现场总线及其控制系统第十章

控制系统的发展史
控制系统的发展史
控制系统的发展史
3. 50年代末60年代初：集中控制方式
计算机用于生产过程直接数字控制，造价高，一台
计算机控制全厂的生产过程，整个系统控制任务的
集中。
特点：控制集中、管理集中
缺点：受硬件水平限制，计算机可靠性低，一旦发
生故障，全厂生产瘫痪。
集中控制系统
－传输延迟大小
响应时间
－对突发事件的处理能力
系统巡回时间
－系统总体控制周期
传输速度快
指单位时间内传输的信息
－通常以每秒钟传输的位数，即bps（bits per second）表示
不同的现场总线传输速率不一样
－看主要的应用场合 －如FF H1用于连续、慢变化过程变量与控制信号的传 输，为31.25Kbps －HSE则应用于大量信息流传输、响应速度要求很高的 场合，为100Mbps或更高
与一般通信技术的区别
一般通信技术只是能实现信息的传输
现场总线是一种控制系统框架
一种全新的控制系统结构，即：
现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System)代替传统控制系统DCS
现场总线还包括网络上的所有设备能够进行信 息互访与互换 总线上的设备之间能够进行互操作和系统集成
1.1.1 什么是现场总线
现场总线是应用在生产现场、ห้องสมุดไป่ตู้接智
能现场设备和自动化测量控制系统的 数字式、双向传输、多分支结构的通
信网络

双向 多节点 开放标准 全数字 自动化领域的计算机局域网
现场总线在企业信息网络中的位置
企业信息网络的功能层次：现场总线是底层 通信控制网络

现场总线技术概述
自动化装置
1.2 现场总线系统的特点
现场总线系统的优点 一、节省硬件数量与投资 二、节省安装费用 三、节省维护开销 四、用户具有系统集成主动权 五、提高了系统的准确性与可靠性
更少的设计，简化了图纸
由于FCS结构减化，接线简单，使图纸减少简化。
自动化装置
DCS
DCS DCS DCS
现场总线技术概述
自动化装置
1.2 现场总线系统的特点
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、输入输出功能模块臵入到现场设备之中。 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。
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
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 . 自诊断功能 . 本地数字显示 . 全面安全认证: FM， CE . 功能块: AO, PID, ISS, ARTH, CHAR
自动化装置
1.1 现场总线简介
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。
基于现场总线的数据通信系统示例
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
FCS
DCS
I/O

Type5 FF HES (H2)
其 它
HART适用于过程自动化领域的过渡性产品 LonWorks广泛应用于楼宇自动化、能源计量管理、交通运输等行业
CAN广泛应用于离散控制领域，如汽车内部测量与执行部件间的数据通信
7. 几个重要问题的分析
7.1 FCS与DCS的比较
FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流， 这已是业内人士和学术界的基本共识。 FCS在开放性、控制分散等诸多方面都优于传统DCS，代表着自动控制 系统的发展方向与潮流。 DCS则代表传统与成熟，DCS以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应 用而占居着一个尚不可完全替代的地位。 ① 技术原因 影响FCS发展、制约FCS应用的原因主要有3方面：
H2（HSE）
PLC等其 它控制站
网桥
H1低速现场总线
Type1 FCS结构示意图
FF是Type1的一个子集。
主要应用于啤酒、食 品、农业和饲养业等 Type4 P－Net Type6 SwiftNet Type2 ControlNet Type3 ProfiBus Type7 WorldFIP Type8 InterBus Type1 IEC总线(H1)
2.现场总线的发展
（4）现场总线控制系统（FCS）正是顺应了上述的用户要求，采用了 现场总线这一开放的、可互连的网络技术将现场的各种控制器和仪表 设备相互连接，把控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护 费用。因此，FCS 系统实质上是一种开放的、可以互连的、低成本的、 彻底分散的分布式控制系统。 1984年，美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施工作组中的 ISA/SP50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会IEC决定 由Proway Working Group负责现场总线体系结构与标准的研究制定 工作；1986年，德国开始制定过程现场总线（Process Fieldbus）标 准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发 的序幕。与此同时，其他一些组织或机构（如WorldFip等）也开始从 事现场总线标准的制定和研究。

现场总线技术
一.现场总线基础知识
现场总线简介 现场总线的发展 现场总线的特点与优点 几种有影响的现场总线
1.现场总线简介（FieldBus）
当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉 为自动化领域的计算机局域网。它的出现标志着 工业控制技术领域又一个新时代的开始。 为什么要引入现场总线？
现场设备，为提高其性能价格比，在实现其 内部操作时都采用微处理器和数字化元件，提出 了必须在这些领域的数字设备之间实现数字通信 的要求。现场总线满足这种要求。
• 全分布
各现场设备有足够的自主性，它们彼此 之间相互通信，完全可以把各种控制功能 分散到各种设备中，而不再需要一个中央 控制计算机，实现真正的分布式控制。
现场总线的优点2
• 全开放 – 1999年底现场总线协议已被IEC 批准正式成 为国际标准，从而使现场总线成为一种开放 的技术。
• 双向传输 – 传统的4~20mA电流信号，一条线只能传递 一路信号。现场总线设备则在一条线上既可 以向上传递传感器信号，也可以向下传递控 制信息。
现场总线与DCS的网络结构比较
3.现场总线的结构特点
按照国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互连（OSI） 参考模型建立。将七层简化成三层，分别由OSI参考模型 的第一层物理层，第二层数据链路层，第七层应用层组 成，流量与差错控制由数据链路层完成。考虑现场总线 的通信特点，有些现场总线还设置了一个现场总线访问
4-20mA信号是DCS系统及现场设备相互连接的最本质 特点.网关通讯程序开发工作量大.
控制计算机
CRT操作站
通道指挥器
基本调节器1 基本调节器2 基本调节器3
输入/输出
DCS结构示意图
信号要送到控制站,需要很多连线