《现场总线及其应用技术》ppt课件.

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1.1.7 现场总线的发展趋势
自动化系统和设备将朝着现场总线体系结构 方向发展；
在未来数年内几大总线标准共存，甚至在一 个系统内几种标准的设备通过路由网关互连 实现信息共享；
我国在这一领域刚刚起步。
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1.1.7 现场总线的发展趋势
开放性、分散性与数字通讯是现场总线系 统最显著的特征。
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传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统
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DCS与FCS
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1.1.1 现场总线的产生---产生背景
微处理器技术的迅猛发展和广泛应用，使 仪表和现场控制设备在性能和功能上有显 著的提高；
现场总线 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室 之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、 互联、多变量、多点、多站的通信网络。
IEC对现场总线的定义 现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备 之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串 行、多节点数字通信的技术。
涉及智能仪表、控制、计算机、数据通信技术
对系统维护管理、测试和监视需求的日益 增加；
控制领域在控制精度、可操作性、可维护 性、可移植性等方面的要求。
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1.1.2 现场总线的本质
1. 现场通信网络
用于过程及制造自动化的现场设备或现场仪表互连 的通信网络
2. 现场设备互连
现场设备或仪表指传感器、变送器和执行器等。这 些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞 线、同轴电缆、光纤和电源线等
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1.1.1 现场总线的产生
---控制系统的发展趋势
第一代：气动信号控制系统(50年代之前) 第二代：电动模拟信号控制系统(50年代
至今),4－20mA的模拟量标准信号。 第三代：计算机集中控制系统(70年代) 第四代：集散式分布控制系统(80年代)
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Serial, OPC or fieldbus
Field Bus
Redundant
Third party controllers, servers etc
Enterprise Optimization Suite
Third party application server
Mobile Operator
IFix Secondary Server
AC800M
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Plant Network / Intranet Firewall
Client/server Network
Workplaces
Control Network
AC 800M
Connectivity Server
---FCS与DCS的详细对比
2. 可靠性
FCS: 可靠性好：数字信号传输抗干扰能力 强，精度高； DCS: 可靠性差：模拟信号传输不仅精度 低，而且容易受干扰
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1.1.3 现场总线的特点和优点
---FCS与DCS的详细对比
3. 失控状态
FCS: 操作员在控制室既可以了解现场设备 或现场仪表的工作状况，也能对设备进行 参数调整，还可以预测或寻找故障，使设 备始终处于操作员的远程监视与可控状态 之中；
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参考书目
1. 李正军.《现场总线及其应用技术》
机械工业出版社，2005
2. 阳宪惠. 《现场总线技术及其应用》
清华大学出版社，1998 3. 甘永梅.《现场总线技术及其应用》
机械工业出版社，2000 4. 杨宁.《集散控制系统及现场总线》
北航出版社，2001 5. 邬宽明.《现场总线技术应用选编》
调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输 出特性补偿模块，或PID控制和运算模块，甚至 阀门特性自检验和自诊断功能。
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1.1.2 现场总线的本质
5. 通信线供电 允许现场仪表直接从通信线上获取能量， 对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可 采用这种供电方式
6. 开放式互连网络 既可与同层网络互连，也可以与不同层网 络互连，还可以实现网络数据库的共享
现场总线与控制网络
Field Bus and Control Network
长安大学
王会峰 2013年9月
主要内容
现场总线简介、特点与优点 数据通信基础与网络互联 主要现场总线的介绍 现场总线的典型应用 现场总线控制系统 现场总线与工业以太网的互连技术
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1.1.6 现场总线网络的实现
制定标准时参照OSI七层协议标准；
大多采用第1层(物理层)、第2层(数据链路 层)和第7层(应用层)，并增加第8层用户层。
物理层：定义了信号的编码与传送方式、传送介质、 接口的电气及机械特性、信号传输速率等。
现场总线有两种编码方式：Manchester和NRZ， 前者同步性好，但频带利用率低，后者刚好相反。前 者采用基带传输，后者采用频带传输。调制方式主要 有CPFSK和COFSK。传输介质主要有：有线电缆、 光纤和无线介质。
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1.1.3 现场总线的特点和优点
---FCS与DCS的详细对比
1. 结构
FCS: 一对多：一对传输线接多台仪表，双 向传输多个信号 DCS: 一对一：一对传输线接一台仪表， 单向传输一个信号
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1.1.3 现场总线的特点和优点
公司)
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1.1.5 现场总线的现状
1. 多种总线共存 世界市场对各种现场总线的需求：
过程自动化：15%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP) 医药领域：18%(FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP) 加工制造：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet) 交通运输：15%(PROFIBUS-DP,DeviceNet) 航空，国防：34%(PROFIBUS-FMS,LonWorks,
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1.1.1 现场总线的产生 ---控制系统的发展趋势
第五代：现场总线控制系统(FCS)
突破了DCS系统采用通信专用网络的局限， 采用了基于公开化、标准化的解决方案，克 服了封闭系统所造成的缺陷；
把DCS的集中与分散相结合的集散系统结 构，变成了新型全分布式结构，把控制功能 彻底下放到现场。
应用层
分为两子层：应用服务层(FMS)，用于为用户提供服务； 现场总线存取层(FAS)，用于实现数据链路的连接。
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1.1.6 现场总线网络的实现
用户层 定义了从现场装置中读写信息和向网络中其他装置 分派信息的方法，即规定了供用户组态的标准“功 能模块”。
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1.1.6 现场总线网络的实现
数据链路层
分为两个子层：介质访问控制层(MAC)和逻辑链路控制 层(LLC)。MAC对传输介质传送的信号进行发送和接收 控制；LLC对数据链进行控制，保证数据传送到指定的 设备上。现场总线上的设备可以是主站，也可以是从站。
MAC层的三种协议：集中式轮询协议、令牌总线协议和 总线仲裁协议。
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1.1.3 现场总线的特点和优点
---现场总线的结构特点
由于采用智能现场设备，能够把DCS系统中 处于控制室的控制模块、各输入输出模块置 入现场设备中，在现场直接完成采集和控制。
由于不需要其他的模数转换器件，且一对电 线能传输多个信号，因而简化了系统结构， 节约了设备及安装维护费用。
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新标准采用8种类型
Type1 IEC61158(FF的H1) Type2 ControlNet(美国Rockwell公司) Type3 PROFIBUS(德国Siemens公司) Type4 P-Net(丹麦Process Data公司) Type5 FF HSE(Fisher-Rosemount公司) Type6 SwiftBet(美国波音公司) Type7 WorldFIP(法国Alstom公司) Type8 INTERBUS(德国Phoenix Contact
DCS:操作员在控制室既不能了解模拟仪表 的工作状态，也不能对其进行参数调整， 更不能预测故障，导致操作员对仪表处于 “失控”状态
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1.1.3 现场总线的特点和优点
---FCS与DCS的详细对比
4. 互换性 FCS: 用户可以自由选择不同制造商提供的 性能价格比最优的现场设备和仪表，并将 不同品牌的仪表互连； DCS:尽管模拟仪表统一了信号标准(420mA DC)，可大部分参数仍由制造厂自 定，致使不同品牌的仪表互换难度较大
北航出版社，2001
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参考书目
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要求及考试
上课认真做笔记 认真完成课后作业
平时成绩
30％
实验成绩
60%
平时表现及作业 40%
期末笔试
70％
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第一讲 现场总线概述
1.1 现场总线的现状和发展
Aspect Server
Application Server
Engineering Work place
AC 800M
AC 800M HI
Field Bus
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1.1.3 现场总线的特点和优点 ---现场总线的技术特点
系统的开放性
通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行 互连并实现信息交换
ControlNet,DeviceNet) 其它，如楼宇自动化，农业等
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1.1.5 现场总线的现状
2. 每种总线各有其应用领域 3. 每种总线各有其国际组织 4. 每种总线均有其支持背景 5. 设备制造商参加多个总线组织 6. 多种总线均作为国家和地区的标准 7. 协调共存 8. 工业以太网引入工业领域
互可操作性与互用性 现场设备的智能化与功能自治性 系统结构的高度分散性 对现场环境的适应性
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1.1.3 现场总线的特点和优点 ---现场总线的优点
节省硬件数量与投资 节省安装费用 节约维护开销 用户具有高度的系统集成主动权 提高了系统的准确性与可靠性
3. 互操作性
对不同厂商不同品牌的现场设备统一组态，构成所 需要的控制回路，并且具备相互操作的功能
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1.1.2 现场总线的本质
4. 分散功能块
FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把 DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从 而构成虚拟控制站
例如：
流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加 输入模块，而且有PID控制和运算功能块。
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典型ABB的AC800M系统组成
iFIX
IFix Client 1
IFix Client 2
Gateway 3 NIC
MIS ERP
IFix Primary Server
ABB AC800M
AC800M
iFix OPC Client ABB OPC Server
AC800M
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1.1.3 现场总线的特点和优点
---FCS与DCS的详细对比
5. 仪表 FCS: 智能仪表，除了具有模拟仪表的检测、 变换、补偿等功能外，还具有数字通信能 力，并且具有控制和运算的能力； DCS: 模拟仪表只具有检测、变换、补偿 等功能
6. 控制 FCS: 控制功能分散在各个智能仪表中； DCS: 所有控制功能集中在控制站中
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1.1.4 现场总线标准的制定
1984年，IEC开始起草现场总线标准；
1993-1998年，制定IEC61158的现场总 线物理层规范、链路服务定义及协议规范、 应用层服务定义及协议规范
1999年，修改IEC61158技术规范，形成8 种类型新标准
2000年，修改后的IEC61158最终获得通 过