现场总线技术及其应用完整版

1、 2 提纲提纲索引索引 l现场总线技术简介现场总线技术简介 l现场总线在煤化工控制领域中的应用现场总线在煤化工控制领域中的应用 l现场总线在锅炉控制系统中的应用现场总线在锅炉控制系统中的应用 l现场总线在配电自动化中的应用现场总线在配电自动化中的应用 l现场总线在楼宇自动化中的应用现场总线在楼宇自动化中的应用 l现场总线在智能交通领域中的应用现场总线在智能交通领域中的应用 l结束语结束语 3 一 现场总线技术简介 1. 现场总线产生的历史背景现场总线产生的历史背景 第一代工业控制体系结构(气动信号标准：0.21kgf/cm2)； 第二代工业控制体系结构ACS (电气信号：420mA)； 第三代

2、工业控制体系结构CCS (集中式控制)； 第四代工业控制体系结构DCS(分布式控制体系结构)； 第五代工业控制体系结构FCS(现场总线控制系统)。 2. 现场总线定义现场总线定义 现场总线是现场仪表与控制室系统之间的一种开放的、全 数字化、双向、多站的通信系统，主要用于工厂低层设备(传感 器及传动装置等)的数据通信。 4 一 现场总线技术简介 3. 现场总线主要特点现场总线主要特点 1) 系统可靠性高； 2) 实现开放式互连网络； 3) 安装与接线费用低； 4) 调节性能提高； 5) 系统组态简单。 4. 现场总线国际标准化状况现场总线国际标准化状况 早在1985年，IEC(国际电工委员会)开

3、始着手制订国际性 现场总线标准，并将此标准命名为FieldBus；之后，ISA(美国 仪表学)SP50委员会也加入到此标准的制订工作中。目前，较 流行的现场总线主要有FF、Profibus、LonWorks、CAN、 HART、P-Net等。 5 一 现场总线技术简介 5. 现场总线结构模型现场总线结构模型 现场总线的模型结构在低层 (1、2层 )是基本相同的，在上 层各现场总线之间的功能有所不同。 IEC定义为 3层，即采用ISO (国际标准化组织) 的OSI所规 定的7层中的3层，分别为物理层、链路层、应用层。 ISA/ SP50委员会增加了用户层，因此现场总线模型已统一 为4层，即物理层

4、、链路层、应用层和用户层。 6 一 现场总线技术简介 7 二 现场总线在煤化工控制领域中的应用 我国煤炭资源十分丰富，石油资源相对短缺，大力发展 煤化工产业，是我国技术经济发展过程中必须采取的一项措 施。 在我国，中、小氮肥造气工艺多数采用固定床间歇式造 气炉，五步循环的制气控制直接影响煤气的产量、质量及原 料的消耗，长期一直受到业内的高度重视。 机械式水压自动机 单回路数字调节器、PLC和集散控制系统(DCS) 现场总线控制系统FCS 8 煤气 空气 1 水 蒸 汽 2 34 7 吹风气 5 6 各阶段气体流向示意图 阶段 1234567 上吹 下吹 二上 吹净 阀 门 开 闭 情 况 吹风

5、 工作循环中各阀门开闭状态 气化层温度将随着空气的加入而升高，随着蒸气的加入而气化层温度将随着空气的加入而升高，随着蒸气的加入而 降低，呈现一定规律变化，该生产过程被称为一个工作循环。降低，呈现一定规律变化，该生产过程被称为一个工作循环。 二 现场总线在煤化工控制领域中的应用 工艺流程中必须安装足够的阀门，通过对阀门的闭启来控流程中必须安装足够的阀门，通过对阀门的闭启来控 制间歇制气工艺生产过程，工艺流程如下图所示：制间歇制气工艺生产过程，工艺流程如下图所示： 炉 况 监 测 探 头 灰斗 燃烧室 蒸总阀 放 空 炉口 上行测温装置 炉条 空层 干燥层 干馏层 气化层 灰渣层 下行测温装置 吹

6、 风 阀 上 氮 阀 上 吹 阀 下 行 阀 下 氮 阀 下 吹 阀 上 行 阀 蒸 汽 吹回阀 烟囱阀 煤总阀 气 柜 10 CAN现场总线控制系统设计现场总线控制系统设计 工业控制机(IPC) CAN适配器 CAN总线 打印机 企业局域网 Internet CAN控制器 传感器 执行器 间歇造气炉 CAN控制器 传感器 执行器 间歇造气炉 二 现场总线在煤化工控制领域中的应用 11 二 现场总线在煤化工控制领域中的应用 硬件节点设计硬件节点设计 RR CAN驱动器82C250 CAN控制器SJA1000 Intel 1680C196KC 显 示 器 键 盘 报 警 输 出 串 行 接 口

7、炉 温 监 测 探 头 换 向 阀 站 调 节 阀 常 规 仪 表 CAN Field Bus 12 二 现场总线在煤化工控制领域中的应用 软件节点设计软件节点设计 各节点软件具体包括以下各软件包：各节点软件具体包括以下各软件包： ( (1) ) RDSP-4型雷达信号处理软件包；型雷达信号处理软件包； ( (2) ) ZF-4S-BIOS型基本型基本I/O管理模块；管理模块； ( (3) ) ZF-4S-ZQC型造气过程控制软件包；型造气过程控制软件包； ( (4) ) ZF-4S-HN型氢氮比控制模块。型氢氮比控制模块。 13 二 现场总线在煤化工控制领域中的应用 l CAN现场总线技术应

8、用于造气炉控制系统，从根本上实现结现场总线技术应用于造气炉控制系统，从根本上实现结 构分散、信息集中、管控一体化的全新分布式控制模式；构分散、信息集中、管控一体化的全新分布式控制模式； l 基于基于CAN现场总线的造气炉智能控制系统的产业化发展，将现场总线的造气炉智能控制系统的产业化发展，将 为造气炉的高水平自动化提供强有力的技术支持。为造气炉的高水平自动化提供强有力的技术支持。 14 三 现场总线在锅炉控制系统中的应用 1. 项目概述项目概述 n我国的锅炉产业发展迅猛，但运行热效率低,浪费能源， 污染环境，自动化改造的任务十分紧迫； n我国工业锅炉控制系统发展大致经过五个阶段： n手工控制阶

9、段； n专用仪表控制阶段 ； n电动单元组合控制阶段； n计算机控制阶段（分布式控制系统DCS）； n现场总线控制阶段 。 n经典的PID 控制往往不易达到最佳的控制状态采用更先进 的控制策略势在必行。 15 三 现场总线在锅炉控制系统中的应用 2. 工艺流程简介工艺流程简介 n燃料和空气按一定比例进入锅炉内燃烧，生成热量传给蒸 发系统产生饱和蒸汽，经过过热器使饱和蒸汽成为有一定 温度和压力的过热蒸汽，并且汇集到过热联箱，经主气阀 供负荷设备使用； n燃烧过程中产生的烟气除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外， 通过省煤器预热锅炉的给水，通过烟道引导，经过除尘器 和引风机处理，达到国家排放标准，最后通过

10、烟囱进入大 气。 3. 工艺流程图工艺流程图 炉 排 烟囱 省煤器 煤 斗 主气阀 给 煤 机 磨 煤 机 二 次 风 机 下联箱 上联箱 水 冷 壁 管 上 锅 筒 下 锅 筒 对 流 管 束 除尘器 引风机 空 气 预 热 器 送 风 机 过热联箱 过热器 蔗 渣 喷 播 器 给 水 泵 汽包 4. 4. 基于现场总线的锅炉控制系统基于现场总线的锅炉控制系统 C A N 总 线 总 控 制 台 ( 主 、 辅 工 作 站 ) 一 体 化 操 作 站 手 动 仪 表 以 太 网 模 拟 屏 分 控 室中 心 控 制 室 打 印 机 企 业 服 务 器 一 体 化 操 作 站 手 动 仪 表

11、一 体 化 操 作 站 S Y - 2 0 0 8 G L 锅 炉 监 控 器 手 动 仪 表 一 体 化 操 作 站 手 动 仪 表 S Y - 2 0 0 8 G L 锅 炉 监 控 器 S Y - 2 0 0 8 G L 锅 炉 监 控 器 S Y - 2 0 0 8 G L 锅 炉 监 控 器 执 行 机 构 传 感 器 一 号 锅 炉二 号 锅 炉三 号 锅 炉四 号 锅 炉 企 业 M I S 系 统 分 控 室 执 行 机 构 传 感 器 执 行 机 构 传 感 器 执 行 机 构 传 感 器 5. SY-2008GL5. SY-2008GL锅炉监控器原理框图锅炉监控器原理框图

12、按键 测温热电阻温度变送器 SY-2008GL 监控器 监控器 一体化操作站 键盘鼠标 显示 打印 中心工作站 测温热电偶 压力变送器 流量变送器 液位变送器 液位开关 含氧量变送器 显示 手动/自动切换 带手操开关 伺服放大器执行器 现场各电气设备 报警 压力传感器 流量传感器 锅炉现场锅炉现场控制室控制室 19 6. . 控制系统的技术特点控制系统的技术特点 由各子系统的计算机进行自动控制由各子系统的计算机进行自动控制 ，降低了产品成本；降低了产品成本； 系统稳定、可靠、精度高、维护成本低、系统互换性；系统稳定、可靠、精度高、维护成本低、系统互换性； 采用现场总线技术，实现多级分层控制、集

13、中管理、信采用现场总线技术，实现多级分层控制、集中管理、信 息共享；息共享； 主、辅工作站集中在中央控制室，便于设备和人员的集主、辅工作站集中在中央控制室，便于设备和人员的集 中管理。中管理。 三 现场总线在锅炉控制系统中的应用 20 四 现场总线在配电自动化中的应用 国内外配电自动化的发展现状国内外配电自动化的发展现状 配电是电力系统发电、输电和配电中直接面向电力用户的重要环 节。八十年代末，配电自动化在美国等工业发达国家逐步发展起来。 配电自动化的内容大致分为四个方面：1) 馈线自动化; 2) 用户自动化; 3) 变电站自动化; 4) 配电管理自动化。 城市配电自动化是国家最近几年重要的投

14、资方向，配网自动化为 电网的运行监测、快速故障定位、故障隔离等提供了有力的保障措 施。电力配电系统环境特殊，需要一种可靠性高、实时性强、容易 操作的测控网，并能把上层的管理网和前端的测控网连接起来。主 要用于低层设备通信的现场总线完全可以适用于这种要求。这对利 用现有设备，进一步提高配电网的自动化水平，提高供电可靠性， 增加电网经济效益，都具有十分重要的意义。 21 四 现场总线在配电自动化中的应用 基于现场总线的电力配电监控网络构成基于现场总线的电力配电监控网络构成 22 四 现场总线在配电自动化中的应用 系统主要特点系统主要特点 友好的人机界面； 强大的网络通信； 可靠的安全管理； 实时的

15、故障报警和事件处理； 完善的数据报表； 系统内相关资源的数据采集、监控和共享； 为各级电力系统的管理者提供的决策帮助； 系统可靠性、稳定性和可视化的明显提高； 对各个智能子系统的远程监控； 23 五 现场总线在楼宇自动化中的应用 概述概述 随着计算机、控制与通信技术的飞速发展，特别是近年来 房地产业的持续升温，楼宇自动化系统(BAS)技术也在不断 改善、更新。楼宇自动化管理着建筑物内大量分散的机电设 备，使大楼变得更加安全、经济与舒适。 一般而言，楼宇自动化系统由暖通空调、变配电、给排水、 照明、保安及消防等子系统组成；对其它独立子系统，如电 梯、广播、电缆电视等系统，则可根据需要将工作状态监

16、视 及紧急状态下越级控制权赋予BAS的监控中心。 我国现有的智能建筑中，楼宇自动化程度普遍不高。国内 绝大多数楼宇自动化系统一般由世界著名公司成套提供，包 括传感器、阀门、执行器、控制器、上位机、监控软件等。 24 五 现场总线在楼宇自动化中的应用 楼宇自动化中应用的主要现场总线技术楼宇自动化中应用的主要现场总线技术 智能建筑中广泛使用的主要有两种：BACnet和LonWorks。 1) BACnet： 1987年，美国暖通空调工程师协会(ASHRAE)组织成立 SPC135开发；目前已成为美国和欧洲标准，并有20多家公 司推出了60余种不同类型的BACnet；旧金山的金门大厦改 造工程被认为

17、是BACnet的标准应用范例。 2) LonWorks: 1991年，美国Echelon公司推出的技术，该协议完全支持 国际标准化组织ISO定义的OSI七层模型。由于其具有高可 靠性、开放性和低成本的优点，全世界数以千记的制造厂商 在其控制网络方案中纷纷采用。 LonWorks技术的核心是同 时具有通信和控制功能的神经元(Neuron)芯片中有3个8位的 CPU，其中2个中央处理器用于执行通信协议，而另一个处 理器用于执行节点的监控功能。 25 五 现场总线在楼宇自动化中的应用 基于现场总线技术智能楼宇网络系统构成基于现场总线技术智能楼宇网络系统构成 本监控系统主要实现对一栋23层高大楼的中央

18、空调系统、排风机系统、 给排水系统、照明系统、变配电系统、电梯系统的监控和管理。 26 五 现场总线在楼宇自动化中的应用 LonWorks现场总线技术推出后，在楼宇自动化方面的应用特别 广泛，这也是国家建设部在楼宇自动化方面选择LonWorks技术重 点推广的原因所在。 由于LonWorks技术的开放性.产品选择的多样化，网络规模的 灵活性，允许房屋开发商以最合理的价格组建符合要求的小区控 制网络，有效控制成本。无论是旧系统的升级，或是新系统设计， 都可以根据客户的需求提出最贴切的实施方案，满足各层次用户 的需求，并能方便地对用户节点进行修改和升级。 利用LonWorks技术进行住宅小区智能化

19、的建设，可以在特定的 条件下实施特定范围的智能化建设，并为以后更深入的发展奠定 良好的基础。因此LonWorks技术在住宅智能化建设中应用的前景 是非常广阔的。 27 六 现场总线在智能交通领域中的应用 概述概述 为了大幅度提高公路交通的通行能力和安全度，采用智能交 通(ITS)新技术改变现有公路交通技术面貌，是国际公路交通科学 的发展方向。智能交通涉及交通、电子、计算机、信息科学以及 自动控制、通信、检测技术等诸多领域。 据统计，ITS技术的应用可以减少10的废气排量，20的交 通延时，30的停车次数。美国Los Angeles地区和Texas州在ITS 技术方面投资的效益成本比率分别是16:1和22:1。 我国的交通特点是：1) 机动车与非机动车混行；2) 自行车数 量大；3) 机动车数量增长快；4) 国产机动车速度、网络容纳能力 和交通宣传力度都非常有限。发展ITS要适合我国的交通特点，结 合我国的国情，研究中国的智能交通系统。 28 六 现场总线在智能交通领域中的应用 智能交通信号控制系统介绍智能交通信号控制系统介绍 PLC 模拟屏上位机 现场总线 打印机 1# 交通信号机 基于现场总线的交通信号控制系统框图 2# 交通信号机 N# 交通信号机 PLC