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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。
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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

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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

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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。

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应用领域:
1、冶炼、化工、石油、电力、造纸、纺织、食品 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

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发展历史:
1、基地式仪表控制系统 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)

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基地式仪表控制系统 基地式仪表:

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。

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基地式仪表特点:
(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; (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。
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基地式仪表控制系统
1、20世纪50年代以前

目前基地式仪 表应用有哪些?

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

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模拟仪表控制系统
1、气动和电动组合式仪表 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

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直接数字式控制系统 Direct Digital Control
1、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

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显示器 打印机 键盘 报警 计 算 机

模拟量输入(AI) 数字量输入(DI) 生 产 过 程

模拟量输出(AO) 数字量输出(DO)

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集散控制系统 Distributed Control System
1、美国霍尼韦尔公司(Honey Well)1975年 TDC200
2、德国西门子公司(SIMENS)TELEPERM 3、日本横河公司(YOKOGAWA)CENTUM 4、英国肯特公司(Kent)P4000 5、20世纪八九十年代

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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

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典型集散控制系统结构图

中央控制室

各站监控室

D C S:
现场PLC

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现场总线控制系统 Fieldbus Control System 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。 缺点:没有真正统一的通信标准。

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2.现场总线的发展背景与趋势
?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

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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

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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。

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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。
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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。

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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。

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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

气动薄膜 角形阀

电动 直通单座阀

电动 隔膜阀

电动 三通阀

电磁阀

手动截止阀

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执行器在自控系统中的作用

执行器通常 专指阀门

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。
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① 分类--按使用的能源形式:
气动执行器 气动阀 电动执行器 电动阀 液动执行器
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**

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气动控制阀 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。
电信号 气信号

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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。
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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

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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。

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4.现场总线系统的优点

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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。

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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。

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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。

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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。

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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FCS ? FCS未来的趋势

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5.FCS与DCS

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5. FCS与DCS

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5. FCS与DCS

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5. FCS与DCS

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5. FCS与DCS

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5. FCS与DCS

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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

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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。

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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。
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1.现场总线控制系统的硬件构成
5.计算 机服务
6.数 据库 3.设备管 理系统 4.通信 系统 2.控制 系统

1.测量 系统

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2. 现场总线控制系统的软件
企业管理层

1.操作系统 2.网络管理软件 3.通信软件 4.组态软件

(数据网络)

过程监控层

(数据网络)

现场控制层

(控制网络)
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三、现场总线技术的标准化
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。
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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(Fieldbus Foundation)
2)LonMark协会 3)Profibus协会 4)工业以太网协会IEA(Industrial Ethernet Association)

5)工业自动化开放网络联盟IAONA(Industrial
Austomation Open Network Alliance) 6)Society of Automotive Engineers(SAE)
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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

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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

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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

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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(Publicly Avaliable Specification,公共可用规范)文件进入了IEC61784-2, 它们是:EtherNet/IP,PROFINET,PNet,Interbus,VNET/IP,TCnet,EtherCAT,EtherNet,Power

link,EPA(Etherner for Automation,浙大中控),ModbusRTPS,SERCOS-II。 多种总线并存是今后相当一段时间不得不面对的现实。
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四、几种典型的现场总线
1.基金会现场总线
2.Profibus 现场总线 6.LonWorks 总线

7.HART总线
8.Modbus总线

3.ControlNet 现场总线
4.CAN总线 5.DeviceNet 总线
.
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9.CC-Link总线

五、现场总线面临的挑战
1.现场总线不仅要求经济、可靠地传递信息,而且要求
及时处理所传递的信息;

2.现场总线不仅要求传输速度快,还要求响应时间短、循
环时间短;

3.网络通信中数据包的传输延迟、通信系统的瞬时错误和
数据包丢失,发送到达次序的不一致等,都会破坏传统控 制系统原本具有的确定性,使得控制系统的分析和综合变 得更复杂,使控制系统的性能受到负面影响。
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四、现场总线面临的挑战
3.网络通信中数据包的传输延迟、通信系统的瞬时错误和 数据包丢失,发送到达次序的不一致等,都会破坏传统控

制系统原本具有的确定性,使得控制系统的分析和综合变
得更复杂,使控制系统的性能受到负面影响。 如何使控制网络满足控制系统对通信实时性、确定性 的要求,是现场总线系统在设计和运行中关注的一个重要 问题。

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思考题与习题
? 过程控制系统的发展经历了哪几代控制系统? ? 现场总线有哪些技术特点?

? 传统DCS与FCS有什么区别?
? 你认为现场总线对自动控制系统会产生怎样的影响?

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