《現場總線技術及其應用》

學習現場總線技術的目的1.

專業（方向選修）課:熟悉典型現場總線技術的原理、規范和應用；2.了解專業發展最新技術，對工業過程控制發展現狀有所了解，熟悉工業以太網技術；3.深化專業背景知識，提高專業技能，為今后從事相關專業工作打下一定基礎；4.進一步了解有關過程自動化專業概念，進一步深入理解專業知識，為今后從事相關領域研究工作做一定程度的知識鋪墊。第1章概述

1.現場總線的產生、本質與發展2.現場總線的結構及其特點3.幾種有影響的現場總線4.現場總線面臨的挑戰學習目標1.掌握現場總線的概念2.了解目前市場上最常見的現場總線及其主要特點3.了解現場總線技術對未來自動控制系統的影響1.1現場總線的產生、本質與發展現場總線

--是一種在現場設備之間、現場設備與控制裝置之間實現雙向、互連、串行和多節點的數字通信技術。1、冶煉、化工、石油、電力、造紙、紡織、食品應用領域：2、航空、鐵路等運輸行業3、宇宙飛船、導彈制導等國防工業4、洗衣機、電冰箱等家用電器1、基地式儀表控制系統發展歷史：2、模擬儀表控制系統3、直接數字式控制系統(DDC)4、集散控制系統(DCS)5、現場總線控制系統(FCS)概念：將測量、顯示、控制等各部分集中組裝在一個表殼里，從而形成一個整體，并且可就地安裝的一類儀表。基地式儀表控制系統基地式儀表：（1）綜合與集中：基地式儀表把必要的功能部件全集中在一個儀表之內，只需配上調節閥便可構成一個調節系統；基地式儀表特點：（2）基地式儀表系統結構簡單，不需要變送器，使用維護方便、防爆。由于安裝在現場，因而測量和輸出的管線很短。基地式儀表減少了氣動儀表傳送帶滯后的缺點，有助于調節性能的改善；（3）基地式儀表的缺點是功能較簡單，不便于組成復雜的調節系統，外殼尺寸大，精度稍低。由于不能實現多種參數的集中顯示與控制，也在一定程度上限制了基地式儀表的應用范圍。1、20世紀50年代以前基地式儀表控制系統2、企業生產規模小，測控儀表處于發展的初級階段3、測控儀表自成體系4、操作人員現場巡視目前基地式儀表應用有哪些？1、氣動和電動組合式儀表模擬儀表控制系統2、模擬量信號：0.02~0.1MPa氣動信號、0~10V、4~20mA電信號3、操作人員監控室了解現場情況4、20世紀六七十年代缺點：精度低、易受干擾直接數字式控制系統DirectDigitalControl1、采用單片機、微型計算機或者PLC作為控制器2、顯著提高抗干擾能力3、操作人員監控室了解現場情況4、20世紀七八十年代缺點：故障危險高度集中、運行風險增大計算機生產過程模擬量輸入（AI）數字量輸入（DI）模擬量輸出（AO）數字量輸出（DO）顯示器打印機鍵盤報警集散控制系統DistributedControlSystem1、美國霍尼韋爾公司（HoneyWell）1975年TDC2002、德國西門子公司（SIMENS）TELEPERM3、日本橫河公司（YOKOGAWA）CENTUM4、英國肯特公司（Kent）P40005、20世紀八九十年代概念：是一個由過程控制級和過程監控級組成的、以通信網絡為紐帶的多級計算機控制系統。核心思想：集中管理、分散控制優點：有效克服集中式數字控制系統對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷，廣泛應用大型工業生產領域。缺點：封閉專用、不具備互操作性、造價昂貴典型集散控制系統結構圖DCS：中央控制室各站監控室現場PLC現場總線控制系統概念：--是一種在現場設備之間、現場設備與控制裝置之間實現雙向、互連、串行和多節點的數字通信技術。核心思想：功能分散、危險分散、信息集中應用微處理器、網絡技術、通信技術和自動控制技術。FieldbusControlSystem缺點：沒有真正統一的通信標準。現場總線是企業綜合自動化的發展需要

--企業綜合自動化是企業必然的選擇與趨勢

--DCS在實施企業綜合自動化時的缺陷

通信是專用網絡的封閉系統，無互換性

--現場總線的解決方案

基于公開化、標準化，遵守同一協議規程的產品具有互換性，可組成在同個系統中2.現場總線的發展背景與趨勢智能儀表為現場總線的出現奠定了基礎智能化設備的提出模擬通信式的智能設備模擬-數字混合的智能設備現場總線的出現現場總線標準化的現狀2.現場總線的發展背景與趨勢工業以太網控制系統第六代控制系統，正在發展和推廣之中工業以太網優點：(1)基于TCP/IP的以太網是一種標準的開放式網絡,不同廠商的設備很容易互聯。這種特性非常適合于解決控制系統中不同廠商設備的兼容和互操作的問題。工業以太網優點：(2)以太網能便捷地訪問遠程系統,共享/訪問多數據庫。(3)易于與Internet連接,能夠在任何城市、地方利用電話線通過Internet對企業進行監控。(4)能降低成本,包括技術人員的培訓費用、維護費用及初期投資。(5)以太網能實現辦公自動化網絡與工業控制網絡的無縫連接。工業以太網缺點：(1)存在實時性差，不確定性的問題。(2)工業可靠性問題。(3)安全性問題。沒有授權的用戶可能進入網絡的控制層或管理層，造成安全漏洞。1.1.2現場總線的本質1）現場設備互聯

現場設備是指在生產現場安裝的自動化儀器儀表，按功能可將其分為變送器、執行器、服務器和網橋等，這些現場設備通過雙絞線、同軸電纜、光纜、紅外線和無線電等傳輸介質進行相互連接、相互交換信息。

氣動薄膜直通單座閥氣動薄膜直通雙座閥氣動蝶閥氣動球閥氣動切斷閥電動直通單座閥電動隔膜閥電動三通閥氣動薄膜角形閥電磁閥手動截止閥執行器在自控系統中的作用執行器是指：

閥門－控制閥(連續的)、開關閥

電機－連續的、開關的執行器是控制系統必不可少的環節。

手執行器工作/使用條件惡劣，它也是控制系統最薄弱的環節。原因：執行器與介質直接接觸；

(強)腐蝕性、(高)粘度、(易)結晶、高溫、深冷、高壓。執行器在自控系統中的作用：接收控制器（計算機）輸出的控制信號，使控制閥的開度產生相應變化，從而達到調節操作變量的目的。執行器通常專指閥門氣動執行器①

分類－－按使用的能源形式：電動執行器液動執行器氣動閥電動閥在過程控制領域應用很少按閥門的輸出：連續式(0～100％)開關式(ON/OFF)調節閥**氣動控制閥采用氣動執行機構優點：結構簡單、動作可靠穩定、輸出力大、安裝維修方便、價格便宜和防火防爆；缺點：響應時間長，信號不適于遠傳；

采用電/氣轉換器或電/氣閥門定位器，使傳送信號為電信號，現場操作為氣動信號。氣動控制閥電信號氣信號電動控制閥電動控制閥采用電動執行機構優點：動作較快、能源獲取方便，特別適于遠距離的信號傳送；缺點：輸出力較小、價格貴，且一般只適用于防爆要求不高的場合。4.現場總線系統的優點節省硬件數量與投資節省安裝費用節省維護開銷用戶具有高度的系統集成主動權提高了系統的準確性與可靠性4.現場總線系統的優點節省硬件數量與投資

1）智能現場設備直接執行多參數測量、控制、報警、累計計算等功能，減少了變送器的數量；

2）不需要DCS系統的信號調理、轉換等功能，節省硬件投資，減少控制室的占地面積。4.現場總線系統的優點4.現場總線系統的優點節省安裝費用

1）現場總線系統在一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個設備，因此連線簡單，與傳統連接方式相比，所需電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少；

2）當需要增加新的現場設備時，無需增加新的電纜，就近連接在原有電纜，即節省了投資，也減少了設計、安裝的工作量；據有關典型實驗工程的測算資料，可節約安裝費用60%以上。4.現場總線系統的優點節省維護開銷

1）現場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，可通過數字通信將相關診斷維護信息發送到控制室，便于用戶查詢分析故障原因并快速排除，縮短了維護停工時間；

2）系統結構簡化、連線簡單而減少了維護工作量。4.現場總線系統的優點用戶具有高度的系統集成主動權

用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設備來集成系統；系統集成過程中主動權掌握在用戶手中。4.現場總線系統的優點提高了系統的準確性與可靠性

1）現場總線設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差；

2）系統的結構簡化、設備與連線減少，現場儀表內部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性；

3）設備標準化，功能模塊化，使系統具有設計簡單，易于重構等優點。5.FCS與DCS現場設備現場總線技術將基本控制功能已完全下放到現場現場控制系統FCSFCS未來的趨勢5.FCS與DCS5.FCS與DCS5.FCS與DCS5.FCS與DCS5.FCS與DCS5.FCS與DCS二、現場總線控制系統構成原理1.現場總線控制系統的硬件構成2.現場總線控制系統的軟件二、現場總線控制系統構成原理1.現場總線控制系統的硬件構成

現場總線的現場設備在不同程度上都具有數字計算和數字通信能力，這一方面提高了信號的測量、控制和傳輸精度，同時豐富控制信息的內容、實現其遠程傳送創造了條件。二、現場總線控制系統構成原理1.現場總線控制系統的硬件構成借助現場設備的計算、通信能力，在現場就可以進行多種復雜的控制計算，形成真正分散在現場的完整控制系統，提控制系統可靠性；還可借助現場總線控制網絡以及與之有通信連接的其他網絡，實現異地遠程自動控制，如操作遠在數百里之外的電氣開關；還可提供傳統儀表所不能提供的如設備資源、閥門開關動作次數、故障診斷等信息，便于操作管理人員更好、更深入地了解生產現場和自控設備的運行狀態。1.測量系統2.控制系統3.設備管理系統4.通信系統5.計算機服務6.數據庫1.現場總線控制系統的硬件構成2.現場總線控制系統的軟件過程監控層(數據網絡)現場控制層(控制網絡)企業管理層(數據網絡)1.操作系統2.網絡管理軟件3.通信軟件4.組態軟件

現場總線技術始發于二十世紀八十年代，但該項技術的火熱發展是近些年才出現的。歐洲、北美、亞洲的許多國家都投入巨額資金與人力進行研究開發；已經形成了各式各樣的企業、國家、地區及國際現場總線標準；根據相關資料統計，已出現100多種現場總線，其中宣稱為開放型總線的就有40多種。三、現場總線技術的標準化現場總線組織：1）現場總線基金會（FieldbusFoundation)2)LonMark協會3）Profibus協會4）工業以太網協會IEA（IndustrialEthernetAssociation)5)工業自動化開放網絡聯盟IAONA(IndustrialAustomationOpenNetworkAlliance)6)SocietyofAutomotiveEngineers(SAE)三、現場總線技術的標準化制定現場總線標準的國際標準化組織：1）IEC---國際電工委員會2)ISO---國際標準化組織三、現場總線技術的標準化現場總線技術的發展現狀：1）多總線、多標準局面；（1）FF：過程自動化（2）Profibus:離散工業，機械制造業自動化（3）WorldFIP:交通行業自動化（4）LonWorks:樓宇自動化三、現場總線技術的標準化現場總線技術的發展現狀：1）多總線、多標準局面；2）PC網絡技術進入并主宰工業總線（1）工業以太網技術（2）TCP/IP協議（3）WEB技術三、現場總線技術的標準化實時以太網的標準化：近兩年正在進行的實時以太網的標準化進程又重蹈覆轍，有11個實時以太網的PAS(PubliclyAvaliableSpecification,公共可用規范）文件進入了IEC61784-2，它們是:EtherNet/IP,PROFINET,P-Net,Interbus,VNET/IP,TCnet,EtherCAT,EtherNet,Powerlink,EPA(EthernerforAutomation,浙大中控),Modbus-RTPS,S