總線技術(shù)與應(yīng)用01

總線控制運(yùn)行與管理

任課教師：趙麗君辦公室：實(shí)驗(yàn)樓A313聯(lián)系電話：136131412172023/2/1什么是現(xiàn)場總線？隨著控制、計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設(shè)備層到控制、管理的各個層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。現(xiàn)場總線(Fieldbus)就是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)。

2023/2/1什么是現(xiàn)場總線？現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

現(xiàn)場總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，采用可進(jìn)行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量控制儀表連接成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的多個微機(jī)化測量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種適應(yīng)實(shí)際需要的自動控制系統(tǒng)。

2023/2/1課程介紹

本課程作為電氣自動化專業(yè)類的專業(yè)課程，主要為同學(xué)介紹目前國內(nèi)外流行的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——現(xiàn)場總線，目的是開拓同學(xué)的視野、了解現(xiàn)場總線技術(shù)的基本原理和應(yīng)用領(lǐng)域，為今后就業(yè)或深造打下一定的基礎(chǔ)，本課程共48學(xué)時?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)作為第五代控制系統(tǒng)，具有突出的優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展很快，近幾年國內(nèi)現(xiàn)場總線的研究與應(yīng)用也得到很大發(fā)展。本課程為將結(jié)合現(xiàn)場總線的最新進(jìn)展，介紹如下內(nèi)容：2023/2/1課程介紹

本課程是電氣自動化類專業(yè)的專業(yè)課程。內(nèi)容主要包括：①工業(yè)自動化發(fā)展概況；②現(xiàn)場總線的發(fā)展和應(yīng)用概況；③現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)的通信基礎(chǔ)；④現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)；⑤典型總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。2023/2/1經(jīng)過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生要學(xué)會用現(xiàn)場總線讓現(xiàn)場儀表之間、現(xiàn)場儀表與控制室設(shè)備之間構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)互連系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化、雙向、多變量通信，為最終實(shí)現(xiàn)從最高決策層到最低設(shè)備層的綜合管理和控制奠定基礎(chǔ)。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握工業(yè)測控網(wǎng)絡(luò)的基本原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和具體實(shí)現(xiàn)方法，使學(xué)生具有用微機(jī)組網(wǎng)的能力，了解和掌握現(xiàn)場總線協(xié)議以及用現(xiàn)場總線組成的測控網(wǎng)絡(luò)等。課程目的2023/2/1參考書籍《現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用》-機(jī)械工業(yè)出版社?！冬F(xiàn)場總線控制》-中國電力出版社?！都⒖刂葡到y(tǒng)及現(xiàn)場總線》-北京航空航天大學(xué)出版社?！冬F(xiàn)場總線技術(shù)》-中國電力出版社2023/2/1本單元主要教學(xué)內(nèi)容

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工業(yè)自動化技術(shù)基本概念；

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工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展歷程；

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工業(yè)自動化技術(shù)的主要任務(wù)；

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工業(yè)信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)。2023/2/1本單元教學(xué)目的和要求

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熟悉自動化技術(shù)基本概念；

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了解工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展歷程；

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理解工業(yè)自動化技術(shù)的主要任務(wù)；

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掌握工業(yè)信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)。2023/2/1工業(yè)自動化技術(shù)基本概念引言2023/2/1蒸汽機(jī)時代

發(fā)生在18

世紀(jì)60

年代英國的產(chǎn)業(yè)革命即工業(yè)革命，實(shí)際上是一場工業(yè)技術(shù)的革命。它表現(xiàn)在以機(jī)器代替人力、以大規(guī)模的工廠生產(chǎn)代替?zhèn)€體工場手工生產(chǎn)，即在生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系方面均發(fā)生了巨大的變革，它使人類歷史進(jìn)入了一個全新的時期。一座座工廠在從前綠色的原野上聳立起來，高大的煙囪冒出濃黑的煙霧，機(jī)器的轟鳴聲驚醒了沉寂的山坳，人類的生活方式在工業(yè)革命中發(fā)生著巨大的變化。而這一切發(fā)生的直接動因則是不斷創(chuàng)新的紡織技術(shù)導(dǎo)致的蒸汽機(jī)的出現(xiàn)，蒸汽機(jī)作為這個時代的核心技術(shù)，第一次解決了人類大規(guī)模制造和利用動力的問題。2023/2/1電力（或電氣）時代

電力時代，是指以電動機(jī)為代表的第二次工業(yè)技術(shù)革命，使新興的電能作為一種主要的能量形式支配著社會經(jīng)濟(jì)生活，推出了一個前人未曾想過的歷史時期。電能的突出優(yōu)點(diǎn)在于：第一，是一種易于傳輸?shù)墓I(yè)動力；第二，是極為有效可靠的信息載體。因此，電力時代主要體現(xiàn)在動力傳輸與信息傳輸兩個方面。與動力傳輸相關(guān)聯(lián)，出現(xiàn)了大型發(fā)電機(jī)、高壓輸電網(wǎng)、各種各樣的電動機(jī)和照明電燈。與信息傳輸相關(guān)聯(lián)，出現(xiàn)了電報、電話和無線電通訊。這些偉大發(fā)明使人類生活進(jìn)入了一個更光明、更美好的新時期。由于電、電流、電磁感應(yīng)和電磁波的發(fā)明和應(yīng)用，以及電力傳輸?shù)某晒κ鞘闺娏θ〈羝Φ闹卮笸黄疲闺娏芸斐蔀閺V泛應(yīng)用的能源和動力。2023/2/1信息時代

世界近代史上的第三次技術(shù)革命于20世紀(jì)中葉爆發(fā)，其核心技術(shù)是電子計算機(jī)技術(shù)。電子計算機(jī)是一種代替人的腦力勞動的機(jī)器，它不僅運(yùn)算速度快，處理數(shù)據(jù)量大，而且能部分模擬人的智能活動。它的出現(xiàn)，使人類社會的信息處理方式發(fā)生了翻天覆地的變化，從而從根本上改變了現(xiàn)代社會的運(yùn)行結(jié)構(gòu)。為電子計算機(jī)奠定基礎(chǔ)的是電子技術(shù)，而計算機(jī)的出現(xiàn)則帶動了一大批高新技術(shù)的發(fā)展，使人類進(jìn)入了信息化和網(wǎng)絡(luò)化時代。2023/2/1第四次浪潮？

美國未來學(xué)家阿爾文·托夫勒在其著作《第三次浪潮》中總結(jié)了人類文明發(fā)展的三次浪潮：人類文明的“第一次浪潮”產(chǎn)生于約公元前，從人們培育農(nóng)作物的生長開始，人類進(jìn)入了農(nóng)業(yè)時代，其劃時代的意義在于人類從此脫離了游牧，開始過上定居生活，并逐步發(fā)展城鎮(zhèn)和自己的文化?！暗诙卫顺薄笔加诙倌昵耙酝咛匕l(fā)明蒸汽機(jī)為開端的工業(yè)浪潮，人類以工業(yè)革命為契機(jī)，離開農(nóng)場，涌向大城市的工廠尋找生機(jī)。“第三次浪潮”就是我們所說的“信息時代”，信息技術(shù)和社會需求成為它發(fā)展的強(qiáng)大動力，經(jīng)濟(jì)向全球化方向發(fā)展。托夫勒預(yù)言：以人類進(jìn)入太空居住為特點(diǎn)的“第四次浪潮”時代將在可以預(yù)期的未來到來，屆時，人類將考慮移民到太空中去，在其它星球上繁衍生息。他認(rèn)為，人類正在從信息革命為標(biāo)志的“第三次浪潮”時代過渡到以人類進(jìn)入太空居住為特點(diǎn)的“第四次浪潮”時代。

2023/2/1什么是自動化？自動化是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控制對象（如機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程）的某一物理量（或工作狀態(tài)）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行（或變化）。2023/2/1自動化的目的

自動化的目的是應(yīng)用自動控制裝置延伸和代替人的體力和腦力勞動。自動控制裝置是由具有相當(dāng)于人的大腦和手腳功能的裝置組成的。相當(dāng)于人大腦的裝置，在自動控制中的作用是對控制信息進(jìn)行分析計算、推理判斷、產(chǎn)生控制作用。它通常是由電腦或控制裝置來承擔(dān)。相當(dāng)于人手腳的裝置，其作用是執(zhí)行控制信號，完成加工、操作和運(yùn)動等。它通常是由機(jī)械機(jī)構(gòu)或機(jī)電機(jī)構(gòu)來完成。其中包括放大信息的裝置，產(chǎn)生動力的驅(qū)動裝置和完成運(yùn)動的執(zhí)行裝置。2023/2/1自動化無處不在

自動化技術(shù)是人們在生產(chǎn)、生活和科學(xué)探索中發(fā)展起來的一種高技術(shù)。自動化技術(shù)發(fā)展至今，可以說已從人類手腳的延伸擴(kuò)展到人類大腦的延伸。自動化技術(shù)時時在為人類“謀”福利，自動化可謂無所不在。2023/2/1最早的自動化裝置國外最早的自動化裝置，是一世紀(jì)古希臘人希羅發(fā)明的神殿自動門和“神水”出售機(jī)。我國3000多年前的銅壺滴漏，用來自動計時，可以說是現(xiàn)代自動控制裝置的雛形。2000多年前我國發(fā)明的指南車，從現(xiàn)在觀點(diǎn)看，屬于自動定向裝置。東漢時期的張衡利用齒輪、連桿和齒輪機(jī)構(gòu)制成渾天儀。它能完成一定系列有序的動作，顯示星辰升落，可以把它看成是古代的程序控制裝置。2023/2/1自動化技術(shù)的主要方面

自動化是自動化技術(shù)和自動化過程的簡稱。

自動化技術(shù)主要有兩個方面：第一，用自動化機(jī)械代替人工的動力方面的自動化技術(shù)；第二，在生產(chǎn)過程和業(yè)務(wù)處理過程中，進(jìn)行測量、計算、控制等，這是信息處理方面的自動化技術(shù)。

自動化有兩個支柱技術(shù)：一個是自動控制，一個是信息處理。它們是相互滲透、相互促進(jìn)的。2023/2/1自動控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)根據(jù)是否具有反饋回路分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出僅由輸入確定的控制系統(tǒng)，一般控制能力是非常有限的。所以一般控制系統(tǒng)常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。2023/2/1自動控制系統(tǒng)的

組成第一，傳感器。檢測比較裝置。所起作用相當(dāng)于人眼在上面例子中的作用，主要是獲得反饋，并且計算我們要達(dá)到的目的與現(xiàn)在的實(shí)際情況之間的差值。第二，控制器。所起作用相當(dāng)于大腦在上面例子中的作用，主要是用來決定應(yīng)該怎樣做

。第三，執(zhí)行器。主要所起作用相當(dāng)于人手在上面例子中的作用，完成控制器下達(dá)的決定。第四，控制量。也就是所要達(dá)到的目的，相當(dāng)于手和杯子之間的距離?？刂屏渴俏覀冏詣踊瘷C(jī)器所要達(dá)到的最終目的。2023/2/1自動化技術(shù)的分類邏輯控制運(yùn)動控制過程控制2023/2/1邏輯控制技術(shù)與系統(tǒng)傳統(tǒng)上將開關(guān)量控制歸入邏輯控制典型的邏輯控制如：電動機(jī)的啟動/停止電燈的開/關(guān)電動閥門的開通/關(guān)斷按鈕的接通/斷開繼電器的吸合/斷開電控2023/2/1運(yùn)動控制技術(shù)與系統(tǒng)傳統(tǒng)上將電氣傳動控制歸入運(yùn)動控制典型的運(yùn)動控制如：電動機(jī)的速度控制電燈的亮度控制電動閥門的開度控制位置控制電傳2023/2/1過程控制技術(shù)與系統(tǒng)傳統(tǒng)上將慢速連續(xù)量控制歸入過程控制典型的過程控制如：溫度控制壓力控制流量控制液位控制電儀2023/2/1自動化技術(shù)的發(fā)展可分為以下四個階段：

模擬儀表控制技術(shù)

集中式數(shù)字控制技術(shù)（DDC）

集散控制技術(shù)（DCS）

現(xiàn)場總線控制技術(shù)（FCS）工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展歷程2023/2/1模擬儀表控制技術(shù)

各種物理量都采用指針式儀表來指示其數(shù)值。其顯著缺點(diǎn)是：模擬信號精度低，易受干擾。模擬儀表控制系統(tǒng)在20世紀(jì)六、七十年代以前占有主導(dǎo)地位。2023/2/1集中式數(shù)字控制技術(shù)（DDC）集中式數(shù)字控制技術(shù)（DDC）在20世紀(jì)七、八十年代占有主導(dǎo)地位。它采用單片機(jī)、可編程序邏輯控制器（PLC）或微機(jī)作為控制器。在控制器內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，克服了處理模擬信號的缺點(diǎn)，提高了控制系統(tǒng)的抗干擾能力。集中式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是易于根據(jù)全局情況進(jìn)行控制計算和判斷，在控制方式、控制時間的選擇上可以統(tǒng)一調(diào)度和安排。不足之處：對控制器本身要求很高，必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性，當(dāng)系統(tǒng)任務(wù)增加時，控制器的效率和可靠性將急劇下降。2023/2/1集散控制技術(shù)（DCS）由于不同的DCS廠家為達(dá)到壟斷目的而對其控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用各自專用的封閉形式，故集散控制系統(tǒng)事實(shí)上是一種封閉專用的、不具有可互操作性的分布式控制系統(tǒng)，并且造價昂貴。集散控制系統(tǒng)（DCS）在20世紀(jì)八九十年代占有主導(dǎo)地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機(jī)用于集中監(jiān)視管理功能，若干下位機(jī)分散下放到現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)分布式控制，上下位機(jī)之間用控制網(wǎng)絡(luò)互連以實(shí)現(xiàn)相互之間的信息傳遞。這種分布式的控制體系結(jié)構(gòu)有力地克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)中對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷。顯示屏1顯示屏2顯示屏3顯示屏42023/2/12023/2/1現(xiàn)場總線控制技術(shù)（FCS

）這種開放的、具有可互操作性的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場多個控制器及儀表設(shè)備互連，組成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，控制功能徹底下放到現(xiàn)場，降低了系統(tǒng)安裝成本和維護(hù)費(fèi)用?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在20世紀(jì)八十年代中期開始發(fā)展并應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

現(xiàn)場總線把通用或?qū)Ｓ玫奈⑻幚砥髦萌雮鹘y(tǒng)的測量控制儀表，使之具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，采用一定的介質(zhì)（例如雙絞線、同軸電纜、光纖、無線、紅外等）作為通信總線，按照公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的多個設(shè)備間以及現(xiàn)場設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，形成各種適應(yīng)實(shí)際需要的自動化控制系統(tǒng)。

FCS實(shí)質(zhì)上是一種開放的、具有可互操作性的、徹底分散的全分布式控制系統(tǒng)。2023/2/1自動化系統(tǒng)的比較測控能力指數(shù)20世紀(jì)50年代按回路運(yùn)行按過程運(yùn)行過程優(yōu)化管控一體氣動、模擬電動單元模擬DCS數(shù)字/模擬混合數(shù)字現(xiàn)場總線1960198019982023/2/1從單用戶小型系統(tǒng)到多用戶大系統(tǒng)自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢控制集成化分層網(wǎng)絡(luò)化管控一體化2023/2/1控制集成化基于F儀表、電氣、計算機(jī)(ＩＥＣ）一體化w過程自動化和制造自動化一體化w通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)的集中和分散控制的一體化w在一個系統(tǒng)中真正實(shí)現(xiàn):全集成自動化思想——2023/2/1分層網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線2023/2/1小結(jié)自動化是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控制對象（如機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程）的某一物理量（或工作狀態(tài)）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行（或變化）。自動化的目的是應(yīng)用自動控制裝置延伸和代替人的體力和腦力勞動。

自動控制系統(tǒng)一般由傳感器、控制器、執(zhí)行器和控制對象四個部分組成。

自動化技術(shù)是一門介于許多學(xué)科之間的綜合應(yīng)用學(xué)科。2023/2/1工業(yè)自動化技術(shù)的主要技術(shù)2023/2/1工業(yè)自動化技術(shù)的主要任務(wù)廠級生產(chǎn)計劃與調(diào)度：

通過合理安排各裝置的生產(chǎn)任務(wù)（處理量、生產(chǎn)方案等），實(shí)現(xiàn)全廠生產(chǎn)效益的最大化；裝置操作的最優(yōu)化：

在完成廠級生產(chǎn)任務(wù)、保證裝置安全的前提下，以裝置效益的最優(yōu)化為目標(biāo)，制定各單元重要參數(shù)的操作指標(biāo)（即設(shè)定值）；基本單元的平穩(wěn)控制：

跟蹤重要參數(shù)的操作指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)基本單元的平穩(wěn)操作、安全操作與質(zhì)量控制。2023/2/1工業(yè)信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)上通常用電壓

0~5(10)V或電流0(4)~20mA作為模擬信號傳輸?shù)姆椒?，也是被程控機(jī)經(jīng)常采用的一種方法。那么電壓和電流的傳輸方式有什么不同，什么時候采用什么方法，下面將對此進(jìn)行簡要介紹。2023/2/1工業(yè)信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)電壓制信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)：電壓傳輸：信號源內(nèi)阻小（零）、負(fù)載電阻大，因而對外界擾動敏感，且受傳輸導(dǎo)線電阻的影響大。故不適合于信號的遠(yuǎn)距離傳輸。2023/2/1工業(yè)信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)如果信號接收電路的輸入阻抗是高阻的，那么由上述的電阻引起的傳輸誤差就足夠小，這些電阻也就可以忽略不計。要求不增加信號發(fā)送方的費(fèi)用又要所提及的電阻可忽略，就要求信號接收電路有一個高的輸入阻抗。如果用運(yùn)算放大器OP來做接收方的輸入放大器。電壓信號傳輸?shù)慕Y(jié)論：如果電磁干擾很小或者傳輸電纜長度較短，一個合適的接收電路毫無疑問是可以用來傳輸電壓信號0…5(10)V的。2023/2/1工業(yè)信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)電流制信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)：

電流傳輸：信號源內(nèi)阻大（無限大）、負(fù)載電阻小，因而對外界擾動不敏感，且不受傳輸導(dǎo)線電阻的影響。故非常適合于信號的遠(yuǎn)距離傳輸。2023/2/1工業(yè)信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)如果一個電流源作為發(fā)送電路，它提供的電流信號始終是所希望的電流而與電纜的電阻以及接觸電阻無關(guān)，也就是說，電流信號的傳輸是不受硬件設(shè)備配置的影響的。電流信號傳輸?shù)慕Y(jié)論：如果考慮到有電磁干擾比如電焊設(shè)備和其他信號發(fā)射設(shè)