总线技术与应用01

总线控制运行与管理

任课教师：赵丽君办公室：实验楼A313联系电话：136131412172023/2/1什么是现场总线？随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线(Fieldbus)就是顺应这一形势发展起来的新技术。

2023/2/1什么是现场总线？现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。

现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。

2023/2/1课程介绍

本课程作为电气自动化专业类的专业课程，主要为同学介绍目前国内外流行的工业控制网络技术——现场总线，目的是开拓同学的视野、了解现场总线技术的基本原理和应用领域，为今后就业或深造打下一定的基础，本课程共48学时。现场总线控制系统(FCS)作为第五代控制系统，具有突出的优点，近年来发展很快，近几年国内现场总线的研究与应用也得到很大发展。本课程为将结合现场总线的最新进展，介绍如下内容：2023/2/1课程介绍

本课程是电气自动化类专业的专业课程。内容主要包括：①工业自动化发展概况；②现场总线的发展和应用概况；③现场总线控制网络的通信基础；④现场总线控制网络的核心技术；⑤典型总线网络协议和控制网络结构。2023/2/1经过该课程的学习，学生要学会用现场总线让现场仪表之间、现场仪表与控制室设备之间构成网络互连系统。

实现全数字化、双向、多变量通信，为最终实现从最高决策层到最低设备层的综合管理和控制奠定基础。通过本课程的学习，使学生掌握工业测控网络的基本原理、系统结构、协议标准和具体实现方法，使学生具有用微机组网的能力，了解和掌握现场总线协议以及用现场总线组成的测控网络等。课程目的2023/2/1参考书籍《现场总线技术及其应用》-机械工业出版社。《现场总线控制》-中国电力出版社。《集散控制系统及现场总线》-北京航空航天大学出版社。《现场总线技术》-中国电力出版社2023/2/1本单元主要教学内容

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工业自动化技术基本概念；

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工业自动化技术发展历程；

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工业自动化技术的主要任务；

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工业信号传输标准。2023/2/1本单元教学目的和要求

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熟悉自动化技术基本概念；

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了解工业自动化技术发展历程；

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理解工业自动化技术的主要任务；

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掌握工业信号传输标准。2023/2/1工业自动化技术基本概念引言2023/2/1蒸汽机时代

发生在18

世纪60

年代英国的产业革命即工业革命，实际上是一场工业技术的革命。它表现在以机器代替人力、以大规模的工厂生产代替个体工场手工生产，即在生产力和生产关系方面均发生了巨大的变革，它使人类历史进入了一个全新的时期。一座座工厂在从前绿色的原野上耸立起来，高大的烟囱冒出浓黑的烟雾，机器的轰鸣声惊醒了沉寂的山坳，人类的生活方式在工业革命中发生着巨大的变化。而这一切发生的直接动因则是不断创新的纺织技术导致的蒸汽机的出现，蒸汽机作为这个时代的核心技术，第一次解决了人类大规模制造和利用动力的问题。2023/2/1电力（或电气）时代

电力时代，是指以电动机为代表的第二次工业技术革命，使新兴的电能作为一种主要的能量形式支配着社会经济生活，推出了一个前人未曾想过的历史时期。电能的突出优点在于：第一，是一种易于传输的工业动力；第二，是极为有效可靠的信息载体。因此，电力时代主要体现在动力传输与信息传输两个方面。与动力传输相关联，出现了大型发电机、高压输电网、各种各样的电动机和照明电灯。与信息传输相关联，出现了电报、电话和无线电通讯。这些伟大发明使人类生活进入了一个更光明、更美好的新时期。由于电、电流、电磁感应和电磁波的发明和应用，以及电力传输的成功是使电力取代蒸汽力的重大突破，它使电力很快成为广泛应用的能源和动力。2023/2/1信息时代

世界近代史上的第三次技术革命于20世纪中叶爆发，其核心技术是电子计算机技术。电子计算机是一种代替人的脑力劳动的机器，它不仅运算速度快，处理数据量大，而且能部分模拟人的智能活动。它的出现，使人类社会的信息处理方式发生了翻天覆地的变化，从而从根本上改变了现代社会的运行结构。为电子计算机奠定基础的是电子技术，而计算机的出现则带动了一大批高新技术的发展，使人类进入了信息化和网络化时代。2023/2/1第四次浪潮？

美国未来学家阿尔文·托夫勒在其著作《第三次浪潮》中总结了人类文明发展的三次浪潮：人类文明的“第一次浪潮”产生于约公元前，从人们培育农作物的生长开始，人类进入了农业时代，其划时代的意义在于人类从此脱离了游牧，开始过上定居生活，并逐步发展城镇和自己的文化。“第二次浪潮”始于二百年前以瓦特发明蒸汽机为开端的工业浪潮，人类以工业革命为契机，离开农场，涌向大城市的工厂寻找生机。“第三次浪潮”就是我们所说的“信息时代”，信息技术和社会需求成为它发展的强大动力，经济向全球化方向发展。托夫勒预言：以人类进入太空居住为特点的“第四次浪潮”时代将在可以预期的未来到来，届时，人类将考虑移民到太空中去，在其它星球上繁衍生息。他认为，人类正在从信息革命为标志的“第三次浪潮”时代过渡到以人类进入太空居住为特点的“第四次浪潮”时代。

2023/2/1什么是自动化？自动化是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控制对象（如机器、设备或生产过程）的某一物理量（或工作状态）自动地按照预定的规律运行（或变化）。2023/2/1自动化的目的

自动化的目的是应用自动控制装置延伸和代替人的体力和脑力劳动。自动控制装置是由具有相当于人的大脑和手脚功能的装置组成的。相当于人大脑的装置，在自动控制中的作用是对控制信息进行分析计算、推理判断、产生控制作用。它通常是由电脑或控制装置来承担。相当于人手脚的装置，其作用是执行控制信号，完成加工、操作和运动等。它通常是由机械机构或机电机构来完成。其中包括放大信息的装置，产生动力的驱动装置和完成运动的执行装置。2023/2/1自动化无处不在

自动化技术是人们在生产、生活和科学探索中发展起来的一种高技术。自动化技术发展至今，可以说已从人类手脚的延伸扩展到人类大脑的延伸。自动化技术时时在为人类“谋”福利，自动化可谓无所不在。2023/2/1最早的自动化装置国外最早的自动化装置，是一世纪古希腊人希罗发明的神殿自动门和“神水”出售机。我国3000多年前的铜壶滴漏，用来自动计时，可以说是现代自动控制装置的雏形。2000多年前我国发明的指南车，从现在观点看，属于自动定向装置。东汉时期的张衡利用齿轮、连杆和齿轮机构制成浑天仪。它能完成一定系列有序的动作，显示星辰升落，可以把它看成是古代的程序控制装置。2023/2/1自动化技术的主要方面

自动化是自动化技术和自动化过程的简称。

自动化技术主要有两个方面：第一，用自动化机械代替人工的动力方面的自动化技术；第二，在生产过程和业务处理过程中，进行测量、计算、控制等，这是信息处理方面的自动化技术。

自动化有两个支柱技术：一个是自动控制，一个是信息处理。它们是相互渗透、相互促进的。2023/2/1自动控制系统

控制系统根据是否具有反馈回路分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统的输出仅由输入确定的控制系统，一般控制能力是非常有限的。所以一般控制系统常采用闭环控制系统。2023/2/1自动控制系统的

组成第一，传感器。检测比较装置。所起作用相当于人眼在上面例子中的作用，主要是获得反馈，并且计算我们要达到的目的与现在的实际情况之间的差值。第二，控制器。所起作用相当于大脑在上面例子中的作用，主要是用来决定应该怎样做

。第三，执行器。主要所起作用相当于人手在上面例子中的作用，完成控制器下达的决定。第四，控制量。也就是所要达到的目的，相当于手和杯子之间的距离。控制量是我们自动化机器所要达到的最终目的。2023/2/1自动化技术的分类逻辑控制运动控制过程控制2023/2/1逻辑控制技术与系统传统上将开关量控制归入逻辑控制典型的逻辑控制如：电动机的启动/停止电灯的开/关电动阀门的开通/关断按钮的接通/断开继电器的吸合/断开电控2023/2/1运动控制技术与系统传统上将电气传动控制归入运动控制典型的运动控制如：电动机的速度控制电灯的亮度控制电动阀门的开度控制位置控制电传2023/2/1过程控制技术与系统传统上将慢速连续量控制归入过程控制典型的过程控制如：温度控制压力控制流量控制液位控制电仪2023/2/1自动化技术的发展可分为以下四个阶段：

模拟仪表控制技术

集中式数字控制技术（DDC）

集散控制技术（DCS）

现场总线控制技术（FCS）工业自动化技术发展历程2023/2/1模拟仪表控制技术

各种物理量都采用指针式仪表来指示其数值。其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。模拟仪表控制系统在20世纪六、七十年代以前占有主导地位。2023/2/1集中式数字控制技术（DDC）集中式数字控制技术（DDC）在20世纪七、八十年代占有主导地位。它采用单片机、可编程序逻辑控制器（PLC）或微机作为控制器。在控制器内部传输的是数字信号，克服了处理模拟信号的缺点，提高了控制系统的抗干扰能力。集中式系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时间的选择上可以统一调度和安排。不足之处：对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。2023/2/1集散控制技术（DCS）由于不同的DCS厂家为达到垄断目的而对其控制系统网络采用各自专用的封闭形式，故集散控制系统事实上是一种封闭专用的、不具有可互操作性的分布式控制系统，并且造价昂贵。集散控制系统（DCS）在20世纪八九十年代占有主导地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干下位机分散下放到现场实现分布式控制，上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。这种分布式的控制体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。显示屏1显示屏2显示屏3显示屏42023/2/12023/2/1现场总线控制技术（FCS

）这种开放的、具有可互操作性的网络将现场多个控制器及仪表设备互连，组成现场总线控制系统，控制功能彻底下放到现场，降低了系统安装成本和维护费用。现场总线控制系统在20世纪八十年代中期开始发展并应用于工业领域。

现场总线把通用或专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使之具有数字计算和数字通信能力，采用一定的介质（例如双绞线、同轴电缆、光纤、无线、红外等）作为通信总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个设备间以及现场设备与远程监控计算机之间实现数据传输和信息交换，形成各种适应实际需要的自动化控制系统。

FCS实质上是一种开放的、具有可互操作性的、彻底分散的全分布式控制系统。2023/2/1自动化系统的比较测控能力指数20世纪50年代按回路运行按过程运行过程优化管控一体气动、模拟电动单元模拟DCS数字/模拟混合数字现场总线1960198019982023/2/1从单用户小型系统到多用户大系统自动化技术的发展趋势控制集成化分层网络化管控一体化2023/2/1控制集成化基于F仪表、电气、计算机(ＩＥＣ）一体化w过程自动化和制造自动化一体化w通过现场总线实现的集中和分散控制的一体化w在一个系统中真正实现:全集成自动化思想——2023/2/1分层网络化工业以太网现场总线现场总线2023/2/1小结自动化是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控制对象（如机器、设备或生产过程）的某一物理量（或工作状态）自动地按照预定的规律运行（或变化）。自动化的目的是应用自动控制装置延伸和代替人的体力和脑力劳动。

自动控制系统一般由传感器、控制器、执行器和控制对象四个部分组成。

自动化技术是一门介于许多学科之间的综合应用学科。2023/2/1工业自动化技术的主要技术2023/2/1工业自动化技术的主要任务厂级生产计划与调度：

通过合理安排各装置的生产任务（处理量、生产方案等），实现全厂生产效益的最大化；装置操作的最优化：

在完成厂级生产任务、保证装置安全的前提下，以装置效益的最优化为目标，制定各单元重要参数的操作指标（即设定值）；基本单元的平稳控制：

跟踪重要参数的操作指标，实现基本单元的平稳操作、安全操作与质量控制。2023/2/1工业信号传输标准工业上通常用电压

0~5(10)V或电流0(4)~20mA作为模拟信号传输的方法，也是被程控机经常采用的一种方法。那么电压和电流的传输方式有什么不同，什么时候采用什么方法，下面将对此进行简要介绍。2023/2/1工业信号传输标准电压制信号传输标准：电压传输：信号源内阻小（零）、负载电阻大，因而对外界扰动敏感，且受传输导线电阻的影响大。故不适合于信号的远距离传输。2023/2/1工业信号传输标准如果信号接收电路的输入阻抗是高阻的，那么由上述的电阻引起的传输误差就足够小，这些电阻也就可以忽略不计。要求不增加信号发送方的费用又要所提及的电阻可忽略，就要求信号接收电路有一个高的输入阻抗。如果用运算放大器OP来做接收方的输入放大器。电压信号传输的结论：如果电磁干扰很小或者传输电缆长度较短，一个合适的接收电路毫无疑问是可以用来传输电压信号0…5(10)V的。2023/2/1工业信号传输标准电流制信号传输标准：

电流传输：信号源内阻大（无限大）、负载电阻小，因而对外界扰动不敏感，且不受传输导线电阻的影响。故非常适合于信号的远距离传输。2023/2/1工业信号传输标准如果一个电流源作为发送电路，它提供的电流信号始终是所希望的电流而与电缆的电阻以及接触电阻无关，也就是说，电流信号的传输是不受硬件设备配置的影响的。电流信号传输的结论：如果考虑到有电磁干扰比如电焊设备和其他信号发射设