《DCS与现场总线》-第1章-2

《DCS与现场总线》-第1章-2第一页，共54页。现场总线控制系统过程执行控制仪表商务(ERP)4层3层2层1层0层OPC数据服务器历史趋势数据库信息网络商务网络控制网络设备网络Fieldbus以太网以太网以太网FFFF“web”“web”链路设备第二页，共54页。1.3.1FCS的基本概念现场总线是用于自动化等领域最底层的、具有开放、统一的通信协议的通信网络实现微机化的现场测量控制仪表或设备间的双向串行多节点数字通信现场总线技术现场总线技术把单个分散的仪表或设备变成了网络的节点第三页，共54页。现场总线控制系统FCS以现场总线为纽带，连接分散的现场仪表或设备，使之成为可以相互沟通信息、共同完成自动控制任务的网络系统与控制系统现场总线技术的关键使自动控制系统与现场设备具有通信能力连接成网络系统第四页，共54页。现场总线体系结构第五页，共54页。现场总线的优点适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化方向发展的趋势具有的开放性、数字化、多点通信等功能应用领域不断扩大第六页，共54页。现场总线控制系统的优点节省硬件数量与投资节省安装费用节省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提高了系统的可控性和可维护性第七页，共54页。第八页，共54页。1.3.2现场总线的技术特点现场通信网络现场设备互连互操作性分散功能块通信线供电开放式互连网络现场设备的智能化与功能自治性第九页，共54页。1．现场通信网络用于过程以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现场仪表是指传感器、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，并可根据需要因地制宜地选择不同类型的传输介质。第十页，共54页。3．互操作性这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。现场设备或现场仪表种类繁多，没有任何一家制造商可以提供一个工厂所需的全部现场设备，所以，互相连接不同制造商的产品是不可避免的。现场设备互连是基本的要求，只有实现互操作性，用户才能自由地集成FCS。例如，汽车机械制造设备，电气自动化设备。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。由于功能块分散在多台现场仪表中，并可统一组态，供用户灵活选用各种功能块，构成所需的控制系统，实现彻底的分散控制。第十一页，共54页。5．通信线供电通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，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．开放式互连网络开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。现场总线为开放式互连网络，它既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，还可以实现网络数据库的共享。第十二页，共54页。7.现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。第十三页，共54页。1.3.3现场总线的结构特点

现场总线打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。现场总线控制系统由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号，如运行参数值、多个设备状态、故障信息等。用一根通信线直接互连N个现场设备，从而构成了现场设备的互连网络。

第十四页，共54页。离散量/模拟量输入/输出设备指示灯：状态指示光电传感器：检测开关操作员接口：输入操作命令阀和交流驱动器：执行器，输出设备变送器（传感器）：输入设备控制器：主站、从站人机界面：输入/输出设备参数、命令、显示

第十五页，共54页。FCS与DCS结构比较PROFIBUS-DPH1DeviceNet现场总线现场设备现场设备网桥LonWorks现场总线CANBUS服务器LAN操作站4~20mALAN传统的模拟仪表控制站操作站现场总线控制系统（FCS）与传统控制系统（如DCS）结构对比如图所示。第十六页，共54页。1.3.4现场总线的发展与趋势历史的回顾具备简单测量控制功能的就地式气动仪表气动、电动单元组合式仪表和集中控制室集中式计算机控制系统（20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，而此时的计算机提供的是集中式控制处理。）计算机集散控制系统DCS（20世纪80年代微处理器在控制领域得到应用，微处理器被嵌入到各种仪器设备中，形成了分布式控制系统。）现场总线的提出第十七页，共54页。现场总线的产生从集中控制走向分散控制从DCS走向FCS

从集团协议走向国际标准从国外走向国内第十八页，共54页。现场总线是企业综合自动化的发展需要企业综合自动化是企业必然的选择与趋势DCS在实施企业综合自动化时的缺陷通信是专用网络的封闭系统，无互换性现场总线的解决方案基于公开化、标准化，遵守同一协议规程的产品具有互换性，可组成在同个系统中第十九页，共54页。智能仪表为现场总线的出现奠定了基础智能化设备的提出模拟通信式的智能设备模拟-数字混合的智能设备现场总线的出现第二十页，共54页。第二十一页，共54页。智能设备以微处理器为核心，实施信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能。一些具有专家辅助推断分析与决策能力的数字式智能化仪表产品，其本身具备了诸如自动量程转换、自动调零、自校正、自诊断等功能，还能提供故障诊断、历史信息报告、状态报告、趋势图等功能。另外，从实际应用的角度，控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护性、可移植性等方面提出新需求。由此，导致了现场总线的产生。基于现场总线的分布式控制系统（FCS），将是继DCS后的又一代控制系统。第二十二页，共54页。第二十三页，共54页。FCS的分散功能块控制方案第二十四页，共54页。新一代FCS控制器第二十五页，共54页。现场总线与4-20mA系统的区别？4-20mAP.S.现场总线P.S.现场总线设备在总线上并联连接，所有设备通过总线接收、发送数字信号现场总线设备可以向网络上其它设备提供任意多信息总线具有循环冗余检错的(CRC)功能，可以保证接收设备获得正确数据多节点现场总线无需点对点的布线第二十六页，共54页。第二十七页，共54页。现场总线标准化的现状

国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA）自1984年起着手现场总线标准工作，但统一的标准至今仍未完成。1．多种总线共存现场总线国际标准IEC61158中采用了8种协议类型，以及其他一些现场总线。每种总线都有其产生的背景和应用领域。第二十八页，共54页。几类有影响的现场总线基金会现场总线（FF）LonWork技术和LON总线简介HART通信协议简介CAN总线简介Profibus总线简介InterBus-S总线简介第二十九页，共54页。2．每种总线各有其应用领域每种总线都力图拓展其应用领域，以扩张其势力范围。在一定应用领域中已取得良好业绩的总线，往往会进一步根据需要向其他领域发展。如PROFIBUS在DP的基础上又开发出PA，以适用于流程工业。3．每种总线各有其国际组织大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中创造影响，以取得更多方面的支持，同时也想显示出其技术是开放的。第三十页，共54页。4．每种总线均有其支持背景每种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关，如PROFIBUS以Siemens公司为主要支持，ControlNet以Rockwell公司为主要背景，WorldFIP以Alstom公司为主要后台。第三十一页，共54页。1.3.5现场总线应用领域

汽车总装生产线现场总线控制系统

第三十二页，共54页。

1.3.5现场总线应用领域第三十三页，共54页。1.3.5现场总线应用领域

大豆分离蛋白现场总线控制系统

第三十四页，共54页。1.3.5现场总线应用领域基于现场总线的企业能源计量系统

第三十五页，共54页。1.3.5现场总线应用领域

上海世博园区配电网现场总线监控系统配置图打印机后台系统站控单元GPS

调度中心间隔1保护测控单元间隔2保护测控单元间隔3保护测控单元间隔n保护测控单元其它智能装置CT\PT数字量控制输出CT\PTCT\PTCT\PT数字量数字量数字量控制输出控制输出控制输出

第三十六页，共54页。1.3.5现场总线应用领域低压开关柜传统方式与现场总线智能化方式的比较

第三十七页，共54页。1.3.5现场总线应用领域基于以太网的CBZ-8000变电站自动化系统

第三十八页，共54页。1.3.5现场总线应用领域基于现场总线的配电网自动化系统

第三十九页，共54页。1.4DCS、PLC及FCS之间的差异

1.4.1

PLC简介PLC（ProgrammableLogicController）是一种工业控制装置。是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。第四十页，共54页。可编程序控制器的由来可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称为PLC。也称可编程序控制器(ProgrammableController)简称为PC。

1968年．美国最大的汽车制造厂家——通用汽车公司(GM)提出了研制可编程序控制器的基本设想，即

(1)能用于工业现场。

(2)能改变其控制“逻辑”，而不需变动组成的元件和内部接线。

(3)出现故障时易于诊断和维修。

1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台PLC。第四十一页，共54页。PLC特点编程方法简单易学功能强，性能价格比高硬件配套齐全．用户使用方便。适应性强可靠性高。抗干扰能力强系统的设计、安装、调试工作量少维修工作量小，维修方便体积小，能耗低第四十二页，共54页。可编程序控制器的应用领域1.数字量逻辑控制2.运动控制3.闭环过程控制4.数据处理5.通信联网第四十三页，共54页。PLC应用举例传送带生产线控制灌装及包装机械木材加工电梯控制空调控制纺织机械印刷机械第四十四页，共54页。PLC控制系统与电气控制系统的区别①控制方法上：硬：软②工作方式上：

并行工作方式：串行工作方式③控制速度上：

速度慢：快

④定时和计数控制上：

精度低：高

⑤可靠性和可维护性上：可靠性低：高第四十五页，共54页。PLC三大流派

自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。各国PLC都有自己的特色。●欧洲：西门子（Siemens）；施奈德（Schneider）法国的TE（Telemecanique）●美国：A-B（Allen-Bradly）、GE（GeneralElectric）●日本：三菱电机（MitsubishiElectric）、欧姆龙（OMRON）、FUJI（日本主要发展中小型PLC，其小型机性能先进，结构紧凑，价格便宜）目前国内市场还有韩国、台湾等PLC产品。现在国内自动化企业也开始生产PLC，如北京和利时等。第四十六页，共54页。图例：西门子S7-300第四十七页，共54页。图例：GEFanucPLC第四十八页，共54页。DCS与PLC的区别

DCSPLC硬件上位机、网络、控制器、I/O接口、现场仪表等单一的控制器软件上位机组态软件、控制器编程软件、通讯接口软件、操作及设计画面人机接口软件等控制器编程软件运算周期相对长由于点数少，周期快特点分布式控制，全局性，控制回路大顺序扫描机制，以时间基准的控制，用于单一控制单元小系统PLC可以说只是DCS系统的一个控制器PLC可以说只是DCS系统的一个控制器第四十九页，共54页。1.4.2FCS区别于DCS的特点系统的开放性、互用性摆脱了传统常规模拟仪表的束缚在各个层次上都采用了数字通信技术系统结构的高度分散数字仪表在生产现场