第1章現(xiàn)場總線概論

第一章現(xiàn)場總線概論1.1什么是現(xiàn)場總線1.1.1現(xiàn)場總線基本概念1.1.2現(xiàn)場總線產(chǎn)生

1.1.3DCS，RI/O和FCS1.1.4現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)1.1.5現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展1.2幾種典型的現(xiàn)場總線1.3現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的構(gòu)成1.4現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1.1什么是現(xiàn)場總線國際電工委員會(huì)在IEC61158中給現(xiàn)場總線下了一個(gè)定義：安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。簡述：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)1.1.1現(xiàn)場總線基本概念

（現(xiàn)場總線的本質(zhì)含義）現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場設(shè)備互連互操作性分散功能塊通信線供電開放式互連網(wǎng)絡(luò)（1）現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線作為一種數(shù)字式通信網(wǎng)絡(luò)一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場中的現(xiàn)場設(shè)備，使過去采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的模擬信號(hào)傳輸或開關(guān)量信號(hào)單點(diǎn)并行傳輸變?yōu)開_______的雙向串行數(shù)字傳輸。（2）現(xiàn)場設(shè)備互連現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器和執(zhí)行器等，這些設(shè)備通過_____傳輸線互連（3）互操作性用戶希望選用各制造商性能價(jià)格比最好的產(chǎn)品集成在一起，實(shí)現(xiàn)“即插即用”；用戶希望對(duì)不同品牌的現(xiàn)場設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成其所需的控制回路所謂_______是指來自不同廠家的設(shè)備（儀表）可以互相通信，并且可以在多廠家的環(huán)境中完成功能的能力。（4）分散功能塊FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站,把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表,從而構(gòu)成_________。（5）通信線供電通信線_________允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上獲取能量,這種方式提供用于本質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場儀表,與其配套的還有安全柵。（6）開放式互連網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線為開放式互連網(wǎng)絡(luò),既可與____網(wǎng)絡(luò)互連,也可與_____網(wǎng)絡(luò)互連,不同制造商的網(wǎng)絡(luò)互連十分簡便,用戶不必在硬件或軟件上花多大力氣。1.1.2現(xiàn)場總線的產(chǎn)生★現(xiàn)場總線的含義：◆現(xiàn)場總線是用于過程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化底層的現(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設(shè)備互連的通信網(wǎng)絡(luò)，這些儀表或設(shè)備具有輸入、輸出、運(yùn)算、控制、通信功能，并直接在現(xiàn)場總線上構(gòu)成分散的控制回路。模擬半數(shù)字全數(shù)字5060708090年代在橢圓中填上相應(yīng)的儀表英文縮寫符號(hào)20世紀(jì)50年代以前，使用PCS，這種控制按地理位置分散于生產(chǎn)現(xiàn)場，分散于生產(chǎn)現(xiàn)場，自成體系，實(shí)現(xiàn)自治式的徹底分散控制。其優(yōu)點(diǎn)是危險(xiǎn)分散，一臺(tái)儀表故障只影響一個(gè)控制點(diǎn)；其缺點(diǎn)是只能實(shí)現(xiàn)簡單控制，操作工奔跑于生產(chǎn)現(xiàn)場巡回檢查，不便于集中操作控制，而且只適用于幾個(gè)控制回路的小型系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代開始集中控制，采用ACS?？刂破?、指示器、記錄儀安裝于控制室，傳感器、執(zhí)行器安裝于現(xiàn)場。優(yōu)點(diǎn)是便于集中控制、監(jiān)視操作和管理，缺點(diǎn)是控制三要素分離帶來安裝成本高，要消耗大量的管線和電線，調(diào)試麻煩，維護(hù)困難?！锂a(chǎn)生因素：◆⑴傳統(tǒng)模擬儀表的缺點(diǎn)◆⑵現(xiàn)場總線數(shù)字儀表的優(yōu)點(diǎn)◆⑶計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展◆⑷用戶需求?！铫艂鹘y(tǒng)模擬儀表的缺點(diǎn)◆一對(duì)一結(jié)構(gòu)：●一臺(tái)儀表，一對(duì)傳輸線，單向傳輸一個(gè)信號(hào)；●接線龐雜，工程周期長，安裝費(fèi)用高，維護(hù)困難。◆單一功能：●信號(hào)檢測和變換功能。◆可靠性差：●模擬信號(hào)傳輸不僅精度低，而且易受干擾?！铫艂鹘y(tǒng)模擬儀表的缺點(diǎn)◆一對(duì)一結(jié)構(gòu)：●一臺(tái)儀表，一對(duì)傳輸線，單向傳輸一個(gè)信號(hào)；●接線龐雜，工程周期長，安裝費(fèi)用高，維護(hù)困難?！魡我还δ埽骸裥盘?hào)檢測和變換功能。◆可靠性差：●模擬信號(hào)傳輸不僅精度低，而且易受干擾?！羰Э貭顟B(tài)：●操作員在控制室◎既不了解現(xiàn)場儀表工作狀況，◎也不能對(duì)其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，◎更不能預(yù)測故障，◎?qū)е虏僮鲉T對(duì)其處于“失控”狀態(tài)?！艋Q性差：●不同廠家的同類儀表無法互換。●用戶依賴制造廠，無法使用性能價(jià)格比優(yōu)的儀表。1.1.2現(xiàn)場總線的產(chǎn)生

20世紀(jì)60年代的計(jì)算機(jī)集中控制

★一臺(tái)計(jì)算機(jī)的任務(wù)：◆承擔(dān)一套或多套生產(chǎn)裝置信號(hào)輸入和輸出、運(yùn)算和控制、操作監(jiān)視和打印制表等多項(xiàng)任務(wù)。◆實(shí)現(xiàn)幾十個(gè)或上百個(gè)控制回路，全廠的信息管理。危險(xiǎn)集中。20世紀(jì)70年代，使用DCS，它是一個(gè)半數(shù)字系統(tǒng)，即DCS與現(xiàn)場設(shè)備（儀表）聯(lián)系仍是采用模擬信號(hào)，不能實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)字化電廠。1.1.2現(xiàn)場總線的產(chǎn)生★⑵現(xiàn)場總線數(shù)字儀表的優(yōu)點(diǎn)★20世紀(jì)80年代中期開始研究制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。◆一對(duì)N結(jié)構(gòu)：●一對(duì)傳輸線，N臺(tái)儀表，雙向傳輸多個(gè)信號(hào)；●接線簡單，工程周期短，安裝費(fèi)用低，維護(hù)容易。電源現(xiàn)場總線變送器執(zhí)行器操作站ABCD★⑵現(xiàn)場總線數(shù)字儀表的優(yōu)點(diǎn)◆綜合功能：●既有信號(hào)檢測和變換功能，●又有控制和運(yùn)算功能。◆可靠性高：●數(shù)字信號(hào)傳輸不僅精度高，而且抗干擾性強(qiáng)。

◆可控狀態(tài)：●操作員在控制室◎既可了解現(xiàn)場儀表的工作狀況，◎也能對(duì)其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，◎使其處于操作員監(jiān)控狀態(tài)，◎提高了可控性和維護(hù)性。

★⑵現(xiàn)場總線數(shù)字儀表的優(yōu)點(diǎn)◆互換性好：●不同廠家的同類儀表可以互換，●用戶可以選用性能價(jià)格比最優(yōu)的現(xiàn)場儀表?！艋ゲ僮餍裕骸癫煌瑥S家儀表集成在一起，對(duì)功能塊進(jìn)行統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需的控制回路，實(shí)現(xiàn)“即接即用”?！舴稚⒖刂疲骸窨刂乒δ芊稚⒃诂F(xiàn)場總線數(shù)字儀表中，●通過現(xiàn)場總線構(gòu)成控制回路，●實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。●提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。

★⑶計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展

◆現(xiàn)場儀表是模擬和數(shù)字混合處理器，●既有檢測、變換和放大等模擬信號(hào)處理，●也有CPU、內(nèi)存和通信等數(shù)字信號(hào)處理?！艄ぷ鳝h(huán)境惡劣，易燃易爆，總線供電，本質(zhì)安全，◆要求集成電路元件體積小、功能全、性能好、可靠性高、耗電少?！铫扔脩粜枨蟆魝鹘y(tǒng)模擬儀表的缺點(diǎn)，束縛了DDC和DCS的發(fā)展?！衄F(xiàn)場數(shù)字儀表的優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)了DDC和DCS的革新?！粲脩粜枰F(xiàn)場總線儀表?！魪S商看到現(xiàn)場總線儀表的市場需要。

1.1.3DCS，RI/O和FCSDCS：DCS處理器模件與I/O模件之間不但可以通過廠家專用的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，還可以通過某種現(xiàn)場總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。RI/O：在DCS中，為了與距離電子設(shè)備間較遠(yuǎn)的某個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，使用了RI/O，通過某種協(xié)議的數(shù)據(jù)總線將遠(yuǎn)程I/O中的多個(gè)數(shù)據(jù)與電子設(shè)備間的處理器模件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。FCS：FCS是通過現(xiàn)場總線技術(shù)，將現(xiàn)場的智能設(shè)備串聯(lián)在一起組成控制系統(tǒng)。處理器模件DCS處理器模件處理器模件BUSBUSBUSI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OCPCPCPCPCPCPI/OI/OI/O﹕﹕﹕μP-微處理器μPμPμPRI/OFCS電子設(shè)備間現(xiàn)場CP-通信處理器I/O-輸入/輸出模件/模塊遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜智能現(xiàn)場設(shè)備/現(xiàn)場總線儀表圖1-2DCS、RI/OFCS對(duì)應(yīng)關(guān)系⑴控制柜安裝在什么地方？⑵處理器模件和I/O模件安裝在什么地方？⑶BUS是什么？⑷BUS都采用什么協(xié)議？⑸處理器模件和I/O模件之間傳遞是什么性質(zhì)的信號(hào)？⑹畫出I/O模件與現(xiàn)場儀表連接示意圖，它們之間傳遞是什么性質(zhì)的信號(hào)？⑺畫出現(xiàn)場儀表與生產(chǎn)過程連接示意圖，它們之間傳遞是什么性質(zhì)的物理量？⑻控制策略存在于什么模件中？⑼畫出開環(huán)監(jiān)視信息流。處理器模件DCSBUSI/OI/OI/O電子設(shè)備間現(xiàn)場處理器模件BUSI/OI/OI/OCPCPCPI/OI/OI/O﹕﹕﹕RI/O遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜⑴處理器模件安裝在什么地方？⑵遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜安裝在什么地方？⑶通信處理器模件安裝在什么地方？⑷I/O模件安裝在什么地方？⑸BUS是什么？⑹BUS都采用什么協(xié)議？⑺處理器模件和I/O模件之間傳遞是什么性質(zhì)的信號(hào)？⑻畫出I/O模件與現(xiàn)場儀表連接示意圖，它們之間傳遞是什么性質(zhì)的信號(hào)？⑼畫出現(xiàn)場儀表與生產(chǎn)過程連接示意圖，它們之間傳遞是什么性質(zhì)的物理量？⑽控制策略存在于什么模件中？處理器模件BUSI/OI/OI/OCPCPCPμPμPμPFCS智能現(xiàn)場設(shè)備/現(xiàn)場總線儀表⑴處理器模件安裝在什么地方？⑵I/O安裝在什么地方？⑶FB安裝在什么地方？⑷CP是什么？⑸

μP是什么？⑹BUS都采用什么協(xié)議？⑺處理器模件和I/O模件之間傳遞是什么性質(zhì)的信號(hào)？⑻畫出現(xiàn)場儀表與生產(chǎn)過程連接示意圖，它們之間傳遞是什么性質(zhì)的物理量？⑼控制策略存在于什么模件中？1.1.4現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)發(fā)送儀表（設(shè)備）、接收儀表（設(shè)備）、傳輸介質(zhì)、傳輸報(bào)文和通信協(xié)議等部分組成，試畫出現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)示意圖。幀長度為幾個(gè)或幾十個(gè)數(shù)據(jù)位的總線屬于____。A.傳感器總線；B.設(shè)備總線；C.現(xiàn)場總線CAN總線屬于____。A.位級(jí)總線；B.字節(jié)級(jí)總線；C.數(shù)據(jù)塊級(jí)總線1.1.5現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展現(xiàn)場總線的關(guān)鍵技術(shù)是通信協(xié)議。在發(fā)展初期，各大自動(dòng)化集團(tuán)各自推出自己的現(xiàn)場總線，其類型達(dá)40種之多。為了用戶便于使用，達(dá)到各總線之間互聯(lián)的目的，就必須實(shí)行大家都遵守的國際標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)開放、兼容、互操作的目的。國際IEC／TC65標(biāo)準(zhǔn)化組織，為了統(tǒng)一現(xiàn)場總線通信協(xié)議，在十多年的工作中，通過爭論與妥協(xié)，于1999年12月底，各委員國家投票表決，通過了8種總線標(biāo)準(zhǔn)的折中方案，并于2000年1月4日，由IEC中央辦公室公布了投票結(jié)果。

這8種總線標(biāo)準(zhǔn)的類型是：TS-61158或FF-H1（現(xiàn)場總線基金會(huì)）；CIP或CONTROLNET(美國ROCKWEIL公司)；PROFIBUS(德國西門子公司)；P-NET(丹麥PROCESSDATA公司)；FF-HSE(FISHER-ROSEMOUNT公司)；SWIFTNET(美國波音公司)；WORLDFIP(法國ALSTOM公司)；INTERBUS(德國PHOENIXCONTACT公司)。1.2幾種典型的現(xiàn)場總線★IEC61158標(biāo)準(zhǔn)中有√◆

FF， √◆

PROFIBUS，√◆

ControlNet，◆

P-NET，◆

SwiftNet， √◆

WorldFIP，◆

Interbus， ◆……等等；★另外還有√◆

CAN， ◆

LON， √◆

HART， √◆

ASI， √◆

DeviceNet ◆……等等?！锒喾N現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)并存。

1.2.幾種典型的現(xiàn)場總線★傳輸速率：

◆低速為幾十~幾百Kbps

◆中速為幾百~幾千Kbps

◆高速為幾M~幾十Mbps★傳輸介質(zhì)：

◆雙絞線、同軸電纜、光纜、無線，

◆動(dòng)力電纜(如樓宇中的照明電纜)?！锿?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

◆總線形

◆樹形

◆環(huán)形1.2.幾種典型的現(xiàn)場總線★現(xiàn)場總線區(qū)別于一般的通信總線，◆不僅是一種通信技術(shù)，◆而且是一種控制技術(shù)。★現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)◆不僅規(guī)定了通信協(xié)議，◆而且規(guī)定了控制協(xié)議或應(yīng)用功能塊。★通過現(xiàn)場總線，◆既可以共享現(xiàn)場總線節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的數(shù)據(jù)，◆也可以共享現(xiàn)場總線節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的功能塊，以便在現(xiàn)場總線上組成控制回路。PROFIBUS現(xiàn)場總線制造業(yè)自動(dòng)化過程控制自動(dòng)化電力自動(dòng)化樓宇自動(dòng)化鐵路交通自動(dòng)化現(xiàn)場總線技術(shù)FF現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域以過程控制自動(dòng)化為主化工電力廢水處理油田現(xiàn)場總線技術(shù)LONWORKS現(xiàn)場總線由美國Echelon公司研制工業(yè)控制樓宇自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集SCADA系統(tǒng)國內(nèi)主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化現(xiàn)場總線技術(shù)CANBUS現(xiàn)場總線

由德國Bosch公司為汽車的監(jiān)測和控制而設(shè)計(jì)

主要用于汽車制造、公共交通車輛、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)、分散型I/O，另外在電梯、醫(yī)療器械、工具機(jī)床、樓宇自動(dòng)化等場合均有所應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)1.3現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的構(gòu)成⑴FCS的討論重點(diǎn)放在什么層級(jí)上？⑵FCS按結(jié)構(gòu)分成幾類？⑶二層的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？⑷PID在什么設(shè)備里實(shí)現(xiàn)？⑸智能儀表指的是什么設(shè)備？⑹人機(jī)接口指的是什么設(shè)備？⑺此結(jié)構(gòu)有控制級(jí)嗎？⑴現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？⑵PID在什么設(shè)備里實(shí)現(xiàn)？⑶現(xiàn)場總線設(shè)備指的是什么設(shè)備？⑷人機(jī)接口指的是什么設(shè)備？⑸此結(jié)構(gòu)有控制級(jí)嗎？⑹此結(jié)構(gòu)的控制站與DCS的控制站的區(qū)別？⑺此結(jié)構(gòu)適合控制什么樣的生產(chǎn)過程⑴現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？⑵PID在什么設(shè)備里實(shí)現(xiàn)？⑶現(xiàn)場總線設(shè)備指的是什么設(shè)備？⑷人機(jī)接口指的是什么設(shè)備？⑸此結(jié)構(gòu)有控制級(jí)嗎？⑹此結(jié)構(gòu)的控制站與DCS的控制站的有區(qū)別嗎？⑺此結(jié)構(gòu)適合控制什么樣的生產(chǎn)過程⑻此結(jié)構(gòu)能在工程師站上對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行組態(tài)嗎？傳統(tǒng)DCS和新一代FCS是幾層結(jié)構(gòu)，并寫出數(shù)字所對(duì)應(yīng)的含義。傳統(tǒng)DCS是幾層結(jié)構(gòu)，寫出數(shù)字所對(duì)應(yīng)的含義。幾層結(jié)構(gòu)？與教材中哪張圖對(duì)應(yīng)？幾層結(jié)構(gòu)？與教材中哪張圖對(duì)應(yīng)？華能九臺(tái)電廠SPPA-T3000幾層結(jié)構(gòu)？與教材中哪張圖對(duì)應(yīng)？幾層結(jié)構(gòu)？與教材中哪張圖對(duì)應(yīng)？FCS165系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)示意圖幾層結(jié)構(gòu)？與教材中哪張圖對(duì)應(yīng)？1.4現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)現(xiàn)場總線具有以下特點(diǎn)：⑴一根雙絞線可連接多臺(tái)設(shè)備，從而減少導(dǎo)線數(shù)量，降低配線成本。⑵由于采用數(shù)字傳輸方式，可以實(shí)現(xiàn)高精度的信息處理，提高控制質(zhì)量。⑶由于實(shí)現(xiàn)了多重通信，除了可以傳送PV、MV之外，還可以傳送大量的現(xiàn)場設(shè)備管理信息。⑷現(xiàn)場儀表之間可以通信，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場儀表的自律分散控制。⑸由于現(xiàn)場總線儀表具有互操作性，不同廠家的儀表可以自由組合，為用戶提供了廣泛的選擇余地。⑹實(shí)現(xiàn)了測量儀表、電氣儀表、分析儀表的綜合化。⑺在控制室就可以對(duì)現(xiàn)場儀表進(jìn)行調(diào)試、校驗(yàn)、診斷和維護(hù)。1.通信方式⑴模擬通信方式⑵混合通信方式⑶現(xiàn)場總線通信方式2.節(jié)省導(dǎo)線、電纜及其安裝費(fèi)用⑴多儀表互連⑵多變量檢測⑶多變量傳送PVSV上限報(bào)警下限報(bào)警診斷信息3.傳輸精度的提高⑴現(xiàn)場儀表中D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生誤差⑵模擬信號(hào)傳輸產(chǎn)生誤差⑶系統(tǒng)儀表的A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生誤差4.多層次的信息傳輸（多對(duì)多）5.系統(tǒng)控制功能的分散化⑴現(xiàn)場儀表具有綜合管理功能⑵系統(tǒng)控制功能的自律分散⑶系統(tǒng)控制功能的下移6.互操作性填空：⑴DCS系統(tǒng)是個(gè)大系統(tǒng)，其控制器功能強(qiáng)而且在系統(tǒng)中的作用十分重要，數(shù)據(jù)公路更是系統(tǒng)的關(guān)鍵，所以必須整體投資一步到位，事后_____難度較大。⑵FCS功能下放較徹底，信息處理現(xiàn)場化，廣泛采用的數(shù)字智能現(xiàn)場裝置使得控制器功能與重要性相對(duì)減弱。因此，F(xiàn)CS系統(tǒng)投資起點(diǎn)低，可以邊用、____、邊投運(yùn)。⑶DCS系統(tǒng)是