现场总线技术概述

现场总线技术第一章现场总线一、专业方向选修课，掌握典型现场总线技术的原理、规范；二、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。三、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；四、强化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。学习现场总线的目的现场总线本章思考题现场总线技术概述一、传统DCS与FCS在现场布线方面有什么区别？二、什么是完整的现场总线定义？三、现场总线有哪些特点？四、现场总线有哪些优点？五、IEC制定的国际现场总线标准主要包括哪些现场总线？现场总线一、现场总线简介二、现场总线系统的特点三、以现场总线为基础的企业网络系统四、现场总线技术的标准化现场总线技术概述现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述现场总线的产生背景一、传统的DCS结构缺欠，需要一种新型系统体系结构；二、智能变送器等智能现场设备发展的必然结果；三、CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)综合自动化发展的迫切需要。现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述现场总线技术来源DCS系统技术智能化仪表设备技术计算机网络技术现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述检测控制系统发展历程一、基地式气动仪表（生产现场）二、气动、电动系列的单元组合式仪表（集中控制室）三、集中式数字控制系统危险集中，可靠性差四、DCS(DistributedControlSystem，集散控制系统)显示、操作、管理集中；控制、负载、危险分散；自封闭，“信息孤岛”五、FCS(FieldbusControlSystem，现场总线控制系统)开放，全分布式的控制系统六、工业以太网控制系统(第六代控制系统，正在发展中)现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述基于调节器的单回路自动控制现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述基于DCS的自动控制系统现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述变送器DCS调节阀DCS传统控制方式现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述Upto1900Metersinlength现场总线控制方式现场智能仪表现场智能控制设备现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述现场总线控制系统(FCS)布线方式现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述混合控制模式（DCS+FCS）现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述FCS与DCSFCSDCSI/OCPU...FCS取消了控制站DCS控制依赖控制站现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述FCS与DCS本安情况下：现场总线多块仪表共用一块安全栅本安情况下：DCS每块仪表均配一块安全栅FCSDCSI/OI.SI.SI.SI.SI.S现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述FCS与DCSFCSDCSI/OCPU...FCS控制在现场中完成DCS控制在控制站中完成FCSDCSAIAOPIDAIAIAOPIDPID现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述FCS与DCSFCSDCSI/OCPU...FCSDCSFCSDCSFCS信息是双向的DCS信息是单向的现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述基于现场总线的智能现场设备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，同时为丰富控制信息的内容、实现其远程传送创造了条件。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的控制系统，提高了控制系统运行的可靠性。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。现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述现场智能总线压力变送器LD302（FF协议）.电容式压力传感器.40:1量程比.0.075%精度.全系列.0-125Pa到0-40MPa可选-远传法兰.主站功能.功能块:AI,PID,ISS（输入选择模块）,INTG（积分器）,ARTH（运算模块）,CHAR（特征化模块）.自诊断功能.全面认证:FM认证，CE认证现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述现场总线到气信号转换器FP302（FF协议）.输出0.02-0.1Mpa气信号.0.4%精度.低气源消耗.主站功能.功能块:AO,PID,ISS,ARTH,CHAR.自诊断功能.本地数字显示.全面安全认证:FM，CE现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述从整个自动化系统的体系结构分析从整体把握复杂工业自动化系统，根据工厂管理、生产过程控制及功能需求等分层设计。按照标准CIMS体系结构可分为5层，即工厂级、车间级、单元级、工作站级和现场级。简化的CIMS则分为3层，即工厂级、车间级和现场级。在一个现代化、大规模的工业生产过程控制中，工业数据结构同样分为这三个层次，与简化的网络层次相对应。现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述CIM的概念CIM(ComputerIntegratedManufacturing)计算机集成制造企业资源（人、财、物、技术、经营管理）计算机技术集成资源优化，产品优质、低耗、上市快，增强竞争力现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述FCSDCSI/OCPU...FCSDCSFCSDCS简化的CIMS层次结构现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述三个层次之间的相互关系现场级与车间级自动化信息监控及信息集成是实现工厂自动化管理及CIMS的重要基础。现场级与车间级自动化监控及信息集成主要完成1.底层设备单机控制、连机控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备运行、生产数据的采集、存储、统计等功能。保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备产生及运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级MIS系统（ManagementInformationSystem，管理信息系统）数据库提供数据。2.同时接收和执行工厂管理层下达的生产管理及调度命令。现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述传统控制系统的现场设备级、车间级监控和管理信息集成FCSDCSI/OCPU...FCSDCSFCSDCS现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述传统控制系统主要缺点一、信息集成能力不强控制器与现场设备之间靠I/O连线连接，传送4-20mA模拟量信号或24VDC等开关量等一个变量。这样，控制器获取信息量有限，其他的大量信息，如设备参数、故障纪录等数据很难得到。底层生产数据不全造成信息集成能力不强，不能满足CIMS的要求。二、系统不开放、可集成性差、专业性不强现场设备均靠标准4-20mA/24VDC连接，系统其它软、硬件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，因此可集成性差。这种系统很少留出开发接口，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、生产配方等集成到通用系统中去。现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述传统控制系统主要缺点三、可靠性不易保证对于大范围的分布式系统，铺设大量的I/O电缆，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。四、可维护性不高由于现场级设备采集信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述由于处于生产过程低层的测控自动化系统采用一对一连线，用电压和电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。为解决上述问题，则需要自动控制信息集成，必须设计一种能在工业现场环境运行的、性能可靠的、造价低廉的工厂底层网络。实现自动化设备之间的多点数字通信，实现底层设备现场之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在实际需求下应运而生。现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述现场总线的定义现场总线是以测量控制设备作为网络节点，以双绞线等传输介质作为纽带，把位于生产现场、具备了数字计算和数字通信能力的测量控制设备连接成网络系统，按照公开、规范的网络协议，在多个测量控制设备之间、以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成适应各种应用需要的自动控制系统。现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述基于现场总线的数据通信系统基于现场总线的数据通信系统示例基于现场总线的数据通信系统由数据的发送设备、接收设备、作为传输介质的现场总线、传输报文、通信协议等几部份组成。这里的数据通信系统实际上是一个以总线为连接纽带的硬软件结合体。现场总线1.1现场总线简介现场总线技术概述基于现场总线的数据通信系统传感器级总线：位级的数据总线ASI(ActuatorSensorInterface)总线设备级总线：字节级总线用于处理传感器、行程开关、继电器、接触器和阀门定位器这类工业设备;CAN(ControlAreaNetwork)总线现场总线：数据块级总线用于完成一些过程控制器或现场仪表之间的通信。FF（FoundationFieldbus)总线现场总线1.2现场总线系统的特点现场总线技术概述现场总线系统的结构特点设备之间采用网络式连接是现场总线系统在结构上最显著的特征之一。现场总线系统中，由于设备增强了数字计算能力，有条件将各种控制计算功能模块、输入输出功能模块置入到现场设备之中。借助现场设备所具备通信能力，直接在现场完成测量变送仪表与阀门等执行机构之间的信息传送，实现了彻底分散在现场的全分布式控制。现场总线FCSDCSFCSDCSDCSFCS下装FCSDCSDCSFCSDCS可远程调校系统完全分散与半分散的DCS不同，FCS无论是结构上还是控制上均做到了全分散。AIAIAOPIDPIDFCS控制完全分布在现场AIPIDAODCS控制依靠控制站为半分布现场控制室FCSDCS现场总线1.2现场总线系统的特点现场总线技术概述现场总线系统的技术特点一、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。现场总线系统应该成为自动化领域的开放互联系统；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。现场总线1.2现场总线系统的特点现场总线技术概述现场总线系统的技术特点二、互可操作性与互用性互可操作性，是指网络中互联的设备之间可实现数据信息传送与交换；互用则意味着对不同生产厂家的性能类似的设备可以相互替换。三、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，有些测控任务有严格的时序和实时性要求；现场总线系统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。现场总线1.2现场总线系统的特点现场总线技术概述现场总线系统的技术特点四、现场设备的智能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；功能自治性则是指将传感测量、补偿计算、工程量处理、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；五、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，有能力支持总线供电等。这是总线控制网络区别与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；