用多年，具有大量的软件资源；如果采用以太网作为现场总线技术，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，可以实现自动化控制领域的彻底开放。工业以太网技术应解决的问题：通信实时性问题；对环境的适应性与可靠性问题；总线供电问题；本质安全问题。工业以太网非确定性问题的缓解措施：提高通信速率--10Mb/s-> 100Mb/s->1Gb/s；控制网络负荷--在网络设计时控制各网段的负荷量，合理分布各现场设备的节点位置，以减少冲突的发生；采用以太网的全双工交换技术；采用交换式以太网技术---采用交换机将网络切分成多个网段，在网段分配合理的情况下，由于网段上多数的数据不需要经过主干网传输，只在本地网络传输的数据不占用其它网段的带宽。实时以太网的媒体访问控制：RT-CSMA/CD协议：网络节点分为实时节点和非实时节点，分别遵循RT-CSMA/CD和CSMA/CD协议；以网络上相距最远的两个节点之间信号传迟延时间的2倍作为最小竞争时隙，发送数据时先侦听信道，若在一个最小竞争时隙中没有检测到冲突，则获得访问控制权，发送数据包；非实时节点检测到冲突时停止发送，退出竞争；实时节点检测到冲突时，发送长度不小于最小竞争时隙的竞争信号。确定性分时调度，将通信过程划分为若干个循环，每个循环分为4个时段：起始时段：进行必要的准备和时钟同步；周期性通信时段：用于保证周期性实时数据的传输。在该周期中为各节点安排好各自的微时隙进行各自的通信。非周期性通信的异步时段：为普通TCP/IP数据包提供通过竞争传输非实时数据的机会。保留时段：用于发布时钟，控制时钟同步。IEEE 1588精确时间同步协议(PTP)时钟偏移量与传输延迟的测量过程：测量主时钟和从时钟之间的时差，即测量时钟偏移值；测量传输延迟。OPC的对象和接口：OPC规范为OPC服务器规定了两种接口：客户接口(CI:Custom Interface)必须由每一个OPC服务器提供，是访问过程变量的有效通道。自动化接口(AI:Automation Interface)是对客户接口的进一步封装，面向解释程序开发环境，是可选项。控制网络与信息网络的集成，可以通过以下几种方式实现：加入转换接口；采用DDE技术；采用统一的协议标准；采用数据库访问技术；采用OPC技术。基于DDE技术的控制网络和信息网络的集成：控制网络与信息网络有一个共享工作站或通信处理机时，可以通过DDE技术实现数据交换；DDE：动态数据交换（Dynamic Data Exchange）；DDE是Windows环境下使用共享内存在应用程序之间传递数据的协议，用于完成应用程序之间的数据交换；DDE协议地址包括：应用程序、主题、条目。