《過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表》 教案 19.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

《過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表》課程教案NO.19授課班級(jí)周次日期任課教師復(fù)習(xí)提問(wèn)控制器類(lèi)型及使用方法學(xué)習(xí)模塊模塊七計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)任務(wù)任務(wù)2現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)授課內(nèi)容現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的組建方法課時(shí)2教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：1.了解現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)定義及特點(diǎn)；2.了解主要的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用范圍；3.掌握現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的組成及組建方法。能力目標(biāo)：1.培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)總線組建能力；2.培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力。素質(zhì)目標(biāo)：1.培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和勇于進(jìn)取的精神。重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的組建；難點(diǎn)：各種現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)及適用范圍。授課過(guò)程步驟內(nèi)容方法、資源運(yùn)用1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)概述多媒體課件2幾種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)多媒體課件、實(shí)例演示3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)組成多媒體課件、實(shí)例演示4現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)構(gòu)建多媒體課件、實(shí)例演示5授課方式講授教學(xué)地點(diǎn)實(shí)訓(xùn)室教學(xué)資源西門(mén)子PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)、投影系統(tǒng)、PPT電子課件

教學(xué)時(shí)間教學(xué)內(nèi)容注釋5分鐘回顧集散控制相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)行復(fù)習(xí)提問(wèn)。80分鐘一、現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)概述1．現(xiàn)場(chǎng)總線的定義現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。基于現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)建的控制系統(tǒng)稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem，簡(jiǎn)稱(chēng)FCS）。2．現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)方面（2）技術(shù)方面（3）經(jīng)濟(jì)方面3．現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的發(fā)展二、幾種主要現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介1．FF現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FoundationFieldbus，F(xiàn)F）是由國(guó)際公認(rèn)的、唯一不附屬于任何企業(yè)的、非商業(yè)化的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織——現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)提出?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線分為低速現(xiàn)場(chǎng)總線H1和高速現(xiàn)場(chǎng)總線HSE兩種通信速率。低速現(xiàn)場(chǎng)總線H1的傳輸速率為31.25kbit/s，高速現(xiàn)場(chǎng)總線HSE的傳輸速率為100Mbit/s，H1支持總線供電和本質(zhì)安全特性。H1最大通信距離為1900m（如果加中繼器可延長(zhǎng)至9500m），每個(gè)網(wǎng)段最多可直接連接32個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果加中繼器最多可連接126個(gè)節(jié)點(diǎn)。通信媒體為雙絞線、光纜或無(wú)線電。FF的H1和HSE分別是IEC61158的標(biāo)準(zhǔn)子集1和5。應(yīng)用領(lǐng)域以過(guò)程自動(dòng)化為主。2.PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線（1）PROFIBUS-FMS主要是用來(lái)解決車(chē)間級(jí)通用性通信任務(wù)。可用于大范圍和復(fù)雜的通信。總線周期一般小于100ms。（2）PROFIBUS-DP這是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速和便宜的通信總線。它的設(shè)計(jì)是專(zhuān)門(mén)為自動(dòng)控制系統(tǒng)與分散的I/O設(shè)備級(jí)之間進(jìn)行通信使用的?？偩€周期一般小于10ms。（3）PROFIBUS-PA是專(zhuān)門(mén)為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)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(zhì)安全領(lǐng)域也可接上。根據(jù)IEC1158－2標(biāo)準(zhǔn)，PROFIBUS-PA用雙絞線進(jìn)行總線供電和數(shù)據(jù)通信。PROFIBUS主要用于加工制造自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化和樓宇自動(dòng)化等行業(yè)。3.ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線（1）網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率高采用CTDMA技術(shù)，數(shù)據(jù)一旦發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)就可同時(shí)接收。因此，與主從式傳輸技術(shù)比較，不需要重復(fù)發(fā)送同樣的信息到不同的從站，從而減少在網(wǎng)絡(luò)上的通信量。（2）同步性好由于在網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)可同時(shí)被多個(gè)節(jié)點(diǎn)接收，與主從式傳輸方式比較，各節(jié)點(diǎn)可同時(shí)接收數(shù)據(jù)。因此，同步性好。（3）實(shí)時(shí)性好采用在預(yù)留時(shí)間段的確定時(shí)間內(nèi)周期重復(fù)發(fā)送，保證有實(shí)時(shí)要求的數(shù)據(jù)能夠正確發(fā)送。并且，可根據(jù)實(shí)時(shí)性要求，設(shè)置時(shí)間片的大小，進(jìn)行預(yù)留，從而保證實(shí)時(shí)性。（4）避免數(shù)據(jù)訪問(wèn)的沖突采用虛擬令牌，只有獲得令牌的節(jié)點(diǎn)可發(fā)送數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)訪問(wèn)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(shí)，網(wǎng)絡(luò)刷新速率為2ms。4.CAN總線控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork，CAN）總線主要應(yīng)用于汽車(chē)制造、公共交通車(chē)輛、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)、分散型I/O。5.LonWorks總線LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線是美國(guó)Echelon公司開(kāi)發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。主要應(yīng)用于工業(yè)控制、樓宇自動(dòng)化、數(shù)據(jù)采集、SCADA系統(tǒng)等。LonWorks技術(shù)的核心是具備通信和控制功能的Neuron（神經(jīng)元）芯片。它包括一個(gè)固化的高級(jí)通信協(xié)議LonTalk、三個(gè)微處理器、一個(gè)多任務(wù)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(jīng)元）的芯片中，只有第七層應(yīng)用層是根據(jù)應(yīng)用對(duì)象自行定義的。LonWorks技術(shù)符合ISO的OSI標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)放性、互聯(lián)性及互操作性好。不同公司的產(chǎn)品可以相互兼容，系統(tǒng)擴(kuò)容十分方便。6.DeviceNet總線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)（DeviceNet）總線是基于CAN總線技術(shù)的設(shè)備級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線。它由嵌入CAN通信控制器芯片的設(shè)備組成，是用于低壓電器和離散控制領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間通信的現(xiàn)場(chǎng)總線。DeviceNet總線采用總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)網(wǎng)段可連接64個(gè)節(jié)點(diǎn)，傳輸速率有l(wèi)25kbit/s、250kbit/s和500kbit/s等。主干線最長(zhǎng)為500m，支線為6m。支持總線供電和單獨(dú)供電，供電電壓24V。采用基于連接的通信方式，報(bào)文的發(fā)送可以是周期或狀態(tài)切換，采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者的網(wǎng)絡(luò)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(duì)實(shí)時(shí)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(chǎng)總線分為三級(jí)，即過(guò)程級(jí)、控制級(jí)和監(jiān)控級(jí)。WorldFIP的協(xié)議結(jié)構(gòu)是由ISO/OSI模型的第一層、第二層和第七層構(gòu)成。傳輸媒體可以是屏蔽雙絞線或光纖。不同應(yīng)用領(lǐng)域采用不同的總線速率。過(guò)程控制采用31.25kbit/s，制造業(yè)為1Mbit/s，驅(qū)動(dòng)控制為1~2.5Mbit/s。采用總線仲裁器和優(yōu)先級(jí)來(lái)管理總線上（包括各支線）的各控制站的通信?？蛇M(jìn)行1對(duì)1、1對(duì)多點(diǎn)（組）、1對(duì)全體等多重通信方式。WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線適用于過(guò)程自動(dòng)化、制造業(yè)自動(dòng)化、電力及樓宇自動(dòng)化等方面。8.HART總線可尋址遠(yuǎn)程傳感器總線（HighwayAddressableRemoteTransducer，HART）通信協(xié)議，它是在DC4～20mA模擬信號(hào)上疊加頻移鍵控（FrequencyShiftKeying，F(xiàn)SK）數(shù)字信號(hào)。既可以傳輸DC4～20mA模擬信號(hào)，也可傳輸數(shù)字信號(hào)。HART通信基金會(huì)（HARTCommunicationFoundation，HCF），約有70多個(gè)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(gè)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(gè)字符傳輸時(shí)間的停頓開(kāi)始（一般采用4個(gè)），在傳輸完最后一個(gè)字符后，有一個(gè)至少3.5個(gè)字符傳輸時(shí)間的停頓來(lái)標(biāo)識(shí)結(jié)束。一個(gè)新的消息可以在此停頓后開(kāi)始。在接收期間，如果等待接收下一個(gè)字符的時(shí)間超過(guò)1.5個(gè)字符傳輸時(shí)間，則認(rèn)為是下一個(gè)消息的開(kāi)始。校驗(yàn)碼采用CRC-16方式，只對(duì)設(shè)備地址、功能代碼和數(shù)據(jù)段進(jìn)行校驗(yàn)。整個(gè)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(jiǎn)稱(chēng)。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(shí)以10Mbit/s的高速傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)總線。作為開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)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(shù)特點(diǎn)更適應(yīng)亞洲人的思維習(xí)慣。CC-Link是一個(gè)高速、穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)，其最大通信速度可以達(dá)到10Mbit/s，最大通信距離可以達(dá)到1200m（加中繼器可以達(dá)到13.2km）。當(dāng)CC-Link連接64個(gè)站、以10Mbit/s的速度進(jìn)行通信時(shí)，掃描時(shí)間不超過(guò)4ms。三、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)組成1.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的硬件主要由測(cè)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)的軟件現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的軟件包括操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理、通信軟件和監(jiān)控組態(tài)軟件等。四、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)以PROFIBUS為例。（大屏幕投影）逐一解說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)特點(diǎn)及發(fā)展過(guò)程，案例分析讓學(xué)生加深印象。（大屏幕投影）逐一解說(shuō)各種現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)特點(diǎn)及應(yīng)用方向，案例分析讓學(xué)生加深印象。（大