現(xiàn)場總線技術(shù)第一章-現(xiàn)場總線技術(shù)概述(第3版)課件

1、第一章現(xiàn)場總線技術(shù)概述主要內(nèi)容1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展及其體系結(jié)構(gòu)1.2 DCS的結(jié)構(gòu)及其分類1.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)1.4 FCS與DCS的比較1.5 現(xiàn)場總線技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展前景現(xiàn)場總線（Fieldbus）是20世紀(jì)90年代發(fā)展形成的。用于過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場設(shè)備互連的通信網(wǎng)絡(luò)。是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成，并由此產(chǎn)生新一代的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）。自動(dòng)化領(lǐng)域的現(xiàn)場局域網(wǎng)。現(xiàn)場總線技術(shù)是為了滿足控制（測控）系統(tǒng)向 數(shù)字化發(fā)展的需要而產(chǎn)生的。 數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn)：信息量更豐富 控制系統(tǒng)的4個(gè)發(fā)展階段： 模

2、擬儀表控制系統(tǒng)； 直接數(shù)字控制系統(tǒng)； 集散控制系統(tǒng)； 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展及其體系結(jié)構(gòu)(1) 模擬儀表控制系統(tǒng) Analog Control System 出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代之前 基地式儀表：簡單測控功能 單元組合式儀表：統(tǒng)一的模擬信號，0.020.1MPa， 010mA，15V，420mA典型的單回路控制系統(tǒng)：控制算法簡單 模擬儀表控制系統(tǒng) Analog Control System 常規(guī)模擬單回路調(diào)節(jié)（控制）系統(tǒng) 調(diào)節(jié)儀表 測量儀表 執(zhí) 行 器統(tǒng)一的模擬信號，如420mADC(2)直接數(shù)字控制系統(tǒng) Direct Digital Control System 出現(xiàn)

3、于20世紀(jì)60年代初 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和普及而得到應(yīng)用 多回路控制：控制功能增強(qiáng)，算法先進(jìn) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測量變送儀表仍采用模擬量 （420mA） 需要模/數(shù)（A/D）、數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換 計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過程DDC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 用計(jì)算機(jī)代替模擬控制儀表 可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法和協(xié)調(diào)控制 缺點(diǎn)：控制功能集中導(dǎo)致危險(xiǎn)性加大(3) 集散控制系統(tǒng) Distributed Control System 出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代中期 隨著大規(guī)模集成電路和微處理器的發(fā)展和成熟而得 到應(yīng)用 控制功能分散到多個(gè)子系統(tǒng)（控制站）組成：包括過程控制站、操作站（人機(jī)界面）和通 信系統(tǒng) 集中操作、分散控制-集散控制系統(tǒng)典型的D

4、CS結(jié)構(gòu) 操作站 通信系統(tǒng) 過程控制站DCS的缺點(diǎn)是數(shù)字模擬混合系統(tǒng): 現(xiàn)場儀表使用模擬信號 互換性差 : 標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一 價(jià)格貴。(4) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) Fieldbus Control System 出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代后期 在DCS的基礎(chǔ)上進(jìn)一步數(shù)字化 控制功能進(jìn)一步向下（現(xiàn)場設(shè)備）分散用串行數(shù)字化接口代替測量變送儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu) 的模擬量接口 雙向通信方式使傳輸信息量大大豐富FCS的體系結(jié)構(gòu)FCS的新特征 FCS用現(xiàn)場總線替代DCS中的I/O總線，并且直接用 于生產(chǎn)現(xiàn)場； FCS用現(xiàn)場總線數(shù)字儀表替代DCS中的現(xiàn)場模擬儀表， 實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能。1.2 DCS的結(jié)構(gòu)及其分類一、DCS的結(jié)構(gòu)

5、 在系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)方面，DCS都由三部分組成：分散過程控制裝置部分 (集中)操作管理裝置部分 通信系統(tǒng)部分1.分散過程控制裝置部分 由多回路控制器、多功能控制器、可編程序邏 輯控制器及數(shù)據(jù)采集裝置等組成。 主要功能： 分散的過程控制，是系統(tǒng)與過程之間的接口。 結(jié)構(gòu)特征： 適應(yīng)惡劣的工業(yè)生產(chǎn)過程環(huán)境 分散控制 實(shí)時(shí)性 獨(dú)立性2.集中操作和管理系統(tǒng)部分 主要功能 匯集各分散過程控制裝置送來的信息，通過監(jiān)視和操作，把 操作和命令下送各分散控制裝置。(信息用于分析、研究、 打印、存儲并作為確定生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度的依據(jù)。) 特征：信息量大、易操作、容錯(cuò)性好等。 組成：由操作站、管理機(jī)和外部設(shè)備（如打印機(jī)）等

6、組 成，相當(dāng)于車間操作管理級和全廠優(yōu)化及調(diào)度管理級， 實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。3.通信系統(tǒng)部分 連接分散過程控制裝置以及集中操作和管理系統(tǒng)等 進(jìn)行信息交換和數(shù)據(jù)共享的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，是DCS 控制系統(tǒng)的中樞。 特點(diǎn)：實(shí)時(shí)性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可靠性高，適應(yīng)性 強(qiáng)等。 對通信系統(tǒng)的要求除了傳輸速率和傳輸距離外，還 有開放性，所謂“開放性”，就是允許不同廠商的 DCS互相通信，各廠商產(chǎn)品的通信應(yīng)符合國際標(biāo)準(zhǔn)。二、DCS的結(jié)構(gòu)分類根據(jù)分散過程控制裝置、集中操作和管理裝置和 通信系統(tǒng)的不同結(jié)構(gòu)，DCS控制系統(tǒng)的分類： 1.模塊化控制站+與MAP兼容的寬帶、載帶局域網(wǎng)+信息綜合管理系統(tǒng) 2.分散過程控制站+局域網(wǎng)+信

7、息管理系統(tǒng) 3.分散過程控制站+高速數(shù)據(jù)公路+操作站+上位機(jī) 4.PLC+通信系統(tǒng)操作管理站 5.單回路控制器+通信系統(tǒng)+操作管理站 1.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)一、現(xiàn)場總線的基本概念現(xiàn)場總線的定義： 一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè) 備與控制裝置之間進(jìn)行雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)、數(shù)字 式的數(shù)據(jù)交換的通信技術(shù)；廣義上是控制系統(tǒng)與現(xiàn)場檢測儀表、執(zhí)行裝置進(jìn)行雙向數(shù)字通信的串行總線系統(tǒng)； 基于智能化儀表及現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)FCS； 一種數(shù)字化的串行雙向通信系統(tǒng)。二、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1. 控制功能能夠不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。 2.為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、

8、節(jié)約硬件設(shè)備、節(jié)約連接電纜 與各種安裝、維護(hù)費(fèi)用創(chuàng)造了條件。 三、 現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn) （1）系統(tǒng)的開放性 通信協(xié)議公開，各不同廠商的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換。 （2）互可操作性與互用性 互可操作性是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝 通； 互用性則意味著不同制造商性能類似的設(shè)備可進(jìn)行更換， 實(shí)現(xiàn)相互替換。（3）現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性 將傳感測量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到 現(xiàn)場總線設(shè)備中完成。 （4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)， 提高了可靠性。 （5）對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性 可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線 等多種

9、傳輸介質(zhì)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通信。 四、現(xiàn)場總線的分類總線按照長度分類: （1）毫米級：芯片內(nèi)總線 （2）厘米級：芯片間總線、元件總線 （3）分米級：機(jī)箱內(nèi)總線（Multi-bus、STD、PCL、ISA、PCI等） （4）十米級：機(jī)柜間總線（RS232、GPIB、VME、VXI等） （5）千米級：現(xiàn)場總線（FF、Profibus等）現(xiàn)場總線按照數(shù)據(jù)通信寬度分類（1）傳感器現(xiàn)場總線（數(shù)據(jù)寬度為位）： 適用于簡單的開關(guān)裝置和輸入輸出位的這類通信：Seriplex總線、AS-i總線等。（2）裝置現(xiàn)場總線（數(shù)據(jù)寬度為字節(jié)）： 適用于以字節(jié)為單位的裝置類通信：Interbus總

10、線、DriveNET總線和CAN總線等。 （3）全服務(wù)的現(xiàn)場總線（數(shù)據(jù)寬度為數(shù)據(jù)流或模塊Block）： 以報(bào)文通信為主，除了對裝置進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)外，還包括一些對裝置的操作和控制功能：FF總線、Lonworks總線、Hart總線等?，F(xiàn)場總線按照應(yīng)用行業(yè)分類（1）過程控制（連續(xù)生產(chǎn)過程）用現(xiàn)場總線：FF的HI、Profibus-PA等（2）離散控制用現(xiàn)場總線：Profibus-DP、Device-NET等（3）樓宇自動(dòng)化用現(xiàn)場總線：Lonworks等（4）車輛制造業(yè)用現(xiàn)場總線：CAN等（5）飛機(jī)制造業(yè)用現(xiàn)場總線：SwiftNet等（6）農(nóng)業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)用現(xiàn)場總線：P-Net等1.4 FCS 與 DCS

11、的比較 FCS相對于DCS具有如下優(yōu)越性：1FCS實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化通信2FCS實(shí)現(xiàn)徹底的全分散式控制3.FCS實(shí)現(xiàn)不同廠商產(chǎn)品互聯(lián)、互操作FCS的現(xiàn)場設(shè)備只要采用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商的產(chǎn)品 既可互聯(lián)也可互換，并可以統(tǒng)一組態(tài)，從而徹底改變傳統(tǒng)DCS 控制層的封閉性和專用性。4.FCS增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性 FCS采用總線連接方式替代傳統(tǒng)的DCS一對一的I/O 連線，減少了由接線點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí)，數(shù)字化的現(xiàn)場設(shè)備替代模擬儀表，F(xiàn)CS具有現(xiàn)場設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、參數(shù)修改等工作，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。 5.FCS降低系統(tǒng)工程成本對于大范圍、大規(guī)模

12、分布式控制系統(tǒng)，F(xiàn)CS節(jié)省了 電纜、I/O裝置及電纜敷設(shè)費(fèi)用。FCS和DCS的詳細(xì)對比FCSDCS結(jié)構(gòu)一對多：一對傳輸線接多臺儀表，雙向傳輸多個(gè)信號。一對一：一對傳輸線接一臺儀表，單向傳輸一個(gè)信號?？煽啃钥煽啃院茫簲?shù)字信號傳輸抗干擾能力強(qiáng)，精度高?？煽啃圆睿耗M信號傳輸不僅精度低，而且容易受干擾。失控狀態(tài)操作員在控制室既可以了解現(xiàn)場設(shè)備過現(xiàn)場儀表的工作情況，也能對設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，還可以預(yù)測或?qū)ふ夜收?，使設(shè)備始終處于操作員的過程監(jiān)控與可控狀態(tài)之中。操作員在控制室既不了解模擬儀表的工作情況，也不能對其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，更不能預(yù)測故障，導(dǎo)致操作員對儀表處于“失控”狀態(tài)。FCSDCS控制功能控制功能分散

13、在各個(gè)智能儀器中。所有的控制功能集中在控制站中。互換性用戶可以自由選擇不同制造事故內(nèi)提供的性能價(jià)格比最優(yōu)的現(xiàn)場設(shè)備和儀表，并將不同品牌的儀表互連，實(shí)現(xiàn)“即插即用”。盡管模擬儀表統(tǒng)一了信號標(biāo)準(zhǔn)（420mA DC），可是大部分技術(shù)參數(shù)仍由制造廠自定，致使不同品牌的儀表不能互換。儀表智能儀表除了具有模擬儀表的檢測、變換、補(bǔ)償?shù)裙δ芡?，還具有數(shù)字通信能力，并且具有控制和運(yùn)算能力。模擬儀表只具有檢測、變換、補(bǔ)償?shù)裙δ堋?.5 現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀及發(fā)展前景一、現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制定制定標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu) 世界上 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO (International Standard Organization) 國際電工委員

14、會IEC (International Electrotechnical Commission) 國際電信聯(lián)盟ITU （ International Telegraphy Union） 歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會CENELEC（歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN） 國內(nèi) 制訂國家標(biāo)準(zhǔn)GB的組織是全國標(biāo)準(zhǔn)化委員會二、現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn) 2004年4月，IEC公布了現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)第三版（即IEC 61158 Ed.3），規(guī) 定了10種類型的現(xiàn)場總線，分別是：Type1 TS61158 現(xiàn)場總線 Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 現(xiàn)場總線Type3 Profibus現(xiàn)場總線 Type4 P-NET現(xiàn)場

15、總線 Type5 FF HSE現(xiàn)場總線 Type6 Swift-Net 現(xiàn)場總線 Type7 WorldFIP現(xiàn)場總線 Type8 INTERBUS現(xiàn)場總線 Type9 FF H1現(xiàn)場總線 Type10 PROFInet現(xiàn)場總線2006年11月，全國工業(yè)測量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委 員會發(fā)布了中國第一個(gè)工業(yè)通信領(lǐng)域現(xiàn)場總線技 術(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)： 國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20540-2006 Profibus規(guī)范 國家標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件GB/Z20541-2006 Profibus規(guī)范三、現(xiàn)場總線技術(shù)的現(xiàn)狀 1.多種總線共存2. 每種總線各有其應(yīng)用領(lǐng)域 3. 每種總線各有其國際組織 4. 每種總線均有其支持背景

16、5. 設(shè)備制造商參加多個(gè)總線組織 6. 多種總線均作為國家和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn) 7. 協(xié)調(diào)共存 8. 工業(yè)以太網(wǎng)引入工業(yè)領(lǐng)域四、多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)并存帶來的問題 現(xiàn)場總線自出現(xiàn)以來，一直以開放性、全數(shù)字化、互可操作性、智能化等特點(diǎn)著稱，用戶對現(xiàn)場總線的應(yīng)用與推廣充滿信心。而現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的門戶之爭日見白熱化，多種現(xiàn)場總線互不兼容，不同協(xié)議的產(chǎn)品之間無法實(shí)現(xiàn)高速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，“自動(dòng)化孤島現(xiàn)象并未真正得到解決。而且近20年的標(biāo)準(zhǔn)之爭和市場大戰(zhàn)最終形成了多種標(biāo)準(zhǔn)共存的局面，這種情況無論在技術(shù)層面還是市場層面都給用戶帶來了疑問和困惑。 （1）多標(biāo)準(zhǔn)共存與現(xiàn)場總線的開放性相背離 一般認(rèn)為DCS和PLC屬于封閉性系統(tǒng)

17、，而FCS是開放性系統(tǒng)。但實(shí)際上FCS的開放性是針對自己來說是開放的，異種現(xiàn)場總線之間卻不是開放的。因此，多種標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線的共存使得現(xiàn)場總線事實(shí)上并不具備開放性的特點(diǎn)。 （2）多標(biāo)準(zhǔn)共存難以體現(xiàn)現(xiàn)場總線的互操作性 現(xiàn)場設(shè)備種類繁多，一個(gè)制作商不可能提供生產(chǎn)過程的全部設(shè)備，用戶也不希望受制于某一個(gè)制作商?；タ刹僮餍詿o疑受到用戶青睞，但現(xiàn)有的10種現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)中，不同的現(xiàn)場級現(xiàn)場總線之間是不能進(jìn)行互操作的。雖說可以通過網(wǎng)關(guān)（Gateway）通信或通過OPC協(xié)議進(jìn)行互操作，但這種互操作不能直接在現(xiàn)場儀表間進(jìn)行，而且不能滿足系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求。 （3）現(xiàn)場總線的局限性 過程控制層PCS（Process Control System）包含了現(xiàn)場總線；中間的制造執(zhí)行層MES（Manufacturing Execution System）主要用于監(jiān)控、優(yōu)化和調(diào)度，在管控一體化中起到承上啟下的作用；最上層是企業(yè)資源規(guī)劃管理層ERP（Enterprise Resource Planning）用于企業(yè)的計(jì)劃、銷售、庫存、財(cái)務(wù)、人事及企業(yè)的經(jīng)營、管理和決策等。 （4）多標(biāo)準(zhǔn)共存阻礙現(xiàn)場總線技術(shù)的推廣 目前的現(xiàn)場總線國