總線控制運行與管理

任課教師：趙麗君辦公室：實驗樓A313聯系電話：136131412172023/2/1什么是現場總線？隨著控制、計算機、通信、網絡等技術的發展，信息交換溝通的領域正在迅速覆蓋從工廠的現場設備層到控制、管理的各個層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業乃至世界各地的市場。信息技術的飛速發展，引起了自動化系統結構的變革，逐步形成以網絡集成自動化系統為基礎的企業信息系統。現場總線(Fieldbus)就是順應這一形勢發展起來的新技術。

2023/2/1什么是現場總線？現場總線是應用在生產現場、在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統，也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。它在制造業、流程工業、交通、樓宇等方面的自動化系統中具有廣泛的應用前景。

現場總線技術將專用微處理器置入傳統的測量控制儀表，使它們各自都具有了數字計算和數字通信能力，采用可進行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量控制儀表連接成的網絡系統，并按公開、規范的通信協議，在位于現場的多個微機化測量控制設備之間以及現場儀表與遠程監控計算機之間，實現數據傳輸與信息交換，形成各種適應實際需要的自動控制系統。

2023/2/1課程介紹

本課程作為電氣自動化專業類的專業課程，主要為同學介紹目前國內外流行的工業控制網絡技術——現場總線，目的是開拓同學的視野、了解現場總線技術的基本原理和應用領域，為今后就業或深造打下一定的基礎，本課程共48學時。現場總線控制系統(FCS)作為第五代控制系統，具有突出的優點，近年來發展很快，近幾年國內現場總線的研究與應用也得到很大發展。本課程為將結合現場總線的最新進展，介紹如下內容：2023/2/1課程介紹

本課程是電氣自動化類專業的專業課程。內容主要包括：①工業自動化發展概況；②現場總線的發展和應用概況；③現場總線控制網絡的通信基礎；④現場總線控制網絡的核心技術；⑤典型總線網絡協議和控制網絡結構。2023/2/1經過該課程的學習，學生要學會用現場總線讓現場儀表之間、現場儀表與控制室設備之間構成網絡互連系統。

實現全數字化、雙向、多變量通信，為最終實現從最高決策層到最低設備層的綜合管理和控制奠定基礎。通過本課程的學習，使學生掌握工業測控網絡的基本原理、系統結構、協議標準和具體實現方法，使學生具有用微機組網的能力，了解和掌握現場總線協議以及用現場總線組成的測控網絡等。課程目的2023/2/1參考書籍《現場總線技術及其應用》-機械工業出版社。《現場總線控制》-中國電力出版社。《集散控制系統及現場總線》-北京航空航天大學出版社。《現場總線技術》-中國電力出版社2023/2/1本單元主要教學內容

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工業自動化技術基本概念；

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工業自動化技術發展歷程；

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工業自動化技術的主要任務；

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工業信號傳輸標準。2023/2/1本單元教學目的和要求

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熟悉自動化技術基本概念；

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了解工業自動化技術發展歷程；

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理解工業自動化技術的主要任務；

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掌握工業信號傳輸標準。2023/2/1工業自動化技術基本概念引言2023/2/1蒸汽機時代

發生在18

世紀60

年代英國的產業革命即工業革命，實際上是一場工業技術的革命。它表現在以機器代替人力、以大規模的工廠生產代替個體工場手工生產，即在生產力和生產關系方面均發生了巨大的變革，它使人類歷史進入了一個全新的時期。一座座工廠在從前綠色的原野上聳立起來，高大的煙囪冒出濃黑的煙霧，機器的轟鳴聲驚醒了沉寂的山坳，人類的生活方式在工業革命中發生著巨大的變化。而這一切發生的直接動因則是不斷創新的紡織技術導致的蒸汽機的出現，蒸汽機作為這個時代的核心技術，第一次解決了人類大規模制造和利用動力的問題。2023/2/1電力（或電氣）時代

電力時代，是指以電動機為代表的第二次工業技術革命，使新興的電能作為一種主要的能量形式支配著社會經濟生活，推出了一個前人未曾想過的歷史時期。電能的突出優點在于：第一，是一種易于傳輸的工業動力；第二，是極為有效可靠的信息載體。因此，電力時代主要體現在動力傳輸與信息傳輸兩個方面。與動力傳輸相關聯，出現了大型發電機、高壓輸電網、各種各樣的電動機和照明電燈。與信息傳輸相關聯，出現了電報、電話和無線電通訊。這些偉大發明使人類生活進入了一個更光明、更美好的新時期。由于電、電流、電磁感應和電磁波的發明和應用，以及電力傳輸的成功是使電力取代蒸汽力的重大突破，它使電力很快成為廣泛應用的能源和動力。2023/2/1信息時代

世界近代史上的第三次技術革命于20世紀中葉爆發，其核心技術是電子計算機技術。電子計算機是一種代替人的腦力勞動的機器，它不僅運算速度快，處理數據量大，而且能部分模擬人的智能活動。它的出現，使人類社會的信息處理方式發生了翻天覆地的變化，從而從根本上改變了現代社會的運行結構。為電子計算機奠定基礎的是電子技術，而計算機的出現則帶動了一大批高新技術的發展，使人類進入了信息化和網絡化時代。2023/2/1第四次浪潮？

美國未來學家阿爾文·托夫勒在其著作《第三次浪潮》中總結了人類文明發展的三次浪潮：人類文明的“第一次浪潮”產生于約公元前，從人們培育農作物的生長開始，人類進入了農業時代，其劃時代的意義在于人類從此脫離了游牧，開始過上定居生活，并逐步發展城鎮和自己的文化。“第二次浪潮”始于二百年前以瓦特發明蒸汽機為開端的工業浪潮，人類以工業革命為契機，離開農場，涌向大城市的工廠尋找生機。“第三次浪潮”就是我們所說的“信息時代”，信息技術和社會需求成為它發展的強大動力，經濟向全球化方向發展。托夫勒預言：以人類進入太空居住為特點的“第四次浪潮”時代將在可以預期的未來到來，屆時，人類將考慮移民到太空中去，在其它星球上繁衍生息。他認為，人類正在從信息革命為標志的“第三次浪潮”時代過渡到以人類進入太空居住為特點的“第四次浪潮”時代。

2023/2/1什么是自動化？自動化是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控制對象（如機器、設備或生產過程）的某一物理量（或工作狀態）自動地按照預定的規律運行（或變化）。2023/2/1自動化的目的

自動化的目的是應用自動控制裝置延伸和代替人的體力和腦力勞動。自動控制裝置是由具有相當于人的大腦和手腳功能的裝置組成的。相當于人大腦的裝置，在自動控制中的作用是對控制信息進行分析計算、推理判斷、產生控制作用。它通常是由電腦或控制裝置來承擔。相當于人手腳的裝置，其作用是執行控制信號，完成加工、操作和運動等。它通常是由機械機構或機電機構來完成。其中包括放大信息的裝置，產生動力的驅動裝置和完成運動的執行裝置。2023/2/1自動化無處不在

自動化技術是人們在生產、生活和科學探索中發展起來的一種高技術。自動化技術發展至今，可以說已從人類手腳的延伸擴展到人類大腦的延伸。自動化技術時時在為人類“謀”福利，自動化可謂無所不在。2023/2/1最早的自動化裝置國外最早的自動化裝置，是一世紀古希臘人希羅發明的神殿自動門和“神水”出售機。我國3000多年前的銅壺滴漏，用來自動計時，可以說是現代自動控制裝置的雛形。2000多年前我國發明的指南車，從現在觀點看，屬于自動定向裝置。東漢時期的張衡利用齒輪、連桿和齒輪機構制成渾天儀。它能完成一定系列有序的動作，顯示星辰升落，可以把它看成是古代的程序控制裝置。2023/2/1自動化技術的主要方面

自動化是自動化技術和自動化過程的簡稱。

自動化技術主要有兩個方面：第一，用自動化機械代替人工的動力方面的自動化技術；第二，在生產過程和業務處理過程中，進行測量、計算、控制等，這是信息處理方面的自動化技術。

自動化有兩個支柱技術：一個是自動控制，一個是信息處理。它們是相互滲透、相互促進的。2023/2/1自動控制系統

控制系統根據是否具有反饋回路分為開環控制系統和閉環控制系統。開環控制系統的輸出僅由輸入確定的控制系統，一般控制能力是非常有限的。所以一般控制系統常采用閉環控制系統。2023/2/1自動控制系統的

組成第一，傳感器。檢測比較裝置。所起作用相當于人眼在上面例子中的作用，主要是獲得反饋，并且計算我們要達到的目的與現在的實際情況之間的差值。第二，控制器。所起作用相當于大腦在上面例子中的作用，主要是用來決定應該怎樣做

。第三，執行器。主要所起作用相當于人手在上面例子中的作用，完成控制器下達的決定。第四，控制量。也就是所要達到的目的，相當于手和杯子之間的距離。控制量是我們自動化機器所要達到的最終目的。2023/2/1自動化技術的分類邏輯控制運動控制過程控制2023/2/1邏輯控制技術與系統傳統上將開關量控制歸入邏輯控制典型的邏輯控制如：電動機的啟動/停止電燈的開/關電動閥門的開通/關斷按鈕的接通/斷開繼電器的吸合/斷開電控2023/2/1運動控制技術與系統傳統上將電氣傳動控制歸入運動控制典型的運動控制如：電動機的速度控制電燈的亮度控制電動閥門的開度控制位置控制電傳2023/2/1過程控制技術與系統傳統上將慢速連續量控制歸入過程控制典型的過程控制如：溫度控制壓力控制流量控制液位控制電儀2023/2/1自動化技術的發展可分為以下四個階段：

模擬儀表控制技術

集中式數字控制技術（DDC）

集散控制技術（DCS）

現場總線控制技術（FCS）工業自動化技術發展歷程2023/2/1模擬儀表控制技術

各種物理量都采用指針式儀表來指示其數值。其顯著缺點是：模擬信號精度低，易受干擾。模擬儀表控制系統在20世紀六、七十年代以前占有主導地位。2023/2/1集中式數字控制技術（DDC）集中式數字控制技術（DDC）在20世紀七、八十年代占有主導地位。它采用單片機、可編程序邏輯控制器（PLC）或微機作為控制器。在控制器內部傳輸的是數字信號，克服了處理模擬信號的缺點，提高了控制系統的抗干擾能力。集中式系統的優點是易于根據全局情況進行控制計算和判斷，在控制方式、控制時間的選擇上可以統一調度和安排。不足之處：對控制器本身要求很高，必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性，當系統任務增加時，控制器的效率和可靠性將急劇下降。2023/2/1集散控制技術（DCS）由于不同的DCS廠家為達到壟斷目的而對其控制系統網絡采用各自專用的封閉形式，故集散控制系統事實上是一種封閉專用的、不具有可互操作性的分布式控制系統，并且造價昂貴。集散控制系統（DCS）在20世紀八九十年代占有主導地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機用于集中監視管理功能，若干下位機分散下放到現場實現分布式控制，上下位機之間用控制網絡互連以實現相互之間的信息傳遞。這種分布式的控制體系結構有力地克服了集中式數字控制系統中對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷。顯示屏1顯示屏2顯示屏3顯示屏42023/2/12023/2/1現場總線控制技術（FCS

）這種開放的、具有可互操作性的網絡將現場多個控制器及儀表設備互連，組成現場總線控制系統，控制功能徹底下放到現場，降低了系統安裝成本和維護費用。現場總線控制系統在20世紀八十年代中期開始發展并應用于工業領域。

現場總線把通用或專用的微處理器置入傳統的測量控制儀表，使之具有數字計算和數字通信能力，采用一定的介質（例如雙絞線、同軸電纜、光纖、無線、紅外等）作為通信總線，按照公開、規范的通信協議，在位于現場的多個設備間以及現場設備與遠程監控計算機之間實現數據傳輸和信息交換，形成各種適應實際需要的自動化控制系統。

FCS實質上是一種開放的、具有可互操作性的、徹底分散的全分布式控制系統。2023/2/1自動化系統的比較測控能力指數20世紀50年代按回路運行按過程運行過程優化管控一體氣動、模擬電動單元模擬DCS數字/模擬混合數字現場總線1960198019982023/2/1從單用戶小型系統到多用戶大系統自動化技術的發展趨勢控制集成化分層網絡化管控一體化2023/2/1控制集成化基于F儀表、電氣、計算機(ＩＥＣ）一體化w過程自動化和制造自動化一體化w通過現場總線實現的集中和分散控制的一體化w在一個系統中真正實現:全集成自動化思想——2023/2/1分層網絡化工業以太網現場總線現場總線2023/2/1小結自動化是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控制對象（如機器、設備或生產過程）的某一物理量（或工作狀態）自動地按照預定的規律運行（或變化）。自動化的目的是應用自動控制裝置延伸和代替人的體力和腦力勞動。

自動控制系統一般由傳感器、控制器、執行器和控制對象四個部分組成。

自動化技術是一門介于許多學科之間的綜合應用學科。2023/2/1工業自動化技術的主要技術2023/2/1工業自動化技術的主要任務廠級生產計劃與調度：

通過合理安排各裝置的生產任務（處理量、生產方案等），實現全廠生產效益的最大化；裝置操作的最優化：

在完成廠級生產任務、保證裝置安全的前提下，以裝置效益的最優化為目標，制定各單元重要參數的操作指標（即設定值）；基本單元的平穩控制：

跟蹤重要參數的操作指標，實現基本單元的平穩操作、安全操作與質量控制。2023/2/1工業信號傳輸標準工業上通常用電壓

0~5(10)V或電流0(4)~20mA作為模擬信號傳輸的方法，也是被程控機經常采用的一種方法。那么電壓和電流的傳輸方式有什么不同，什么時候采用什么方法，下面將對此進行簡要介紹。2023/2/1工業信號傳輸標準電壓制信號傳輸標準：電壓傳輸：信號源內阻小（零）、負載電阻大，因而對外界擾動敏感，且受傳輸導線電阻的影響大。故不適合于信號的遠距離傳輸。2023/2/1工業信號傳輸標準如果信號接收電路的輸入阻抗是高阻的，那么由上述的電阻引起的傳輸誤差就足夠小，這些電阻也就可以忽略不計。要求不增加信號發送方的費用又要所提及的電阻可忽略，就要求信號接收電路有一個高的輸入阻抗。如果用運算放大器OP來做接收方的輸入放大器。電壓信號傳輸的結論：如果電磁干擾很小或者傳輸電纜長度較短，一個合適的接收電路毫無疑問是可以用來傳輸電壓信號0…5(10)V的。2023/2/1工業信號傳輸標準電流制信號傳輸標準：

電流傳輸：信號源內阻大（無限大）、負載電阻小，因而對外界擾動不敏感，且不受傳輸導線電阻的影響。故非常適合于信號的遠距離傳輸。2023/2/1工業信號傳輸標準如果一個電流源作為發送電路，它提供的電流信號始終是所希望的電流而與電纜的電阻以及接觸電阻無關，也就是說，電流信號的傳輸是不受硬件設備配置的影響的。電流信號傳輸的結論：如果考慮到有電磁干擾比如電焊設備和其他信號發射設