现场总线的应用

1、论文题目:现场总线技术的发展与应用姓名：刀羊础学号：2010219806 院系:电气工程系专业:计算机控制技术年级：10级计算机控制技术班 提交日期:2012年6月15日现场总线技术的发展与应用作者：刀羊础班级：10级计算机控制班摘 要：现场总线作为一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统，近年来得到了迅猛的发展和应用。用于过程自动化、制造自动化、电力自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。为此本文阐述了现场总线的发展和现场总线技术在各个代表性领域的应用。关键词：现场总线技术，自动化控

2、制系统，发展，应用引言：计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是考虑到现场总线已经普遍地渗透到自动控制的各个领域的现实，现场总线必将成为电工自动控制领域主要的发展方向之一。现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域；并且国外大公司已经在大力拓展中国市场，发展我国的现场总线产品已经刻不容缓。现场总线对自动化技术的影响意义深远。当今可以认为现场总线是提高自动化系统整体水平的基础技术，对国民经济影响重大。因此，要在自动化领域中推广应用和发展现场总线。现场总线是近年来自动化领域中发展很快的互连通信网络，具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点。目前，国际上各种各

3、样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。较著名的有基金会现场总线（FF）、HART现场总线、CAN现场总线、LONWORKS现场总线、PROFIBUS现场总线、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、ASINTERFACE总线等。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。现场总线已不仅仅是一个新技术领域或新技术问题，在研究它的同时，我们发现它已经改变了我们的观念；如何去看待现场总线，要比研究它的技术细节更为重要。一、现场总线的定义根据国际电工委员会IEC61158标准的定义：安装在

4、制造或生产过程区的现场装 与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、双向、多点通信的数据总线称为现场总线。1.1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、链路层、应用层和用户层。1.2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。1.3现场总线是一场技术革命现场

5、总线带来了观念的变化，我们以往开发新产品，往往只注意产品本身的性能指标，对于新产品与其它相关产品的关联就考虑比较少一点。这样对于电工行业这样一个比较保守的行业来说，新产品就不那么容易地被用户接收。而现场总线产品却恰恰相反，它是一个由用户利益驱动的市场，用户对新产品应用的积极性比生产商更高。然而，现场总线新产品的开发也与传统产品不同；它是从系统构成的技术角度来看问题，它注重的是系统整体性能的提高，不强求局部最优，而是整体的配合。这种配合在主控计算机软件运行下能使控制系统应用新的理论来发挥最大的效能；这一点是传统产品很难做到的。现场总线的“负跨越（指在技术水平提高的同时，掌握和应用这项新技术的难度

6、却降低了）”的特性使它的推广更加容易。二、场总线的主要产品 2.1.有源产品 有源产品可以产生通讯信号、响应信号、调整信号或者兼而有之。 有源产品包括以下部件： 2.1.1节点（Node）；总线上可以编址的设备。 2.1.2总线模块(Bus Modulea)；任何形式的现场节点，可以使用端子或接插件连接传感器、阀门、按钮等各种现场装置。 2.1.3网关（Gateway）；一种特殊的节点，用于两面种不同的总线之间的信号和数据变换。 2.1.4放大器；一种用于实时（加强）信号，以精确复制原始信号。连接同一总线的两部分，解决通讯信号在通讯线上由于电气损耗而造成的衰减。当信号变弱而不变形时可以使用放大

7、器。 2.1.5中继器（Repeater）；用于加强信号，产生不变形的新信号。连接同一总线的两端，当信号变弱或变形时可以使用中继器。 2.1.6.桥（Bgridge）；有两类桥。一种是用于连接同一种协议，不同传输速度的两个段。另一种是一种智能的中继器，当通讯的源地址和目的地址位于不同总线段时，用于重复两个段间的数据。桥必须被编程设定地址和相关的段。当桥读地址时，要有几个位的等待时间。桥可以应用于设备级总线，但应用并不普遍。 2.1.7路由器（Router）；用于广域网的高等级桥。这类产品很少应用于设备级总线。 2.1.8有源多端口分接器（Active hub）多端口中继器或放大器，以增加总线的

8、分支能力。 2.1.9接口卡、接口模块（Interface card,interface module）；指网关的常用术语，作为PLC或PC到设备及总线的接口。2.2无源总线产品 无源总线产品包括： 2.2.1T型分支（Tee）；用于产生总线上的一路分支。 2.2.2无源多端口分接器（Passive hub）；多端口T型分支。 2.2.3终端电阻（Terminating Resistor）；安装在总线的始端和末端的电阻，用于稳定和调整信号。 2.2.4总线电缆（Busline）；连接节点，传送数据的各种电缆。 三、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

9、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。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。 l CAN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；l 基于CAN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。 四、发展经历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

10、分紧迫； 我国工业锅炉控制系统发展大致经过五个阶段：1）手工控制阶段；2）专用仪表控制阶段 ；3）电动单元组合控制阶段； 4）计算机控制阶段（分布式控制系统DCS）； 5）现场总线控制阶段 。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。4.1工艺流程简介 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；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，最后通过烟囱进入

11、大气。4.2控制系统的技术特点 由各子系统的计算机进行自动控制 ，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； 采用现场总线技术，实现多级分层控制、集中管理、信息共享； 主、辅工作站集中在中央控制室，便于设备和人员的集中管理。 五、总线在配电自动化中的应用5.1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资方向，配网自动化

12、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。 5.2系统主要特点1）友好的人机界面；2）强大的网络通信；3）可靠的安全管理；4）实时的故障报警和事件处理；5）完善的数据报表；6）系统内相关资源的数据采集、监控和共享；7）为各级电力系统的管理者提供的决策帮助；8）系统可靠性、稳定性和可视化的明显提高；9）对各个智

13、能子系统的远程监控。六、总线在楼宇自动化中的应用6.1 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

14、、监控软件等。6.2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

15、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。七、总线在智能交通领域中的应用7.1 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

16、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。7.2智能交通信号控制系统介绍八、现场总线技术存在的问题及分析尽管现场总线技术具有一系列的特点和有人的优越性，尽管建设数字化和信息化电厂的呼声越来越高。通过多年来现场总线在多个行业的成功应用以及在电厂辅助生产系统的实施经验积累，为我们在国内智能化的控制现场总线技术应用提供了有力的支持。推行现场总线在智能化的应用，应重点考虑以下几个方面的问题。（1）现场总线标准多，用户选择无所适从。（2

17、）指出现场总线标准的智能现场总线的规格和品种较少，支持总线标准的国产设备更少，尤其是针对电厂开发的智能设备，不能满足电厂各专业的需要。（3）支持现场总线标准的智能现场设备价格较高。（4）连接现场总线设备底层的网络部支持冗余结构。（5）现场电厂的基建模式。（6）投资方、建设单位甚至设计院的技术人员对现场总线技术缺乏深入的了解。（7）对于设计人员缺乏创新的机制和动力。在工程中应用新技术总会有一定的风险，这需要设计人员投入大量的精力进行调研和方案论证，但现实往往是对应用新技术的研究没有额外的投入，尤其对新技术的成功应用也并无特别的奖励机制。九、结束语现场总线属于尚在发展之中的技术，我国在这一技术领域还刚刚起步。总体说来，自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进。既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准。有理由认为，在从现在起的未来十年内，可能出现几大总线标准共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。现场总线作为自动化领域的一次革命，它的意义和产生的效益是非常巨大的。积极开展各种现场总线技术的研究和应用，特别是加强对于一些已有成功经验的现场总线在智能化控制系统中的开发与应用，对于开电气设备制造厂家