现场总线技术及其应用-概述

《现场总线技术及其应用》

学习现场总线技术的目的1.

专业（方向选修）课:熟悉典型现场总线技术的原理、规范和应用；2.了解专业发展最新技术，对工业过程控制发展现状有所了解，熟悉工业以太网技术；3.深化专业背景知识，提高专业技能，为今后从事相关专业工作打下一定基础；4.进一步了解有关过程自动化专业概念，进一步深入理解专业知识，为今后从事相关领域研究工作做一定程度的知识铺垫。第1章概述

1.现场总线的产生、本质与发展2.现场总线的结构及其特点3.几种有影响的现场总线4.现场总线面临的挑战学习目标1.掌握现场总线的概念2.了解目前市场上最常见的现场总线及其主要特点3.了解现场总线技术对未来自动控制系统的影响1.1现场总线的产生、本质与发展现场总线

--是一种在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实现双向、互连、串行和多节点的数字通信技术。1、冶炼、化工、石油、电力、造纸、纺织、食品应用领域：2、航空、铁路等运输行业3、宇宙飞船、导弹制导等国防工业4、洗衣机、电冰箱等家用电器1、基地式仪表控制系统发展历史：2、模拟仪表控制系统3、直接数字式控制系统(DDC)4、集散控制系统(DCS)5、现场总线控制系统(FCS)概念：将测量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳里，从而形成一个整体，并且可就地安装的一类仪表。基地式仪表控制系统基地式仪表：（1）综合与集中：基地式仪表把必要的功能部件全集中在一个仪表之内，只需配上调节阀便可构成一个调节系统；基地式仪表特点：（2）基地式仪表系统结构简单，不需要变送器，使用维护方便、防爆。由于安装在现场，因而测量和输出的管线很短。基地式仪表减少了气动仪表传送带滞后的缺点，有助于调节性能的改善；（3）基地式仪表的缺点是功能较简单，不便于组成复杂的调节系统，外壳尺寸大，精度稍低。由于不能实现多种参数的集中显示与控制，也在一定程度上限制了基地式仪表的应用范围。1、20世纪50年代以前基地式仪表控制系统2、企业生产规模小，测控仪表处于发展的初级阶段3、测控仪表自成体系4、操作人员现场巡视目前基地式仪表应用有哪些？1、气动和电动组合式仪表模拟仪表控制系统2、模拟量信号：0.02~0.1MPa气动信号、0~10V、4~20mA电信号3、操作人员监控室了解现场情况4、20世纪六七十年代缺点：精度低、易受干扰直接数字式控制系统DirectDigitalControl1、采用单片机、微型计算机或者PLC作为控制器2、显著提高抗干扰能力3、操作人员监控室了解现场情况4、20世纪七八十年代缺点：故障危险高度集中、运行风险增大计算机生产过程模拟量输入（AI）数字量输入（DI）模拟量输出（AO）数字量输出（DO）显示器打印机键盘报警集散控制系统DistributedControlSystem1、美国霍尼韦尔公司（HoneyWell）1975年TDC2002、德国西门子公司（SIMENS）TELEPERM3、日本横河公司（YOKOGAWA）CENTUM4、英国肯特公司（Kent）P40005、20世纪八九十年代概念：是一个由过程控制级和过程监控级组成的、以通信网络为纽带的多级计算机控制系统。核心思想：集中管理、分散控制优点：有效克服集中式数字控制系统对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷，广泛应用大型工业生产领域。缺点：封闭专用、不具备互操作性、造价昂贵典型集散控制系统结构图DCS：中央控制室各站监控室现场PLC现场总线控制系统概念：--是一种在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实现双向、互连、串行和多节点的数字通信技术。核心思想：功能分散、危险分散、信息集中应用微处理器、网络技术、通信技术和自动控制技术。FieldbusControlSystem缺点：没有真正统一的通信标准。现场总线是企业综合自动化的发展需要

--企业综合自动化是企业必然的选择与趋势

--DCS在实施企业综合自动化时的缺陷

通信是专用网络的封闭系统，无互换性

--现场总线的解决方案

基于公开化、标准化，遵守同一协议规程的产品具有互换性，可组成在同个系统中2.现场总线的发展背景与趋势智能仪表为现场总线的出现奠定了基础智能化设备的提出模拟通信式的智能设备模拟-数字混合的智能设备现场总线的出现现场总线标准化的现状2.现场总线的发展背景与趋势工业以太网控制系统第六代控制系统，正在发展和推广之中工业以太网优点：(1)基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式网络,不同厂商的设备很容易互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题。工业以太网优点：(2)以太网能便捷地访问远程系统,共享/访问多数据库。(3)易于与Internet连接,能够在任何城市、地方利用电话线通过Internet对企业进行监控。(4)能降低成本,包括技术人员的培训费用、维护费用及初期投资。(5)以太网能实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接。工业以太网缺点：(1)存在实时性差，不确定性的问题。(2)工业可靠性问题。(3)安全性问题。没有授权的用户可能进入网络的控制层或管理层，造成安全漏洞。1.1.2现场总线的本质1）现场设备互联

现场设备是指在生产现场安装的自动化仪器仪表，按功能可将其分为变送器、执行器、服务器和网桥等，这些现场设备通过双绞线、同轴电缆、光缆、红外线和无线电等传输介质进行相互连接、相互交换信息。

气动薄膜直通单座阀气动薄膜直通双座阀气动蝶阀气动球阀气动切断阀电动直通单座阀电动隔膜阀电动三通阀气动薄膜角形阀电磁阀手动截止阀执行器在自控系统中的作用执行器是指：

阀门－控制阀(连续的)、开关阀

电机－连续的、开关的执行器是控制系统必不可少的环节。

手执行器工作/使用条件恶劣，它也是控制系统最薄弱的环节。原因：执行器与介质直接接触；

(强)腐蚀性、(高)粘度、(易)结晶、高温、深冷、高压。执行器在自控系统中的作用：接收控制器（计算机）输出的控制信号，使控制阀的开度产生相应变化，从而达到调节操作变量的目的。执行器通常专指阀门气动执行器①

分类－－按使用的能源形式：电动执行器液动执行器气动阀电动阀在过程控制领域应用很少按阀门的输出：连续式(0～100％)开关式(ON/OFF)调节阀**气动控制阀采用气动执行机构优点：结构简单、动作可靠稳定、输出力大、安装维修方便、价格便宜和防火防爆；缺点：响应时间长，信号不适于远传；

采用电/气转换器或电/气阀门定位器，使传送信号为电信号，现场操作为气动信号。气动控制阀电信号气信号电动控制阀电动控制阀采用电动执行机构优点：动作较快、能源获取方便，特别适于远距离的信号传送；缺点：输出力较小、价格贵，且一般只适用于防爆要求不高的场合。4.现场总线系统的优点节省硬件数量与投资节省安装费用节省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4.现场总线系统的优点节省硬件数量与投资

1）智能现场设备直接执行多参数测量、控制、报警、累计计算等功能，减少了变送器的数量；

2）不需要DCS系统的信号调理、转换等功能，节省硬件投资，减少控制室的占地面积。4.现场总线系统的优点4.现场总线系统的优点节省安装费用

1）现场总线系统在一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因此连线简单，与传统连接方式相比，所需电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少；

2）当需要增加新的现场设备时，无需增加新的电缆，就近连接在原有电缆，即节省了投资，也减少了设计、安装的工作量；据有关典型实验工程的测算资料，可节约安装费用60%以上。4.现场总线系统的优点节省维护开销

1）现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，可通过数字通信将相关诊断维护信息发送到控制室，便于用户查询分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间；

2）系统结构简化、连线简单而减少了维护工作量。4.现场总线系统的优点用户具有高度的系统集成主动权

用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统；系统集成过程中主动权掌握在用户手中。4.现场总线系统的优点提高了系统的准确性与可靠性

1）现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差；

2）系统的结构简化、设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性；

3）设备标准化，功能模块化，使系统具有设计简单，易于重构等优点。5.FCS与DCS现场设备现场总线技术将基本控制功能已完全下放到现场现场控制系统FCSFCS未来的趋势5.FCS与DCS5.FCS与DCS5.FCS与DCS5.FCS与DCS5.FCS与DCS5.FCS与DCS二、现场总线控制系统构成原理1.现场总线控制系统的硬件构成2.现场总线控制系统的软件二、现场总线控制系统构成原理1.现场总线控制系统的硬件构成

现场总线的现场设备在不同程度上都具有数字计算和数字通信能力，这一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时丰富控制信息的内容、实现其远程传送创造了条件。二、现场总线控制系统构成原理1.现场总线控制系统的硬件构成借助现场设备的计算、通信能力，在现场就可以进行多种复杂的控制计算，形成真正分散在现场的完整控制系统，提控制系统可靠性；还可借助现场总线控制网络以及与之有通信连接的其他网络，实现异地远程自动控制，如操作远在数百里之外的电气开关；还可提供传统仪表所不能提供的如设备资源、阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态。1.测量系统2.控制系统3.设备管理系统4.通信系统5.计算机服务6.数据库1.现场总线控制系统的硬件构成2.现场总线控制系统的软件过程监控层(数据网络)现场控制层(控制网络)企业管理层(数据网络)1.操作系统2.网络管理软件3.通信软件4.组态软件

现场总线技术始发于二十世纪八十年代，但该项技术的火热发展是近些年才出现的。欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究开发；已经形成了各式各样的企业、国家、地区及国际现场总线标准；根据相关资料统计，已出现100多种现场总线，其中宣称为开放型总线的就有40多种。三、现场总线技术的标准化现场总线组织：1）现场总线基金会（FieldbusFoundation)2)LonMark协会3）Profibus协会4）工业以太网协会IEA（IndustrialEthernetAssociation)5)工业自动化开放网络联盟IAONA(IndustrialAustomationOpenNetworkAlliance)6)SocietyofAutomotiveEngineers(SAE)三、现场总线技术的标准化制定现场总线标准的国际标准化组织：1）IEC---国际电工委员会2)ISO---国际标准化组织三、现场总线技术的标准化现场总线技术的发展现状：1）多总线、多标准局面；（1）FF：过程自动化（2）Profibus:离散工业，机械制造业自动化（3）WorldFIP:交通行业自动化（4）LonWorks:楼宇自动化三、现场总线技术的标准化现场总线技术的发展现状：1）多总线、多标准局面；2）PC网络技术进入并主宰工业总线（1）工业以太网技术（2）TCP/IP协议（3）WEB技术三、现场总线技术的标准化实时以太网的标准化：近两年正在进行的实时以太网的标准化进程又重蹈覆辙，有11个实时以太网的PAS(PubliclyAvaliableSpecification,公共可用规范）文件进入了IEC61784-2，它们是:EtherNet/IP,PROFINET,P-Net,Interbus,VNET/IP,TCnet,EtherCAT,EtherNet,Powerlink,EPA(EthernerforAutomation,浙大中控),Modbus-RTPS,S