《现场总线简介》.ppt

第2章 现场总线简介整理课件2.1.1 现场总线的产生在过程控制领域中：l 从20世纪50年代至今一直都在使用着一种信号标准，那就是4-20mA的模拟信号标准l 20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，而此时的计算机提供的是集中式控制处理l 20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，微处理器被嵌入到各种仪器设备中，形成了分布式控制系统 整理课件 数字式智能化仪表：l 随着微处理器的发展和广泛应用；l 具备自动量程转换、自动调零、自校正、自诊断等功能，还能提供故障诊断、历史信息报告、状态报告、趋势图等功能 2.1.1 现场总线的产生整理课件l 数字化信息的网络技术发展，要求仪表能在当地处理信息，并在必要时允许被管理和访问，这些也使现场仪表与上级控制系统的通信量大增l 另外，从实际应用的角度出发，控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新需求由此，导致了现场总线的产生 2.1.1 现场总线的产生整理课件2.1.2 现场总线的发展从现场设备仪表的发展来看，控制系统经历了:l 基地式仪表控制系统l 单元组合式模拟仪表控制系统l 集中式数字控制系统l 集散控制系统DCS、PLCl 现场总线系统 整理课件2.1.3各阶段测控仪表能力指数 现场总线开放标准数字DCS电动单元气动、模拟模拟按回路运行 按过程运行过程优化管控一体化五十年代 1960 1980 1998数字/模拟混合测控能力指数整理课件 2.1.4 现场总线控制系统结构整理课件2.2 现场总线的概念及分类2.2.1 现场总线的定义(四种)：l 用于现场仪表与控制主机系统之间的一种开放的、全数字化的、双向、多站的通信系统；l 广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置进行双向数字通信的串行总线系统；l 基于智能化仪表及现场总线的控制系统FCS；l 一种数字化的串行双向通信系统。

整理课件2.2.2 IEC定义l 一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间进行双向、串行、多节点、数字式的数据交换的通信技术 整理课件2.2.3现场总线控制系统FCSu 采用开放式数字通信网络l突破DCS中的专用通信网络结构u 网络集成的测量控制系统l单个分散的测量控制设备变成网络节点l以现场总线为纽带l构成共同完成任务的网络系统与控制系统l实现现场测量控制设备之间的信息共享 整理课件整理课件整理课件2.2.4FCS与DCS的详细对比FCSDCS(1)结构 一对多：一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号2)可靠性可靠性好：数字信号传输抗干扰能力强，精度高可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰整理课件2.2.4FCS与DCS详细对比（续）FCSDCS（3）失控状态操作员在控制室既可以了解现场设备过现场仪表的工作情况，也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处于操作员的过程监控与可控状态之中操作员在控制室既不了解模拟仪表的工作情况，也不能对其进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对仪表处于“失控”状态。

4）控制控制功能分散在各个智能仪器中所有的控制功能集中在控制站中整理课件2.2.4FCS与DCS详细对比（续）FCSDCS（5）互换性用户可以自由选择不同制造事故内提供的性能价格比最优的现场设备和仪表，并将不同品牌的仪表互连，实现“即插即用”尽管模拟仪表统一了信号标准（420mA DC），可是大部分技术参数仍由制造厂自定，致使不同品牌的仪表不能互换6）仪表智能仪表除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外，还具有数字通信能力，并且具有控制和运算能力模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能整理课件2.2.5现场总线的技术特点l 全数字通信l 多分支结构l 系统的开放性l 互可操作性与互用性l 现场设备的智能化与功能自治性l 系统结构的高度分散性l 对现场环境的适应性 整理课件全数字通信u 抗干扰能力和鲁棒性都比较高，传输精度也得到显著提高l信号的检错、纠错机制得以实现u 可进行多参数传输，消除模拟信号的传输瓶颈l现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何智能设备，如中央控制器等 整理课件设备状态可控l 操作员在控制室即可了解现场设备或现场仪表的工作状况l 可对现场设备进行工艺参数调整、零点量程调校、组态信息调整等l 通过对现场设备状态趋势分析预测故障l 发生故障时能及时找到故障点，替换新的设备，即：现场设备始终处于操作员的远程监视与可控状态，提高了系统的可靠性和可维护性。

整理课件一对多的总线型结构u 现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线型、星型、树形等多种形式，以总线型为主l传统控制系统中设备的连接都是一对一的u 布线简单，工程安装周期缩短、维护也很方便u 很强的系统扩展性l主机能自动识别设备的增加或删减l无需架设新的线缆l无需系统停机 整理课件互换与互可操作u 不同设备间，除了能实现信息互访外，还能理解信息的含义，并能根据信息要求进行操作u 不同厂家的相同类型的设备可以互相替换u 可统一组态，无需专用的驱动程序u 解决了设备的垄断性和产品故障处理的时效性u 为系统集成的自主性提供了产品保障l用户可选择性价比高的产品 整理课件现场设备的智能化与综合功能l 测量，包括多变量测量与处理l 多参数补偿l 工程量处理l 设备自诊断l 设备状态的控制l 控制算法可在现场设备中实现l 根据远程命令进行仪表调校集多种功能于一身，一表多用 整理课件分散控制l 由网络构成控制系统l 信号的测量、控制算法、控制信号的输出等全部在现场实现，无需主机参与l 实现了完全分散整理课件基于现场总线的分布式网络控制系统整理课件2.3现场总线的优点（1）FCS实现全数字化通信l DCS采用层次化的体系结构，通信网络分布于各层并采用数字通信方式，唯有生产现场层的常规模拟仪表仍然是对一模拟信号(如420 mA DC)传输方式，因此DCS是一个“半数字信号”系统。

l FCS采用全数字化、双向传输的通信方式从最底层的传感器、变送器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直到最高层均为通信网络互联多条分支通信线延伸到生产现场，用来连接现场数字仪表，采用一对N连接 整理课件（2）FCS实现彻底的全分散式控制l 在DCS中，生产现场的多台模拟仪表集中接于输入输出单元，每台仪表只有单一的信号变换功能，而与控制有关的输入、输出、控制、运算等功能块都集中于DCS的控制站内从这个意义上讲，DCS只是一个“半分散”系统l FCS放弃了DCS的I/O单元，由现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，功能块分散地分配给现场总线上的数字仪表从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制 整理课件（3）FCS实现不同厂商产品互联、互操作l DCS系统的硬件、软件甚至现场级设备都是各制造商自行研制开发的，不同厂商的产品由于通信协议的专有与不兼容，彼此难以互联、互操作而FCS的现场设备只要采用同一总线标准，不同厂商的产品既可互联也可互换，并可以统一组态，从而彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性FCS允许用户选用各制造商性能价格比最优的产品集成控制系统，因而具有很好的可集成性。

整理课件（4）FCS增强系统的可靠性、可维护性l FCS采用总线连接方式替代传统的DCS一对一的I/O连线，对于大规模的I/O系统来说，减少了DCS由接线点造成的不可靠因素同时，数字化的现场设备替代模拟仪表，FCS具有现场设备的故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、参数修改等工作，因而增强系统的可维护性 整理课件（5）FCS降低系统工程成本l FCS对于大范围、大规模分布式控制系统来说，节省了电缆、I/O装置及电缆敷设费用以每23台现场仪表接到一根电缆计算，平均可减少1/2到2/3的输入输出卡、输入输出柜和隔离器等因此，现场总线仪表与控制室间的电缆连接和安装等费用估计可节约50 整理课件整理课件2.4现场总线标准的制定2.4.1现有的现场总线国际标准 2004年4月，IEC公布了现场总线标准第三版（即IEC61158 Ed3），规定了10种类型的现场总线，分别是：l Type1 TS61158 现场总线l Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 现场总线l Type3 Profibus现场总线l Type4 P-NET现场总线 整理课件2.4.1现有的现场总线国家标准（续）l Type5 FF HSE现场总线l Type6 Swift-Net 现场总线l Type7 WorldFIP现场总线l Type8 INTERBUS现场总线l Type9 FF H1现场总线l Type10 PROFInet现场总线 整理课件2.4.2主要的现场总线比较整理课件2.4.3产生多标准的原因l 各种现场总线都是受国际上一些处于垄断地位的跨国大公司所支持。

l 跨国大公司为了他们的长远利益和保持他们的垄断地位又不得不去开发现场总线，以领导新潮流l 有的公司早期投人大量资金使得产品间世较早l 一些小国家在技术上和经济上很大程度地依赖于一些跨国的大公司l IEC是多极化的组织，其代表都来自各个国家的一些大公司，不可避免地出现斗争的复杂性和反复性 整理课件2.5现场总线的现状l 多种总线共存l 每种总线各有其应用领域l 每种总线各有其国际组织l 每种总线均有其支持背景l 设备制造商参加多个总线组织l 多种总线均作为国家和地区标准l 协调共存l 工业以太网引入工业领域 整理课件2.5.1国内现场总线研究l 国内起步较晚，但在积极追赶 电动单元仪表集散控制系统现场总线控制系统国外6070年代7080年代90年代7080年代90年代初90年代中后期国内10+ 年整理课件2.5.2国内应用现状l 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l 传统信号仍占约95%比重，控制系统的研究必须符合这个现实应用要求l 现场总线具有优越性，并被工业应用领域所接受，技术革新的呼声很高 整理课件2.5.3国内研究现状l 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。

l 国内控制领域专家早就关注现场总线的发展l 国内尚未有自己的现场总线，还只是进行跟踪性的研究开发 整理课件2.5.4国内现场总线发展u 国家从“九五”开始支持现场总线的研究开发l“96-749”、“96-728”等l浙大中控、北京华控、中科院沈阳所等l形成了一大批成果u 但大规模的产品和应用尚未形成 整理课件。