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1、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。,第1章 概述,一、 现场总线的产生与发展,1. 现场总线简介 2. 现场总线发展背景与趋势 3. 现场总线技术特点 4. 现场总线的优点 5. 现场总线与计算机控制、DCS系统、 FCS系统,1.现场总线简介,现场
2、总线 -是用于自动化等领域最底层的、具有开放、统一的通信协议的通信网络; -实现微机化的现场测量控制仪表或设备间的双向串行多节点数字通信。 现场总线技术 -现场总线技术把单个分散的仪表或设备变成了网络的节点,现场总线控制系统FCS -以现场总线为纽带，连接分散的现场仪表或设备，使之成为可以相互沟通信息、共同完成自动控制任务的网络系统与控制系统. 与传统仪表的不同之处 现场总线技术的关键 -使自动控制系统与现场设备具有通信能力 -连接成网络系统,1.现场总线简介,现场总线控制系统FCS的核心 现场总线的优点 -适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化方向发展的趋势 -具有的开放性、数字化、多点
3、通信等功能 -应用领域不断扩大,1.现场总线简介,2.现场总线的发展背景与趋势,历史的回顾 -具备简单测量控制功能的就地式气动仪表（生产现场） -气动、电动单元组合式仪表（集中控制室） -集中式计算机控制系统：危险集中、可靠性差 -集散控制系统DCS（Distributed Control System) :显示、操作、管理集中；控制、负载、危险分散；自封闭，信息孤岛,2.现场总线的发展背景与趋势,DCS：,2.现场总线的发展背景与趋势,现场总线系统FCS：（Fieldbus Control System,现场总线控制系统）：开放、全分布,2.现场总线的发展背景与趋势,现场总线系统FCS：（F
4、ieldbus Control System,现场总线控制系统）：开放、全分布 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,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,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,2.现场总线的发展背景与趋势,3.现场总线的技术
5、特点,系统的开放性 互可操作性与互换性 现场设备的智能化与功能自治性 通信的实时性与确定性 对现场环境的适应性,3.现场总线的技术特点,系统的开放性 系统的开放性体现在通信协议公开，不同制造商提供的设备之间可实现网络互联与信息交换。一个开放系统，是指它可以与世界上任一制造商提供的、遵守相同标准的其他设备或系统相互连通。 企业底层的测控系统，依然封闭、孤立的“信息孤岛”，严重制约了其自身信息交换的范围与功能发展。用户和设备制造商都强烈要求形成统一标准，打破各自封闭的体系结构，组成开放互联网络，正是这种需求促进了现场总线技术的诞生与发展。,3.现场总线的技术特点,互可操作性与互换性 互操作性是指网
6、络中互联的设备之间可实现数据信息传送与交换； 互换性意味着对不同厂家的性能类似的设备可以相互替换。,3.现场总线的技术特点,现场设备的智能化与功能自治性 智能主要体现在现场设备的数字计算与数字通信能力上； 功能自治性原则是指将传感测量、补偿计算、工作量处理、控制计算等功能块分散嵌入到现场设备中，借助位于现场的设备即可完成自动控制的基本功能，构成全分布式控制系统，具有随时诊断设备工作状态的能力。,3.现场总线的技术特点,通信的实时性与确定性 现场总线系统的基本任务是实现测量控制，部分测控任务有严格的时序和实时性要求； 现场总线能提供相应的通信机制，提供时间发布与时间管理功能，满足控制系统的实时性
7、要求； 现场总线系统中的媒体访问控制机制、通信模式、网络管理与调度方式等都会影响到通信的实时性、有效性与确定性。,3.现场总线的技术特点,对现场环境的适应性 高温、严寒、粉尘环境下保持正常工作状态，具备抗震动、抗电磁干扰能力；在易燃易爆环境下能保证本质安全，可以实现总线供电。这也是总线控制网络区别于普通计算机网络的重要方面。 防雨、防潮、防电磁干扰的壳体封装，温度范围更宽的电子器件，采用屏蔽或光线为传输介质，实现总线供电、满足本质安全防爆要求。,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,4.现场总线系统的优
8、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。,4.现场总线系统的优点,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。,4.现场总线系统的优点,节省维护开销
9、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。,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。,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；
10、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。,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,5.FCS与DCS,5. FCS与DCS,5. FCS与DCS,5. FCS与DCS,5. FCS与DCS,5. FCS与DCS,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,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
11、传送创造了条件。,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。,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,过程监控层 (数据网络),现场控制层 (控制网络),企业管理层 (数据网络),1.操作系统
12、 2.网络管理软件 3.通信软件 4.组态软件,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。,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I
13、AONA(Industrial Austomation Open Network Alliance) 6)Society of Automotive Engineers(SAE),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,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,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
14、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,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,P-Net,Interbus,VNET/IP,TCnet,EtherCAT,EtherNet,Powerlink,EPA(Etherner for Automation,浙大中控),Modbus-RTPS
15、,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。,三、现场总线技术的标准化,.基金会现场总线 2.Profibus 现场总线 3.ControlNet 现场总线 4.CAN总线 5.DeviceNet 总线 .,6.LonWorks 总线 7.HART总线 8.Modbus总线 9.CC-Link总线,四、几种典型的现场总线,.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。,五、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。,四、现场总线面临的挑战,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？,
