第8講現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成

1、第八講 現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成,現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成,第 一 部分 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),8.1.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則--設(shè)計步驟,要制定控制方案，需要繪制P&I圖；要優(yōu)化控制策略，需要繪制組態(tài)圖；要選擇現(xiàn)場儀表，計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)部件，需要繪制網(wǎng)絡(luò)圖；要進(jìn)行安裝布線，需要繪制出網(wǎng)絡(luò)接線圖,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),8.1.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則—繪制P&I圖,P&I

2、圖：過程控制管道和儀表圖（Process control diagram a piping and instrumentation drawing），用于過程控制中表示在工藝過程中的檢測和控制元件的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計符號；目前沒有用于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計的國際或國家標(biāo)準(zhǔn)，由于P&I圖的目的并不需要說明控制系統(tǒng)的接線技術(shù)、區(qū)分所用儀表類型和表示控制功能的位置，因此，ISA認(rèn)為現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)已能滿足現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計要求；,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的

3、設(shè)計和組態(tài),8.1.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則--繪制P&I圖,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),第一個字母表示被測變量，后續(xù)字母表示儀表的功能；圓圈里的數(shù)字表示回路編號，它是按車間（區(qū)域）或工序（控制回路）進(jìn)行編制的；為了說明現(xiàn)場總線設(shè)備之間信號傳輸是數(shù)字通信信號，可采用通信鏈的圖形符號；,8.1.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則--繪制P&I圖,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),鍋爐汽包水位三沖量控制P&I圖,FT

4、: 流量變送器FC: 流量控制器LT: 液位變送器FY: 流量加法器,目的：保持鍋爐汽包水位在一定范圍內(nèi)。,單沖量：只有一個被控變量，即汽包水位。雙重量：增加蒸汽流量前饋。三沖量：增加給水?dāng)_動控制,8.1.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則--繪制P&I圖,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),8.1.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則—功能連接圖,虛線橢圓表示一臺現(xiàn)場總線設(shè)備,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),8.1.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)

5、計準(zhǔn)則—設(shè)備接線圖,由于通信系統(tǒng)中要防止通信信號在端點處反射造成信號失真，并實現(xiàn)線路阻抗匹配，需要設(shè)置終端電阻；現(xiàn)場總線的電纜有一定的類型規(guī)定，對導(dǎo)線的線徑、特征阻抗等都有嚴(yán)格要求；一般模擬儀表系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)電流（或電壓）信號，因此可以采用串聯(lián)連接，而現(xiàn)場總線儀表一般是并聯(lián)連接到現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上的。,通信系統(tǒng)接線與一般模擬儀表系統(tǒng)接線的區(qū)別：,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),例：溫度和流量串級控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線設(shè)備接線圖(1),,機(jī)柜內(nèi),

6、電源模塊,8.1.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則—設(shè)備接線圖,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),例：溫度和流量串級控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線設(shè)備接線圖(2),,,,,8.1.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則—設(shè)備接線圖,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),例：溫度和流量串級控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線設(shè)備接線圖(3),,,,溫度檢測,溫度變送,流量變送,流量控制閥,8.1.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則—設(shè)備接線圖,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),8.1.1 現(xiàn)場總線控制系

7、統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則,應(yīng)遵照現(xiàn)場總線技術(shù)的有關(guān)規(guī)范；網(wǎng)段中掛接的現(xiàn)場總線設(shè)備總數(shù)、分支電纜上掛接的設(shè)備數(shù)、主干電纜和分支電纜長度及電纜類型、電源供電容量、電壓壓降等應(yīng)在現(xiàn)場總線規(guī)定的約束范圍內(nèi)；網(wǎng)段上掛接的設(shè)備數(shù)與該網(wǎng)段的宏循環(huán)時間有關(guān)；為減少通信量、降低成本，應(yīng)盡量選用功能較多的現(xiàn)場總線設(shè)備，同時同一控制系統(tǒng)中的檢測變送器、控制器和控制閥等現(xiàn)場總線設(shè)備宜設(shè)計在同一網(wǎng)段上；考慮防止過流、過壓、雷電沖擊等外圍干擾和故障；冗余系統(tǒng)考慮（對

8、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、鏈路主設(shè)備等）；考慮控制系統(tǒng)應(yīng)具有一定的可擴(kuò)展性；……,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),8.1.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的控制組態(tài),現(xiàn)場總線控制組態(tài)與DCS控制組態(tài)的區(qū)別DCS的控制組態(tài)結(jié)果通常直接存放在DCS的分散過程控制裝置中；DCS控制組態(tài)所使用的功能塊從數(shù)量和功能上比現(xiàn)場總線的多，但因制造商不同而異；在DCS控制組態(tài)中，由于存儲器容量較大，因此較少考慮功能塊數(shù)量的約束；現(xiàn)場總線功能塊適用面更廣，但參數(shù)設(shè)

9、置相對復(fù)雜。過程： 添加新網(wǎng)段->設(shè)置現(xiàn)場總線設(shè)備的地址、有關(guān)性能和參數(shù)等屬性->控制組態(tài)->下裝,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),現(xiàn)場總線設(shè)備庫,8.1.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的控制組態(tài),現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),控制系統(tǒng)功能模塊連接圖,8.1.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的控制組態(tài),現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),控制組態(tài)的內(nèi)容下載,8.1.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的控制組態(tài),現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),8.1.3

10、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工程設(shè)計—設(shè)計步驟,初步設(shè)計整個現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)自控工程要達(dá)到的自動化水平；設(shè)備投資的費用；實現(xiàn)自控工程的交付期；對安全運行的考慮；對操作、維護(hù)的要求等。初步擴(kuò)大設(shè)計過程控制系統(tǒng)的組態(tài)；工程的集成范圍；安全設(shè)計和可靠性設(shè)計；檢測系統(tǒng)設(shè)計、人機(jī)界面設(shè)計、對擴(kuò)展的考慮等。施工圖設(shè)計，又稱詳細(xì)設(shè)計，主要包括內(nèi)容有：工程集成的范圍、安全設(shè)計和可靠性的改進(jìn)設(shè)計等。,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),8.1.3

11、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工程設(shè)計—設(shè)計文件,系統(tǒng)圖網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)段圖位置圖建筑物布置圖安裝圖帶控制點流程圖儀表索引/數(shù)據(jù)庫儀表數(shù)據(jù)表材料要求制造商文件網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)段檢查圖閥門危險程度表邏輯圖功能描述/控制敘述等,現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成,第 二 部分 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn),現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn),8.2.1現(xiàn)場總線的布線和安裝—網(wǎng)絡(luò)組件,,主要有：中繼器(Repeater)、集線器(Hub)、交換式集線器(Switching

12、Hub)、網(wǎng)橋(Bridge)、路由器(Router)、網(wǎng)關(guān)(Gateway)等。此外還有連接器(Connector)、耦合器(Coupler)等。,8.2.1現(xiàn)場總線的布線和安裝,,交換機(jī),HSE鏈路設(shè)備,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn),終端器,,浪涌保護(hù)器,是一個充滿氣體的密閉管子GDT，當(dāng)電壓低于閾值時，有非常高的電阻；當(dāng)電壓高于閾值時，管內(nèi)氣體電離并產(chǎn)生對地電阻非常低的通路。最大浪涌電流可達(dá)20kA,8.2.1現(xiàn)場總線的布線和安

13、裝,,4-20mA電流回路接線圖簡單的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò),安裝布線,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn),8.2.1現(xiàn)場總線的布線和安裝,,鏈接式儀表的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)圖,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn),8.2.1現(xiàn)場總線的布線和安裝,,中繼器,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn),8.2.1現(xiàn)場總線的布線和安裝,,屏蔽線不應(yīng)多點接地，應(yīng)集中一點后再接地,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn),現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn),8.2.1現(xiàn)場總線的布線和安裝,連接示意圖,現(xiàn)場總線

14、控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),確定現(xiàn)場總線網(wǎng)段和現(xiàn)場總線設(shè)備（FF為例）,不同類型電纜的長度約束和線路電阻,網(wǎng)段的長度由電壓降和信號的質(zhì)量，即衰減(Attenuation)和失真(Distortion)所限制。,8.2.1現(xiàn)場總線的布線和安裝,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),確定現(xiàn)場總線網(wǎng)段和現(xiàn)場總線設(shè)備（FF為例）例：設(shè)計某現(xiàn)場總線網(wǎng)段，它有6臺現(xiàn)場總線設(shè)備，幾何位置分布如下圖所示，原有電纜為D型電纜，是否可直接采用原有電纜？

15、解：總電纜長度為：165+60+35+10+10+9+6=295m，根據(jù)D型電纜允許最大長度為200m，因此不能全部采用D型電纜?？蓪⒏鞣种щ娎|換用為A型，即D型165m，A型130m： 因165/200+130/1900=0.8934<1，所以滿足約束條件。,8.2.1現(xiàn)場總線的布線和安裝,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),確定現(xiàn)場總線網(wǎng)段和現(xiàn)場總線設(shè)備（FF為例）例：設(shè)計某現(xiàn)場總線網(wǎng)段，幾何位置分布如下圖所示，擬用A型電

16、纜，供電電壓19V，供電電流350mA，每臺設(shè)備的耗電為20mA，要求供電電壓不小于9VDC，是否可行？,解：第一接線盒處電壓降為：0.02(A/臺)*14(臺)*44(歐/km)*0.5km=6.16(V)因此，第一個接線盒處的電壓為19-6.16=12.84V,8.2.1現(xiàn)場總線的布線和安裝,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和組態(tài),解：第一接線盒到第二接線盒處電壓降為： 0.02(A/臺)*8(臺)*44(歐/km)*0.4km=2.

17、816(V) 因此，第二個接線盒處的電壓為12.84-2.816=10.024(V) 第二接線盒到8臺設(shè)備的電壓降為0.02*1*44*0.01=0.0088(V) 第二接線盒連接的8臺設(shè)備處電壓為10.024-0.0088=10.0152(V) 第一接線盒到6臺設(shè)備的電壓降為0.02*1*44*0.01=0.0088(V) 第一接線盒連接的6臺設(shè)備處電壓為12.84-0.0088=12.8312(V) 因此，各

18、設(shè)備的供電電壓都大于9V，且電纜總長為 500+400+10*6+10*8=1040m<1900m。因此本方案可行。,8.2.1現(xiàn)場總線的布線和安裝,8.2.2 本安型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn),,本質(zhì)安全現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的實現(xiàn)有兩種辦法：使用總線隔離柵或本安電源調(diào)整器。,安全柵等效電路,電源調(diào)整器隔離安全柵電路,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn),,8.2.2 本安型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn),現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn),,電源調(diào)整

19、器,8.2.2 本安型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn),現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn),現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成,第 三 部分 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),8.3.1以太網(wǎng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域應(yīng)用受限的原因,,以太網(wǎng)采用CSMA/CD碰撞檢測方式，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重(大于40%)時，網(wǎng)絡(luò)的確定性未能滿足工業(yè)控制的實時要求；以太網(wǎng)所用的接插件、集線器、交換機(jī)和電纜是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計的，不符合工業(yè)控制的實時要求；在工廠環(huán)境中，以太網(wǎng)抗干擾能力較差。若用于危

20、險場合，以太網(wǎng)不具備本質(zhì)安全性能；以太網(wǎng)還不具備通過信號線向現(xiàn)場儀表供電的功能。,工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),8.3.2 工業(yè)以太網(wǎng)與其他控制網(wǎng)絡(luò)相比較的優(yōu)勢,,工業(yè)以太網(wǎng)可以滿足控制系統(tǒng)各個層次的要求，使企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)得以統(tǒng)一；設(shè)備成本下降；用戶擁有成本下降；以太網(wǎng)易于與Internet集成。,工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),8.3.3 以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢,,采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線，可以保證現(xiàn)場總線技術(shù)的可持續(xù)性發(fā)展；以太網(wǎng)受到廣

21、泛的開發(fā)技術(shù)支持；由于以太網(wǎng)是應(yīng)用最廣泛的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有廣泛的硬件產(chǎn)品可供選擇，價格十分低廉；由于以太網(wǎng)已使用多年，具有大量的軟件資源；如果采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線技術(shù)，可以避免現(xiàn)場總線技術(shù)游離于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流之外，可以實現(xiàn)自動化控制領(lǐng)域的徹底開放。,工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),8.3.4 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)解決的問題,,通信實時性問題；對環(huán)境的適應(yīng)性與可靠性問題；總線供電問題；本質(zhì)安全問題；,工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),8.3.5 工業(yè)

22、以太網(wǎng)非確定性問題的緩解措施,,提高通信速率10Mb/s -> 100Mb/s ->1Gb/s控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時控制各網(wǎng)段的負(fù)荷量，合理分布各現(xiàn)場設(shè)備的節(jié)點位置，以減少沖突的發(fā)生采用以太網(wǎng)的全雙工交換技術(shù)采用交換式以太網(wǎng)技術(shù)采用交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)切分成多個網(wǎng)段，在網(wǎng)段分配合理的情況下，由于網(wǎng)段上多數(shù)的數(shù)據(jù)不需要經(jīng)過主干網(wǎng)傳輸，只在本地網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不占用其它網(wǎng)段的帶寬。,工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),8.3.6 實時以太網(wǎng),,

23、PROFINET,Modbus/TCP,EtherNet/IP,Powerlink,EtherCAT,實時以太網(wǎng)種類 IEC61784-2中的11種實時以太網(wǎng)：EtherNet/IP, Profinet, Interbus, EtherCAT, EPA,…幾種實時以太網(wǎng)的通信參考模型比較,工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),工業(yè)以太網(wǎng)的開發(fā)情況和發(fā)展趨勢,,工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),,RT-CSMA/CD協(xié)議網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為實時節(jié)點和非實時節(jié)點，分別遵循RT

24、-CSMA/CD和CSMA/CD協(xié)議以網(wǎng)絡(luò)上相距最遠(yuǎn)的兩個節(jié)點之間信號傳遲延時間的2倍作為最小競爭時隙，發(fā)送數(shù)據(jù)時先偵聽信道，若在一個最小競爭時隙中沒有檢測到?jīng)_突，則獲得訪問控制權(quán)，發(fā)送數(shù)據(jù)包；非實時節(jié)點檢測到?jīng)_突時停止發(fā)送，退出競爭；實時節(jié)點檢測到?jīng)_突時，發(fā)送長度不小于最小競爭時隙的競爭信號；,8.3.7 實時以太網(wǎng)的媒體訪問控制,工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),,確定性分時調(diào)度，將通信過程劃分為若干個循環(huán)，每個循環(huán)分為4個時段起始時段：進(jìn)

25、行必要的準(zhǔn)備和時鐘同步；周期性通信時段：用于保證周期性實時數(shù)據(jù)的傳輸。在該周期中為各節(jié)點安排好各自的微時隙進(jìn)行各自的通信。非周期性通信的異步時段：為普通TCP/IP數(shù)據(jù)包提供通過競爭傳輸非實時數(shù)據(jù)的機(jī)會。保留時段：用于發(fā)布時鐘，控制時鐘同步。,8.3.7 實時以太網(wǎng)的媒體訪問控制,工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),8.3.8 IEEE 1588精確時間同步協(xié)議(PTP),,時鐘偏移量與傳輸延遲的測量過程,測量主時鐘和從時鐘之間的時差，即測量時鐘偏移

26、值；測量傳輸延遲,TS1 - TM1 = Δt1 = tdelay + toffset,TM3 - TS3 = Δt2 = tdelay - toffset,toffset = (Δt1 - Δt2)/2,工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),8.3.8 IEEE 1588精確時間同步協(xié)議,,普通時鐘與邊界時鐘,PROFINET,PROFInet概念模型,8.3.9 PROFINET,PROFINET,PROFInet部件模型,1、工藝模塊

27、PROFInet定義了功能術(shù)語，如“機(jī)械”、“電氣/電子”和 “控制邏輯/軟件”，從而形成一種工藝模塊。2、PROFInet部件 PROFInet部件代表系統(tǒng)范圍工程設(shè)計中的一種工藝模塊，它將其自動化功能封裝在一個軟件部件內(nèi)。3、使用XML的部件描述 在PROFInet中XML部件文件包含以下數(shù)據(jù)：作為一個庫元素的部件描述、硬件描述、軟件功能描述、部件項目的存取地點。PROFInet以DCOM作為設(shè)備之間的公

28、共應(yīng)用協(xié)議。4、實時通信 在PROFInet中規(guī)定了優(yōu)化的實時通信通道-軟件實時通道（SRT通道）5、部件對象模型（COM） PROFInet對象是為自動化應(yīng)用定做的COM對象。COM對象基本由接口和實現(xiàn)兩部分組成。6、運行期和工程設(shè)計中的自動化對象,8.3.9 PROFINET,PROFINET_實時通訊,實時，Real-time (RT) 使用標(biāo)準(zhǔn)組件性能類似于當(dāng)前現(xiàn)場總線技術(shù)，如PROFIBUS

29、典型應(yīng)用：工廠自動化等時同步實時，Isochronous Real-time (IRT) 確定性的通訊響應(yīng)時間 <1ms, 抖動誤差 <1µs 典型應(yīng)用：運動控制,兩種實時模式可同時使用,8.3.9 PROFINET,PROFINET_實時通訊,通訊性能,通訊速率和抖動誤差決定網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量,PROFINET_實時通訊,相同的通訊結(jié)構(gòu)和快速響應(yīng)時間同一電纜上完成時實性和IT技術(shù)的統(tǒng)一

30、 覆蓋不同要求的實時性通訊應(yīng)用 TCP/IP通訊,PROFINET實時通訊技術(shù),PROFINET_實時通訊,高性能來自最小化堆棧過程時間,8.3.9 PROFINET,PROFINET 的時間槽分配,PROFINET _運動控制,,,,,,TCP/IP,HOV車道為RT保留的專用車道（

31、資源）保障實時與通信量（網(wǎng)絡(luò)負(fù)載）無關(guān)對訪問不加限制 (TCP/IP, IT, ….),等時同步實時（ IRT ）原理,PROFINET_分散的現(xiàn)場設(shè)備,從 PROFIBUS 到 PROFINET的集成,在集成現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)的開放環(huán)境可有效保護(hù)用戶的現(xiàn)有投資,PROFINET_分散的現(xiàn)場設(shè)備,PROFINET的各種節(jié)點,Ethernet for Plant Automation標(biāo)準(zhǔn)是一種用于工業(yè)自動化系統(tǒng)的實時動態(tài)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議；

32、 2001年 10月 由浙江大學(xué)牽頭，以浙大中控為主，清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、中科院沈陽自動化所、重慶郵電學(xué)院等單位聯(lián)合承擔(dān)國家“863”計劃CIMS主題重點課題“基于高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場總線控制設(shè)備”，開始制定EPA標(biāo)準(zhǔn)； 2005年 12月 EPA被正式列入現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158（第四版）中的第十四類型，并列為與IEC 61158相配套的實時以太網(wǎng)應(yīng)用行規(guī)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61784-2中的第十四應(yīng)用行規(guī)簇。,8.3.

33、9 EPA,EPA通信模型,EPA套接字映射實體,未使用,IT應(yīng)用協(xié)議,EPA應(yīng)用實體,ISO/IEC 8802-3/IEEE 802.11/IEEE802.15 物理層,表示層,會話層,傳輸層,網(wǎng)絡(luò)層,數(shù)據(jù)鏈路層,物理層,用戶層,ISO/IEC 8802-3/IEEE 802.11/IEEE802.15 MAC,EPA通信調(diào)度管理實體,IP (ARP、RARP、ICMP、IGMP),UDP,TCP,應(yīng)用層,EPA功能塊應(yīng)用進(jìn)程,非實時

34、應(yīng)用進(jìn)程,8.3.9 EPA,EPA通信模型,8.3.9 EPA,確定性通信調(diào)度方案在EPA 網(wǎng)段的一個微網(wǎng)段內(nèi), 所有EPA 設(shè)備的通信均是按周期進(jìn)行的, 完成一個通信周期所需的時間T 稱為一個巡回周期。一個巡回周期分為二個階段, 其中第一個階段為周期報文傳輸階段Tp, 第二個階段為非周期報文傳輸階段Tn 。,8.3.9 EPA,報文的發(fā)送過程一個 微網(wǎng)段內(nèi), EPA 設(shè)備發(fā)送報文的時間以其巡回周期開始時的“零”時間為時間基準(zhǔn),

35、 并為每個EPA 設(shè)備發(fā)送周期報文定義了偏移量。在一個通訊巡回周期內(nèi), 一個EPA 設(shè)備在偏移量時刻發(fā)送一個或多個周期報文。隨后, 該設(shè)備向本微網(wǎng)段廣播非周期報文聲明消息, 說明有無非周期報文發(fā)送, 如有, 則按本地的一個非周期報文的優(yōu)先級以及本地IP 地址等信息通知其它設(shè)備。在Tn 階段, 每個設(shè)備根據(jù)在Tp 階段接收到的其它設(shè)備非周期聲明信息, 根據(jù)優(yōu)先級、IP地址、剩余時間等按規(guī)則發(fā)送非周期報文。,8.3.9 EPA,8.3

36、.9 EPA,兩EPA設(shè)備間通信模型,8.3.9 EPA,EPA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),8.3.9 EPA,EPA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成,第 四 部分 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù),工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù),8.4.1 概述—層次結(jié)構(gòu),過程控制層PCS,制造執(zhí)行層MES,企業(yè)資源規(guī)劃層ERP,8.4.2 控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)集成的網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù),工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù),加入轉(zhuǎn)換接口；采用DDE技術(shù)；采用統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；采用數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)；采用OP

37、C技術(shù)；,控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成，可以通過以下幾種方式實現(xiàn)：,8.4.3 基于DDE技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的集成,工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù),控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)有一個共享工作站或通信處理機(jī)時，可以通過DDE技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；DDE：動態(tài)數(shù)據(jù)交換（Dynamic Data Exchange）；DDE是Windows環(huán)境下使用共享內(nèi)存在應(yīng)用程序之間傳遞數(shù)據(jù)的協(xié)議，用于完成應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換；DDE協(xié)議地址包括：應(yīng)用程序、主題、條目；,8

38、.4.3 基于DDE技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的集成,工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù),DdeClientConv1->DdeService = "[Excel]"; DdeClientConv1->DdeTopic = "(D:\[Book1.xls]Sheet1)"; DdeClientItem1->DdeItem = "R1C1:R2C1"; DdeClien

39、tConv1->OpenLink(); DdeClientConv1->PokeData("R1C3",Edit3->Text.c_str());,8.4.3 基于DDE技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的集成,工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù),集成系統(tǒng)架構(gòu),8.4.4 OPC技術(shù),工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù),即用于過程控制的OLE技術(shù)(OLE for Process Control)；以Windows的對象鏈接和嵌入(OLE)

40、、組件對象模型(COM)、分布式COM(DCOM)技術(shù)為基礎(chǔ)，定義了一套標(biāo)準(zhǔn)接口，在此接口上基于PC的軟件組件能交換數(shù)據(jù)；采用客戶/服務(wù)器模式，OPC服務(wù)器是數(shù)據(jù)供應(yīng)方，負(fù)責(zé)為OPC客戶提供所需的數(shù)據(jù)，OPC客戶是數(shù)據(jù)使用方，處理OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)；OPC的作用是在工業(yè)控制軟件中，為不同類型服務(wù)器與不同類型客戶搭建一座“橋梁”，通過它各客戶/服務(wù)器間形成即插即用的、簡單規(guī)范的鏈接關(guān)系，不同的客戶軟件能夠訪問任意的數(shù)據(jù)源。,8.4.4

41、 OPC技術(shù)—COM基礎(chǔ),工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù),軟件結(jié)構(gòu)的發(fā)展,一個應(yīng)用系統(tǒng)是一個單獨的應(yīng)用程序,組件化軟件結(jié)構(gòu)：把一個龐大的應(yīng)用程序分成多個模塊，每個模塊保持一定的功能獨立性。在協(xié)同工作時，通過相互之間的接口完成實際任務(wù)。,微軟提出COM (Component Object Model)，它不僅定義了組件程序之間進(jìn)行交互的標(biāo)準(zhǔn)，還提供了組件程序運行所需的環(huán)境。,,,8.4.4 OPC技術(shù)—COM基礎(chǔ),工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù),COM標(biāo)準(zhǔn)包含規(guī)范和

42、實現(xiàn)兩部分,規(guī)范部分定義了組件和組件之間通信的機(jī)制。這些規(guī)范不依賴特定的語言環(huán)境和操作系統(tǒng)；COM標(biāo)準(zhǔn)的實現(xiàn)部分是COM庫，為COM規(guī)范的具體實現(xiàn)提供了一些核心服務(wù)；在COM標(biāo)準(zhǔn)中，一個組件程序即為一個模塊，它可以是一個動態(tài)鏈接庫（DLL），稱為進(jìn)程內(nèi)組件，也可以是一個可執(zhí)行程序，稱為進(jìn)程外組件；一個組件程序可以包含一個或多個組件對象；在程序和程序之間進(jìn)行通信時，通信雙方都應(yīng)該是組件對象，也叫COM對象，而組件程序（COM程序）

43、是提供COM對象的代碼載體。,8.4.4 OPC技術(shù)—COM基礎(chǔ),工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù),COM對象,COM組件提供給客戶的是以對象形式封裝起來的實體?？蛻舫绦蚺cCOM組件程序進(jìn)行交互的實體是COM對象，它并不關(guān)心組件模塊的名稱和位置，但必須知道在和哪個COM對象進(jìn)行交互；COM對象包括屬性（狀態(tài)）和方法（操作）；在COM模型中，對象本身對于客戶來說是不可見的?？蛻粽埱蠓?wù)時，只能通過接口進(jìn)行。每一個COM對象是用一個128位的全局唯一標(biāo)

44、識符來標(biāo)識的。,8.4.4 OPC技術(shù)—COM基礎(chǔ),工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù),COM接口,COM接口是包含了一組函數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過這組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，客戶代碼可以調(diào)用組件對象的功能；,接口具有特性： 二進(jìn)制特性； 接口不變性； 繼承性（擴(kuò)展性）； 多態(tài)性。,COM規(guī)范要求一個COM對象如果實現(xiàn)了多個接口，則可以從某個接口得到該對象的任意其他接口，這是通過接口的QueryInterface()函數(shù)實現(xiàn)的；,8.4.4 OPC技術(shù)—COM基礎(chǔ),

45、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù),COM特性,語言無關(guān)性；進(jìn)程透明性；,8.4.4 OPC技術(shù)—COM基礎(chǔ),工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù),COM特性,進(jìn)程透明性；,在同一機(jī)器上采用本地過程調(diào)用LPC,在不同機(jī)器上采用遠(yuǎn)程過程調(diào)用RPC,Proxy：代理；Stub：存根,8.4.4 OPC技術(shù)—COM基礎(chǔ),工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù),COM標(biāo)準(zhǔn)有3種通信機(jī)制用于客戶程序與COM組件之間的通信：可連接對象、數(shù)據(jù)通報機(jī)制和DCOM技術(shù)。,COM中的雙向通信機(jī)制；可連接對象的雙

46、向通信機(jī)制；DCOM技術(shù),8.4.4 OPC技術(shù)—COM基礎(chǔ),工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù),DCOM技術(shù),PROFINET,代理(Proxy)與存根(Stub),8.4.4 OPC技術(shù)—COM基礎(chǔ),PROFINET,8.4.4 OPC技術(shù)—COM基礎(chǔ),PROFINET,8.4.4 OPC技術(shù)—OPC技術(shù)優(yōu)勢,OPC對數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)用戶間連接關(guān)系的改善,開發(fā)商可以將開發(fā)驅(qū)動服務(wù)程序的大量人力與資金集中到對單一OPC接口的開發(fā)，只需開發(fā)一個高度

47、優(yōu)化的、可重復(fù)使用的OPC服務(wù)器訪問底層的硬件；OPC兼容組件降低系統(tǒng)集成費用，用戶可把精力集中在解決有關(guān)自動化功能的實現(xiàn)上，縮短應(yīng)用程序的開發(fā)周期。,8.4.4 OPC技術(shù)—OPC技術(shù)優(yōu)勢,OPC模式的連接示例,8.4.4 OPC技術(shù)—OPC技術(shù)優(yōu)勢,OPC規(guī)范為OPC服務(wù)器規(guī)定了兩種接口：客戶接口(CI:Custom Interface) 必須由每一個OPC服務(wù)器提供，是訪問過程變量的有效通道。自動化接口(AI:Auto

48、mation Interface)是對客戶接口的進(jìn)一步封裝，面向解釋程序開發(fā)環(huán)境，是可選項。,8.4.4 OPC技術(shù)—OPC的對象和接口,8.4.4 OPC技術(shù)—OPC的對象和接口,自動化接口,定制接口,按照功能不同，OPC每種接口可分為3種類型：OPC報警和事件訪問接口(OPC AE)OPC歷史數(shù)據(jù)訪問接口(OPC HDA)OPC數(shù)據(jù)訪問接口(OPC DA)OPC服務(wù)器(OPC-Server)：服務(wù)供應(yīng)者，通常是一個COM

49、目標(biāo)，是OPC組對象的容器。OPC組(OPC-Group)：是OPC客戶使用的OPC項的邏輯結(jié)構(gòu)單位。一個組可包含多個OPC項。OPC項目(OPC-Item)：通過項標(biāo)識ID區(qū)分，它具有一個數(shù)值、一個狀態(tài)信息和一個時間標(biāo)志。,8.4.4 OPC技術(shù)—OPC的對象和接口,OPC數(shù)據(jù)存取服務(wù)器中對象及OPC客戶的相互關(guān)系,OPC服務(wù)器對象創(chuàng)建OPC組后，將組對象的指針傳遞給客戶，由客戶直接操縱組對象。因而提高了存取速度且易于功能擴(kuò)展

50、,8.4.4 OPC技術(shù)—OPC數(shù)據(jù)存取規(guī)范(定制接口),OPC服務(wù)器對象,是OPC服務(wù)器程序暴露的主要對象，客戶程序首先創(chuàng)建該對象再通過其接口完成所需的功能,8.4.4 OPC技術(shù)—OPC的對象和接口,OPC服務(wù)器必須的對象有：IUnknown 所有COM組件都必須實現(xiàn)的一個基本的標(biāo)準(zhǔn)接口，它為客戶程序提供了QueryInterface()的方法進(jìn)行接口查詢，并且引用計數(shù)的方法決定COM對象的生存周期。IOPCServe

51、r OPC服務(wù)器對象的主要接口?？蛻舫绦蚩赏ㄟ^該接口創(chuàng)建、查詢和刪除組對象，并了解OPC服務(wù)器自身的信息。IOPCCommon 是各類OPC服務(wù)器都使用的接口，通過該接口可為某個特定的客戶/服務(wù)器對話設(shè)置和查詢本地標(biāo)志。IConnectionPointContainer 是COM規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)接口，用于實現(xiàn)服務(wù)器程序向客戶程序發(fā)送通知或事件。,8.4.4 OPC技術(shù)—OPC的對象和接口,OPC組對象,提供了一

52、種讓客戶組織數(shù)據(jù)的方法，用戶可以將與邏輯相關(guān)的一組數(shù)據(jù)作為OPC項添加到同一個組當(dāng)中,8.4.4 OPC技術(shù)—OPC的對象和接口,OPC組對象IOPCItemMgt 允許客戶程序組對象添加、刪除和管理其包容的OPC項。IOPCGroupStateMgt 客戶程序通過該接口來管理整個組對象的狀態(tài)。IOPCsyncIO 客戶程序通過該接口進(jìn)行同步數(shù)據(jù)存取操作。IOPCAsyncIO2 客戶程序通過該

53、接口進(jìn)行異步數(shù)據(jù)存取操作，與IConnectionPointContainer接口一起使用。 和IOPCAsyncIO 客戶程序通過該接口進(jìn)行異步數(shù)據(jù)存取操作。與IDataObject接口結(jié)合使用。,8.4.4 OPC技術(shù)—OPC的對象和接口,OPC項對象表示了與OPC服務(wù)器中數(shù)據(jù)的連接，包括值(Value)、品質(zhì)(Quality)、時間戳(Time Stamp)三個基本屬性值的數(shù)據(jù)類型為VARIANT，表示實際的數(shù)

54、值；品質(zhì)標(biāo)識數(shù)值是否有效；時間戳反映從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)的時間或者服務(wù)器刷新其數(shù)據(jù)存儲區(qū)的時間。,8.4.4 OPC技術(shù)—OPC的對象和接口,基于OPC技術(shù)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成,典型ABB的AC800M系統(tǒng)組成,基于OPC技術(shù)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成,短程無線數(shù)據(jù)通信,WWAN,WMAN,WLAN,WPAN,傳輸范圍,0.01,10,1,0. 1,100,1000,數(shù)據(jù)傳輸率（Mbps）,1 短程無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),1 短程無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),文本,因

55、特網(wǎng)/聲音,壓縮圖片,多通道數(shù)字圖像,低高,短程長程,1 短程無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),2 無線通信的一組術(shù)語,ISM(Industrial Scientific Medical)頻段：為保證各種用途的無線通信之間互不干擾，需要對無線頻道的使用實行管理。ISM頻段位無線通信管理部門規(guī)定的一些無需獲準(zhǔn)許就可以應(yīng)用的頻段。我國目前可以使用的ISM頻段位433MHz和2.4GHz。短距離無線通信系統(tǒng)大多數(shù)工作在ISM頻段上。無線頻率分割：為了有效實現(xiàn)同

56、一范圍內(nèi)多個節(jié)點間的無線通信，必須防止通信幀在傳輸過程中的相互碰撞。無線頻率分割可將頻段的頻率帶寬分解為多個窄帶寬的子信道，各子信道的帶寬相對獨立。擴(kuò)頻與解擴(kuò)：擴(kuò)頻指對通信信號的頻譜擴(kuò)展，展寬數(shù)字信號的頻帶寬度。采用擴(kuò)頻傳輸具有抗干擾能力強(qiáng)、可進(jìn)行多址通信、安全保密、抗多徑干擾等特點。包括直接序列擴(kuò)頻（DSSS）、跳頻擴(kuò)頻（FHSS）等。,2 無線通信的一組術(shù)語,直接序列擴(kuò)頻（DSSS）：直接利用某種寬頻偽碼實現(xiàn)通信信號的頻譜擴(kuò)展。

57、跳頻擴(kuò)頻（FHSS）：無線通信的收發(fā)雙方在通信中使用的載波頻率受某種偽隨機(jī)碼的控制而離散變化，控制射頻載波振蕩器的輸出頻率，使信號的發(fā)射頻率不斷以不等間隔隨機(jī)跳變。只有知道跳頻規(guī)律才能正確接收所傳輸?shù)男畔?。采用跳頻通信具有信號隱蔽、不易被截獲、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。接入點（AP）:一個無線節(jié)點與另一個無線節(jié)點之間的通信通常需要經(jīng)過其它節(jié)點中轉(zhuǎn)。這些中轉(zhuǎn)點就是無線通信的接入點。無線漫游：終端節(jié)點通過自動發(fā)現(xiàn)附近信號強(qiáng)度最大的AP，并通

58、過該AP收發(fā)數(shù)據(jù)，與網(wǎng)絡(luò)保持不間斷的連接，這個過程稱為無線漫游。,3 藍(lán)牙通信的特點,工作在全球開放的2.4GHz ISM頻段； 使用跳頻頻譜擴(kuò)展技術(shù)； 一臺藍(lán)牙設(shè)備可同時與其它七臺藍(lán)牙設(shè)備建立連接； 數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)720kbit/s； 低功耗、通訊安全性好； 在有效范圍內(nèi)可越過障礙物進(jìn)行連接，沒有特別的通訊視角和方向要求； 支持語音傳輸； 組網(wǎng)簡單方便,4 ZigBee技術(shù),低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2

59、節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，在相同條件下，藍(lán)牙能工作數(shù)天，WiFi僅能工作數(shù)小時。 低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍(lán)牙協(xié)議的1/10)，降低了對通信控制器的要求，以51的8位單片機(jī)測算，全功能的主節(jié)點需要32 kb代碼，子功能節(jié)點只需4 kb代碼。 低速率。Zigbee工作速率為20～250 kb/s，分別提供250 kb/s(2.4 GHz)、40 kb/s(915 MHz)和20 kb/s(868 MHz)的原始

60、數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。 低時延：針對時延敏感應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活時延都非常短。設(shè)備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值是15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms；,4 ZigBee技術(shù),網(wǎng)絡(luò)容量大。Zigbee可采用星狀、樹狀及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，一個主節(jié)點最多可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，可組成多達(dá)65536個節(jié)點的大網(wǎng)。 傳輸距離1

61、0-75m之間，通過增大發(fā)射功率可使連接距離更遠(yuǎn)。安全性能高。Zigbee提供了3級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)、防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對稱密碼，可靈活確定其安全屬性。,4 ZigBee技術(shù),采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù),4 ZigBee技術(shù),通信參考模型,4 ZigBee技術(shù),三種類型設(shè)備協(xié)調(diào)器路由器終端設(shè)備,4 ZigBee技術(shù),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),4 ZigBee技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域,4

62、 ZigBee技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域,工業(yè)領(lǐng)域：利用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，使得數(shù)據(jù)的自動采集、分析和處理變得更加容易。例如危險化學(xué)成分的檢測，火警的早期監(jiān)測和預(yù)報，遠(yuǎn)程抄表等。這些應(yīng)用不需要很高的數(shù)據(jù)吞吐量和連續(xù)的狀態(tài)更新，重點在低功耗和靈活的組網(wǎng)形式。 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：借助于各種傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)確且實時的檢測每個病人的血壓、體溫和心跳速度等信息，從而減少醫(yī)生查房的工作負(fù)擔(dān)，有助于醫(yī)生做出最快的反應(yīng)。 智能建筑領(lǐng)域：借助ZigBe

63、e傳感器進(jìn)行照明控制，使用傳感器檢測周圍環(huán)境，只有檢測到人來的時候才將照明開關(guān)打開。還可以通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制。 家庭自動化領(lǐng)域：ZigBee可用于安全系統(tǒng)，溫控裝置等方面。另外將ZigBee用于遙控裝置優(yōu)點在于不像目前采用的紅外裝置那樣會受到角度的限制。而且ZigBee支持各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，更容易擴(kuò)展覆蓋范圍。同時由于ZigBee設(shè)備功耗低，電池的使用壽命也和紅外裝置差不多。在無線家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計中，使用ZigBee于家庭內(nèi)網(wǎng)