第六章现场总线控制系统

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
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(Actuator Sensor Interface)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(Control Area Network)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（Foundation Fieldbus)总线
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
现场智能总线压力变送器LD302（FF协议）
. 电容式压力传感器 . 0.075%精度 . 40:1量程比 . 全系列
. 0-125Pa 到 0-40MPa可选 - 远传法兰 . 主站功能 . 自诊断功能 . 全面认证:FM认证，CE认证 . 功能块: AI, PID, ISS（输入选择模块）, INTG （积分器）, ARTH（运算模块）, CHAR （信号特征描绘模块）
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。
现场总线技术概述
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。
自动化装置
FCS DCS
FCS控制完全分布在现场
DCS控制依靠控制站为半分布
PID
AO
控制室
AI
AI
AI
AO
PID
PID
现场
现场总线技术概述
自动化装置
1.2 现场总线系统的特点
现场总线系统的技术特点 一、系统的开放性 二、互可操作性与互用性 三、通信的实时性与确定性 四、现场设备的智能与功能自治性 五、对现场环境的适应性
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
DCS DCS
下装
Foxboro（福克斯波罗）控制机柜接线端子
自动化装置
FCS FCS DCS DCS DCS
FCS FCS FCS
Foxboro
DCS DCS
下装
256 I/O
简化了接线
DCS
FCS
自动化装置
FCS FCS BEFORE DCS DCS AFTER DCS
FCS FCS FCS
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。
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。
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
传统控制系统的现场设备级、车间级监控和管理信息集成
FCS FCS FCS DCS DCS DCS
I/O CPU...
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
传统控制系统主要缺点 一、信息集成能力不强
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。
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
现场总线的定义
现场总线技术概述
自动化装置
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
自动化装置
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
自动化装置
1.1 现场总线简介
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
256 I/O
256 I/O
After
自动化装置
FCS FCS DCS DCS DCS
FCS FCS FCS
DCS DCS
下装
Courtesy: Cargill Corporation
组态简单
FCS采用功能块组态方式，迅速快捷。
DCS
智能化仪表
计算机
系统技术
设备技术
网络源自文库术
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
测控系统发展历程
一、基地式仪表（生产现场） 二、气动、电动系列的单元组合式仪表 三、组装式综合控制装臵（集中控制室） 四、集中式数字控制系统
危险集中，可靠性差
五、DCS (Distributed Control System，集散控制系统)、PLC 六、FCS (Fieldbus Control System，现场总线控制系统)
简化的CIMS层次结构
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
FCS FCS FCS
DCS DCS DCS
I/O CPU...
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
CIMS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
自动化装置
1.1 现场总线简介
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
现场智能仪表 现场智能控制设备
Up to 1900 Meters in length
现场总线控制方式
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 控 制 系 统 (FCS) 布 线 方 式
现场总线技术概述
1.1 现场总线简介
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。
自动化装置
FCS
DCS
I/O CPU...
DCS
FCS
自动化装置
FCS FCS FCS DCS DCS DCS
Classic I/O
FCS FCS FCS
Digital Busses
DCS DCS
下装
DCS现场控制机柜
自动化装置
FCS FCS DCS DCS DCS
FCS FCS FCS
Foxboro
自动化装臵
第六章
自动化装臵课程内容结构
自动化装置
第一章总论 第二部分 单元组合式仪表及执行器 第二章模拟式和数字式仪表 第三章执行器
第三部分 主流自动化装臵
第四章可编程逻辑控制器
第五章 集散控制系统
第四部分 不断发展中的自动化装臵
第六章 现场总线控制系统
现场总线控制系统
自动化装置
第一节现场总线技术概述 第二节 工业以太网 第三节 EPA工业以太网协议
FCS
DCS
I/O
I.S
I.S I.S I.S I.S
现场总线技术概述
自动化装置
FCS控制在现场中完成
1.1 现场总线简介
FCS与DCS
DCS控制在控制站中完成
FCS FCS
DCS DCS AI AO I/O CPU... PID
AI
AI
AO
PID
PID
现场总线技术概述
自动化装置
FCS信息是双向的
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（Management Information System，管理信息 系统）数据库提供数据。
DCS DCS
下装
256 I/O
256 I/O
DCS系统仪表接线
自动化装置
FCS FCS DCS DCS DCS
FCS FCS FCS
DCS DCS
下装
Before
自动化装置
FCS FCS DCS DCS DCS
FCS FCS FCS
DCS DCS
下装
Courtesy: Cargill Corporation
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
CIMS的概念 CIMS(Computer Integrated Manufacturing System) 计算机集成制造系统 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
现场总线技术概述
自动化装置
FCS
I/O CPU...
简化了控制系统的工程实施
由于FCS采取并接方式，使铺线，接线，对线，以及安装桥架，分线盒等工作 量得到大量减少，FCS支持远程调校，使安装更加快捷。 DCS
FCS 自动化装置
可远程调校
无法远程调校
I/O CPU...
减少了导线，端子排，机柜，分线盒，桥架
由于FCS采取并接方式，简少了大量导线，短子排以及安装桥架，分线盒, 接线柜等。
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(Computer Integrated Manufacturing System) 综合自动化发展的迫切需要。
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 技术来源
二、系统不开放、可集成性差、专业性不强
三、可靠性不易保证 四、可维护性不高
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
由于处于生产过程底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”。
开放，全分布式的控制系统
显示、操作、管理集中；控制功能、负载、危险分散；自封闭，“信息孤岛”
七、工业以太网控制系统 (正在快速发展中)
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
基于调节器的单回路自动控制
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
DCS 变送器 调节阀
DCS传统控制方式
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
混合控制模式（DCS+FCS）
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
FCS与DCS
FCS取消了控制站
FCS DCS
DCS控制依赖控制站
I/O CPU...
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
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
FCS FCS FCS
1.1 现场总线简介
FCS与DCS
DCS信息是单向的
DCS DCS DCS
I/O CPU...
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1.1 现场总线简介
基于现场总线的智能现场设备
1. 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。 2. 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。 3. 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。 4. 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。