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现场总线简介

现场总线技术

什么是现场总线
?现场总线是应用在生产现场、连接智能现 场设备和自动化测量控制系统的数字式、双 数字式、 数字式 向传输、多分支结构的通信网络 向传输、多分支结构

现场总线技术

现场总线的特征
?双向 双向 ?多节点 多节点 ?开放标准 开放

标准 ?全数字 全数字 ?自动化领域的计算机局域网
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现场总线不仅是一种通信技术
?一般通信技术只是能实现信息的传输 一般通信技术只是能实现信息的传输 ?现场总线还包括网络上的所有设备能够进行信息 现场总线还包括网络上的所有设备能够进行信息 互访与交换 ?总线上的设备之间能够进行互操作 总线上的设备之间能够进行互操作

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现场总线也不是简单以智能仪表代替模拟仪表 ?除了完成一般智能设备的功能外 除了完成一般智能设备的功能外 -数据的采集、预处理 -控制信号的输出 -仪表自诊断

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现场设备的其他功能
?将现场设备的本身信息与状态信息通知网络上其 将现场设备的本身信息与状态信息通知网络上其 他设备 ?完成控制算法 完成控制算法 ?有些设备对网络还具有网络调度功能 有些设备对网络还具有网络调度功能

现场总线技术

现场总线是一种控制系统框架
?一种全新的控制系统结构,即: 一种全新的控制系统结构, 一种全新的控制系统结构
-现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)

代替:传统控制系统(分散控制系统DCS)

?实现现场通信网络与控制系统的集成 实现现场通信网络与控制系统的集成

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DCS的概念 DCS的概念
(1)分散控制系统 )分散控制系统DCS集4C(Communication,Computer, Control、 集 ( , , 、 CRT)技术于一身的监控技术。 )技术于一身的监控技术。 (2)从上到下的树状拓扑大系统,其中通信(Communication)是关键。 在中断站中, (3)PID在中断站中,中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。 ) 在中断站中 中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。 (4)是树状拓扑和并行连续的链路结构,也有大量电缆从中继站并行到现场 仪器仪表。 (5)模拟信号,A/D—D/A、带微处理器的混合。 )模拟信号, 、带微处理器的混合。 (6)一台仪表一对线接到I/O,由控制站挂到局域网LAN。 是控制( )、操作 )、现场仪表 (7)DCS是控制(工程师站)、操作(操作员站)、现场仪表(现场测控站) ) 是控制 工程师站)、操作(操作员站)、现场仪表(现场测控站) 级结构。 的3级结构。 级结构 (8)成本高,各公司产品不互换,不能互操作,大DCS系统是各家不同的。 (9)用于大规模的连续过程控制,如石化等。 )用于大规模的连续过程控制,如石化等。
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DCS的制造商: DCS的制造商: 的制造商
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Bailey(美)、 Westinghouse(美)、 HITACH(日)、 LEEDS & NORTHRMP(美)、 SIEMENS(德)、 Foxboro(美)、 ABB (瑞士)、 Hartmann & Braun(德)、 Yokogawa(日)、 Honewell(美国)、 Taylor(美)等。

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现场总线控制系统结构

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现场总线控制系统FCS 现场总线控制系统FCS
?采用开发式数字通信网络 采用开发式数字通信网络
-突破DCS中的专用通信网络结构

?网络集成的测量控制系统 ?网络集成的测量控制系统
-单个分散的测量控制设备变成网络节点 -现场总线为纽带 -构成共同完成任务的网络系统与控制系统 -实现现场测量控制设备之间的信息共享
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现场总线在企业信息网络中的位置
?企业信息网络的功能层次 企业信息网络的功能层次
资源规划与决策 生产控制与管理 工厂底层设备

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现场总线是底层通信控制网络
?现场总线是低带宽的底层控制网络 现场总线是低带宽的底层控制网络 ?位于生产控制和网络结构的底层 位于生产控制和网络结构的底层 ?它与上层的 它与上层的Internet、企业内部网 它与上层的 、企业内部网Intranet相连 相连 ?构成企业综合自动化的通信网络平台 构成企业综合自动化的通信网络平台

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现场总线系统是新一代网络集成式全 分布控制系统(发展历程 发展历程) 分布控制系统 发展历程
?基地式仪表控制系统 基地式仪表控制系统 ?单元组合式模拟仪表控制系统 单元组合式模拟仪表控制系统 ?集中式数字控制系统 集中式数字控制系统 ?集散控制系统 集散控制系统DCS、PLC 集散控制系统 、 ?现场总线系统 现场总线系统

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各阶段测控仪表能力指数

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现场总线系统是开放的测控网络
?现场总线系统被誉为自控领域的局域网,工厂 现场总线系统被誉为自控领域的局域网, 现场总线系统被誉为自控领域的局域网 的底层网Infranet,是自动化领域的通信、网 的底层网 ,是自动化领域的通信、 络技术 ?现场总线是构成自动化系统的纽带,网络所传 现场总线是构成自动化系统的纽带, 现场总线是构成自动化系统的纽带 输的是控制信息

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测控网络节点(FCS上的) 测控网络节点(FCS上的) 上的
?适应工业应用环境 适应工业应用环境 ?特点 特点
-实时性强 -可靠性高 -安全性好 -多为短帧传送
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现场总线的特殊功能
?经济、安全、可靠地传输信息 经济、安全、 经济 ?正确使用所传信息 正确使用所传信息 ?及时处理所传信息 及时处理所传信息

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经济、安全、 经济、安全、可靠地传输信息
?经济性 经济性
信息、 -信息、电源同时传输 -介质廉价

?安全性 安全性
-解决防爆问题

?可靠性 可靠性
电磁、气候、 -电磁、气候、机械环境适应性
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正确使用所传信息
?可互操作性:不同厂家地设备相互理解所 可互操作性: 可互操作性 传信息

标准、 标准、协议

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及时处理所传信息
?信息处理现场化,避免信息在网络上过 信息处理现场化, 信息处理现场化 多传输

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现场总线地特殊要求--实时性好 现场总线地特殊要求--实时性好 --
?包括三个方面: 包括三个方面: 包括三个方面 ?传输速度 传输速度
-传输延迟大小

?响应时间 响应时间
-对突发事件的处理能力

?系统巡回时间 系统巡回时间
-系统总体控制周期
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传输速度快
?指单位时间内传输的信息 指单位时间内传输的信息
-通常以每秒钟传输的位数,即bps(bits per second)表示 通常以每秒钟传输的位数, 表示

?不同的现场总线传输速率不一样 不同的现场总线传输速率不一样
-看主要的应用场合 用于连续、 -如FF H1用于连续、慢变化过程变量与控制信号的传 用于连续 输,为31.25kbps 则用于大量信息流传输、 -HSE则用于大量信息流传输、响应速度要求很高的场 则用于大量信息流传输 合,为100Mbps或更高 或更高
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响应时间短, 响应时间短,突发事件及时处理
?决定于仪表或执行器中断控制能力 决定于仪表或执行器中断控制能力 ?决定于信息在通信协议各层次之间的传输时间 决定于信息在通信协议各层次之间的传输时间 ?等待网络空闲的时间 等待网络空闲的时间 ?避免网络上信息碰撞的时间 避免网络上信息碰撞的时间

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巡回时间短
?简化技术: 简化技术: 简化技术
-简化通信模型 -简化信息内容 -简化信息格式

?其他技术 其他技术
-网络管理 -数据链路调度技术 巡回时间确定、 -巡回时间确定、可预知

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现场总线的网络结构
?线状(总线、菊花链型)、星型、树型 线状(总线、菊花链型)、星型、 线状 )、星型 ?以线状结构为多 以线状结构为多

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星形结构

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线状结构优点: 线状结构优点:
?解决供电比较容易 解决供电比较容易 ?可解决防爆:网状结构中线缆越长,储能元件 可解决防爆:网状结构中线缆越长, 可解决防爆 中线缆越长 就越多 ?可舍去协议中与路径有关的层次,有利于改进 可舍去协议中与路径有关的层次, 可舍去协议中与路径有关的层次 实时性

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线状结构缺点: 线状结构缺点:
?一条总线断会导致整个支路瘫痪 一条总线断会导致整个支路瘫痪!!! 一条总线断会导致整个支路瘫痪

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现场总线的技术要求
?通信技术 通信技术 ?网络技术 网络技术 ?计算机技术 计算机技术 ?仪表智能化技术 仪表智能化技术 ?自动控制技术 自动控制技术 --以上技术的综合产物 --以上技术的综合产物! 以上技术的综合产物
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国外发展情况
?现场总线最早产生于二十世纪八十年代 现场总线最早产生于二十世纪八十年代
产生于1983年 -P-NET产生于 产生于 年 -Profibus产生于 产生于1984年 产生于 年 年由WorldFIP(北美部分)与ISP 联合而成 -FF于1994年由 于 年由 (北美部分) -......

?并在一定领域内得到大量应用 并在一定领域内得到大量应用
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国内迎头追赶

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国内应用现状
?已应用了一些各种现场总线标准的智能设 已应用了一些各种现场总线标准的智能设 备,但没有充分发挥它们的优越性 ?传统信号仍占 传统信号仍占95%比重,控制系统的研究 比重, 传统信号仍占 比重 必须符合这个现实应用要求 ?现场总线具有优越性,并被工业应用领域 现场总线具有优越性, 现场总线具有优越性 所接受, 所接受,技术革新的呼声很高
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国内
?要求尽快开发出具有自主版权的新一代现 要求尽快开发出具有自主版权的新一代现 场总线控制系统 ?国内控制领域专家早就关注现场总线的发展 国内控制领域专家早就关注现场总线的发展 ?国内尚未有自己的现场总线,还只是进行跟 国内尚未有自己的现场总线, 国内尚未有自己的现场总线 踪性的研究开发

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国内现场总线发展
?国家从“九五”开始支持现场总线的研究开 国家从“九五” 国家从 发 -“96-749”、“96-728” - ” - ”
-浙大中控、北京华控、中科院沈阳所等 浙大中控、北京华控、 -形成了一大批成果

?但大规模的产品和应用尚未形成 但大规模的产品和应用尚未形成

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“九五”攻关的部分产品 九五”

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现场总线产品

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产生的效益
?与国外大公司竞争, 与国外大公司竞争, 与国外大公司竞争 使其产品价格大幅度 下降 ?为国家节约外汇数 为国家节约外汇数 十亿美元 ?走出了一条发展工 走出了一条发展工 控民族工业的道路
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现场总线推广应用进展缓慢
?两方面原因 两方面原因 ?技术因素 技术因素 ?资金因素 资金因素

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技术因素
?现场总线技术还需要进一步改进与完善 现场总线技术还需要进一步改进与完善
网络冗余技术、 -网络冗余技术、可靠性技术等

?现场总线系统可靠性仍需实际应用的检验 现场总线系统可靠性仍需实际应用的检验
-大规模应用经验不足

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资金与市场因素
?现场总线系统价格仍然偏高,阻碍了先进技 现场总线系统价格仍然偏高, 现场总线系统价格仍然偏高 术的推广应用 ?传统仪表仍大量使用,更新换代需要一定的 传统仪表仍大量使用, 传统仪表仍大量使用 周期 ?传统自动化控制设备的技术、应用经验相对 传统自动化控制设备的技术、 传统自动化控制设备的技术 成熟, 成熟,市场信誉相对稳定
(还是:没有一个统一的标准!!! 还是:没有一个统一的标准!!!) 还是 !!!
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