现场总线课件整理

第一章1 什么是现场总线？现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。

它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。

现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。

6什么是自动化？是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控制对象（如机器、设备或生产过程）的某一物理量（或工作状态）自动地按照预定的规律运行（或变化）。

7自动化的目的自动化的目的是应用自动控制装置延伸和代替人的体力和脑力劳动。

自动控制装置是由具有相当于人的大脑和手脚功能的装置组成的。

相当于人大脑的装置，在自动控制中的作用是对控制信息进行分析计算、推理判断、产生控制作用。

它通常是由电脑或控制装置来承担。

相当于人手脚的装置，其作用是执行控制信号，完成加工、操作和运动等。

它通常是由机械机构或机电机构来完成。

其中包括放大信息的装置，产生动力的驱动装置和完成运动的执行装置。

8 自动化技术是人们在生产、生活和科学探索中发展起来的一种高技术。

自动化技术发展至今，可以说已从人类手脚的延伸扩展到人类大脑的延伸。

自动化技术时时在为人类“谋”福利，自动化可谓无所不在。

9 国外最早的自动化装置，是一世纪古希腊人希罗发明的神殿自动门和“神水”出售机。

10 自动化技术的主要方面自动化是自动化技术和自动化过程的简称。

自动化技术主要有两个方面：第一，用自动化机械代替人工的动力方面的自动化技术；第二，在生产过程和业务处理过程中，进行测量、计算、控制等，这是信息处理方面的自动化技术。

自动化有两个支柱技术：一个是自动控制，一个是信息处理。

它们是相互渗透、相互促进的。

11 自动控制系统控制系统根据是否具有反馈回路分为开环控制系统和闭环控制系统。

开环控制系统的输出仅由输入确定的控制系统，一般控制能力是非常有限的。

所以一般控制系统常采用闭环控制系统12 自动控制系统的组成第一，传感器。

检测比较装置。

所起作用相当于人眼在上面例子中的作用，主要是获得反馈，并且计算我们要达到的目的与现在的实际情况之间的差值。

第二，控制器。

所起作用相当于大脑在上面例子中的作用，主要是用来决定应该怎样做。

第三，执行器。

主要所起作用相当于人手在上面例子中的作用，完成控制器下达的决定。

第四，控制量。

也就是所要达到的目的，相当于手和杯子之间的距离。

控制量是我们自动化机器所要达到的最终目的。

13 自动化技术的分类逻辑控制 (电控) 运动控制（电传）过程控制（电仪）14 工业自动化技术发展历程自动化技术的发展分为4个阶段：模拟仪表控制技术集中式数字控制技术（DDC）集散控制技术（DCS）现场总线控制技术（FCS）15 模拟仪表控制技术各种物理量都采用指针式仪表来指示其数值。

模拟仪表控制系统在 20 世纪六、七十年代以前占有主导地位。

其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。

16 集中式数字控制技术（DDC）集中式数字控制技术（DDC）在20世纪七、八十年代占有主导地位。

它采用单片机、可编程序逻辑控制器（PLC）或微机作为控制器。

在控制器内部传输的是数字信号，克服了处理模拟信号的缺点，提高了控制系统的抗干扰能力。

集中式系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时间的选择上可以统一调度和安排。

不足之处：对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。

17 集散控制技术（DCS）集散控制系统（DCS）在20世纪八九十年代占有主导地位。

其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干下位机分散下放到现场实现分布式控制，上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。

这种分布式的控制体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。

由于不同的 DCS 厂家为达到垄断目的而对其控制系统网络采用各自专用的封闭形式，故集散控制系统事实上是一种封闭专用的、不具有可互操作性的分布式控制系统，并且造价昂贵。

18 现场总线控制技术（ FCS ）现场总线控制系统在20世纪八十年代中期开始发展并应用于工业领域。

现场总线把通用或专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使之具有数字计算和数字通信能力，采用一定的介质（例如双绞线、同轴电缆、光纤、无线、红外等）作为通信总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个设备间以及现场设备与远程监控计算机之间实现数据传输和信息交换，形成各种适应实际需要的自动化控制系统。

这种开放的、具有可互操作性的网络将现场多个控制器及仪表设备互连，组成现场总线控制系统，控制功能彻底下放到现场，降低了系统安装成本和维护费用。

FCS 实质上是一种开放的、具有可互操作性的、彻底分散的全分布式控制系统19 自动化技术的发展趋势控制集成化分层网络化管控一体化20 控制集成化基于全集成自动化思想——在一个系统中真正实现:仪表、电气、计算机(ＩＥＣ）一体化 过程自动化和制造自动化一体化通过现场总线实现的集中和分散控制的一体化 21 分 层 网 络 化 工业以太网 现场总线22 小 结自动化是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控制对象（如机器、设备或生产过程）的某一物理量（或工作状态）自动地按照预定的规律运行（或变化）。

自动化的目的是应用自动控制装置延伸和代替人的体力和脑力劳动。

自动控制系统一般由传感器、控制器、执行器和控制对象四个部分组成。

自动化技术是一门介于许多学科之间的综合应用学科。

23 工业自动化技术的主要技术24 工业自动化技术的主要任务• 厂级生产计划与调度：• 通过合理安排各装置的生产任务（处理量、生产方案等），实现全厂生产效益的最大化；• 装置操作的最优化：• 在完成厂级生产任务、保证装置安全的前提下，以装置效益的最优化为目标，制定各单元重要参数的操作指标（即设定值）； •基本单元的平稳控制：• 跟踪重要参数的操作指标，实现基本单元的平稳操作、安全操作与质量控制。

25 工业信号传输标准工业上通常用电压 0~5(10)V 或电流 0(4)~20mA 作为模拟信号传输的方法，也是被程控机经常采用的一种方法。

那么电压和电流的传输方式有什么不同，什么时候采用什 么方法，下面将对此进行简要介绍。

26 电压制信号传输标准：负载干扰电压传输：信号源内阻小（零）、负载电阻大，因而对外界扰动敏感，且受传输导线电阻的影响大。

故不适合于信号的远距离传输。

如果信号接收电路的输入阻抗是高阻的，那么由上述的电阻引起的传输误差就足够 小，这些电阻也就可以忽略不计。

要求不增加信号发送方的费用又要所提及的电阻可忽略，就要求信号接收电路有一个高的输入阻抗。

如果用运算放大器 OP 来做接收方的输入放大器。

电压信号传输的结论：如果电磁干扰很小或者传输电缆长度较短，一个合适的接收电路毫无疑问是可以用来传输电压信号 0…5(10)V 的。

26电流传输：信号源内阻大（无限大）、负载电阻小，因而对外界扰动不敏感，且不受传输导线电阻的影响。

故非常适合于信号的远距离传输。

如果一个电流源作为发送电路，它提供的电流信号始终是所希望的电流而与电缆的电阻以及接触电阻无关，也就是说，电流信号的传输是不受硬件设备配置的影响的。

电流信号传输的结论：如果考虑到有电磁干扰比如电焊设备和其他信号发射设备，传输距离又必须很长，那么电流信号传输的方法是适合这种情况的（模拟信号传输）。

实际上经常采用的电流传输方法有二线制和三线制方法27 工业信号传输标准国际电工委员会（IEC ）于1973年4月通过信号传输的国际标准： 现场传输信号：直流 4~20mA ；控制室内仪表间的联络信号： 直流 1~5V. 适用范围：DDZ-Ⅲ型、数字仪表、DCS 系统等28 两线制？两线制是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根线既是电源线，又是信号线。

29 三线制？一根正电源、两个信号线，其中一个为共GND 30 四线制？3132 两线制的优点负载干扰负载24V DC电源被测变量不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线；可节省大量电缆线和安装费用；将4mA用于零电平，使判断开路与短路或传感器损坏（0mA状态）十分方便。

在两线输出口非常容易增设一两只防雷防浪涌器件,有利于安全防雷防爆电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4-20mA两线制环路，接收器电阻通常为250Ω（取样Uout=1-5V）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；电压输出型变送器抗干扰能力极差，线路损耗的破坏,谈不上精度有多高,有时输出的直流电压上还叠加有交流成分第二章1 集散控制系统•将微处理器作为核心的集中分散控制系统。

利用控制技术(Control)、计算机技术(Computer)和通信技术(Communication)（阴极射线管(CRT)显示技术）——3(4)C 技术，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的新型控制系统。

•Distributed Control System(DCS)又称分布式控制系统。

•主要特点：集中管理、分散控制2 集散控系统的体系结构集散控制系统体系结构的特征●纵向分层●横向分散●设备分级●网络分层按照功能，集散控制系统设备分为四级●现场控制级●过程控制级●过程管理级●经营管理级与四级设备对应的四层网络●现场网络●控制网络●监控网络●管理网络3 现场控制级典型的现场控制级设备●各类传感器●各类变送器●各类执行器➢现场控制级设备的主要任务●完成过程数据采集与处理。

●直接输出操作命令、实现分散控制。

●完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享4 过程控制级过程控制级主要设备过程控制站、数据采集站和现场总线服务器等。

过程控制站产生控制作用。

可以实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等功能。

数据采集站接收大量的非控制过程信息；不直接完成控制功能。

现场总线服务器一台安装了现场总线接口卡与DCS监控网络接口卡的计算机。

➢过程控制级设备的主要功能●采集过程数据，进行数据转换与处理；●对生产过程进行监测和控制；●现场设备及 I/O 卡件的自诊断；●与过程管理级进行数据通信。

5 过程管理级主要设备：操作站、工程师站和监控计算机等。