《DCS與現(xiàn)場總線》-第1章-2

1、1.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)簡介Fieldbus Control SystemIEC對Fieldbus的定義:一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間實(shí)行雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的技術(shù)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)過程執(zhí)行控制儀表商務(wù)(ERP)4層3層2層1層0層OPC 數(shù)據(jù)服務(wù)器歷史趨勢數(shù)據(jù)庫信息網(wǎng)絡(luò)商務(wù)網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)Fieldbus以太網(wǎng)以太網(wǎng)以太網(wǎng)FFFF“web”“web”鏈路設(shè)備1.3.1 FCS的基本概念的基本概念現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)1.3.2 現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)1.現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)2.現(xiàn)場設(shè)備互連3.互操作性4.分

2、散功能塊5.通信線供電6.開放式互連網(wǎng)絡(luò)7.現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性1現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò) 用于過程以及制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的通信網(wǎng)絡(luò)。2現(xiàn)場設(shè)備互連 現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器和執(zhí)行器等，這些設(shè)備通過一對傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線雙絞線、同軸電纜同軸電纜、光纖光纖和電源線電源線等，并可根據(jù)需要因地制宜地選擇不同類型的傳輸介質(zhì)。3互操作性 這里的互可操作性，是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實(shí)行點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互用?，F(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表種類繁多，沒有任何一家制造商可以提供一個工廠所需的

3、全部現(xiàn)場設(shè)備，所以，互相連接不同制造商的產(chǎn)品是不可避免的?，F(xiàn)場設(shè)備互連是基本的要求，只有實(shí)現(xiàn)互操作性，用戶才能自由地集成FCS。例如，汽車機(jī)械制造設(shè)備，電氣自動化設(shè)備。4分散功能塊 FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。由于功能塊分散在多臺現(xiàn)場儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)，供用戶靈活選用各種功能塊，構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制。5通信線供電 通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量，對于要求本征安全的低功耗現(xiàn)場儀表，可采用這種供電方式。6開放式互連網(wǎng)絡(luò)開放是指對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開性，強(qiáng)調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與遵從?，F(xiàn)場

4、總線為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，它既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享。7. 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性它將傳感測量、補(bǔ)償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。1.3.3 現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)現(xiàn)場總線打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對一的設(shè)備連線，按控制回路分別進(jìn)行連接?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由于采用數(shù)字信號替代模擬信號，因而可實(shí)現(xiàn)一對電線上傳輸多個信號，如運(yùn)行參數(shù)值、多個設(shè)備狀態(tài)、故障信息等。用一根通信線直接互連用一根通信線直接互連N N個現(xiàn)場設(shè)備，個現(xiàn)場設(shè)備，從而構(gòu)成了現(xiàn)場設(shè)

5、備的互連網(wǎng)絡(luò)。 離 散 量 /模 擬 量輸 入 / 輸出設(shè)備指示燈：狀態(tài)指示光電傳感器：檢測開關(guān)操作員接口 ：輸入操作命令 閥和交流驅(qū)動器：執(zhí)行器，輸出設(shè)備 變送器（傳感器）：輸入設(shè)備控制器：主站、從站 人機(jī)界面 ：輸入/輸出設(shè)備參數(shù)、命令、顯示 FCS與DCS結(jié)構(gòu)比較PROFIBUS-DPH1DeviceNet現(xiàn)場總線現(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)橋LonWorks現(xiàn)場總線CANBUS服務(wù)器LAN操作站420mALAN傳統(tǒng)的模擬儀表控制站操作站n現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)（如DCS）結(jié)構(gòu)對比如圖所示。1.3.4 現(xiàn)場總線的發(fā)展與趨勢 20世紀(jì)70年代，數(shù)字式計算機(jī)引入到測控系統(tǒng)中，而此時的

6、計算機(jī)提供的是集中式控制處理。） 20世紀(jì)80年代微處理器在控制領(lǐng)域得到應(yīng)用，微處理器被嵌入到各種儀器設(shè)備中，形成了分布式控制系統(tǒng)。）現(xiàn)場總線的產(chǎn)生 從集中控制走向分散控制 從DCS走向FCS 從集團(tuán)協(xié)議走向國際標(biāo)準(zhǔn) 從國外走向國內(nèi)智能設(shè)備以微處理器微處理器為核心，實(shí)施信息采集、顯示、處理、傳輸及優(yōu)化控制等功能。一些具有專家輔助推斷分析與決策能力的數(shù)字式智能化儀表產(chǎn)品，其本身具備了諸如自動量程轉(zhuǎn)換、自動調(diào)零、自校正、自診斷等功能，還能提供故障診斷、歷史信息報告、狀態(tài)報告、趨勢圖等功能。另外，從實(shí)際應(yīng)用的角度，控制界也不斷在控制精度、可操作性、可維護(hù)性、可移植性等方面提出新需求。由此，導(dǎo)致了現(xiàn)場

7、總線的產(chǎn)生?；诂F(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)（FCS），將是繼DCS后的又一代控制系統(tǒng)。FCS的分散功能塊控制方案 操作站LAN服務(wù)器FTFGAI110差壓變送器模擬量輸入功能塊現(xiàn)場總線PID功能控制塊調(diào)節(jié)閥模擬量輸出功能塊PID110AO110新一代FCS控制器 操作站LAN服務(wù)器124H2現(xiàn)場總線現(xiàn)場設(shè)備32H1現(xiàn)場總線現(xiàn)場設(shè)備32H1現(xiàn)場總線現(xiàn)場設(shè)備H1H1H1H1H2網(wǎng)橋4-20mAP.S.現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線P.S.現(xiàn)場總線設(shè)備在總線上并聯(lián)連接現(xiàn)場總線設(shè)備在總線上并聯(lián)連接 ，所有設(shè)備通過總線所有設(shè)備通過總線接收、發(fā)送數(shù)字信號接收、發(fā)送數(shù)字信號現(xiàn)場總線設(shè)備可以向網(wǎng)絡(luò)上其它設(shè)備提供任意多信息現(xiàn)場

8、總線設(shè)備可以向網(wǎng)絡(luò)上其它設(shè)備提供任意多信息總線具有循環(huán)冗余檢錯的總線具有循環(huán)冗余檢錯的(CRC)功能功能 ，可以保證接收，可以保證接收設(shè)備獲得正確數(shù)據(jù)設(shè)備獲得正確數(shù)據(jù)多節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場總線無需點(diǎn)對點(diǎn)的布線多節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場總線無需點(diǎn)對點(diǎn)的布線國際電工技術(shù)委員會/國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（IEC/ISA）自1984年起著手現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)工作，但統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)至今仍未完成。1多種總線共存現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158中采用了8種協(xié)議類型，以及其他一些現(xiàn)場總線。每種總線都有其產(chǎn)生的背景和應(yīng)用領(lǐng)域。幾類有影響的現(xiàn)場總線2每種總線各有其應(yīng)用領(lǐng)域每種總線都力圖拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，以擴(kuò)張其勢力范圍。在一定應(yīng)用領(lǐng)域中已取得良好業(yè)績的總線，往往會

9、進(jìn)一步根據(jù)需要向其他領(lǐng)域發(fā)展。如PROFIBUS在DP的基礎(chǔ)上又開發(fā)出PA，以適用于流程工業(yè)。3每種總線各有其國際組織大多數(shù)總線都成立了相應(yīng)的國際組織，力圖在制造商和用戶中創(chuàng)造影響，以取得更多方面的支持，同時也想顯示出其技術(shù)是開放的。4每種總線均有其支持背景每種總線都以一個或幾個大型跨國公司為背景，公司的利益與總線的發(fā)展息息相關(guān)，如PROFIBUS以Siemens公司為主要支持，ControlNet以Rockwell公司為主要背景，WorldFIP以Alstom公司為主要后臺。1.3.5 現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域汽車總裝生產(chǎn)線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)汽車總裝生產(chǎn)線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 1.3.5

10、現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域1.3.5 現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域大豆分離蛋白現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)大豆分離蛋白現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 1.3.5 現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域基于現(xiàn)場總線的基于現(xiàn)場總線的企業(yè)能源計量系統(tǒng)能源計量系統(tǒng) 1.3.5 現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域 上海世博園區(qū)配電網(wǎng)現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)配置圖打印機(jī)后臺系統(tǒng)站控單元GPS 調(diào)度中心間隔1保護(hù)測控單元間隔2保護(hù)測控單元間隔3保護(hù)測控單元間隔n保護(hù)測控單元其它智能裝置CT PT數(shù)字量控制輸出CT PTCT PTCT PT數(shù)字量數(shù)字量數(shù)字量控制輸出控制輸出控制輸出 1.3.5 現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域低壓開關(guān)柜傳統(tǒng)

11、方式與現(xiàn)場總線智能化方式的比較低壓開關(guān)柜傳統(tǒng)方式與現(xiàn)場總線智能化方式的比較 1.3.5 現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域基于以太網(wǎng)的CBZ-8000變電站自動化系統(tǒng) 1.3.5 現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)場總線應(yīng)用領(lǐng)域基于現(xiàn)場總線的配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)基于現(xiàn)場總線的配電網(wǎng)自動化系統(tǒng) 1.4 DCS、PLC及及FCS之間的差異之間的差異1.4.1 PLC簡介PLC （Programmable Logic Controller） 是一種工業(yè)控制裝置。 是在電器控制技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，將自動化技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)控制裝置?？删幊绦蚩刂破鞯挠?/p>

12、來可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱為PLC。也稱可編程序控制器(Programmable Controller)簡稱為PC 。 1968年美國最大的汽車制造廠家通用汽車公司(GM)提出了研制可編程序控制器的基本設(shè)想，即 (1)能用于工業(yè)現(xiàn)場。 (2)能改變其控制“邏輯”，而不需變動組成的元件和內(nèi)部接線。 (3)出現(xiàn)故障時易于診斷和維修。 1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出了世界上第一臺PLC。 PLC特點(diǎn)1.編程方法簡單易學(xué)2.功能強(qiáng)，性能價格比高3.硬件配套齊全用戶使用方便。適應(yīng)性強(qiáng)4.可靠性高?？垢蓴_能力強(qiáng) 5.系統(tǒng)的設(shè)計、安

13、裝、調(diào)試工作量少 6.維修工作量小，維修方便7.體積小，能耗低 可編程序控制器的應(yīng)用領(lǐng)域1.數(shù)字量邏輯控制2.運(yùn)動控制3.閉環(huán)過程控制4.數(shù)據(jù)處理5.通信聯(lián)網(wǎng)PLC應(yīng)用舉例傳送帶生產(chǎn)線控制傳送帶生產(chǎn)線控制灌裝及包裝機(jī)械灌裝及包裝機(jī)械木材加工木材加工電梯控制電梯控制空調(diào)控制空調(diào)控制紡織機(jī)械紡織機(jī)械印刷機(jī)械印刷機(jī)械PLC控制系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)的區(qū)別控制方法上： 硬 ： 軟工作方式上： 并行工作方式 ： 串行工作方式控制速度上： 速度 慢 ： 快 定時和計數(shù)控制上： 精度 低 ： 高 可靠性和可維護(hù)性上： 可靠性 低 ： 高PLC三大流派 自從第一臺PLC出現(xiàn)以后，日本、德國、法國等也相繼開始研制P

14、LC，并得到了迅速的發(fā)展。各國PLC都有自己的特色。 歐洲：西門子（Siemens）；施奈德（Schneider） 法國的TE（Telemecanique） 美國：A-B（Allen-Bradly）、GE（General Electric） 日本：三菱電機(jī)（Mitsubishi Electric）、 歐姆龍（OMRON）、 FUJI （日本主要發(fā)展中小型PLC，其小型機(jī)性能先進(jìn)，結(jié)構(gòu)緊湊，價格便宜） 目前國內(nèi)市場還有韓國、臺灣等PLC產(chǎn)品。 現(xiàn)在國內(nèi)自動化企業(yè)也開始生產(chǎn)PLC，如北京和利時等。圖例： 西門子S7-300圖例：GE Fanuc PLCDCSDCSPLCPLC硬件上位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、控制

15、器、I/O接口、現(xiàn)場儀表等單一的控制器軟件上位機(jī)組態(tài)軟件、控制器編程軟件、通訊接口軟件、操作及設(shè)計畫面人機(jī)接口軟件等控制器編程軟件運(yùn)算周期相對長由于點(diǎn)數(shù)少，周期快特點(diǎn)分布式控制，全局性，控制回路大順序掃描機(jī)制，以時間基準(zhǔn)的控制，用于單一控制單元小系統(tǒng)1.4.2 FCS區(qū)別于DCS的特點(diǎn)系統(tǒng)的開放性、互用性擺脫了傳統(tǒng)常規(guī)模擬儀表的束縛在各個層次上都采用了數(shù)字通信技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散數(shù)字儀表在生產(chǎn)現(xiàn)場構(gòu)成虛擬控制站(Virtual control station)FCS與DCS的對比1.結(jié)構(gòu)FCS: 一對多：一對傳輸線接多臺儀表，雙向傳輸多個信號DCS: 一對一：一對傳輸線接一臺儀表，單向傳輸一

16、個信號2.可靠性FCS: 可靠性好：數(shù)字信號傳輸抗干擾能力強(qiáng)，精度高；DCS: 可靠性差：模擬信號傳輸不僅精度低，而且容易受干擾3.失控狀態(tài)FCS: 操作員在控制室既可以了解現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表的工作狀況，也能對設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，還可以預(yù)測或?qū)ふ夜收?，使設(shè)備始終處于操作員的遠(yuǎn)程監(jiān)視與可控狀態(tài)之中；DCS:操作員在控制室既不能了解模擬儀表的工作狀態(tài)，也不能對其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，更不能預(yù)測故障，導(dǎo)致操作員對儀表處于“失控”狀態(tài)FCS與DCS的對比4.互換性FCS: 用戶可以自由選擇不同制造商提供的性能價格比最優(yōu)的現(xiàn)場設(shè)備和儀表，并將不同品牌的儀表互連；DCS:盡管模擬儀表統(tǒng)一了信號標(biāo)準(zhǔn)(4-20mA D

17、C)，可大部分參數(shù)仍由制造廠自定，致使不同品牌的儀表互換難度較大5.儀表FCS: 智能儀表，除了具有模擬儀表的檢測、變換、補(bǔ)償?shù)裙δ芡猓€具有數(shù)字通信能力，并且具有控制和運(yùn)算的能力；DCS: 模擬儀表只具有檢測、變換、補(bǔ)償?shù)裙δ?.控制FCS: 控制功能分散在各個智能儀表中；DCS: 所有控制功能集中在控制站中FCSFCS和和DCSDCS的詳細(xì)對比：的詳細(xì)對比：FCSFCSDCSDCS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)一對多：一對傳輸線接多臺儀表，雙向一對多：一對傳輸線接多臺儀表，雙向傳輸多個信號。傳輸多個信號。一對一：一對傳輸線接一臺儀表，一對一：一對傳輸線接一臺儀表，單向傳輸一個信號。單向傳輸一個信號?？煽啃钥煽啃?/p>

18、可靠性好：數(shù)字信號傳輸抗干擾能力可靠性好：數(shù)字信號傳輸抗干擾能力 強(qiáng)，精度高。強(qiáng)，精度高?？煽啃圆睿耗M信號傳輸不僅精可靠性差：模擬信號傳輸不僅精 度低，而且容易受干擾度低，而且容易受干擾 失控失控 狀態(tài)狀態(tài)操作員在控制室既可以了解現(xiàn)場設(shè)備過操作員在控制室既可以了解現(xiàn)場設(shè)備過現(xiàn)場儀表的工作情況，也能對設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場儀表的工作情況，也能對設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，還可以預(yù)測或?qū)ふ夜收希箙?shù)調(diào)整，還可以預(yù)測或?qū)ふ夜收?，使設(shè)備始終處于操作員的過程監(jiān)控與可控設(shè)備始終處于操作員的過程監(jiān)控與可控狀態(tài)之中。狀態(tài)之中。操作員在控制室既不了解模擬儀操作員在控制室既不了解模擬儀表的工作情況，也不能對其進(jìn)行表的工作情況，也不能對其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，更不能預(yù)測故障，導(dǎo)參數(shù)調(diào)整，更不能預(yù)測故障，導(dǎo)致操作員對儀表處于致操作員對儀表處于“失控失控”狀狀態(tài)態(tài) 控制控制控制功能分散在各個智能儀器中。控制功能分散在各個智能儀器中。所有控制功能集中在控制站中所有控制功能集中在控制站中互換性互換性用戶可以自由選擇不同制造商提供的性用戶可以自由選擇不同制造商提供的性能價格比最優(yōu)的現(xiàn)場設(shè)備和儀表，并將能價格比最