《現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用》

學(xué)習(xí)現(xiàn)場總線技術(shù)的目的1.

專業(yè)（方向選修）課:熟悉典型現(xiàn)場總線技術(shù)的原理、規(guī)范和應(yīng)用；2.了解專業(yè)發(fā)展最新技術(shù)，對工業(yè)過程控制發(fā)展現(xiàn)狀有所了解，熟悉工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)；3.深化專業(yè)背景知識，提高專業(yè)技能，為今后從事相關(guān)專業(yè)工作打下一定基礎(chǔ)；4.進一步了解有關(guān)過程自動化專業(yè)概念，進一步深入理解專業(yè)知識，為今后從事相關(guān)領(lǐng)域研究工作做一定程度的知識鋪墊。第1章概述

1.現(xiàn)場總線的產(chǎn)生、本質(zhì)與發(fā)展2.現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)及其特點3.幾種有影響的現(xiàn)場總線4.現(xiàn)場總線面臨的挑戰(zhàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握現(xiàn)場總線的概念2.了解目前市場上最常見的現(xiàn)場總線及其主要特點3.了解現(xiàn)場總線技術(shù)對未來自動控制系統(tǒng)的影響1.1現(xiàn)場總線的產(chǎn)生、本質(zhì)與發(fā)展現(xiàn)場總線

--是一種在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間實現(xiàn)雙向、互連、串行和多節(jié)點的數(shù)字通信技術(shù)。1、冶煉、化工、石油、電力、造紙、紡織、食品應(yīng)用領(lǐng)域：2、航空、鐵路等運輸行業(yè)3、宇宙飛船、導(dǎo)彈制導(dǎo)等國防工業(yè)4、洗衣機、電冰箱等家用電器1、基地式儀表控制系統(tǒng)發(fā)展歷史：2、模擬儀表控制系統(tǒng)3、直接數(shù)字式控制系統(tǒng)(DDC)4、集散控制系統(tǒng)(DCS)5、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(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(tǒng)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(nèi)，只需配上調(diào)節(jié)閥便可構(gòu)成一個調(diào)節(jié)系統(tǒng)；基地式儀表特點：（2）基地式儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不需要變送器，使用維護方便、防爆。由于安裝在現(xiàn)場，因而測量和輸出的管線很短?；厥絻x表減少了氣動儀表傳送帶滯后的缺點，有助于調(diào)節(jié)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(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，外殼尺寸大，精度稍低。由于不能實現(xiàn)多種參數(shù)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(yīng)用范圍。1、20世紀(jì)50年代以前基地式儀表控制系統(tǒng)2、企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小，測控儀表處于發(fā)展的初級階段3、測控儀表自成體系4、操作人員現(xiàn)場巡視目前基地式儀表應(yīng)用有哪些？1、氣動和電動組合式儀表模擬儀表控制系統(tǒng)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(jiān)控室了解現(xiàn)場情況4、20世紀(jì)六七十年代缺點：精度低、易受干擾直接數(shù)字式控制系統(tǒng)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(jiān)控室了解現(xiàn)場情況4、20世紀(jì)七八十年代缺點：故障危險高度集中、運行風(fēng)險增大計算機生產(chǎn)過程模擬量輸入（AI）數(shù)字量輸入（DI）模擬量輸出（AO）數(shù)字量輸出（DO）顯示器打印機鍵盤報警集散控制系統(tǒng)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(jì)八九十年代概念：是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的、以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機控制系統(tǒng)。核心思想：集中管理、分散控制優(yōu)點：有效克服集中式數(shù)字控制系統(tǒng)對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷，廣泛應(yīng)用大型工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖DCS：中央控制室各站監(jiān)控室現(xiàn)場PLC現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)概念：--是一種在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間實現(xiàn)雙向、互連、串行和多節(jié)點的數(shù)字通信技術(shù)。核心思想：功能分散、危險分散、信息集中應(yīng)用微處理器、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制技術(shù)。FieldbusControlSystem缺點：沒有真正統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)場總線是企業(yè)綜合自動化的發(fā)展需要

--企業(yè)綜合自動化是企業(yè)必然的選擇與趨勢

--DCS在實施企業(yè)綜合自動化時的缺陷

通信是專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)，無互換性

--現(xiàn)場總線的解決方案

基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化，遵守同一協(xié)議規(guī)程的產(chǎn)品具有互換性，可組成在同個系統(tǒng)中2.現(xiàn)場總線的發(fā)展背景與趨勢智能儀表為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)智能化設(shè)備的提出模擬通信式的智能設(shè)備模擬-數(shù)字混合的智能設(shè)備現(xiàn)場總線的出現(xiàn)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)狀2.現(xiàn)場總線的發(fā)展背景與趨勢工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)第六代控制系統(tǒng)，正在發(fā)展和推廣之中工業(yè)以太網(wǎng)優(yōu)點：(1)基于TCP/IP的以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)的開放式網(wǎng)絡(luò),不同廠商的設(shè)備很容易互聯(lián)。這種特性非常適合于解決控制系統(tǒng)中不同廠商設(shè)備的兼容和互操作的問題。工業(yè)以太網(wǎng)優(yōu)點：(2)以太網(wǎng)能便捷地訪問遠程系統(tǒng),共享/訪問多數(shù)據(jù)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(yè)進行監(jiān)控。(4)能降低成本,包括技術(shù)人員的培訓(xùn)費用、維護費用及初期投資。(5)以太網(wǎng)能實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無縫連接。工業(yè)以太網(wǎng)缺點：(1)存在實時性差，不確定性的問題。(2)工業(yè)可靠性問題。(3)安全性問題。沒有授權(quán)的用戶可能進入網(wǎng)絡(luò)的控制層或管理層，造成安全漏洞。1.1.2現(xiàn)場總線的本質(zhì)1）現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)

現(xiàn)場設(shè)備是指在生產(chǎn)現(xiàn)場安裝的自動化儀器儀表，按功能可將其分為變送器、執(zhí)行器、服務(wù)器和網(wǎng)橋等，這些現(xiàn)場設(shè)備通過雙絞線、同軸電纜、光纜、紅外線和無線電等傳輸介質(zhì)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(zhí)行器在自控系統(tǒng)中的作用執(zhí)行器是指：

閥門－控制閥(連續(xù)的)、開關(guān)閥

電機－連續(xù)的、開關(guān)的執(zhí)行器是控制系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)。

手執(zhí)行器工作/使用條件惡劣，它也是控制系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)。原因：執(zhí)行器與介質(zhì)直接接觸；

(強)腐蝕性、(高)粘度、(易)結(jié)晶、高溫、深冷、高壓。執(zhí)行器在自控系統(tǒng)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(chǎn)生相應(yīng)變化，從而達到調(diào)節(jié)操作變量的目的。執(zhí)行器通常專指閥門氣動執(zhí)行器①

分類－－按使用的能源形式：電動執(zhí)行器液動執(zhí)行器氣動閥電動閥在過程控制領(lǐng)域應(yīng)用很少按閥門的輸出：連續(xù)式(0～100％)開關(guān)式(ON/OFF)調(diào)節(jié)閥**氣動控制閥采用氣動執(zhí)行機構(gòu)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠穩(wěn)定、輸出力大、安裝維修方便、價格便宜和防火防爆；缺點：響應(yīng)時間長，信號不適于遠傳；

采用電/氣轉(zhuǎn)換器或電/氣閥門定位器，使傳送信號為電信號，現(xiàn)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(zhí)行機構(gòu)優(yōu)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(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)點節(jié)省硬件數(shù)量與投資節(jié)省安裝費用節(jié)省維護開銷用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性4.現(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)點節(jié)省硬件數(shù)量與投資

1）智能現(xiàn)場設(shè)備直接執(zhí)行多參數(shù)測量、控制、報警、累計計算等功能，減少了變送器的數(shù)量；

2）不需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換等功能，節(jié)省硬件投資，減少控制室的占地面積。4.現(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)點4.現(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)點節(jié)省安裝費用

1）現(xiàn)場總線系統(tǒng)在一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設(shè)備，因此連線簡單，與傳統(tǒng)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(dāng)需要增加新的現(xiàn)場設(shè)備時，無需增加新的電纜，就近連接在原有電纜，即節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計、安裝的工作量；據(jù)有關(guān)典型實驗工程的測算資料，可節(jié)約安裝費用60%以上。4.現(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)點節(jié)省維護開銷

1）現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，可通過數(shù)字通信將相關(guān)診斷維護信息發(fā)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(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、連線簡單而減少了維護工作量。4.現(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)點用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)

用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)；系統(tǒng)集成過程中主動權(quán)掌握在用戶手中。4.現(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)點提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性

1）現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化、設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性；

3）設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，功能模塊化，使系統(tǒng)具有設(shè)計簡單，易于重構(gòu)等優(yōu)點。5.FCS與DCS現(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)場總線技術(shù)將基本控制功能已完全下放到現(xiàn)場現(xiàn)場控制系統(tǒng)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(xiàn)場總線控制系統(tǒng)構(gòu)成原理1.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成2.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的軟件二、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)構(gòu)成原理1.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

現(xiàn)場總線的現(xiàn)場設(shè)備在不同程度上都具有數(shù)字計算和數(shù)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(nèi)容、實現(xiàn)其遠程傳送創(chuàng)造了條件。二、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)構(gòu)成原理1.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成借助現(xiàn)場設(shè)備的計算、通信能力，在現(xiàn)場就可以進行多種復(fù)雜的控制計算，形成真正分散在現(xiàn)場的完整控制系統(tǒng)，提控制系統(tǒng)可靠性；還可借助現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)以及與之有通信連接的其他網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)異地遠程自動控制，如操作遠在數(shù)百里之外的電氣開關(guān)；還可提供傳統(tǒng)儀表所不能提供的如設(shè)備資源、閥門開關(guān)動作次數(shù)、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(chǎn)現(xiàn)場和自控設(shè)備的運行狀態(tài)。1.測量系統(tǒng)2.控制系統(tǒng)3.設(shè)備管理系統(tǒng)4.通信系統(tǒng)5.計算機服務(wù)6.數(shù)據(jù)庫1.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成2.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的軟件過程監(jiān)控層(數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò))現(xiàn)場控制層(控制網(wǎng)絡(luò))企業(yè)管理層(數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò))1.操作系統(tǒng)2.網(wǎng)絡(luò)管理軟件3.通信軟件4.組態(tài)軟件

現(xiàn)場總線技術(shù)始發(fā)于二十世紀(jì)八十年代，但該項技術(shù)的火熱發(fā)展是近些年才出現(xiàn)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(fā)；已經(jīng)形成了各式各樣的企業(yè)、國家、地區(qū)及國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)；根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，已出現(xiàn)100多種現(xiàn)場總線，其中宣稱為開放型總線的就有40多種。三、現(xiàn)場總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)場總線組織：1）現(xiàn)場總線基金會（FieldbusFoundation)2)LonMark協(xié)會3）Profibus協(xié)會4）工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會IEA（IndustrialEthernetAssociation)5)工業(yè)自動化開放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟IAONA(IndustrialAustomationOpenNetworkAlliance)6)SocietyofAutomotiveEngineers(SAE)三、現(xiàn)場總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織：1）IEC---國際電工委員會2)ISO---國際標(biāo)準(zhǔn)化組織三、現(xiàn)場總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀：1）多總線、多標(biāo)準(zhǔn)局面；（1）FF：過程自動化（2）Profibus:離散工業(yè)，機械制造業(yè)自動化（3）WorldFIP:交通行業(yè)自動化（4）LonWorks:樓宇自動化三、現(xiàn)場總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀：1）多總線、多標(biāo)準(zhǔn)局面；2）PC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進入并主宰工業(yè)總線（1）工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)（2）TCP/IP協(xié)議（3）WEB技術(shù)三、現(xiàn)場總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化實時以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化：近兩年正在進行的實時以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化進程又重蹈覆轍，有11個實時以太網(wǎng)的PAS(PubliclyAvaliableSpecification,公共可用規(guī)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