《现场总线概论》PPT课件

1、第一章 现场总线概论,1.1 什么是现场总线 1.1.1现场总线基本概念 1.1.2现场总线产生 1.1.3DCS，RI/O和FCS 1.1.4现场总线通信系统 1.1.5现场总线技术现状及发展 1.2几种典型的现场总线 1.3现场总线控制系统的构成 1.4现场总线控制系统的特点,1.1 什么是现场总线,国际电工委员会在IEC61158中给现场总线下了一个定义： 安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。 简述：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络,1.1.1现场总线基本概念（现场总线的本

2、质含义）,现场通信网络 现场设备互连 互操作性 分散功能块 通信线供电 开放式互连网络,（1）现场通信网络 现场总线作为一种数字式通信网络一直延伸到生产现场中的现场设备，使过去采用点对点的模拟信号传输或开关量信号单点并行传输变为_的双向串行数字传输。 （2）现场设备互连 现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通过_传输线互连,（3）互操作性 用户希望选用各制造商性能价格比最好的产品集成在一起，实现“即插即用”；用户希望对不同品牌的现场设备统一组态，构成其所需的控制回路 所谓_是指来自不同厂家的设备（仪表）可以互相通信，并且可以在多厂家的环境中完成功能的能力。 （4）分散功能块

3、 FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站,把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表,从而构成_ 。,（5）通信线供电 通信线_允许现场仪表直接从通信线上获取能量,这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表,与其配套的还有安全栅。 （6）开放式互连网络 现场总线为开放式互连网络,既可与_网络互连,也可与_网络互连,不同制造商的网络互连十分简便,用户不必在硬件或软件上花多大力气。,1.1.2 现场总线的产生 现场总线的含义 ： 现场总线是用于过程自动化和制造自动化底层的现场仪表或现场设备互连的通信网络，这些仪表或设备具有输入、输出、运算、控制、通信功能，并直接在现场总线上构成分散的控制回路

4、。,模拟,半数字,全数字,50,60,70,80,90,年代,在椭圆中填上相应 的仪表英文缩写符号,20世纪50年代以前，使用PCS，这种控制按地理位置分散于生产现场，分散于生产现场，自成体系， 实现自治式的彻底分散控制。其优点是危险分散，一台仪表故障只影响一个控制点；其缺点是只能实现简单控制，操作工奔跑于生产现场巡回检查，不便于集中操作控制，而且只适用于几个控制回路的小型系统。,20世纪60年代开始集中控制，采用ACS。 控制器、指示器、记录仪安装于控制室，传感器、执行器安装 于现场。优点是便于集中控制、监视操作和管理，缺点是控制三要素分离带来安装成本高，要消耗大量的管线和电线，调试麻烦，维

5、护困难。,产生因素： 传统模拟仪表的缺点 现场总线数字仪表的优点 计算机及其网络技术的发展 用户需求。 传统模拟仪表的缺点 一对一结构： 一台仪表，一对传输线，单向传输一个信号； 接线庞杂，工程周期长，安装费用高，维护困难。 单一功能： 信号检测和变换功能。 可靠性差： 模拟信号传输不仅精度低，而且易受干扰。,传统模拟仪表的缺点 一对一结构： 一台仪表，一对传输线，单向传输一个信号； 接线庞杂，工程周期长，安装费用高，维护困难。 单一功能： 信号检测和变换功能。 可靠性差： 模拟信号传输不仅精度低，而且易受干扰。 失控状态： 操作员在控制室 既不了解现场仪表工作状况， 也不能对其进行参数调整，

6、 更不能预测故障， 导致操作员对其处于“失控”状态。 互换性差： 不同厂家的同类仪表无法互换。 用户依赖制造厂，无法使用性能价格比 优的仪表。,1.1.2 现场总线的产生,20世纪60年代的计算机集中控制,一台计算机 的任务： 承担一套或多套 生产装置信号输入和 输出、运算和控制、 操作监视和打印制表 等多项任务。 实现几十个或 上百个控制回路， 全厂的信息管理。 危险集中。,20世纪70年代，使用DCS，它是一个半数字系统，即DCS与现场设备（仪表）联系仍是采用模拟信号，不能实现真正的数字化电厂。,1.1.2 现场总线的产生 现场总线数字仪表的优点 20世纪80年代中期开始研究制定现场总线标

7、准。 一对N结构： 一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号； 接线简单，工程周期短，安装费用低，维护容易。,现场总线数字仪表的优点 综合功能： 既有信号检测和变换功能， 又有控制和运算功能。 可靠性高： 数字信号传输不仅精度高，而且抗干扰性强。 可控状态： 操作员在控制室 既可了解现场仪表的工作状况， 也能对其进行参数调整， 使其处于操作员监控状态， 提高了可控性和维护性。,现场总线数字仪表的优点 互换性好： 不同厂家的同类仪表可以互换， 用户可以选用性能价格比最优的现场仪表。 互操作性： 不同厂家仪表集成在一起，对功能块进行统一组 态，构成所需的控制回路，实现“即接即用”。 分散控制： 控制

8、功能分散在现场总线数字仪表中， 通过现场总线构成控制回路， 实现了彻底的分散控制。 提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。,计算机及其网络技术的发展 现场仪表是模拟和数字混合处理器， 既有检测、变换和放大等模拟信号处理， 也有CPU、内存和通信等数字信号处理。 工作环境恶劣，易燃易爆，总线供电，本质安全， 要求集成电路元件体积小、功能全、性能好、 可靠性高、耗电少。 用户需求 传统模拟仪表的缺点，束缚了DDC和DCS的发展。 现场数字仪表的优点，促进了DDC和DCS的革新。 用户需要现场总线仪表。 厂商看到现场总线仪表的市场需要。,1.1.3DCS，RI/O和FCS DCS：DCS处理器模件与I

9、/O模件之间不但可以通过厂家专用的通信协议进行数据交互，还可以通过某种现场总线协议进行数据交互。 RI/O：在DCS中，为了与距离电子设备间较远的某个子系统进行数据交互，使用了RI/O，通过某种协议的数据总线将远程I/O中的多个数据与电子设备间的处理器模件进行数据交互。 FCS：FCS是通过现场总线技术，将现场的智能设备串联在一起组成控制系统。,处理器模件,DCS,处理器模件,处理器模件,BUS,BUS,BUS,I/O,I/O,I/O,I/O,I/O,I/O,I/O,I/O,I/O,CP,CP,CP,CP,CP,CP,I/O,I/O,I/O,P-微处理器,P,P,P,RI/O,FCS,电子设备

10、间,现场,CP-通信处理器,I/O-输入/输出 模件/模块,远程I/O机柜,智能现场设备 /现场总线仪表,图1-2DCS、RI/OFCS对应关系,控制柜安装在什么地方？ 处理器模件和I/O模件安装在什么地方？ BUS是什么？ BUS都采用什么协议？ 处理器模件和I/O模件之间传递是什么性质的信号？ 画出I/O模件与现场仪表连接示意图，它们之间传递是什么性质的信号？ 画出现场仪表与生产过程连接示意图，它们之间传递是什么性质的物理量？ 控制策略存在于什么模件中？ 画出开环监视信息流。,处理器模件,DCS,BUS,I/O,I/O,I/O,电子设备间,现场,处理器模件,BUS,I/O,I/O,I/O,

11、CP,CP,CP,I/O,I/O,I/O,RI/O,远程I/O机柜,处理器模件安装在什么地方？ 远程I/O机柜安装在什么地方？ 通信处理器模件安装在什么地方？ I/O模件安装在什么地方？ BUS是什么？ BUS都采用什么协议？ 处理器模件和I/O模件之间传递是什么性质的信号？ 画出I/O模件与现场仪表连接示意图，它们之间传递是什么性质的信号？ 画出现场仪表与生产过程连接示意图，它们之间传递是什么性质的物理量？ 控制策略存在于什么模件中？,处理器模件,BUS,I/O,I/O,I/O,CP,CP,CP,P,P,P,FCS,智能现场设备 /现场总线仪表,处理器模件安装在什么地方？ I/O安装在什么地

12、方？ FB安装在什么地方？ CP是什么？ P是什么？ BUS都采用什么协议？ 处理器模件和I/O模件之间传递是什么性质的信号？ 画出现场仪表与生产过程连接示意图，它们之间传递是什么性质的物理量？ 控制策略存在于什么模件中？,1.1.4 现场总线通信系统 现场总线通信系统由数据发送仪表（设备）、接收仪表（设备）、传输介质、传输报文和通信协议等部分组成，试画出现场总线通信系统示意图。 帧长度为几个或几十个数据位的总线属于_。 A.传感器总线；B.设备总线；C.现场总线 CAN总线属于_。 A.位级总线；B.字节级总线；C.数据块级总线,1.1.5现场总线技术现状及发展 现场总线的关键技术是通信协议

13、。在发展初期，各大自动化集团各自推出自己的现场总线，其类型达40种之多。为了用户便于使用，达到各总线之间互联的目的，就必须实行大家都遵守的国际标准，以实现开放、兼容、互操作的目的。 国际IECTC65标准化组织，为了统一现场总线通信协议，在十多年的工作中，通过争论与妥协，于1999年12月底，各委员国家投票表决，通过了8种总线标准的折中方案，并于2000年1月4日，由IEC中央办公室公布了投票结果。,这8种总线标准的类型是： TS-61158或 FF-H1（现场总线基金会）； CIP或CONTROLNET(美国ROCKWEIL公司)； PROFIBUS(德国西门子公司)； P-NET(丹麦PR

14、OCESS DATA公司)； FF-HSE(FISHER-ROSEMOUNT公司)； SWIFT NET(美国波音公司)； WORLDFIP(法国ALSTOM公司)； INTERBUS(德国PHOENIX CONTACT公司)。,1.2 几种典型的现场总线 IEC61158标准中有 FF， PROFIBUS， Control Net， P-NET， Swift Net， World FIP， Inter bus， 等等； 另外还有 CAN， LON， HART， ASI， Device Net 等等。 多种现场总线标准并存。,1.2.几种典型的现场总线,传输速率： 低速为几十几百Kbps 中速

15、为几百几千Kbps 高速为几M几十Mbps 传输介质： 双绞线、同轴电缆、光缆、无线， 动力电缆(如楼宇中的照明电缆)。 拓扑结构： 总线形 树形 环形,1.2.几种典型的现场总线,现场总线区别 于一般的通信总线， 不仅是一种通信技术， 而且是一种控制技术。 现场总线标准 不仅规定了通信协议， 而且规定了控制协议或应用功能块。 通过现场总线， 既可以共享现场总线节点内部的数据， 也可以共享现场总线节点内部的功能块， 以便在现场总线上组成控制回路。,PROFIBUS现场总线,制造业自动化 过程控制自动化 电力自动化 楼宇自动化 铁路交通自动化,现场总线技术,FF现场总线,应用领域以过程控制自动化

16、为主 化工 电力 废水处理 油田,现场总线技术,LONWORKS现场总线,由美国Echelon公司研制 工业控制 楼宇自动化 数据采集 SCADA系统 国内主要应用于楼宇自动化,现场总线技术,CANBUS现场总线,由德国Bosch公司为汽车的监测和控制而设计 主要用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型I/O，另外在电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用,现场总线技术,1.3 现场总线控制系统的构成,FCS的讨论重点放在什么层级上？ FCS按结构分成几类？ 二层的现场总线控制系统由哪几部分组成？ PID在什么设备里实现？ 智能仪表指的是什么设备？ 人机接口指的是什么设

17、备？ 此结构有控制级吗？,现场总线控制系统由哪几部分组成？ PID在什么设备里实现？ 现场总线设备指的是什么设备？ 人机接口指的是什么设备？ 此结构有控制级吗？ 此结构的控制站与DCS的控制站的区别？ 此结构适合控制什么样的生产过程,现场总线控制系统由哪几部分组成？ PID在什么设备里实现？ 现场总线设备指的是什么设备？ 人机接口指的是什么设备？ 此结构有控制级吗？ 此结构的控制站与DCS的控制站的有区别吗？ 此结构适合控制什么样的生产过程 此结构能在工程师站上对现场设备进行组态吗？,传统DCS和新一代FCS是几层结构，并写出数字 所对应的含义。,传统DCS是几层结构，写出数字所对应的含义。,

18、几层结构？与教材中哪张图对应？,几层结构？与教材中哪张图对应？,华能九台电厂SPPA-T3000,几层结构？ 与教材中哪张图对应？,几层结构？,与教材中哪张图对应？,FCS165系统控制网络示意图,几层结构？ 与教材中 哪张图对应？,1.4现场总线控制系统的特点 现场总线具有以下特点： 一根双绞线可连接多台设备，从而减少导线数量，降低配线成本。 由于采用数字传输方式，可以实现高精度的信息处理，提高控制质量。 由于实现了多重通信，除了可以传送PV、MV之外，还可以传送大量的现场设备管理信息。 现场仪表之间可以通信，实现了现场仪表的自律分散控制。,由于现场总线仪表具有互操作性，不同厂家的仪表可以自

19、由组合，为用户提供了广泛的选择余地。 实现了测量仪表、电气仪表、分析仪表的综合化。 在控制室就可以对现场仪表进行调试、校验、诊断和维护。 1.通信方式 模拟通信方式 混合通信方式 现场总线通信方式,2.节省导线、电缆及其安装费用 多仪表互连 多变量检测 多变量传送,PV,SV,上限报警,下限报警,诊断信息,3.传输精度的提高 现场仪表中D/A转换产生误差 模拟信号传输产生误差 系统仪表的A/D转换产生误差,4.多层次的信息传输（多对多） 5.系统控制功能的分散化 现场仪表具有综合管理功能 系统控制功能的自律分散 系统控制功能的下移 6.互操作性,填空： DCS系统是个大系统，其控制器功能强而且

20、在系统中的作用十分重要，数据公路更是系统的关键，所以必须整体投资一步到位，事后_难度较大。 FCS功能下放较彻底，信息处理现场化，广泛采用的数字智能现场装置使得控制器功能与重要性相对减弱。因此，FCS系统投资起点低，可以边用、_、边投运。,DCS系统是_系统，各公司产品基本互不兼容。而FCS系统是_系统，用户可以选择不同厂商、不同品牌的各种设备连入现场总线，达到最佳的系统集成。 DCS系统的信息全都是二进制或模拟信号形成的，必须有DA与AD转换。而FCS系统是全数字化，免去了DA与AD变换，高集成化高性能，使_可以从0.5提高到0.1。 _系统可以将PID闭环控制功能装入变送器或执行器中，缩短

21、了控制周期，目前可以从DCS的25次s，提高到FCS的1020次s，从而改善调节性能。,_系统可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是，由于其自身的致命弱点，其I0信号采用传统的模拟量信号，无法在工程师站上对现场仪表(含变送器、执行器等)进行远方诊断、维护和组态。 _系统采用全数字化技术，数字智能现场装置发送多变量信息，而不仅仅是单变量信息，并且还具备检测信息差错的功能。 _系统采用双向数字通信现场总线信号制。因此，它可以对现场装置(含变送器、执行器等)进行远方诊断、维护和组态。,_系统由于信息处理现场化，与_系统相比，可以省去相当数量的隔离器、端子柜、IO终端、IO卡件、I

22、O文件及IO柜，同时也节省了IO装置及装置室的空间与占地面积，有专家认为可以节省60。 _系统可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等，同时也节省了设计、安装和维护费用，有专家认为可以节省66。 _相对于_ 组态简单，由于结构、性能标准化，便于安装、运行、维护。,两种通信方式如图所示，试说明： （1）两种通信方式的名称是什么？ （2）那种通信方式精度高？ （3）精度高的原因是什么？,填空 _通信方式产生误差的原因有以下三个方面：现场仪表中DA转换产生误差；模拟信号传递产生误差；系统仪表的AD转换产生误差。 在_通信方式中，不存在DA和AD转换电路，所以不会产生DA和AD的转换误差，因而信号的传输精

23、度有所提高。 _的作用是把微处理机输出的数字信号变换为适合传送的数字信号，反之就是_。,在模拟通信方式中，信号是以_的连续变化形式存在的，信号值的变化可以无限小，因此，噪声和信号畸变在模拟信号传输中是无法避免的。 现场仪表传输模拟信号时_较差，信号误差只会将一个有效信号变为另一个有效信号，即使从最精确的模拟仪表送来的信号，当它到达控制器时也可能已变得完全不准确。 而在现场总线仪表中，信号的有效值只有_或_两个，所以它非常坚实可靠，一般的噪声很难扭曲它。,_与模拟信号相比，其抗干扰或抗畸变的能力强。更为重要的是，检错机制可以检测数字信号失真，一旦发现失真，就可以废除相关报文，并可能要求再重新传送

24、一次。 在_通信方式内不可能检测到信号的畸变，这是因为一个畸变的信号看起来仍然像是一个有效的过程信号。例如，一个19mA的_信号，由于噪声干扰可以在18.97mA19.03mA之间变化，或者由于电源电压的下降而固定在18mA。由于它仍然属于一个有效的信号，因此没有一种方法可告知操作员信号存在的误差。操作员可以怀疑信号受到了干扰或者限制，但是没有办法确定究竟是畸变还是过程发生了变化。,一个接收到的_信号则忠实于起始被传送的信号。例如，若信号高电平为5V，代表逻辑 “1”；信号低电平为0V，代表逻辑 “0”。若因为干扰使高电平降到4V或使低电平升到1V时，4V仍代表数字“1”，1V仍代表数字“0”

25、，数字信号并没有失真。 _信号优越的保真度正是它们被光盘和自动化领域采用的原因，它不但带来了较高的精度，而且带来了较高的置信度。,试将图示英文翻译成中文,厂-广域网 办公自动化,局域网 显示系统,现场总线网络 工厂（现场）仪表&控制系统,工厂网络的 层次结构,1.4（自编） 控制回路如图所示，试回答下列问题： （1）说明控制回路的名称 （2）写出控制回路总的延迟时间表达式 （3）哪个控制回路迟延大？ （4）两种控制回路迟延不同的主要原因是什么？,Hardware reduction.,(1)将图中的英文翻译成中文 (2)说明AI、PID、AO的含义 (3)说明AI、PID、AO在两种控制系统的

26、安装位置 (4)此图说明了FIELDBUS的哪些优点？,(1)将图中的英文翻译成中文 (2)说明AI、PID、AO的含义 (3)说明AI、PID、AO在两种控制系统的安装位置 (4)此图说明了FIELDBUS的哪些优点？,Installation Savings,(1)将图中的英文翻译成中文 (2)此图说明了FIELDBUS的哪些优点？,(1)将图中的英文翻译成中文 (2)此图说明了FIELDBUS的哪些优点？,（1）说明图示阀门的通信方式 （2）左图I/O信号有几个，试说明各信号的含义。 （3）右图I/O信号有几个，试说明各信号的含义。 （4）此图说明了FIELDBUS的哪些优点？,填空 一台带阀门定位器的调节阀。阀上有_的输出信号（即位置控制信号）