现场总线助力工业4.0

1、1现场总线助力工业现场总线助力工业4.0学院：电子信息工程专业：控制工程日期：2016年5月16日2目录目录一、现场总线技术简介一、现场总线技术简介二、工业二、工业4.0概述概述三、三、现场总线现场总线 助力助力工业工业4.0之之智智能能工厂工厂四、现场总线在工业应用实例四、现场总线在工业应用实例五、结束语五、结束语l1.1 现场总线产生的历史背景现场总线产生的历史背景l1.2现现场总线定义场总线定义l1.3. 现场总线主要特点现场总线主要特点l1.4. 现场总线国际标准化状况现场总线国际标准化状况l 3一、现场总线技术简介一、现场总线技术简介4一 现场总线技术简介1.1. 现场总线产生的历史

2、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)。 1.2. 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。 5一 现场总线技术简介1.3. 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

3、用低； 4) 调节性能提高； 5) 系统组态简单。1.4. 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。 二、工业4.0概述l2.1 什么是工业4.0？l2.2 工业发展史l2.3 工业4.0架构62.1 什么是工业4.0l工业工业4.0是德国政府推行的是德国政府推行的“新一轮智能新一轮智能工厂计划工厂计划”，是以智能制

4、造为主题的第，是以智能制造为主题的第四次工业革命。四次工业革命。782.2 工业发展史从工业 1.0 到工业 4.0180019002000时间轴今天复杂程度第一次工业革命创造了机器工厂的“蒸汽时代”第二次工业革命将人类带入分工明确、大批量生产的流水线模式和“电气时代”第三次工业革命应用电子信息技术，进一步提高生产自动化水平第四次工业革命开始应用信息物理融合系统 (CPS)、网络化、智能化1784 年，出现了第一台机械织布机传送带方式于 1870 年开始在辛辛那提屠宰场使用1969 年，美国 Modicon 公司推出 084 PLC92.2 工业发展史从工业 1.0 到工业 4.0180019

5、002000时间轴今天复杂程度第一次工业革命第二次工业革命第三次工业革命第四次工业革命1784 年，出现了第一台机械织布机传送带方式于 1870 年开始在辛辛那提屠宰场使用1969 年，美国 Modicon 公司推出 084 PLC工业发展史的自动化维度机械化 机械化电气化电气化自动化自动化智能化102.2 工业发展史从工业 1.0 到工业 4.0180019002000时间轴今天复杂程度第一次工业革命第二次工业革命第三次工业革命第四次工业革命1784 年，出现了第一台机械织布机传送带方式于 1870 年开始在辛辛那提屠宰场使用1969 年，美国 Modicon 公司推出 084 PLC工业发

6、展史的解放人的工作程度解放“工”机器替代体力活解放“工”机器替代体力活解放“员”机器替代以定规则下的繁琐劳动解放“师”机器替代部分可创造性劳动11工业工业4.0一个网络信息物理系统（一个网络信息物理系统（CPS）三个集成三个集成纵向集成纵向集成横向集成横向集成端对端集成端对端集成四大主题四大主题智能生产智能生产智能工厂智能工厂智能服务智能服务智能物流智能物流九大技术九大技术机器人机器人模拟技术模拟技术增强技术增强技术系统整合系统整合物联网物联网网络安全网络安全大数据大数据云计算云计算3D打印打印2.3 工业4.0架构12纵向集成、端到端集成及横向集成的演进路工业4.0 所要追求的就是在企业内部

7、实现所有环节信息无缝链接，这是所有智能化的基础。端到端集成（产业链）纵向集成（车间）横向集成是企业之间通过价值链以及信息网络所实现的一种资源整合，是为了实现各企业间的无缝合作，提供实时产品和服务围绕产品全生命周期的价值链创造，通过价值链上不同企业资源的整合，实现从产品设计、生产制造、物流配送、使用维护的产品全生命周期的管理和服务。横向集成（生态）2.3.1 工业4.0架构三个集成 智能生产：智能生产： 主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。132.3.2 工业4.0架构四大主题 智能物流： 主要是通过物联网、互联网等整合物流资源，充分发挥现有物流资源供应

8、链的质量和效率。 142.3.2 工业4.0架构四大主题 智能服务： 主要指能够自动辨识用户的显性和隐性需求，并且主动、高效、安全、绿色地满足其需求的服务。这个服务是什么呢？比如西门子生产一台高铁的牵引电机，以往就是直接卖一台电机而已，现在这台电机在运行过程中，会不断的把数据传回给西门子的工厂，这样西门子就知道你的电机现在的运行状况，以及什么时候需要检修了。高铁厂商以往是怎么做的？一刀切，定一个时间，到时间了不管该不该修都去修一下，更我们汽车保养没什么差别。现在西门子可以告诉你什么时候需要修什么时候需要养护，l有四大关键点：l一是要连接所有网络以拿到数据。l二是要有智能机器。l三是大数据，将所

9、有设备、所有人连接后，所有数据都大批量传 送到 智能终端上。l四是分析，得到数据后从中抓取出应用趋势来，提高设备状态的检测和预测水平。152.3.2 工业4.0架构四大主题智能工厂：16工业4.0代构建智能工厂正被全球制造业领域不约而同地选为下一个中长期的发展愿景，同时也是我国制造业转型升级的重要突破口，而智能工厂的精髓就在于网络在工 业领域的延伸，发挥信息化的作用。 智能工厂不仅是生产的自动化，通过远程监控制程，确保生产顺 畅，还可协助制造业者整合各厂生产管理、物流管理及仓库管理，实时匹配产能的需求与规模，避免大兴土木，同时迅速提高产能，满足客户定制化订单的实时生产 需求。 三.现场总线助力

10、工业4.0之智能工厂l 现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。 也是现代工业自动化生产体系中的重要组成部分和工厂信息化的基础。它的构建也就成为智能工厂建设的重要环节。17三.现场总线助力工业4.0之智能工厂l 迈向智能工厂的同时，需顺应工业控制市场的既定潮流，由于制造现场可能混合采用不同供货商不同通讯协议的控制系统，例如半导体业者的制程控制与废水处理系统便未必选自同一供货商，又如石化业者因园区建期分段，各期选用的控制系统也是不尽相同；再

11、如车厂、家电制造工厂，制造现场更是混合一般商用计算机与工业控制器。18三.现场总线助力工业4.0之智能工厂l 挑战：但是现场总线通讯协议百家争鸣，布建工业以太网络并非易事，此外打造智能工厂必须以既有的设备、系统为基础。目前工厂自动化市场由西门子(Siemens)、洛克威尔(Rockwell)、Beckhoff等工业自动化大厂所主导，这些大厂经长期的可靠度及稳定性验证，此生态不太可能有变化，因此工业以太网络使用的网络协议标准便需兼容于大厂所制定的PROFINET、PROFIBUS、EtherNet/IP、DeviceNet、EtherCAT等多种通讯协议。19三.现场总线助力工业4.0之智能工厂

12、四. 现场总线在工业应用实例l4.1 现场总线在煤化工控制领域中的应用 l4.2 现场总线在锅炉控制系统中的应用l4.3 小结20214.1 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 RRCAN驱动器82C250CAN控制器SJA1000Intel 1680C196KC显示器键盘报警输出串行接口炉温监测探头换向阀站调节阀常规仪表CAN Field Bus22CAN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InternetCAN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4.1 现场总线在煤化工控制领域

13、中的应用 23l CAN现场总线技术应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。 4.1 现场总线在煤化工控制领域中的应用 244.2 现场总线在锅炉控制系统中的应用4.2.1. 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

14、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。254.2.2. 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

15、，达到国家排放标准，最后通过烟囱进入大气。4.2 现场总线在锅炉控制系统中的应用4.2.3. 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4.2.4 SY-2008GL4.2.4 SY-2008GL锅炉监控器原理框图锅炉监控器原理框图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

16、场锅炉现场控制室控制室284.2.5. . 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。 4.2 现场总线在锅炉控制系统中的应用l1. 从工厂底层自动化及信息集成技术角度看，现场总线技术不是一项单纯的以芯片换电缆的技术，是计算机及其数字化通信技术向工厂底层，即设备层的延伸。如同其他领域发生的一样，现场总线技术是工厂底层通信技术的一次